CN104267388A - 一种慢速目标杂波图检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种慢速目标杂波图检测方法，包括如下步骤：按照雷达作用范围，进行等扇区划分，确定划分的杂波图单元；统计杂波图单元内的杂波信号强度，进行单扫描帧的杂波图估计；对连续天线扫描的相同杂波图单元的杂波统计平均值进行迭代，实现杂波图更新；杂波图轮换更新；计算慢速目标杂波图；杂波图区域扩展：对选择寄存器中的慢速杂波图进行杂波图扩展；雷达慢目标检测：对输入的雷达数据和慢速杂波图扩展结果，进行过门限处理，比较输出目标检测结果。

Description

一种慢速目标杂波图检测方法

技术领域

本发明涉及一种慢速目标杂波图检测方法，特别涉及一种适合雷达实时实现的慢速目标检测方法。

背景技术

CFAR处理的主要过程是形成杂波平均功率水平估计，相应的估计方法有两大类，一类是空域CFAR处理方法，利用与检测单元在空间上邻近的参考单元采样值(距离、角度或者多普勒单元)来形成所需参数的估计，这类方法适用于在空域是平稳的杂波；另一类是时域CFAR方法，即杂波图CFAR方法，也称为时序CFAR方法，它利用检测单元以往多次扫描测量值形成杂波平均功率水平估计，杂波图存储每个单元(方位-距离)背景电平的估计值，每个值依靠新的和以往若干次的扫描测量值来进行迭代更新，并把它作为当前的杂波背景强度估计值。当空域杂波强度变化剧烈时，若采用传统的均值类恒虚警方案，只能采用很少的参考单元，因此恒虚警损失很大，而且虚警率不易保持恒定。一般情况下杂波虽然在距离和方位的变换十分剧烈，但是同一距离单元的杂波强度随时间的变化是缓慢的，因而可以采用杂波图处理方法，在时间上对以往各次雷达回波的测量值进行迭代处理。

目前的慢速目标检测，通常采用动目标显示(MTI)技术。MTI通常包括两个部分，相参处理完成多普勒信息的提取，对消处理(又称滤波处理)完成目标的区分。当固定目标、地杂波等与运动目标处于同一距离单元时，因固定目标回波中的多普勒频率为0，慢速运动的杂波中所含的多普勒频移也集中在零频附近，它们的回波经相位检波后，输出信号的相位将不随时间变化或随时间作缓慢变化，反映在幅度上则为其幅度不随时间变化或随时间缓慢变化；相反，运动目标回波经相检输出后，因其相位随时间变化较大，反映在幅度上也是其幅度随时间变化较快。因此，若将同一距离单元在相邻重复周期内的相检输出作相减运算，则固定目标回波将被完全对消，慢速杂波也将得到很大程度衰减，只有运动目标回波得以保留，这样便可将固定目标、慢速杂波与运动目标区别开来。对消处理是MTI的核心，通常采用杂波图积累的方式记录回波历史信息，然后将杂波图积累结果与当前回波进行相减运算。

现有的杂波图检测方法存在以下的缺点：(1)慢目标的多普勒频率低，现有的回归杂波图更新的方式，在实时监测杂波起伏的同时，也容易将慢速目标误判为是静杂波，而降低慢目标分辨能力。(2)现有的静态杂波图处理方式，不能保证杂波均值估计的实时性。

专利内容

本发明的目的是设计一种算法简单、适用性强、效果良好、且适合硬件实时实现的一种慢速目标杂波图检测方法。

本发明公开了一种慢速目标杂波图检测方法，包括如下步骤：

(1)按照雷达作用范围，进行等扇区划分，确定划分的杂波图单元；

(2)统计杂波图单元内的杂波信号强度，进行单扫描帧的杂波图估计；

(3)对连续天线扫描的相同杂波图单元的杂波统计平均值进行迭代，实现杂波图更新；将当前扫描帧的杂波图作为下一扫描圈的检测背景，进行雷达目标检测；

(4)杂波图轮换更新：将3个连续时刻的杂波图更新数据分别存储下来，用来估计慢速目标杂波，设定3副杂波图为{MAP1、MAP2、MAP3}，分别存储到3个存储器RAM中，分别记作{MAP1-RAM、MAP2-RAM、MAP3-RAM}；

(5)计算慢速目标杂波图：通过时序控制，分别读取{MAP1-RAM、MAP2-RAM、MAP3-RAM}中的杂波图结果到选择寄存器，构成慢速杂波图，记作{DUPMAP}；

(6)杂波图区域扩展：对选择寄存器中的慢速杂波图进行杂波图扩展；

(7)雷达慢目标检测：对输入的雷达数据和慢速杂波图扩展结果，进行过门限处理，比较输出目标检测结果。

本发明步骤(2)中，统计杂波图单元内的杂波信号强度x(n)，杂波信号强度是杂波图单元内各距离分辨单元的杂波信号的统计平均值，

$x\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{x}_i,i=\mathrm{1,2},...,N,$

