CN110609262B - 一种场面监视雷达的三维恒虚警检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种场面监视雷达的三维恒虚警检测方法，对雷达回波信号，在距离、多普勒和方位三个维度上做恒虚警(CFAR)处理，降低杂波和干扰的影响，提高微弱目标的检测概率。对每个方位角的雷达回波信号做二维FFT变换，得到二维距离‑多普勒幅度谱，连续多个方位角的二维幅度谱组合后得到距离‑多普勒‑方位三维幅度谱。在距离‑多普勒‑方位三维立体面取参考窗，对距离、多普勒与方位单元处理。本发明能够增加有效参考单元数量，也可在不同方位角上对雷达回波进行积累，提高微弱目标的检测概率。

Description

一种场面监视雷达的三维恒虚警检测方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术，具体为一种场面监视雷达的三维恒虚警检测 方法。
背景技术
场面监视雷达用以检测某区域中入侵的人、车、动物等目标，进行多目标的 持续跟踪，必要时进行报警。当入侵目标在区域内运动时，可以通过其回波的多 普勒频率，将其与区域内的静止目标区分开。场面监视雷达面临的主要问题是如 何以高检测率和低虚警率检测到入侵的运动目标，而不受背景杂波的影响。
随着雷达信号处理理论的进步，为了准确检测出真实目标，且又能使雷达系 统保持恒定的虚警概率，发展出了恒虚警(CFAR)算法，通过对雷达背景杂波 的实时估计，不断提高或降低阈值水平，形成自适应检测门限，作为目标判决的 依据。
传统的二维CFAR检测是在距离-多普勒单元或距离-方位单元进行处理。基 于距离-多普勒矩阵的二维恒虚警检测已广泛应用于汽车雷达中。二维恒虚警检 测只将距离-多普勒或距离-方位二维信息作为参考，不能同时兼顾距离、多普勒、 方位三维信息。而全场景监视雷达输出信息涵盖距离、多普勒、方位三个维度， 所以二维恒虚警检测在三维信息中有自身的局限性，导致缺少某一维度的检测， 使虚警率增加。此外，在二维恒虚警检测中，只能通过多次扫描的回波信号进行 积累，导致实时性不高。
发明内容
本发明针对场面监视雷达运动目标检测，提出了一种场面监视雷达的三维恒 虚警检测方法。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种场面监视雷达的三维恒虚警检测方 法，具体步骤为：
步骤1、雷达系统通过机械扫描方式在场景内发射雷达信号，在旋转的每一 度内发射一组雷达信号和接收一组回波信号，每组发射信号和回波信号各包含 nchirp个chirp信号序列；
步骤2、接收到一组回波信号后，对该组回波信号进行采样，对采样后的回 波信号进行二维快速傅里叶变换；
步骤3、将每组回波信号的二维快速傅里叶变换结果存储在距离-多普勒矩 阵中，按角度顺序拼接成距离-多普勒-方位三维幅度谱；
步骤4、对距离-多普勒-方位三位幅度谱做三维恒虚警检测，将检测到的目 标的幅值存储在距离-多普勒-方位三维矩阵中，得到检测结果。
优选地，步骤2中对采样后的回波信号进行二维快速傅里叶变换的具体步骤 为
步骤2-1、对一组回波信号中的每个chirp信号进行Nchirp点的一维快速傅里 叶变换操作；
步骤2-2、将每个chirp信号的一维快速傅里叶变换结果各存放在列矩阵中， nchirp个chirp信号的一维快速傅里叶变换结果按顺序组合成nchirp列×Nchirp行的 矩阵，对该矩阵的每一行做nchirp点的快速傅里叶变换，两次快速傅里叶变换后得 到的矩阵为距离-多普勒二维矩阵。
优选地，Nchirp＝512。
优选地，步骤4对距离-多普勒-方位三位幅度谱做三维恒虚警检测的具体步 骤为：
步骤4-1、设定参考窗为三维立方体结构，将参考窗中心单元设为检测单元， 与检测单元相邻的单元设为保护单元，保护单元外侧单元设为参考单元；
