CN104237866B - 一种改进的船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了信号处理领域中一种改进的船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法。该方法使用每个距离单元多普勒处理后各多普勒通道能量最大值作为二维参考窗的输入；通过两次判决，第一次判决初步区分目标和背景，第二次判决前，在计算距离单元的能量平均值时，剔除经第一判决为目标的单元。该方法相对于传统的CA_CFAR，避免了相邻目标的互相遮蔽的缺点，同时保留了其计算复杂度低的优点，兼顾了检测性能和软硬件实现成本的要求。

Description

一种改进的船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法

技术领域

本方法属于信号处理领域，尤其涉及一种恒虚警检测方法。

技术背景

真实雷达杂波强度随时间、距离和方位变化，采用固定门限，将导致漏检率或虚警率过高；现代雷达多采用恒虚警检测器，使检测门限随背景噪声、杂波以及干扰自适应地调整，确保虚警率恒定。恒虚警率检测器的设计关键在于检测门限自适应调整的方法。

通常采用的CA(Cell Average，单元平均)-CFAR恒虚警检测算法，对被检测单元附近单元(称为参考单元)能量求和，并除以参考单元数来估计杂波与噪声能量均值Z，然后乘以一个与检测门限有关的常数K，得到自适应的检测门限U。该方法作为最初的CFAR算法，复杂度低，适合于低成本实现，且相对于固定门限检测方法，检测性能大幅提升。但该方法中目标会抬高门限，使两个或更多目标距离较近时，存在目标遮蔽效应，导致部分目标不能被检测。此外通常的一维滑窗未能充分利用信号的局部信息，使门限的估计不够准确，同时会导致一定程度的CFAR性能损失。

为提高CFAR的鲁棒性，OS-CFAR等被提出来，这些算法显著提升了检测算法的自适应能力，从而使检测性能更加鲁棒。但这些算法以计算量的增加为代价，如OS-CFAR需要进行排序统计，比CA-CFAR的均值计算要复杂的多，所以OS-CFAR等鲁棒算法不适合低成本实现。

所谓LFMCW(Linear Frequency Modulated Continuous Wave)雷达是指发射信号为线性调频连续波信号的雷达。目标回波与发射波形混频将得到单频点的正弦波形，如图1所示。其频率与距离成正比，利用这一点可以测量目标速度。

LFMCW发射信号可以表示为：

其中B为调制带宽，τ为调制时间，f₀为载波频率，θ₀为初始相位，T_m为信号周期。

接收到的天线信号为所有被照射的目标回波与噪声的叠加，该计算基于以下公式：

其中：R为目标距离，vr为目标径向速度，n_r(t)为噪声。

将接收信号与发射信号进行共轭相乘，得到差拍信号，该计算基于以下公式：

忽略高阶项，差拍信号的相位的表示基于以下公式：

令为上扫频的差拍信号频率。

其中：为多普勒项，与距离成正比的距离项。

一般f_id＜＜f_iR，f_ib≈f_iR，对于船载导航雷达，当通过测量频率测量目标距离时f_id可以忽略，从而有差拍信号的计算基于以下公式：

b_i(t)＝A_sA_r(t)exp(-j2πf_idnT_m)exp(j2πf_ib(t-nT_m)),nT_m≤t＜nT_m+τ

其中，A_r ^*(t)表示由于天线扫描造成的幅度的变化，令该项为多普勒频率造成的初始相位变化。差拍信号为复正弦信号与噪声的叠加，该计算基于以下公式：

b_i(t+nT_m)＝exp(-j2πf_idnT_m)b_i(t)

即第i目标不同周期的差拍信号相差一个线性相位，且该相位与多普勒频率(速度)成正比。

通过采样离散化后，差拍信号可以表示为：

其中，T_s为采样周期。

船载调频连续波雷达的处理流程如图2所示，包括加窗FFT、多普勒处理、恒虚警检测(CFAR)。

由上述可知，目标回波的差拍信号包含复正弦信号叠加，傅里叶变换将对目标信号产生信号处理增益，并在频域产生峰值。此外峰值所在的频率与目标和雷达距离成正比，通过在距离向检测复正弦分量不仅可以检测目标，还可以测量目标距离。加窗的目的是为了减小频谱泄漏，提高频谱的动态范围。各距离单元多普勒处理后的信号计算基于以下公式：