其中，N是杂波图单元中的距离分辨单元数，xi是杂波图单元中第i个距离分辨单元的杂波信号强度，i取值1～N。

本发明步骤(3)中，采用以下公式进行杂波图赋值更新操作：

y(n)＝αx(n)+(1-α)y(n-1)，n＝1,2,…,K；0<α<1；，

其中，α是迭代系数，y(n-1)是天线第n-1次扫描迭代得到的杂波估值，K代表天线的扫描次数，x(n)是第n次扫描时杂波信号强度，初始值y(1)＝x(1)。

本发明步骤(5)中，慢速目标杂波图由三副杂波图轮换估计产生，设定三副杂波图{MAP1、MAP2、MAP3}的积累和更新时序为3T，T为大于0的时间常数，时刻[6mT+4T,6mT+6T]的慢速目标杂波图DUP-MAP由MAP1产生，时刻[6mT+0T,6mT+2T]的慢速目标杂波图DUP-MAP由MAP2产生，时刻[6mT+2T,6mT+4T]的慢速目标杂波图DUP-MAP由MAP3产生：

$\mathrm{DUP}-\mathrm{MAP}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{MAP}1,t=[6\mathrm{mT}+4T,6\mathrm{mT}+6T]\\ \mathrm{MAP}2,t=[6\mathrm{mT}+0T,6\mathrm{mT}+2T]\\ \mathrm{MAP}3,t=[6\mathrm{mT}+2T,6\mathrm{mT}+4T]\end{array}\right.$

其中，t是当前时刻，代表杂波图更新的时间计数，m是非负整数，代表当前杂波图更新周期。这个公式表明，在任意时刻，慢速目标杂波图都可以由{MAP1、MAP2、MAP3}计算得到。

本发明与现有技术相比，具有以下显著优点：(1)克服了现有雷达连续扫描下，慢目标和静杂波不容易区分的问题，采用多杂波图组合处理的方式，实现慢目标检测。(2)多组杂波图进行杂波估计保证了杂波估计的实时性。(3)多组杂波图轮换参与被测单元的目标检测处理，能够很好地抑制目标周围杂波剧烈起伏的影响，提高目标检测的性能。(4)本发明一种慢速目标杂波图检测方法，原理简单，效果良好，且适合硬件实时实现。

附图说明

图1是杂波图组更新原理图。

图2是递归滤波器原理图。

图3是区域扩展框图。

图4是杂波图CFAR检测示意图。

图5是硬件实现框图。

图6是时钟时序逻辑图。

图7a和图7b是慢目标检测后的目标点迹图。

具体实施方式

本发明的目的是设计一种算法简单、适用性强、效果良好、且适合硬件实时实现的一种慢速目标杂波图检测方法。

结合杂波图组更新时序图，本发明方案的具体实施步骤如下：

1.按照雷达作用范围确定杂波图划分单元。杂波图单元的划分方法有等扇区划分、等面积划分等，图4是杂波图CFAR检测示意图。通常采用等扇区划分，这样易于硬件实现。

2.单扫描帧的杂波图估计：统计杂波图单元内的杂波信号强度，它是杂波图单元内各距离分辨单元的杂波信号的统计平均值，记作：

$x\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i,i=\mathrm{1,2},...,N---\left(1\right)$

其中，N是杂波图单元中的距离分辨单元数，xi是杂波图单元中某个距离分辨单元的杂波信号强度，x(n)是杂波图单元内各距离分辨单元的杂波信号的统计平均值。

3.杂波图更新：同一杂波图单元在不同扫描圈得到的杂波统计平均值需要进行迭代更新，以获得稳定的杂波强度估值，迭代方式如下：

y(n)＝αx(n)+(1-α)y(n-1)，n＝1,2,…,K；0<α<1；   (2)

其中，α是迭代系数，x(n)是由公式(1)计算的杂波图单元内各距离分辨单元的杂波信号的统计平均值，y(n-1)是前n-1圈迭代得到的杂波估值，K代表天线的第K次扫描，x(n)是杂波信号强度。通过迭代可以递推任意天线扫描圈的杂波图，初始值y(1)＝x(1)。

经过公式(2)得到当前扫描帧的杂波估值将作为下一圈(第n+1圈)的检测背景。

相关积累运算也称为递归滤波器，其原理框图如图2所示。递归滤波器系数的选取原则上要兼顾快起伏杂波与慢起伏杂波。选得过大，将不能迅速响应快起伏杂波；选得过小，慢起伏杂波的虚警变化太大。通常，递归滤波器的系数选为7/8。递归滤波器是一个单极点系统，它实际上是对各个杂波单元的多次天线扫描作指数加权积累。

