CN112346031B - 一种雷达恒虚警率门限系数自适应调整方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种雷达恒虚警率门限系数自适应调整方法，该方法为恒虚警检测方法设置高、低两个门限系数，建立门限系数调整α‑RAG图，根据不同区域、不同多普勒滤波器通道的预检测统计情况，设计每个天线扫描帧α‑RAG图的更新准则，然后再根据α‑RAG图选取相应的门限系数α，乘以背景杂波估值电平作为门限，进行检测判决。该方法可以根据不同区域的背景噪声或杂波强弱情况，在环境背景估值自适应的基础上，对于不同区域、不同多普勒滤波器通道，实现门限系数的自适应精细调整，从而可以进一步提高或降低检测门限：在强杂波区域设置高门限，以降低虚警数量；在弱杂波区域设置低门限，以提高检测概率。该方法对于各种背景具有较强的适应性，进一步改善了雷达的检测性能。

Description

一种雷达恒虚警率门限系数自适应调整方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种复杂背景下的恒虚警率门限调整方法；通过该方法，实现对雷达检测门限的精细化、自适应调整，减少了强杂波区的虚警数量和弱杂波区的处理损失，提高了检测性能。

背景技术

目前，恒虚警率(Constant False Alarm Rate，CFAR)检测是雷达信号处理的重要环节之一，它在自动检测中占有不可或缺的重要地位。CFAR处理的基本过程是：按照一定的准则，根据噪声和杂波的强弱得到环境估值水平Z，并用该估值乘以一个门限系数作为最终的检测门限。CFAR处理的关键是设计合理的准则计算得到环境估值，使其准确地反映噪声和杂波强弱，实现门限的自适应调整，达到虚警概率基本恒定的效果。

目前，大多数CFAR算法都是通过设计合理的噪声或杂波功率电平估计准则来提高环境估值的准确性，进而提高检测性能的。常见的CFAR处理算法包括：单元平均恒虚警检测(CA-CFAR)、单元平均选大恒虚警检测(GO-CFAR)、单元平均选小恒虚警检测(SO-CFAR)、单元排序恒虚警检测(OS-CFAR)，以及在上述算法基础上的各种改进CFAR算法等等。但是，上述CFAR算法在均匀背景下取得了较好的性能，在非均匀背景下的检测性能有所下降。

在实际非均匀背景环境中，尤其是局部强杂波、强干扰环境下，单独依靠环境估值的自适应性来调整门限，难以很好地抑制局部强杂波带来的高虚警数量，此时往往通过增大门限系数来进一步提高检测门限，以降低虚警数。但是，传统的雷达处理方式，在调整门限系数时，整个探测范围都会同时调整，这样对于弱杂波区来说，会带来不必要的检测损失。此外，现代雷达普遍采用MTD滤波方式来滤除杂波、提高积累增益，而不同多普勒处理通道对于杂波的响应是不同的，因此对于不同的多普勒处理通道设置不同的门限系数，有益于进一步提升CFAR检测方法的性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种CFAR门限自适应调整方法，该方法根据不同区域的背景噪声或杂波强弱情况，在环境背景估值自适应调整的基础上，根据预检测统计情况设计门限系数调整准则，对于不同区域、不同多普勒通道设置不同的门限系数，实现门限系数的自适应调整，从而可以进一步提高或降低检测门限：在强杂波区域设置高门限，以降低虚警数量；在弱杂波区域设置低门限，以提高检测概率。

为了达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种雷达恒虚警率门限自适应调整方法，其包括如下步骤：

步骤1：设置多个用于测距的距离单元，对于每个距离单元接收到的每个相参处理间隔(Coherent Processing Interval，CPI)内的雷达I、Q回波数据，采用FIR滤波器进行动目标检测(Moving Target Detection，MTD)处理，得到F₀₊、F₁、F₂、……、F_N-3、F_N-2、F_0-等共N个多普勒滤波器通道，其中N为多普勒滤波器阶数，也即1个CPI中的脉冲个数；

步骤2：根据距离零频的远近，也即距离杂波分布频率的远近，将N个多普勒滤波器通道分为两类：边侧滤波器(Lateral Filter，LF)，包括F₀₊、F₁、F_N-2、F_0-；中间滤波器(Central Filter，CF)，包括F₂、……、F_N-3；

步骤3：根据设定的虚警概率P_fa计算得到门限系数α，α＝f(P_fa,CFAR_Type),其中CFAR_Type表示采用的CFAR类型；f(g)表示不同类型CFAR的门限系数与虚警概率之间的函数关系；

步骤4：建立门限系数α自适应调整RAG(Range-Azimuth Graph)图α-RAG；其基本单元大小为p×q，p表示距离单元(Range Cell,RC)的个数，q表示方位单元个数，1个方位单元对应1个CPI时间内的天线扫描角度；对于α-RAG图的每个基本单元，设置两个积累计数器Int_LF和Int_CF，设置一个由2位二进制数表示的α-Flag值；