步骤4-2、参考窗在距离-多普勒-方位三维矩阵中滑动，矩阵中的每个单元 依次作为检测单元，若检测单元的幅值大于等于检测门限，则判断该检测单元有 目标存在。
优选地，检测门限的确定方法为：通过单元平均或有序统计求解出参考单元 的局部背景噪声功率水平估计值Z，将局部背景噪声功率水平估计值Z与门限 因子T的积作为该检测单元的检测门限TZ。
优选地，门限因子T具体为：
Figure BDA0002181642820000021
式中，Pfa为恒虚警率，N为参考单元数。
优选地，三维参考窗每一个平面均为矩形。
优选地，chirp信号序列的个数为128。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：1)本发明采用三维参考窗对雷达回 波信号进行恒虚警检测，增加了有效参考单元数量，减小背景噪声功率水平估计 值的起伏，使得背景噪声功率水平估计更加准确；2)本发明在方位维可看作是 雷达回波信号积累，信号比提高，更容易把微弱目标从噪声中分离出来；3)本 发明利用目标与噪声、杂波在距离-多普勒-方位三个维度上的特性差别进行检测 能够提高检测率。
附图说明
图1为本发明的原理框图。
图2为三维参考窗的二维剖面图。
图3为方位角为0度时的距离-多普勒二维幅度谱；
图4为方位角为0度时的恒虚警检测后的距离-多普勒二维幅度谱。
图5为方位角为0度时的检测门限。
具体实施方式
一种场面监视雷达的三维恒虚警检测方法，具体步骤为：
步骤1、雷达系统通过机械扫描方式在场景内发射雷达信号，在旋转的每一 度内发射一组雷达信号和接收一组回波信号，每组发射信号和回波信号各包含 nchirp＝128个chirp信号序列；
步骤2、接收到一组回波信号后，对该组回波信号进行采样，对采样后的回 波信号进行二维快速傅里叶变换，具体方法为：
步骤2-1、对一组回波信号中的每个chirp信号进行Nchirp＝512点的一维快 速傅里叶变换操作；
步骤2-2、将每个chirp信号的一维快速傅里叶变换结果各存放在列矩阵中， nchirp个chirp信号的一维快速傅里叶变换结果按顺序组合成nchirp列×Nchirp行的 矩阵，对该矩阵的每一行做nchirp点的快速傅里叶变换，两次快速傅里叶变换后得 到的矩阵为距离-多普勒二维矩阵。
步骤3、将每组回波信号的二维快速傅里叶变换结果存储在距离-多普勒矩 阵中，按角度顺序拼接成距离-多普勒-方位三维幅度谱；
步骤4、对距离-多普勒-方位三位幅度谱做三维恒虚警检测，将目标幅值存 储在距离-多普勒-方位三维矩阵中，如图1所示，三维恒虚警检测的具体步骤为：
步骤4-1、设定参考窗为三维立方体结构，平面示意图如图2所示，参考窗 中心单元为检测单元，与检测单元相邻的单元为保护单元，防止目标能量泄露到 附近单元造成检测门限过大，保护单元外侧单元为参考单元；
步骤4-2、参考窗在距离-多普勒-方位三维矩阵中滑动，矩阵中的每个单元 依次作为检测单元，检测单元附近的参考单元可基于单元平均或有序统计方法用 于估计背景噪声功率水平Z，将局部背景噪声功率水平估计值Z与门限因子T的 积作为该检测单元的检测门限TZ。若检测单元的幅值大于等于检测门限，则判 断该检测单元有目标存在。
其中，门限因子T的大小由恒虚警率Pfa与参考单元数N共同决定，即 
Figure BDA0002181642820000041
进一步的实施例中，三维参考窗每一个平面均为矩形。
本发明能够增加有效参考单元数量，也可在不同方位角上对雷达回波进行积 累，提高微弱目标的检测概率。
当天线波束很窄时，目标信号在方位维上主瓣很窄，可避免造成背景杂波功 率估值过大，因此可避免大量漏警现象。
实施例
