CFAR方法在機(jī)場跑道FOD檢測中的性能分析

李華瓊，張中僅，王雨果，于雪蓮

（1.中國民航局第二研究所，四川 成都 610041；2.電子科技大學(xué)，四川 成都 610000）

CFAR方法在機(jī)場跑道FOD檢測中的性能分析

李華瓊1，張中僅1，王雨果1，于雪蓮2

（1.中國民航局第二研究所，四川 成都 610041；2.電子科技大學(xué)，四川 成都 610000）

機(jī)場跑道異物（Foreign Object Debris，F(xiàn)OD）目標(biāo)所處環(huán)境雷達(dá)雜波背景較為復(fù)雜且相對較強(qiáng)，因此，需使用恒虛警（CFAR）技術(shù)，以獲得滿意的檢測性能。針對此問題，通過計算機(jī)Matlab仿真模擬機(jī)場跑道FOD檢測應(yīng)用環(huán)境，對幾種CFAR方法的性能進(jìn)行了分析和比較，總結(jié)出幾種方法的優(yōu)缺點(diǎn)，為實際工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)。

FOD檢測；鄰近單元CFAR；雜波圖CFAR；毫米波雷達(dá)

0 引言

FOD泛指跑道上可能損害航空器的某種外來物，如金屬零件和碎石塊等，對民航飛機(jī)的起降安全構(gòu)成重大隱患［1，2］。目前，國內(nèi)對FOD的監(jiān)測都是靠人工定時巡視和人眼近距離搜尋，這種落后的方法效率低、可靠性差，而且大大占用寶貴的跑道使用時間，使航班次數(shù)被迫減少。近年來，以毫米波雷達(dá)為主要檢測手段的機(jī)場跑道異物FOD監(jiān)測系統(tǒng)成為民航領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)［3，4］。

FOD目標(biāo)所處機(jī)場跑道雜波背景相當(dāng)復(fù)雜且相對較強(qiáng)，為了獲得可預(yù)知且穩(wěn)定的檢測性能，背景雜波功率電平必須實時地從回波數(shù)據(jù)中進(jìn)行估計，并且采用恒虛警（CFAR）處理從而自適應(yīng)地調(diào)整檢測門限［5］。CFAR處理的主要過程是對雜波平均功率進(jìn)行估計，相應(yīng)的估計方法有兩大類：一類是空域CFAR，即利用與檢測單元在空間上鄰近的參考單元的測量值來估計雜波平均功率，即鄰近單元CFAR［6］；另一類是時域CFAR，利用檢測單元以往多次掃描的測量值形成雜波平均功率估計，并利用新的測量值進(jìn)行迭代更新，即雜波圖CFAR［7］。

然而，各CFAR方法檢測性能和適用性不同，本文通過計算機(jī)仿真分析，選擇出了適合FOD檢測應(yīng)用的CFAR處理方法。

1 鄰近單元CFAR檢測方法

1.1 鄰近單元CFAR檢測原理

一個典型的鄰近單元CFAR檢測器的結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。圖中，v（t）為一個檢測單元在某時刻的觀測量；I（v）和Q（v）分別為信號的同相和正交分量，經(jīng)平方律檢波［8］后構(gòu)成檢測統(tǒng)計量D（v）；D為待檢測單元，前后各N個單元稱為參考單元，CFAR檢測器通過前窗和后窗共2N個參考單元來估計待檢測單元的背景雜波功率，并據(jù)此設(shè)定檢測門限，形成檢測單元內(nèi)是否存在目標(biāo)的CFAR判決。

圖1 鄰近單元CFAR檢測器原理

圖1中陰影標(biāo)出的緊鄰待檢測單元兩邊的單元稱為保護(hù)單元，用來防止目標(biāo)能量泄漏到參考單元中，不參與背景雜波功率的估計。

令Y=TZ為檢測門限，則CFAR判決準(zhǔn)則可表示為：

式中，T為閾值因子；Z為背景雜波功率的估計值。

單元平均CFAR（CA-CFAR）為鄰近單元CFAR檢測方法中最常用的一種，其背景雜波功率的估計由2N個參考單元功率的均值得到，即

1.2 CA-CFAR檢測仿真分析

1.2.1 均勻雜波環(huán)境下單目標(biāo)檢測實例

仿真包絡(luò)服從瑞利分布、功率為20 dB的雜波序列，在第100個距離單元內(nèi)注入功率為35 dB的非起伏目標(biāo)，即信雜比為λ=15 dB。預(yù)設(shè)虛警概率為Pfa=10－3，前后滑窗內(nèi)均包含3個保護(hù)單元和10個參考單元，即N=10。檢測結(jié)果如圖2所示，在第100個距離單元上，CA-CFAR檢測器能正確檢測到目標(biāo)，而在其他距離單元上沒有虛警，檢測性能良好。

