CN110531332B

CN110531332B - 一种基于分段门限的低空慢速小目标检测方法

Info

Publication number: CN110531332B
Application number: CN201910587797.2A
Authority: CN
Inventors: 张鑫; 李筱琳; 刘松
Original assignee: Leihua Electronic Technology Research Institute Aviation Industry Corp of China
Current assignee: WUXI LEIHUA TECHNOLOGY CO LTD
Priority date: 2019-07-02
Filing date: 2019-07-02
Publication date: 2023-02-21
Anticipated expiration: 2039-07-02
Also published as: CN110531332A

Abstract

公开一种基于分段门限的低空慢速小目标检测方法，包括：步骤1：将锯齿波差频信号进行快时域的快速傅里叶变换；步骤2：将步骤1的结果进行固定杂波对消MTI处理；步骤3：进行慢时域快速傅里叶变换，形成距离‑速度二维信号频谱，对信号频谱求模处理，得到被检测单元模值M(k,l)；步骤4：计算被检测单元模值的二维滑窗背景值Y(k,l)；步骤5：根据最大探测距离，将距离向分成n段，判断待检测距离门号属于哪个距离段，选用该距离段的固定门限K_b；步骤6：判断如果M(k,l)＞K_a×Y(k,l)并且M(k,l)＞K_b则判定被检测单元的信号幅度过门限，存在目标，否则不存在目标。

Description

一种基于分段门限的低空慢速小目标检测方法

技术领域

本发明属于调频连续波雷达探测领域，涉及一种基于分段门限的低空慢速小目标检测方法。

背景技术

连续波雷达是连续发射电磁波的雷达，发射信号是非调制的,多频率的,或频率经过调制的。非调制(单一频率)连续波雷达通过测量运动物体的多普勒频移来计算物体的运动速度，能对相当距离范围内的具有任何速度的目标进行测速。非调制连续波雷达对目标只能测速不能测距。不过可通过适当的调制载波来同时得到目标的距离和速度信息，即适当调制信号的频率和相位并经过对回波的数字信号处理来获得距离和速度信息。调制连续波雷达都能测距，多频连续波雷达还可以区分出活动目标和静止目标。调频连续波雷达能测量活动目标的距离和速度信息。连续波雷达主要用于测高、近炸引信、多普勒导航、目标搜索跟踪和识别、交通管制、战场监视、导弹制导等方面。连续波体制雷达发射功率在一段时间内分配比较平均，功率不随时间明显变化。连续波雷达的发射频谱窄，电路简单；峰值功率小，更容易和简单的固态发射机兼容。由于连续波雷达不停的发射和接收电磁波，除了几乎无距离盲区的优点，同时也带来了发射电磁波直接泄漏到接收端造成的干扰和发射机本振信号直接泄漏到接收机的低噪声放大器或放大链路上的这些缺陷，会造成有源器件提前饱和，混频损耗增大，放大器增益降低。

传统调频连续波采用多周期锯齿波进行目标检测的算法流程，通过对回波差频信号做快时域的FFT、固定杂波对消MTI和慢时域的FFT形成的差频-多普勒维矩阵进行二维CFAR处理，求解目标的距离和速度；一般二维CFAR处理使用单元平均恒虚警检测方法(CA-CFAR)，滑窗滤波器由检测单元、保护单元和参考单元组成，检测单元和保护单元的权值系数设置为0，参考单元的权值系数设置为1，将二维矩阵按照固定的滑窗长度在两个维度上进行滑窗求背景值，作为检测单元邻近噪声功率的估计值；检测单元与一个固定噪声系数值以及噪声功率乘上一个由虚警概率和噪声统计特性确定的门限系数后通过比较器比较，判定当前检测单元是否为目标。此方法实现简单，运算量小，适用于均匀噪声背景下的目标检测；若差频信号在快时域(距离向)各段底噪由于旁瓣原因呈现非均匀状态，速度维由于固定杂波展宽及低速干扰群目标的影响，在低频段噪声抬高，从而导致错检或者漏检慢速小目标。实际应用中，慢速目标常常出现，作为入侵躲避雷达系统探测的方式，所以普通的单元平均恒虚警检测方法，无法满足系统对慢速小目标的探测需要。