步骤5：在天线扫描的每一帧周期，对所述α-RAG图进行更新；

步骤6：根据更新后的α-RAG图，自适应地调整门限系数，对每个距离单元、每个多普勒滤波器通道利用CFAR门限进行最终检测。

特别地，其中所述门限系数α包括高低范围：低门限系数α_L＝f(P_fa＝10^-6,CFAR_Type)为对应虚警概率等于10^-6的雷达常用门限系数；高门限系数α_H＝kα_L，其中k根据雷达阵地杂波情况进行设置；其中，雷达开始工作时，进行初始化：α-Flag＝00b，Int_LF＝0和Int_CF＝0；此时边侧滤波器、中间滤波器的门限系数都设为α_L。

特别地，其中步骤5中对所述α-RAG图进行更新包括：对于α-RAG图的每个基本单元，进行以下步骤：步骤5-1，对相应的每个距离单元、每个多普勒滤波器通道数据进行CFAR预检测，根据采用的CFAR类型计算背景杂波功率估计值Z，可得检测门限T＝αZ，如果单元中数据大于门限T，即认为得到1次检测；其中α利用上一帧的α-RAG图确定；

步骤5-2，设置两个检测计数器Det_LF和Det_CF，并初始化为Det_LF＝0和Det_CF＝0；根据步骤5-1的检测结果，计数该基本单元内对应的p×q个距离-方位单元上的检测次数：如果某个距离-方位单元的检测来自于LF滤波器，即F₀₊、F₁、F_N-2、F_0-等滤波器通道每出现1次检测，则Det_LF就增加1；如果某个距离-方位单元的检测来自于CF滤波器，即F₂、……、F_N-3等滤波器通道每出现1次检测，则Det_CF就增加1；步骤5-3，分别将步骤5-2中得到的Det_LF和Det_CF的计数结果与经验阈值Th_DetNum比较，并对比较结果进行帧间积累：如果Det_LF>Th_DetNum，则Int_LF增加2，否则Int_LF减少1；如果Det_CF>Th_DetNum，则Int_CF增加2，否则Int_CF减少1；设置Int_LF、Int_CF计数的最大值为cmax，当二者增加至cmax后不再增加；设置Int_LF、Int_CF计数的最小值为cmin，当减小至cmin后不再减小；步骤5-4，分别将步骤5-3中的计数结果Int_LF和Int_CF与经验阈值Th_IntNum比较，在天线扫描的当前帧，根据比较结果设置α-Flag。

特别地，所述根据比较结果设置对α-Flag设置包括：如果Int_LF和Int_CF两者都大于经验阈值Th_IntNum，则设置α-Flag为11b；如果Int_LF的值大于经验阈值Th_IntNum，则设置α-Flag为01b；如果Int_CF的值大于经验阈值Th_IntNum，则设置α-Flag为10b；否则设置α-Flag为00b。

特别地，，其中，当所述α-Flag＝11b时，边侧滤波器、中间滤波器的门限系数都设为α_H；当所述α-Flag＝01b；边侧滤波器门限系数设为α_H；中间滤波器门限系数设为α_L；当所述α-Flag＝10b，边侧滤波器门限系数设为α_L，中间滤波器门限系数设为α_H。

特别地，其中所述CFAR类型包括CA-CFAR、GO-CFAR。

本发明的有益效果：(1)根据背景环境对CFAR门限系数的进一步精细化、自适应调整；(2)减少强杂波、强干扰等非均匀环境下的虚警数量；(3)降低弱杂波区的CFAR处理损失，提高检测性能。从雷达整个探测范围来看，本发明提高了CFAR检测方法对各种不同强度杂波背景的适应性能，较好地改善了雷达的检测性能。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的雷达恒虚警率门限自适应调整方法流程图；

图2是本发明的α-RAG图更新流程图。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

下面结合具体的实施方式对本发明做进一步的解释说明。

如图1所示，为本发明的一种雷达恒虚警率门限自适应调整方法的流程示意图，具体包括以下步骤：

步骤1：设置多个测距单元，对于每个距离单元接收到的每个相参处理间隔(Coherent Processing Interval，CPI)内的雷达I、Q回波数据，采用FIR滤波器进行动目标检测(Moving Target Detection，MTD)处理，得到F0+、F1、F2、……、FN-3、FN-2、F0-等共N个多普勒滤波器通道，其中N为多普勒滤波器阶数，也就是1个CPI中的脉冲个数；

步骤2：根据距离零频的远近，也即距离杂波分布频率的远近，将N个多普勒滤波器通道分为两类：边侧滤波器(Lateral Filter，LF)，包括F0+、F1、FN-2、F0-；中间滤波器(Central Filter，CF)，包括F2、……、FN-3；