$U_n\left[k\right]=\underset{m=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{u}_n\left[m\right]\exp \left(\frac{j2\mathrm{k\πm}}{N}\right)$

其中N为距离向的FFT的长度。

由于同一目标相邻周期的信号之间的相位差与速度成正比，利用杂波的多普勒频率在处于直流附近，而噪声在各多普勒通道均匀分布的特点，对FFT后的频谱在方位向做FFT可以将目标、杂波噪声分离到不同多普勒通道(速度)，从而进一步提高信号处理增益。将C_n[k]＝max(|V_n[k][r]|²)作为CFAR输入。各距离单元多普勒处理后的信号计算基于以下公式：

$V_n\left[k\right]\left[r\right]=\underset{l=n-L/2}{\overset{l=n+L/2-1}{\mathrm{\Σ}}}{U}_l\left[k\right]\exp \left(\frac{j2\mathrm{r\πl}}{L}\right)$

其中L为方位向FFT的长度。

CFAR(Constant False Alarm Rate)处理：真实雷达杂波强度随时间、距离和方位变化，采用固定门限，将导致漏检率或虚警率过高；现代雷达多采用恒虚警检测器，使检测门限随背景噪声、杂波以及干扰自适应的调整，确保虚警率恒定。恒虚警率检测器的设计关键在于检测门限自适应调整的方法。

CA(Cell Average，单元平均)-CFAR作为最简单的恒虚警检测算法，对被检测单元附近单元(称为参考单元)能量求和，并除以参考单元数来估计杂波与噪声能量均值Z，并乘以一个与检测门限有关的常数K，得到自适应的检测门限U。该方法作为最初的CFAR算法，复杂度低，适合于低成本实现，且相对于固定门限检测方法，性能大幅提升。但该方法中目标会抬高门限，使两个或更多目标距离较近时，存在目标遮蔽效应，导致部分目标不能被检测。

为提高CFAR的鲁棒性，OS-CFAR等被提出来，这些算法显著提升了检测算法的自适应能力，从而时检测性能更加鲁棒。但这些算法以计算量的提升为代价，如OS-CFAR需要进行排序统计，比CA-CFAR的均值计算要复杂的多。所以OS-CFAR等鲁棒算法不适合低成本实现。

发明内容

针对上述背景，本文要解决的技术问题为：在保持算法的简单性基础上，避免或减弱多个目标相距较近时的目标遮蔽效应。

本发明主要是通过下述技术方案进行解决的：

一种改进的船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设定船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法所期望的恒虚警概率P_A；

步骤2、将雷达接收机接收到的各个回波扫描线上不同距离仓的回波经多普勒处理后得到各多普勒通道能量的最大值存入二维数据矩阵；

步骤3、令当前数据单元为二维参考窗的检测单元，在检测单元外围构建二维参考窗；

步骤4、利用二维参考窗对二维数据矩阵进行第一次遍历，并计算二维数据矩阵中的各个数据单元的第一次判决门限值，并根据第一次判决门限值进行第一次判决得到第一次判决目标和第一次判决非目标；

步骤5、从二维数据矩阵中剔除第一次判决目标对应的数据单元，得到修正后的二维数据矩阵；

步骤6、利用二维参考窗对修正后的二维数据矩阵进行再次遍历，并计算修正后的二维数据矩阵中的各个数据单元的第二次判决门限值；

步骤7，利用各个数据单元的第二次判决门限值对修正前的二维数据矩阵进行第二次判决，得到第二次判决目标。

如上所述的二维数据矩阵第i行，第j列的数据单元存放的数据x_i,j是雷达第i条回波扫描线第j个距离仓接收的回波经多普勒处理后各多普勒通道能量的最大值。

如上所述的二维参考窗由检测单元、保护单元和参考单元构成，参考单元设置在保护单元外围、保护单元设置在检测单元外围。

如上所述的第一次判决门限值的获得包括以下步骤：

计算检测单元所在的二维参考窗内参考单元所对应的二维数据矩阵中的数据单元的能量和，并除以参考单元数来计算杂波与噪声能量均值，对杂波与噪声能量均值乘以一个与恒虚警率P_A相关的标称化因子k，得到第一次判决门限值。