4.多杂波图轮换更新：以三副杂波图轮换估计慢速目标杂波为例，将单副杂波图更新时间进行时序分析。设定单杂波图完成杂波背景估值的更新时间为3T，从时刻0开始计时，更新杂波图MAP1。时刻2T，MAP1更新进度2/3时开始更新MAP2；时刻3T时，杂波图MAP1停止更新；时刻4T，MAP2更新进度2/3时开始更新MAP3；时刻5T时，杂波图MAP2停止更新；时刻6T，MAP3更新进度2/3时开始更新MAP1。至此，进入下一个轮换更新阶段。三组杂波图轮换更新，在轮换周期6T中，前0～3T时间用来完成杂波估值，产生时刻5T～6T的慢速目标杂波图。图1中是三组杂波MAP1，MAP2，MAP3的积累和更新示意图。

5.计算慢速目标杂波图:慢速目标杂波图由三副杂波图轮换估计产生，设定三副杂波图{MAP1、MAP2、MAP3}的积累和更新时序为3T，T为大于0的时间常数，时刻[6mT+4T,6mT+6T]的慢速目标杂波图DUP-MAP由MAP1产生，时刻[6mT+0T,6mT+2T]的慢速目标杂波图DUP-MAP由MAP2产生，时刻[6mT+2T,6mT+4T]的慢速目标杂波图DUP-MAP由MAP3产生：

$\mathrm{DUP}-\mathrm{MAP}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{MAP}1,t=[6\mathrm{mT}+4T,6\mathrm{mT}+6T]\\ \mathrm{MAP}2,t=[6\mathrm{mT}+0T,6\mathrm{mT}+2T]\\ \mathrm{MAP}3,t=[6\mathrm{mT}+2T,6\mathrm{mT}+4T]\end{array}\right.---\left(3\right)$

其中，t是当前时刻，代表杂波图更新的时间计数，m是非负整数，代表当前杂波图更新周期，杂波图更新时间间隔为3T。将三组杂波图数据存储在外部RAM中，通过时序控制它的读写，使得杂波图数据得以更新，同时也方便了脉冲间数据的递归运算。

6.杂波图区域扩展:为了消除杂波的边缘效应，杂波图必须进行方位、距离的区域扩展处理。扩展的概念框图如图3所示。扩展的方法是在对某杂波单元(以3*3为例)进行杂波有无判断时，需同时判断其距离相邻单元、方位相邻单元上的其他8个单元，最终将9个单元的判断结果“或”起来，只要9个单元其中之一有杂波，本单元就判为有杂波存在。

7.雷达慢目标检测：对输入的雷达数据和慢速杂波图扩展结果，进行过门限处理，比较输出目标检测结果。

本发明的一种慢速目标杂波图检测方法，特别涉及一种适合雷达实时实现的慢速目标检测方法。本方法克服了现有雷达连续扫描下，慢目标和静杂波不容易区分的问题，采用多杂波图组合处理的方式，利用多组杂波图进行杂波估计保证了杂波估计的实时性；利用多组杂波图轮换构成的慢速目标杂波图进行目标检测处理，能够很好地抑制目标周围杂波剧烈起伏的影响，提高目标检测的性能。本发

实施例:

以L波段雷达为例，雷达天线转速每分钟6圈，即10秒钟一圈。单杂波图完成杂波背景估值的更新时间为90秒。那么：

从时刻0开始计时，更新杂波图MAP1。时刻60秒，MAP1更新进度2/3时开始更新MAP2；时刻90秒时，杂波图MAP1停止更新；时刻120秒，MAP2更新进度2/3时开始更新MAP3；时刻150秒时，杂波图MAP2停止更新；时刻120秒，MAP3更新进度2/3时开始更新MAP1。至此，进入下一个轮换更新阶段。三组杂波图轮换更新，在轮换周期120秒中，前0～90秒时间用来完成杂波估值，产生时刻150～180秒的慢速目标杂波图。

参照公式(3)，慢速目标杂波图DUP-MAP：

$\mathrm{DUP}-\mathrm{MAP}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{MAP}1,t=[180m+120,180+180]\\ \mathrm{MAP}2,t=[180m+0,180+60]\\ \mathrm{MAP}3,t=[180m+60,180+120]\end{array}\right..$