步骤3：根据设定的虚警概率Pfa计算得到门限系数α，α＝f(P_fa,CFAR_Type),其中CFAR_Type表示采用的CFAR类型(如CA-CFAR、GO-CFAR等)，f(g)表示不同类型CFAR的门限系数与虚警概率之间的函数关系；设置两个门限系数：低门限系数α_L＝f(P_fa＝10^-6,CFAR_Type)为对应虚警概率等于10-6的雷达常用门限系数；高门限系数α_H＝kα_L，其中k根据雷达阵地杂波情况进行设置；

步骤4：建立门限系数α自适应调整RAG(Range-Azimuth Graph)图，简称α-RAG图，其基本单元大小为p×q，p表示距离单元(Range Cell,RC)的个数，q表示方位单元个数，1个方位单元对应1个CPI时间内的天线扫描角度；对于α-RAG图的每个基本单元，设置两个积累计数器Int_LF和Int_CF，设置一个由2位二进制数表示的α-Flag值，其含义如表1所示；雷达开始工作时，进行初始化：α-Flag＝00b，Int_LF＝0和Int_CF＝0；

表1α-Flag含义

步骤5：如图2所示，在天线扫描的每一帧周期，首先进行α-RAG图的更新，对于α-RAG图的每个基本单元，进行以下步骤：

步骤5-1对相应的每个距离单元、每个多普勒滤波器通道数据进行CFAR预检测，根据采用的CFAR类型计算背景杂波功率估计值Z，可得检测门限T＝αZ，如果单元中数据大于门限T，即认为得到1次检测；其中α利用上一帧的α-RAG图确定；

步骤5-2设置两个检测计数器Det_LF和Det_CF，并初始化为Det_LF＝0和Det_CF＝0；根据步骤5-1的检测结果，计数该基本单元内对应的p×q个距离-方位单元上的检测次数：如果某个距离-方位单元的检测来自于LF滤波器，即F0+、F1、FN-2、F0-等滤波器通道每出现1次检测，则Det_LF就增加1；如果某个距离-方位单元的检测来自于CF滤波器，即F2、……、FN-3等滤波器通道每出现1次检测，则Det_CF就增加1；

步骤5-3分别将步骤5-2中得到的Det_LF和Det_CF的计数结果与经验阈值Th_DetNum比较，并对比较结果进行帧间积累：如果Det_LF>Th_DetNum，则Int_LF增加2，否则Int_LF减少1；如果Det_CF>Th_DetNum，则Int_CF增加2，否则Int_CF减少1；设置Int_LF、Int_CF计数的最大值为cmax，当增加至cmax后不再增加；设置Int_LF、Int_CF计数的最小值为cmin，当减小至cmin后不再减小；

步骤5-4分别将5-3中的计数结果Int_LF和Int_CF与经验阈值Th_IntNum比较，在天线扫描的当前帧，根据比较结果设置α-Flag如表2所示：

表2α-RAG图设置

步骤6：根据更新后的α-RAG图，自适应地调整门限系数，对每个距离单元、每个多普勒滤波器通道利用CFAR门限进行最终检测。

对于上述步骤3，关于虚警概率与门限系数的函数关系f(g)，取决于采用的CFAR类型，对于常见的CA-CFAR和GO-CFAR，门限系数可由式(1)、式(2)获得：

式(1)和(2)中，K为参考窗内的单元个数。

对于上述步骤3，尽管只设置了高、低两个门限系数，但高门限系数α_H＝kα_L可通过k值来控制，根据雷达阵地杂波情况k值可在[1,30]范围内变化，从而灵活调整门限系数，适应各种不同强度杂波的门限系数精细调整。

对于上述步骤5，经验阈值Th_DetNum、Th_IntNum的设置取决于其他各类参数的取值，如Th_DetNum取决于α-RAG图基本单元的分辨率p×q，Th_IntNum取决于cmax和cmin。以某对空情报雷达为例，若p＝32，q＝2，cmax＝15，cmin＝0，则Th_DetNum可在[0，64]之间取值，根据目标扩展情况，典型值设为4；Th_IntNum可在[0，15]之间取值，典型值设为8。

通过本方法的实施，可根据背景环境对CFAR门限系数的进一步精细化、自适应调整；减少强杂波、强干扰等非均匀环境下的虚警数量；(3)降低弱杂波区的CFAR处理损失，提高检测性能。从雷达整个探测范围来看，本发明提高了CFAR检测方法对各种不同强度杂波背景的适应性能，较好地改善了雷达的检测性能。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (5)

