CN215932122U

CN215932122U - 一种基于超宽带雷达的改进型二维cfar检测系统

Info

Publication number: CN215932122U
Application number: CN202122004853.0U
Authority: CN
Inventors: 李震; 杨昀
Original assignee: Shanghai Fire Research Institute of MEM
Current assignee: Shanghai Fire Research Institute of MEM
Priority date: 2021-08-23
Filing date: 2021-08-23
Publication date: 2022-03-01
Anticipated expiration: 2031-08-23

Abstract

本实用新型公开了一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，涉及雷达CFAR检测技术领域，包括回波信号接收模块、数据预处理模块、信号拼接模块、平方检波模块、二维CFAR检测模块；回波信号接收模块接收回波信号；数据预处理模块对回波信号进行数据预处理；信号拼接模块对处理后的回波信号进行首尾连接；平方检波模块对首尾连接后的回波信号进行平方检波处理；二维CFAR检测模块对平方检波信号进行二维CFAR检测；在二维CFAR检测模块中，参考窗使用的是改进型参考窗。本实用新型在雷达处理信号数据过程中，能够保障检测结果的准确性，减小虚警和漏判的概率，并且加快检测速度，满足雷达的实时检测。

Description

一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统

技术领域

本实用新型涉及雷达CFAR检测技术领域，更具体的说是涉及一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统。

背景技术

雷达检测背景由雷达系统噪声、环境噪声、无线电干扰噪声以及各种杂波组成，对杂波的处理效果直接影响雷达的检测性能。杂波抑制方法主要有：脉冲对消法、指数加权法、自适应加权法等，常规杂波处理性能不佳，会出现杂波剩余，比如残留的天线耦合波和随机射频干扰等，这会导致雷达的虚警率极大提高。

CFAR检测方法是通常用来减小杂波影响的措施，而常规CFAR 检测是在一维上进行处理，由于超宽带雷达的扩展性，雷达回波中的目标特征不是一个单纯的点，不仅在距离单元和时间单元同时存在，还表现为多个单元格的面目标，因此一维GFAR检测方法不能充分利用目标的二维信息。CFAR：恒虚警率，CFAR是Constant False-Alarm Rate的缩写。在雷达信号检测中，当外界干扰强度变化时，雷达能自动调整其灵敏度，使雷达的虚警概率保持不变，这种特性称为恒虚警率特性。

超宽带雷达背景中的噪声、杂波和目标信息是在距离-多普勒二维同时存在，利用待检测单元周围的单元作为参考单元获得背景的包络估计要更有效，于是便有了基于二维的恒虚警检测器(2D-CFAR)。在二维参考单元区域进行噪声估计后，与待检测单元进行比较，如果待检测单元的检测统计量超过门限T，则认为待检测单元是目标单元。

对于传统2D-CFAR检测方法，常见的参考窗为矩形窗，这就引入大量与判决单元不相关的单元，导致计算量增大，检测性能下降。作为改进，直接在距离单元和时间单元上做处理，利用和待检测单元处于同一距离单元和同一时间单元的这些单元作为参考单元，即选择十字窗为参考窗。十字窗的方法将减小计算量，也能充分利用目标的二维信息。

然而二维十字窗CFAR检测方法存在两个缺点：一是用十字窗形结构，需要积累多道回波信号，检测结果有较长的时延，达不到实时检测的需要；二是在边缘数据的处理上，十字窗检测常常采用忽略的方法，待检测单元处于数据的中间位置，容易忽略处于数据边缘的目标信息，或者在数据的边缘采用减小参考单元的做法，增加了虚警和漏判的概率。

因此如何在雷达检测过程中，实现海量数据处理的同时，保障检测结果的准确性，减小虚警和漏判的概率，加快检测速度，满足雷达的实时检测，是本领域技术人员亟需解决的问题。

实用新型内容

有鉴于此，本实用新型提供了一种基于超宽带雷达的改进型二维 CFAR检测系统。

为了实现上述目的，本实用新型采用如下技术方案：

一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，用于超宽带雷达检测，尤其是超宽带穿墙雷达。系统包括回波信号接收模块、数据预处理模块、信号拼接模块、平方检波模块、二维CFAR检测模块；所述回波信号接收模块、数据预处理模块、信号拼接模块、平方检波模块、二维CFAR检测模块依次连接；