式中，m是非负整数，代表当前杂波图更新周期。图1是利用公式(3)计算DUP-MAP慢速目标杂波图的时序示意图。

图5是杂波图组目标检测处理流程图，一方面，{MAP1，MAP2，MAP3}存储数据{MAP1-RAM,MAP2-RAM,MAP3-RAM}的硬件读写逻辑。通过方位距离地址搜索通过读寄存器进行对应的杂波图更新；另一方面，按照信号处理时序控制，DUP-MAP通过选择寄存器从RAM中读取{MAP1，MAP2，MAP3}构成慢目标杂波图，并进行雷达数据的目标检测。图6是信号处理时序控制逻辑图，CLK是系统总线时钟，通过3个连续的移位寄存器，生成3个移位时钟clk1，clk2，clk3分别用来控制{MAP1-RAM,MAP2-RAM,MAP3-RAM}的硬件读写逻辑。

为了消除杂波的边缘效应，对慢速目标杂波图进行3*3区域扩展处理，对没个杂波单元进行杂波有无判断时，需同时判断其距离相邻单元、方位相邻单元上的其他8个单元，最终将9个单元的判断结果“或”起来，只要9个单元其中之一有杂波，本单元就判为有杂波存在。

经过慢目标杂波图处理后的检测结果如图7a和图7b所示，对雷达数据进行检测处理后的点迹叠加图。图7b是局部放大图，区域1表示慢速目标检测结果；区域2是快速飞机目标检测结果；区域3是静点迹杂波。

本发明提供了一种慢速目标杂波图检测方法，具体实现该技术方案的方法和途径很多，以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。本实施例中未明确的各组成部分均可用现有技术加以实现。

Claims (4)

1.一种慢速目标杂波图检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)按照雷达作用范围，进行等扇区划分，确定划分的杂波图单元；

(2)统计杂波图单元内的杂波信号强度，进行单扫描帧的杂波图估计；

(3)对连续天线扫描的相同杂波图单元的杂波统计平均值进行迭代，实现杂波图更新；将当前扫描帧的杂波图作为下一扫描圈的检测背景，进行雷达目标检测；

(4)杂波图轮换更新：将3个连续时刻的杂波图更新数据分别存储下来，用来估计慢速目标杂波，设定3副杂波图为{MAP1、MAP2、MAP3}，分别存储到3个存储器RAM中，分别记作{MAP1-RAM、MAP2-RAM、MAP3-RAM}；

(5)计算慢速目标杂波图：通过时序控制，分别读取{MAP1-RAM、MAP2-RAM、MAP3-RAM}中的杂波图结果到选择寄存器，构成慢速杂波图，记作{DUPMAP}；

(6)杂波图区域扩展：对选择寄存器中的慢速杂波图进行杂波图扩展；

(7)雷达慢目标检测：对输入的雷达数据和慢速杂波图扩展结果，进行过门限处理，比较输出目标检测结果。

2.根据权利要求1所述的一种慢速目标杂波图检测方法，其特征在于：步骤(2)中，统计杂波图单元内的杂波信号强度x(n)，杂波信号强度是杂波图单元内各距离分辨单元的杂波信号的统计平均值，

$x\left(n\right)=\frac{1}{N}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\&Sigma;}}}{x}_i,i=\mathrm{1,2},...,N,$

其中，N是杂波图单元中的距离分辨单元数，x_i是杂波图单元中第i个距离分辨单元的杂波信号强度。

3.根据权利要求2所述的一种慢速目标杂波图检测方法，其特征在于：步骤(3)中，采用以下公式进行杂波图赋值更新操作：

y(n)＝αx(n)+(1-α)y(n-1)，n＝1,2,_…,K；0<α<1；，

其中，α是迭代系数，y(n-1)是天线第n-1次扫描迭代得到的杂波估值，K代表天线的扫描次数，x(n)是第n次扫描时杂波信号强度，初始值y(1)＝x(1)。

4.根据权利要求3所述的慢速目标杂波图检测方法，其特征在于：步骤(5)中，慢速目标杂波图由三副杂波图轮换估计产生，设定三副杂波图{MAP1、MAP2、MAP3}的积累和更新时序为3T，T为大于0的时间常数，时刻[6mT+4T,6mT+6T]的慢速目标杂波图DUP-MAP由MAP1产生，时刻[6mT+0T,6mT+2T]的慢速目标杂波图DUP-MAP由MAP2产生，时刻[6mT+2T,6mT+4T]的慢速目标杂波图DUP-MAP由MAP3产生：

$\mathrm{DUP}-\mathrm{MAP}=\left\{\begin{array}{c}\mathrm{MAP}1,t=[6\mathrm{mT}+4T,6\mathrm{mT}+6T]\\ \mathrm{MAP}2,t=[6\mathrm{mT}+0T,6\mathrm{mT}+2T]\\ \mathrm{MAP}3,t=[6\mathrm{mT}+2T,6\mathrm{mT}+4T]\end{array}\right.$

其中，t是当前时刻，代表杂波图更新的时间计数，m是非负整数，代表当前杂波图更新周期。