发明内容

为了提升低空慢速小目标雷达目标检测效果，本发明提出一种基于分段门限的低空慢速小目标检测方法。该方法在二维CFAR的频率向滑窗处理时，根据不同的速度范围采用不同的滑窗长度，有效地避免了固定杂波展宽对低速合作目标检测的干扰；在对检测单元的判定过程中，根据检测单元所在距离门号，选择对应的固定门限，有效解决了近距固定门限设置过低，导致虚警率上升，远距离固定门限设置过高，损失信噪比，导致最大探测距离不够的问题，提高了对慢速小目标的检测成功率；另外此方法使用优化设计的DSP矢量运算函数，提高了运算效率，满足雷达实时处理的要求。

具体地，根据本发明的一个方面，提供了一种基于分段门限的低空慢速小目标检测方法，包括如下步骤：

步骤1：将差频信号进行快时域的快速傅里叶变换；

步骤2：将步骤1的结果进行固定杂波对消MTI处理；

步骤3：进行慢时域快速傅里叶变换，形成距离-速度二维信号频谱，对信号频谱求模处理，得到被检测单元模值M(k,l)，k＝距离门号，l＝滤波器号；

步骤4：计算被检测单元的二维滑窗背景值Y(k,l)，计算所述滑窗背景值Y(k,l)包括针对不同的目标移动速度设置不同的滑窗长度，所述滑窗包括左半滑窗、右半滑窗以及左右全窗滑动；

步骤5：根据最大探测距离，将距离向分成n段，判断待检测距离门号属于哪个距离段，选用该距离段的固定门限K_b；

步骤6：判断如果M(k,l)＞K_a×Y(k,l)并且M(k,l)＞K_b则判定被检测单元的信号幅度过门限，存在目标，否则不存在目标，其中K_a为浮动门限。

根据一个实施例，所述滑窗背景值被计算如下：

其中：Y(k,l)为被检测单元的滑窗背景值，Rwidth＝2*(距离参考单元+距离保护单元)，Fwidth＝2*(频率参考单元+频率保护单元)，Rwb＝2*距离保护单元，Fwb＝2*频率保护单元，a,b和c为正整数。

根据一个实施例，在所述滑窗中，距离参考单元的数值被设置为1，距离保护单元的值被设置为0，频率参考单元的值被设置为1，并且频率保护单元的值被设置为0。

根据一个实施例，所述左半滑窗和右半滑窗仅在所述滑窗的一侧包含参考单元，并且所述左右全窗滑动在其两侧包含参考单元。

根据一个实施例，所述参考单元的值被设置为1。

根据一个实施例，所述固定门限K_b根据待检测距离门号不同，并且所述固定门限K_b与系统的信噪比相关。

根据本发明的方法通过对差频信号做快时域和慢时域FFT处理，并求模处理，形成的二维信号谱，在频率向滑窗处理时，根据不同的速度范围采用不同的滑窗长度，有效地避免了固定杂波展宽对低速合作目标检测的干扰；在对检测单元的判定过程中，根据检测单元所在距离门号，选择对应的固定门限，有效解决了近距固定门限设置过低，导致虚警率上升，远距离固定门限设置过高，损失信噪比，导致最大探测距离不够的问题；另外，本发明提出的检测方法中，滑窗处理、向量间的相乘和比较判决等都使用优化设计的向量运算函数，算法运算效率高，满足雷达数据实时处理的要求。

参考附图，根据以下对示例性实施例的描述，本发明的其他特征将变得清楚。

附图说明

图1是多周期锯齿波形示意图；

图2是距离向滑窗求和示意图；

图3是频率向分段滑窗求和示意图；

图4是距离-功率轴局部放大示意图；

图5是距离-速度轴局部放大示意图。

具体实施方式

以下，参考附图描述根据本发明的实施例，但是应当理解，以下的描述仅仅是示例性的，并且不是要将本发明限制到以下实施例。

根据本发明的方法和设备易受许多变化的影响，为了清楚而简要的描述，方法和设备的许多描述被简化了。许多描述使用了特定标准的结构和术语。然而，所公开的方法和设备可以更广泛地应用。