如上所述的第一次判决包括以下步骤：

将检测单元对应的数据单元中的能量值与第一次判决门限值进行比较，检测单元对应的数据单元中的能量值大于第一次判决门限值时，检测单元对应的数据单元为第一次判决目标，检测单元对应的数据单元中的能量值小于等于第一次判决门限值时，检测单元对应的数据单元为第一次判决非目标。

如上所述的剔除第一次判决目标对应的数据单元即为将第一次判决目标对应的数据单元设置为0值。

如上所述的第二次判决门限值的计算包括以下步骤：

计算二维参考窗内参考单元所对应的修正后的二维数据矩阵的数据单元的能量和，并除以参考单元的个数计算杂波与噪声能量均值，将杂波与噪声能量均值乘以修正后的标称化因子k*b/a，得到第二次判决门限值，其中b是当前二维参考窗的参考单元中在第一次判决被剔除的数据单元的个数，a是该二维参考窗中数据单元的总个数，k为与恒虚警率P_A相关的标称化因子。

如上所述的第二次判决包括以下步骤：

将检测单元对应的数据单元中的能量值与第二次判决门限值进行比较，检测单元对应的数据单元中的能量值大于第二次判决门限值时，检测单元对应的数据单元为第二次判决目标，检测单元对应的数据单元中的能量值小于等于门限时，该检测单元对应的数据单元是第二次判决非目标。

如上所述的P_A为10^-4～10^-5。

本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

1、采用二维参考窗可以使更多的临近单元参与阈值估计，有助于得到更准确的门限；

2、通过剔除第一次CA-CFAR检测出的目标，有效避免了大目标造成的门限升高导致对小目标的遮蔽效应。

附图说明

图1是LFM的调制信号和波形；

图2是LFMCW雷达信号处理流程；

图3是二维回波数据矩阵示意图；

图4是二维参考窗示意图；

图5是二维参考窗与二维数据矩阵对应关系示意图；

图6是本发明的算法与CA-CFAR对比图。

具体实施方式

下面通过实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步具体的说明。

一种改进的船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法，包括以下步骤：

步骤1，设定船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法所期望的恒虚警概率P_A。

步骤2，将雷达接收机接受到的各个回波扫描线上不同距离仓的回波经多普勒处理后得到各多普勒通道能量的最大值存入一个二维数据矩阵中，如图3所示。二维数据矩阵具有距离向、方位向两个维度，将二维数据矩阵的行向称为矩阵的距离向，将二维数据矩阵的列向称为矩阵的方位向，且该二维数据矩阵第i行，第j列的数据单元存放的数据x_i,j则是雷达第i条回波扫描线第j个距离仓接收的回波经多普勒处理后各多普勒通道能量的最大值。为便于表达，也成x_i,j为二维数据矩阵的数据单元。

步骤3，定义二维参考窗。二维参考窗是具有距离向和方位向两个维度，分别由检测单元、保护单元和参考单元构成的一个矩形数据块，如图4所示。二维参考窗的行向为二维参考窗的距离向，二维参考窗的列向为二维参考窗的方位向。二维参考窗的检测单元只有一个，用于检测该单元是否为目标。二维参考窗的保护单元在待检测单元的周围，不参与对检测单元附近的杂波和噪声的能量的估计，目的是避免在目标跨越多个距离单元时影响杂波和噪声的能量的估计。二维参考窗的参考单元在保护单元周围，用来估计检测单元附近的杂波和噪声的能量的估计。本方法中定义的二维参考窗为在距离向上距离检测单元小于w_a个距离单元，在方位向上距离检测单元小于w_b个距离单元并加上检测单元所构成的矩形区域，二维参考窗中在距离向上距离检测单元小于p_a个距离单元且在方位向上距离检测单元小于p_b个距离单元的区域内的数据单元称为保护单元，二维参考窗内保护单元和检测单元之外的数据单元均称为参考单元。实际构建二维参考窗时，为减小误差应尽量使得检测单元位于二维参考窗的几何中心位置。