本实例中，场面监视雷达系统参数为：载频f0＝77GHz，调频带宽B＝160MHz， 调频周期Tm＝36us，每帧调频数量Mchirp＝128，一个调制周期内采样点数Nsample＝512，雷达旋转一周所需时间T＝1.8s，采样率为10MHz。三维CA-CFAR采用9 ×9×9规模大小的背景参考，单侧参考单元数为4，保护单元数为1，恒虚警率 pfa设置为1×10-5，在雷达系统0度方向上设置三个运动目标。
雷达旋转360度后，得到360组回波信号，采样后每一组数据做二维FFT 变换，得到256×128×360大小的三维幅度谱。对三维幅度谱进行峰值搜索排除 非峰值点。三维参考窗在峰值搜索后的三维幅度谱内进行滑窗处理，检测单元附 近的参考单元采用单元均值法来估计噪声和杂波的相对估计值Z，
Figure BDA0002181642820000051
估计值Z与门限因子T相乘得到判决门限TZ，在比较器中比较判决门限与待测 单元D的大小，二元判决准则为：
Figure BDA0002181642820000052
其中T＝(pfa)-1/N-1，N＝692。
图3是雷达系统0度方向上的距离-多普勒二维幅度谱，三个幅度较高的为 目标，其余为噪声。三维恒虚警检测后，0度方向上的检测结果如图4所示，成 功检测出三个目标，没有漏检和虚警现象，图5是0度方向上的各个单元的检测 门限。最终测得目标1距离为8.4米，速度为4.2米/秒，目标2距离为10.4 米，速度为2.2米/秒，目标3距离为26米，速度为-0.2米/秒。

Claims (4)

1.一种场面监视雷达的三维恒虚警检测方法，其特征在于，具体步骤为：
步骤1、雷达系统通过机械扫描方式在场景内发射雷达信号，在旋转的每一度内发射一组雷达信号和接收一组回波信号，每组发射信号和回波信号各包含nchirp个chirp信号序列；
步骤2、接收到一组回波信号后，对该组回波信号进行采样，对采样后的回波信号进行二维快速傅里叶变换，具体步骤为
步骤2-1、对一组回波信号中的每个chirp信号进行Nchirp点的一维快速傅里叶变换操作；
步骤2-2、将每个chirp信号的一维快速傅里叶变换结果各存放在列矩阵中，nchirp个chirp信号的一维快速傅里叶变换结果按顺序组合成nchirp列×Nchirp行的矩阵，对该矩阵的每一行做nchirp点的快速傅里叶变换，两次快速傅里叶变换后得到的矩阵为距离-多普勒二维矩阵；
步骤3、将每组回波信号的二维快速傅里叶变换结果存储在距离-多普勒矩阵中，按角度顺序拼接成距离-多普勒-方位三维幅度谱；
步骤4、对距离-多普勒-方位三维幅度谱做三维恒虚警检测，将检测到的目标的幅值存储在距离-多普勒-方位三维矩阵中，得到检测结果，具体步骤为：
步骤4-1、设定参考窗为三维立方体结构，将参考窗中心单元设为检测单元，与检测单元相邻的单元设为保护单元，保护单元外侧单元设为参考单元；
步骤4-2、参考窗在距离-多普勒-方位三维矩阵中滑动，矩阵中的每个单元依次作为检测单元，若检测单元的幅值大于等于检测门限，则判断该检测单元有目标存在；
检测门限的确定方法为：通过单元平均或有序统计求解出参考单元的局部背景噪声功率水平估计值Z，将局部背景噪声功率水平估计值Z与门限因子T的积作为该检测单元的检测门限TZ；
门限因子T具体为：
式中，Pfa为恒虚警率，N为参考单元数。
2.根据权利要求1所述的场面监视雷达的三维恒虚警检测方法，其特征在于，Nchirp＝512。
3.根据权利要求1所述的场面监视雷达的三维恒虚警检测方法，其特征在于，三维参考窗每一个平面均为矩形。
4.根据权利要求1所述的场面监视雷达的三维恒虚警检测方法，其特征在于，chirp信号序列的个数为128。
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