所述回波信号接收模块用于接收回波信号r(x,y)；

所述数据预处理模块用于对所述回波信号r(x,y)进行数据预处理，得到预处理后的回波信号；

所述信号拼接模块用于对处理后的回波信号进行首尾连接；

所述平方检波模块用于对首尾连接后的回波信号进行平方检波处理，得平方检波信号

所述二维CFAR检测模块用于接收所述平方检波信号

对所述平方检波信号

进行二维CFAR检测。

进一步的，所述回波信号接收模块为超宽带雷达的接收天线。

进一步的，所述信号拼接模块为数据拼接器。

进一步的，所述平方检波模块为平方检波器。

进一步的，还包括控制器，所述二维CFAR检测模块包括单元选择子模块、检测门限获取子模块、比较子模块；

所述二维CFAR检测模块接收所述平方检波信号

所述控制器依据改进型参考窗，控制单元选择子模块选取待检测单元、保护单元和参考单元；依据所选择的单元，检测门限获取子模块获取距离维度检测门限T_x和时间维度检测门限T_y；比较子模块对所述平方检波信号和距离维度检测门限T_x、时间维度检测门限T_y进行比较，得到目标单元。

进一步的，所述单元选择子模块为数据选择器。

进一步的，所述比较子模块为比较器。

进一步的，还包括显示输出模块，用于将二维CFAR检测模块的检测结果在地图上显示。

进一步的，在二维CFAR检测模块中，参考窗使用的是改进型参考窗，所述改进型参考窗的结构包括“┫”型参考窗、“┝”型参考窗、“┯”型参考窗、“┷”型参考窗、“┛”型参考窗、“┕”型参考窗、“┍”型参考窗、“┑”型参考窗。

经由上述的技术方案可知，本实用新型公开提供了一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，与现有技术相比，具有以下有益效果：

(1)本实用新型对传统二维十字型参考窗结构进行了改进，改进型参考窗有“┫”型参考窗、“┛”型参考窗等，在保证检测效果准确的同时，解决了传统二维十字型参考窗存在的需要积累多道回波信号，检测结果有较长时延等技术问题，能够极大减少检测时间，加快雷达检测速度，满足雷达实时检测的需求。

(2)本实用新型使用数据拼接器将每道回波信号进行首尾连接，在固定参考单元下能够检测到边缘的目标信号。在相同条件下，在数据中间位置，数据首尾相连得到的目标点与忽略数据想当，虚警以及漏判要远远比减少参考单元和补零方式得到的少。数据首尾相连既能保证检测效果，也能减少虚警和漏判。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，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，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型的系统结构示意图；

图2为本实用新型的一种实施例示意图；

图3为本实用新型的另一种实施例示意图；

图4为本实用新型一种实施例中“╋”型参考窗示意图；

图5为本实用新型一种实施例中改进的“┫”型参考窗示意图；

图6为本实用新型一种实施例中数据进行首尾连接示意图；

图7为本实用新型实施例中使用“╋”型参考窗的二维CFAR检测对实测数据的处理结果示意图；

图8为本实用新型实施例中使用“┫”型参考窗的二维CFAR检测对同一实测数据的处理结果示意图；

图9为本实用新型另一种实施例中改进的“┫”型参考窗示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例公开了一种基于超宽带雷达的改进型二维 CFAR检测系统，如图1所示，包括回波信号接收模块、数据预处理模块、信号拼接模块、平方检波模块、二维CFAR检测模块；所述回波信号接收模块、数据预处理模块、信号拼接模块、平方检波模块、二维CFAR检测模块依次连接；

回波信号接收模块为超宽带雷达的接收天线，用于接收回波信号 r(x,y)。

数据预处理模块用于对回波信号r(x,y)进行数据预处理，得到预处理后的回波信号。数据预处理包括杂波抑制、衰减补偿；杂波抑制的方法包括脉冲对消法、背景积累法、指数加权法和自适应背景法，出于实际工程应用的考虑，优先选择脉冲对消法来抑制信号中的杂波；由于超宽带信号衰减性强，加之在二尺穿墙过程中损失的能量比较多，因此使用雷达方程