本领域的技术人员将理解，结合此处公开的实施例所描述的各种示例性的逻辑框、模块、单元和算法步骤可以经常被实施为电子硬件、计算机软件或两者的结合。为了清楚地示出硬件与软件的这一互换性，以下对于各种示例性的组件、框、模块和步骤就其功能进行了整体的描述。这样的功能被实施为硬件还是软件，取决于施加在系统整体上的具体的约束。技术人员可以对于各个具体的系统以不同的方式实施所描述的功能，但这样的实施方式决策不应被解释为导致偏离本发明的范围。此外，单元、模块、框或步骤的功能分组是为了描述简单。具体的功能或步骤可以从一个单元、模块或框移出，而不偏离本发明。

提供对公开的实施方式的以下描述，以使得本领域的任何技术人员能够完成或使用本发明。对这些实施例的各种修改对于本领域的技术人员将是显然的，并且此处所描述的一般原理可以被应用于其它实施例，而不偏离本发明的精神或范围。因此，本技术不限于以下所描述的具体示例。因此，应理解此处给出的说明书和附图代表本发明目前优选的实施方式，并因此代表了由本发明广泛地构想的主题。进一步地，应理解本发明的范围充分地包含其它对本领域的技术人员可能是显然的实施方式，并且因此，本发明的范围只由所附的权利要求限制。

下面通过具体的实施方式对本发明做进一步的说明。

根据本发明的基于分段门限的低空慢速小目标检测方法包括以下步骤：

步骤1：将差频信号进行快时域的快速傅里叶变换；

步骤2：将步骤1结果进行固定杂波对消处理(MTI处理)；

步骤4：计算被检测单元的二维滑窗背景值

其中：Y(k,l)＝被检测单元的滑窗背景值，Rwidth＝2*(距离参考单元+距离保护单元)，Fwidth＝2*(频率参考单元+频率保护单元)，Rwb＝2*距离保护单元，Fwb＝2*频率保护单元，其中a,b和c代表不同的正整数，并且式(1)、(2)和(3)指示对滑窗背景值的分段。

步骤6：判断如果M(k,l)>K_a×Y(k,l)并且M(k,l)>K_b则判定被检测单元的信号幅度过门限，存在目标，否则不存在目标，其中K_a为浮动门限。

以下，以具体的示例描述根据本发明的方法。

发射信号采用锯齿波波形，如图1所示；雷达参数：调频周期T＝T1+T2＝150us+10us＝160us，锯齿波个数N＝257，采样率Fs＝10MHz，带宽B＝15MHz，波长λ＝0.02m，RCS≤0.01m²设置场景为检测三个匀速运动目标，距离分别为(100m，200m，1000m)，速度均为0.5m/s，距离分辨率为7.32m，速度分辨率为0.23m/s，最大探测距离2Km，体现在二维距离-速度信号谱对应坐标为目标1(14,2)，目标2(28,2)，目标3(137,2)。

步骤1：将差频信号进行快时域的快速傅里叶变换；

步骤2：将步骤1结果进行固定杂波对消处理(MTI处理)，脉冲个数由257变成256；

步骤3：进行慢时域快速傅里叶变换，形成距离-速度二维信号频谱，对信号频谱求模处理，得到被检测单元模值M(k,l)，k＝1～2048，l＝1～256；

步骤4：计算被检测单元的二维滑窗背景值，如图2和图3所示，频率门小于2并且大于254时不检测，频率门介于2～8采用右半窗滑动求背景值，

频率门介于9～248采用左右全窗滑动求背景值，

频率门介于249～254采用左半窗滑动求背景值，

步骤5：分距离段采用不同的固定门限K_b，距离小于35m不检测，距离介于35～70m：K_b＝115dB，距离介于70m～350m：K_b＝105dB，距离介于350m～750m：K_b＝95dB，距离介于750m～1250m：K_b＝88dB，距离大于1250m：K_b＝85dB；