1.一种雷达恒虚警率门限自适应调整方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

步骤1：设置多个用于测距的距离单元，对于每个距离单元接收到的每个相参处理间隔(Coherent Processing Interval，CPI)内的雷达I、Q回波数据，采用FIR滤波器进行动目标检测(Moving Target Detection，MTD)处理，得到F₀₊、F₁、F₂、……、F_N-3、F_N-2、F_0-，共N个多普勒滤波器通道，其中N为多普勒滤波器阶数，也即1个CPI中的脉冲个数；

步骤2：根据距离零频的远近，也即距离杂波分布频率的远近，将N个多普勒滤波器通道分为两类：边侧滤波器(Lateral Filter，LF)，包括F₀₊、F₁、F_N-2、F_0-；中间滤波器(CentralFilter，CF)，包括F₂、……、F_N-3；

步骤3：根据设定的虚警概率P_fa计算得到门限系数α，α＝f(P_fa,CFAR_Type),其中CFAR_Type表示采用的CFAR类型；f(g)表示不同类型CFAR的门限系数与虚警概率之间的函数关系；

步骤4：建立门限系数α自适应调整RAG(Range-Azimuth Graph)图，即α-RAG图；其基本单元大小为p×q，p表示距离单元(Range Cell,RC)的个数，q表示方位单元个数，1个方位单元对应1个CPI时间内的天线扫描角度；对于α-RAG图的每个基本单元，设置两个积累计数器Int_LF和Int_CF，设置一个由2位二进制数表示的α-Flag值；

步骤5：在天线扫描的每一帧周期，对所述α-RAG图进行更新，具体包括：

对于α-RAG图的每个基本单元，进行以下步骤：

步骤5-1，对相应的每个距离单元、每个多普勒滤波器通道数据进行CFAR预检测，根据采用的CFAR类型计算背景杂波功率估计值Z，可得检测门限T＝αZ，如果单元中数据大于门限T，即认为得到1次检测；其中α利用上一帧的α-RAG图确定；

步骤5-2，设置两个检测计数器Det_LF和Det_CF，并初始化为Det_LF＝0和Det_CF＝0；根据步骤5-1的检测结果，计数该基本单元内对应的p×q个距离-方位单元上的检测次数：如果某个距离-方位单元的检测来自于LF滤波器，即F₀₊、F₁、F_N-2、F_0-滤波器通道每出现1次检测，则Det_LF就增加1；如果某个距离-方位单元的检测来自于CF滤波器，即F₂、……、F_N-3滤波器通道每出现1次检测，则Det_CF就增加1；

步骤5-3，分别将步骤5-2中得到的Det_LF和Det_CF的计数结果与经验阈值Th_DetNum比较，并对比较结果进行帧间积累：如果Det_LF>Th_DetNum，则Int_LF增加2，否则Int_LF减少1；如果Det_CF>Th_DetNum，则Int_CF增加2，否则Int_CF减少1；设置Int_LF、Int_CF计数的最大值为cmax，当二者增加至cmax后不再增加；设置Int_LF、Int_CF计数的最小值为cmin，当减小至cmin后不再减小；

步骤5-4，分别将步骤5-3中的计数结果Int_LF和Int_CF与经验阈值Th_IntNum比较，在天线扫描的当前帧，根据比较结果设置α-Flag图；

步骤6：根据更新后的α-RAG图，自适应地调整门限系数，对每个距离单元、每个多普勒滤波器通道利用CFAR门限进行最终检测。

2.根据权利要求1所述的雷达恒虚警率门限自适应调整方法，其中所述门限系数α包括高低范围：低门限系数α_L＝f(P_fa＝10^-6,CFAR_Type)为对应虚警概率等于10^-6的雷达常用门限系数；高门限系数α_H＝kα_L，其中k根据雷达阵地杂波情况进行设置；其中，雷达开始工作时，进行初始化：α-Flag＝00b，Int_LF＝0和Int_CF＝0；此时边侧滤波器、中间滤波器的门限系数都设为α_L。

3.根据权利要求2所述的雷达恒虚警率门限自适应调整方法，所述根据比较结果设置对α-Flag设置包括：如果Int_LF和Int_CF两者都大于经验阈值Th_IntNum，则设置α-Flag为11b；如果Int_LF的值大于经验阈值Th_IntNum，则设置α-Flag为01b；如果Int_CF的值大于经验阈值Th_IntNum，则设置α-Flag为10b；否则设置α-Flag为00b。

4.根据权利要求3所述的雷达恒虚警率门限自适应调整方法，其中，当所述α-Flag＝11b时，边侧滤波器、中间滤波器的门限系数都设为α_H；当所述α-Flag＝01b；边侧滤波器门限系数设为α_H；中间滤波器门限系数设为α_L；当所述α-Flag＝10b，边侧滤波器门限系数设为α_L，中间滤波器门限系数设为α_H。

5.根据权利要求1所述的雷达恒虚警率门限自适应调整方法，其中所述CFAR类型包括CA-CFAR、GO-CFAR。

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