对回波信号进行衰减补偿，其中R 表示雷达最大作用距离，P_t表示雷达发射机的峰值功率，A_e表示雷达天线有效接收面积，δ表示目标的雷达截面积RCS，λ表示雷达发射电磁波的波长，S_min表示雷达可检测的最小功率。

信号拼接模块为数据拼接器，用于对处理后的回波信号进行首尾连接。

平方检波模块为平方检波器，用于对首尾连接后的回波信号进行平方检波处理，得平方检波信号

二维CFAR检测模块用于接收平方检波信号

对平方检波信号

进行二维CFAR检测；在二维CFAR检测模块中，参考窗使用的是改进型参考窗。具体的改进型参考窗的结构为，在传统十字型参考窗的基础上，依据时间维宽度n和距离维宽度m，省去了时间维和/或距离维上待检测单元一侧边缘处的参考单元、保护单元，，得到改进型参考窗。改进型参考窗的结构包括“┫”型参考窗、“┝”型参考窗、“┯”型参考窗、“┷”型参考窗、“┛”型参考窗、“┕”型参考窗、“┍”型参考窗、“┑”型参考窗。

在一种实施例中，系统还包括控制器，二维CFAR检测模块包括单元选择子模块、检测门限获取子模块、比较子模块，参见图2；二维CFAR检测模块接收平方检波信号

控制器依据改进型参考窗，控制单元选择子模块选取待检测单元、保护单元和参考单元；依据所选择的单元，检测门限获取子模块计算距离维度上参考单元的背景噪声η_x和时间维度上参考单元的背景噪声η_y，进而得到距离维度检测门限T_x和时间维度检测门限T_y；比较子模块将待检测单元内的平方检波信号和距离维度检测门限T_x、时间维度检测门限T_y进行比较，若

且

则待检测单元是目标单元，反之则不是目标单元。遍历完所有平方检波信号后，得到二维CFAR检测结果C(x,y)。在计算距离维度上参考单元的背景噪声η_x和时间维度上参考单元的背景噪声η_y时，使用一维CFAR检测方法，包括均值CFAR 法和有序CFAR法。具体的，针对超宽带穿墙雷达的特点以及任务的需求，在时间维度上选用CA-CFAR检测方法，其最大的作用是减少残余天线耦合波的影响，在距离维度上根据目标数量来使用 CA-CFAR或OS-CFAR法，单个目标时使用CA-CFAR法，多个目标则使用OS-CFAR法。

其中检测门限获取子模块中获取检测门限的方式为：

假设目标均处于室内，回波信号经过平方律检波后，其背景杂波服从指数分布，虚警概率P_fa可以由概率密度函数p(x)得到：

T＝S×η，其中T为检测门限，且门限因子

在预设虚警概率

情况下，根据不同的计算背景噪声η，分为均值(CA) 和有序(OS)CFAR法。

当使用均值(CA)CFAR法求背景噪声η时，背景噪声η由参考单元的平均值求得其表达式为：

其中，N为参考单元的数量，X_i为第i个参考单元内的数据。因此，均值(CA)CFAR法的检测门限可由下式求得：

检测门限因子的表达式为：

当使用有序(OS)CFAR法求背景噪声η时，先将参考单元内的数据进行排序，组成新的序列，其满足：

X₍₁₎≤X₍₂₎≤…≤X_(N)；

然后，将有序统计量X_(K)作为背景噪声η，其检测门限T_OS通过以下公式求得：

T_OS＝SX_(k)；

而虚警概率P_fa可通过以下式子迭代得到：

在一般情况下，k的考虑范围为

当k＝3N/4时，检测门限T_OS可由此下式求得：

因此检测门限T可在平方检波信号的基础上，根据上述的两种 CFAR法即可计算得到检测门限T，具体的距离维度检测门限T_x和时间维度检测门限T_y可通过改变调整参考单元来获得。