步骤4，对二维数据矩阵按先距离向后方位向顺序，依次令当前数据单元x_i,j为二维参考窗的检测单元，在其周围构建步骤3所述二维参考窗，如图5所示。

步骤5，采用CA-CFAR对二维数据矩阵中的各个数据单元进行第一次判决，初步区分第一次判决目标和第一次判决非目标。计算步骤4中检测单元所在的二维参考窗内参考单元所对应的二维数据矩阵中的数据单元的能量和，并除以参考单元数来计算杂波与噪声能量均值，对杂波与噪声能量均值乘以一个与恒虚警率P_A(一般取10^-4～10^-5)相关的标称化因子k，得到第一次判决门限值。利用第一次判决门限值进行判决，将检测单元对应的数据单元中的能量值与第一次判决门限值进行比较，检测单元对应的数据单元中的能量值大于第一次判决门限值时，该检测单元判决为第一次判决目标，即该检测单元对应的二维数据矩阵中的数据单元为目标所在单元。检测单元对应的数据单元中的能量值小于等于第一次判决门限值时，该检测单元则不是目标，即该检测单元对应的二维数据矩阵中的数据单元不是目标所在单元。

步骤6，利用步骤5中判决结果，从二维数据矩阵中剔除第一次判决目标，得到修正后的二维数据矩阵，定义修正后的二维数据矩阵的数据单元的新值为y_i,j。这里的剔除是指将二维数据矩阵中被判决为目标的数据单元的能量值设为0。

步骤7，对修正后的二维数据矩阵按先距离向后方位向顺序，依次令当前数据单元y_i,j为二维参考窗的检测单元，建立步骤3所述的二维参考窗。

步骤8，利用步骤6中得到的修正后的二维数据矩阵来计算第二次判决门限值，对修正前的二维数据矩阵进行第二次判决，其具体步骤：计算步骤7中建立的二维参考窗内参考单元所对应的修正后的二维数据矩阵的数据单元的能量和，除以参考单元的个数来计算杂波与噪声能量均值，将杂波与噪声能量均值乘以修正后的标称化因子k*b/a，其中b是在当前二维参考窗中被剔除的参考单元的个数，a是该二维参考窗中数据单元的总个数，得到第二次判决门限值。利用第二次判决门限值对修正前的二维数据矩阵的数据单元进行第二次判决，将检测单元对应的数据单元中的能量值与第二次判决门限值进行比较，检测单元对应的数据单元中的能量值大于第二次判决门限值时，该检测单元判决为第二次判决目标，即该检测单元对应的二维数据矩阵中的数据单元为目标所在单元。检测单元对应的能量值小于等于门限时，该检测单元则不是目标，即该检测单元对应的二维数据矩阵中的数据单元不是目标所在单元。

第二次判决目标即为最终目标，有效避免了大目标造成的门限升高导致对小目标的遮蔽效应。

图6给出了本发明所述的恒虚警率检测方法与CA-CFAR检测效果的对比。

如上所述步骤5和步骤8中，进行第一次判决和第二次判决的基本方法是一样的，此处以步骤5中所述的第一次判决为例进行详细步骤说明，在第二次判决中将所有对第一次判决中检测单元x_i,j进行的运算换成对检测单元y_i,j的运算

即可，具体步骤如下：

步骤1，求判决门限值。对检测单元x_i,j所在二维参考窗的方位向上求二维参考窗内参考单元的能量和S_k,j，然后对每一个S_k,j在距离向上求对应的能量和H_i,j，除以二维参考窗的参考单元个数w_a·w_b-p_a·p_b得到所有参考单元的杂波与噪声的能量均值T_i,j。将T_i,j乘以一个与期望的恒虚警率P_A相关的常数k，得到与检测单元相对应的判决门限值G_i,j。

方位向二维参考窗内参考单元的能量和s_i,j的求解基于以下公式：

$s_{k,j}=\underset{p=j-w_b/2}{\overset{j+w_b/2}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{k,p}-\underset{p=j-p_b/2}{\overset{j+p_b/2}{\mathrm{\Σ}}}{x}_{k,p}$

每一个S_k,j在距离向上的能量和H_i,j的求解基于以下公式：

$H_{i,j}=\underset{k=i-w_a/2}{\overset{i+w_a/2}{\mathrm{\Σ}}}{C}_{k,j}$

所有参考单元的杂波与噪声的能量均值T_i,j的求解基于以下公式：

T_i,j＝H_i,j/(w_a·w_b-p_a·p_b)