步骤6：判断如果M(k,l)>K_a×Y(k,l)并且M(k,l)>K_b则判定被检测单元的信号幅度过门限，存在目标，否则不存在目标，其中，K_a为浮动门限。

如图4所示，若采用统一的固定门限K_b，K_b值过高会导致目标3漏检，K_b值过低导致近距虚警目标明显增加；如图5所示，在速度边界，若仍然采用左右全窗滑动求背景，会导致背景值失真，从而漏检低速目标；使用本发明提供的基于分段门限的低空慢速小目标检测方法，目标1、目标2和目标3均被成功检测，并且虚警率大大降低。说明本发明提供的低空慢速小目标检测方法可以有效地提高慢速小目标的检测效果，提升雷达的低空慢速小目标检测能力。

本发明的一个或多个实施例也可以由读出并执行在存储介质(其也可被更完整地称作‘非瞬时计算机可读存储介质’)上记录的计算机可执行指令(例如，一个或多个程序)以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能和/或包括用于执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能的一个或多个电路(例如，专用集成电路(ASIC))的系统或装置的计算机来实现，以及通过由系统或装置的计算机例如通过读出并执行来自存储介质的计算机可执行指令以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能并且/或者控制一个或多个电路以执行上述实施例中的一个或多个实施例的功能来执行的方法来实现。计算机可以包括一个或多个处理器(例如，中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU))并且可以包括用来读出并执行计算机可执行指令的单独计算机或单独处理器的网络。计算机可执行指令可以例如从网络或者存储介质被提供给计算机。存储介质可以包括例如硬盘、随机存取存储器(RAM)、只读存储器(ROM)、分布式计算系统的存储装置、光盘(诸如紧凑盘(CD)、数字多用途盘(DVD)或者蓝光盘(BD)TM)、闪存装置、存储卡等中的一个或多个。

本发明的实施例还可以通过如下的方法来实现，即，通过网络或者各种存储介质将执行上述实施例的功能的软件(程序)提供给系统或装置，该系统或装置的计算机或是中央处理单元(CPU)、微处理单元(MPU)读出并执行程序的方法。

虽然已经参考示例性实施例描述了本发明，但是应该理解，本发明不限于所公开的示例性实施例。所附权利要求的范围应被赋予最宽泛的解释以涵盖所有这些修改以及等同的结构和功能。

Claims

1.一种基于分段门限的低空慢速小目标检测方法，包括如下步骤：

步骤1：将差频信号进行快时域的快速傅里叶变换；

步骤2：将步骤1的结果进行固定杂波对消MTI处理；

步骤6：判断如果M(k,l)＞K a×Y(k,l)并且M(k,l)＞K_b则判定被检测单元的信号幅度过门限，存在目标，否则不存在目标，其中K_a为浮动门限。

2.根据权利要求1所述的基于分段门限的低空慢速小目标检测方法，其特征在于，所述滑窗背景值被计算如下：

其中：发射信号为锯齿波，波的个数以N表示，Y(k,l)为被检测单元的滑窗背景值，Rwidth＝2*(距离参考单元+距离保护单元)，Fwidth＝2*(频率参考单元+频率保护单元)，Rwb＝2*距离保护单元，Fwb＝2*频率保护单元，a,b和c为正整数。

3.根据权利要求2所述的基于分段门限的低空慢速小目标检测方法，其特征在于，在所述滑窗中，距离参考单元的数值被设置为1，距离保护单元的值被设置为0，频率参考单元的值被设置为1，并且频率保护单元的值被设置为0。

4.根据权利要求1所述的基于分段门限的低空慢速小目标检测方法，其特征在于，所述左半滑窗和右半滑窗仅在所述滑窗的一侧包含参考单元，并且所述左右全窗滑动在其两侧包含参考单元。

5.根据权利要求4所述的基于分段门限的低空慢速小目标检测方法，其特征在于，所述参考单元的值被设置为1。

6.根据权利要求1所述的基于分段门限的低空慢速小目标检测方法，其特征在于，所述固定门限K_b根据待检测距离门号不同，并且所述固定门限K_b与系统的信噪比相关。