其中单元选择子模块为数据选择器，比较子模块为比较器。

在另一种实施例中，系统还包括显示输出模块，参见图3，用于将二维CFAR检测模块的检测结果C(x,y)在地图上显示。

以上述改进型“┫”型参考窗为例，对本实用新型的技术方案进行解释说明。

在一种实施例中，(十字型)“╋”型参考窗如图4所示，对应的改进型“┫”型参考窗如图5所示，其中检测单元即为待检测单元，改进的“┫”型参考窗在时间维上只考虑到当前时刻的回波数据，满足实时处理的需求，缓存数据较少，处理速度快。同时将每道回波信号进行首尾连接，如图6所示，末位数据接在首位数据之前，在固定参考单元下能够检测到边缘的目标信号，这对算法的流畅性也有十分重要的影响。

在相同的虚警概率以及窗参数的条件下，分别用“╋”型参考窗和“┫”型参考窗的二维CFAR检测对同一实测数据进行处理，其结果分别如图7和图8所示，由图可知，“┫”型参考窗的检测效果与“╋”型参考窗的相当，虚警点数也大致接近。由此可见，“┫”型参考窗二维CFAR检测方法能达到“╋”型参考窗的检测水平，同时还能够大大减少检测时间，满足雷达实时检测的需求。

在另一种实施例中，“┫”型参考窗为图9所示，其中n和m分别是时间维和距离维上的参考窗宽度。

上述关于改进型参考窗的实施例仅仅是为了清楚本实用新型技术方案所作，并不局限于上述类型。

在CFAR检测中，对于边缘数据的处理，常用的方法有忽略数据、减少参考单元和补零，这些方法会增加目标的虚警和漏判。因此本实用新型使用首尾连接的方式减少判断误差，关于回波信号数据首尾连接处理具体的做法，是将一道回波数据的前端和后端数据分别补到信号的后端和前端，如图6所示，补充数据的长度取决于参考单元和保护单元的长度，至少要比后者之和大。

数据预处理模块、检测门限获取子模块均可以通过具有数据处理能力的处理器实现，处理器可以是通用处理器、数字信号处理器 (Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(ApplicationSpecific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(FieldProgrammable GateArray，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本实用新型。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本实用新型的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本实用新型将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims

1.一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，用于超宽带雷达检测，其特征在于，包括回波信号接收模块、数据预处理模块、信号拼接模块、平方检波模块、二维CFAR检测模块；所述回波信号接收模块、数据预处理模块、信号拼接模块、平方检波模块、二维CFAR检测模块依次连接；

所述回波信号接收模块用于接收回波信号r(x,y)；

所述信号拼接模块用于对处理后的回波信号进行首尾连接；

所述二维CFAR检测模块用于接收所述平方检波信号

对所述平方检波信号

进行二维CFAR检测。

2.根据权利要求1所述的一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，其特征在于，所述回波信号接收模块为超宽带雷达的接收天线。

3.根据权利要求1所述的一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，其特征在于，所述信号拼接模块为数据拼接器。

4.根据权利要求1所述的一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，其特征在于，所述平方检波模块为平方检波器。

5.根据权利要求1所述的一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，其特征在于，还包括控制器，所述二维CFAR检测模块包括单元选择子模块、检测门限获取子模块、比较子模块；

所述二维CFAR检测模块接收所述平方检波信号

所述控制器依据改进型参考窗，控制所述单元选择子模块选取待检测单元、保护单元和参考单元；依据所选择的单元，检测门限获取子模块获取距离维度检测门限T_x和时间维度检测门限T_y；比较子模块对所述平方检波信号和距离维度检测门限T_x、时间维度检测门限T_y进行比较，得到目标单元。

6.根据权利要求5所述的一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，其特征在于，所述单元选择子模块为数据选择器。

7.根据权利要求5所述的一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，其特征在于，所述比较子模块为比较器。

8.根据权利要求1所述的一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，其特征在于，还包括显示输出模块，用于将二维CFAR检测模块的检测结果在地图上显示。

9.根据权利要求1所述的一种基于超宽带雷达的改进型二维CFAR检测系统，其特征在于，在二维CFAR检测模块中，参考窗使用的是改进型参考窗，所述改进型参考窗的结构包括“┫”型参考窗、“┝”型参考窗、“┯”型参考窗、“┷”型参考窗、“┛”型参考窗、“┕”型参考窗、“┍”型参考窗、“┑”型参考窗。