与检测单元相对应的判决门限值G_i,j的求解基于以下公式：

G_i,j＝k*T_i,j

其中，k是一个被称为标称化因子的固定数，其与目标检测的恒虚警率P_A有关，具体关系计算基于以下公式：

$k=-{\ln }^{P_A}.$

步骤2，利用判决门限值进行判决，并标记目标。使每一个距离单元能量x_i,j与相应门限值G_i,j比较判决，判决结果I_i,j计算基于以下公式：

$I_{i,j}=\left\{\begin{array}{c}1,x_{i,j}>G_{i,j}\\ {0,x}_{i,j}\≤G_{i,j}\end{array}\right..$

如上所述的步骤6中，剔除第一次判决得到的目标单元的方法为：

对每一个标记为目标的距离单元x_i,j进行计算，得到相应距离单元的新值y_i,j，该计算基于以下公式：

y_i,j＝x_i,j-x_i,j*I_i,j。

本文中所描述的具体实施例仅仅是对本发明精神作举例说明。本发明所属技术领域的技术人员可以对所描述的具体实施例做各种各样的修改或补充或采用类似的方式替代，但并不会偏离本发明的精神或者超越所附权利要求书所定义的范围。

Claims (4)

1.一种改进的船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、设定船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法所期望的恒虚警概率P_A；

步骤2、将雷达接收机接收到的各个回波扫描线上不同距离仓的回波经多普勒处理后得到各多普勒通道能量的最大值存入二维数据矩阵；

步骤3、令当前数据单元为二维参考窗的检测单元，在检测单元外围构建二维参考窗；

步骤4、利用二维参考窗对二维数据矩阵进行第一次遍历，并计算二维数据矩阵中的各个数据单元的第一次判决门限值，并根据第一次判决门限值进行第一次判决得到第一次判决目标和第一次判决非目标；

二维参考窗由检测单元、保护单元和参考单元构成，参考单元设置在保护单元外围、保护单元设置在检测单元外围；

第一次判决门限值的获得包括以下步骤：

计算检测单元所在的二维参考窗内参考单元所对应的二维数据矩阵中的数据单元的能量和，并除以参考单元数来计算杂波与噪声能量均值，对杂波与噪声能量均值乘以一个与恒虚警概率P_A相关的标称化因子k，得到第一次判决门限值；

第一次判决包括以下步骤：

将检测单元对应的数据单元中的能量值与第一次判决门限值进行比较，检测单元对应的数据单元中的能量值大于第一次判决门限值时，检测单元对应的数据单元为第一次判决目标，检测单元对应的数据单元中的能量值小于等于第一次判决门限值时，检测单元对应的数据单元为第一次判决非目标；

步骤5、从二维数据矩阵中剔除第一次判决目标对应的数据单元，得到修正后的二维数据矩阵；

步骤6、利用二维参考窗对修正后的二维数据矩阵进行再次遍历，并计算修正后的二维数据矩阵中的各个数据单元的第二次判决门限值；

第二次判决门限值的计算包括以下步骤：

计算二维参考窗内参考单元所对应的修正后的二维数据矩阵的数据单元的能量和，并除以参考单元的个数计算杂波与噪声能量均值，将杂波与噪声能量均值乘以修正后的标称化因子k*b/a，得到第二次判决门限值，其中b是当前二维参考窗的参考单元中在第一次判决被剔除的数据单元的个数，a是该二维参考窗中数据单元的总个数，k为与恒虚警概率P_A相关的标称化因子；步骤7，利用各个数据单元的第二次判决门限值对修正前的二维数据矩阵进行第二次判决，得到第二次判决目标，

第二次判决包括以下步骤：

将检测单元对应的数据单元中的能量值与第二次判决门限值进行比较，检测单元对应的数据单元中的能量值大于第二次判决门限值时，检测单元对应的数据单元为第二次判决目标，检测单元对应的数据单元中的能量值小于等于第二次判决门限值时，该检测单元对应的数据单元是第二次判决非目标。

2.根据权利要求1所述的一种改进的船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法，其特征在于，所述的二维数据矩阵第i行，第j列的数据单元存放的数据x_i,j是雷达第i条回波扫描线第j个距离仓接收的回波经多普勒处理后各多普勒通道能量的最大值。

3.根据权利要求1所述的一种改进的船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法，其特征在于，所述的剔除第一次判决目标对应的数据单元即为将第一次判决目标对应的数据单元设置为0值。

4.根据权利要求1所述的一种改进的船载线性调频连续波雷达恒虚警检测方法，其特征在于，所述的P_A为10^-4～10^-5。