圖2 單目標(biāo)檢測實例

1.2.2 均勻雜波環(huán)境下多目標(biāo)檢測實例

當(dāng)存在2個或2個以上的目標(biāo)，且一個目標(biāo)位于檢測單元，另1個或多個目標(biāo)落入?yún)⒖紗卧獌?nèi)時，可能出現(xiàn)目標(biāo)遮蔽現(xiàn)象。假設(shè)位于參考單元內(nèi)的目標(biāo)功率超過周圍雜波的功率，則它的存在會提高對背景雜波功率的估計值，進(jìn)而提高了CFAR檢測門限，增加了目標(biāo)漏檢的可能性。

仿真中，在第100個和第108個距離單元內(nèi)分別注入功率為35 dB和40 dB的非起伏目標(biāo)1和目標(biāo)2，其余條件同1.2.1。多目標(biāo)檢測實例如圖3所示。由圖3中的檢測結(jié)果可知，當(dāng)目標(biāo)1位于檢測單元位置時，目標(biāo)2正好位于參考滑窗內(nèi)，其較高的功率提高了背景功率的估計值，造成目標(biāo)1漏檢。

圖3 多目標(biāo)檢測實例

1.2.3 雜波邊緣目標(biāo)檢測實例

在實際檢測中，雷達(dá)波束照射的區(qū)域可能包括部分跑道開闊地帶或部分植被覆蓋地帶。當(dāng)檢測單元位于或靠近不同反射率的區(qū)域邊界處時，CFAR處理的參考滑窗內(nèi)會包含雜波邊緣。這種雜波邊緣效應(yīng)可能會導(dǎo)致低反射率區(qū)域內(nèi)靠近邊緣的目標(biāo)檢測發(fā)生漏檢。

仿真中，前150個距離單元的平均雜波功率為20 dB，而后150個距離單元的雜波功率提升為30 dB。目標(biāo)位于第145個距離單元，功率為35 dB，距離雜波邊緣有5個距離單元，其余條件同1.2.1，仿真結(jié)果由圖4所示。

圖4 雜波邊緣標(biāo)檢測實例

當(dāng)該目標(biāo)位于檢測單元時，后參考窗絕大部分由來自高反射率區(qū)域的雜波單元組成，從而抬高了檢測該目標(biāo)時所用的門限，導(dǎo)致了漏警。

2 雜波圖CFAR檢測方法

2.1 雜波圖CFAR檢測原理

當(dāng)雜波強(qiáng)度在空域變化劇烈時，若采用傳統(tǒng)的均值類恒虛警方法只能采用很少的參考單元，恒虛警損失很大，而且虛警率不易保持恒定。一般情況下，雜波即使在距離和方位上變化劇烈，但同一單元的雜波強(qiáng)度隨時間的變化是緩慢的，因而可以采用“時間單元”恒虛警處理的方法［9］，在時間上對以往各次雷達(dá)回波測量值進(jìn)行迭代處理，這就是雜波圖CFAR處理。Nitzberg等人首先提出和分析了這種方法［10］，稱為雜波圖CFAR點(diǎn)技術(shù)。

雜波圖處理主要包括2個步驟：雜波圖更新和雜波圖檢測。雜波圖更新的迭代公式如下：

式中，pn－1為某個空間單元第n－1次掃描更新后的雜波電平估計值；qn為該單元第n次掃描的回波測量值；w為衰減因子。可以說，雜波圖實際存儲的是每個空間單元的檢測閾值pn－1，而且這個值會隨著下一次掃描回波測量值的到來而不斷更新。雜波圖檢測的判決準(zhǔn)則為：

式中，T為閾值因子。如式（4）所示，當(dāng)qn/pn－1＞T時，就判斷為有目標(biāo)出現(xiàn)；否則，就按照式（3）用qn對pn－1進(jìn)行更新，得到該空間單元新的雜波電平估計pn。雜波圖CFAR點(diǎn)技術(shù)原理如圖5所示。

圖5 雜波圖CFAR點(diǎn)技術(shù)檢測原理

沈福民等在點(diǎn)技術(shù)基礎(chǔ)上提出了一種雜波圖單元平均CFAR平面技術(shù)［11］，相對于點(diǎn)技術(shù)而言，該方法又稱為雜波圖CFAR面技術(shù)，如圖6所示。雜波圖CFAR面技術(shù)檢測的基本原理為：在每個掃描周期，先對雜波圖空間單元進(jìn)行單元平均處理，然后對各個雜波圖單元平均值進(jìn)行迭代得到檢測單元的背景估計值。雜波圖CFAR面技術(shù)檢測的迭代公式與點(diǎn)技術(shù)相同，如式（3），但qn所指意義有所變化，表示對雜波圖單元進(jìn)行單元平均處理后的值：

圖6 雜波圖CFAR面技術(shù)

2.2 雜波圖CFAR檢測仿真分析

仿真中，將雷達(dá)觀測空間分為30個方位單元和300個距離單元，即雜波圖的大小為30×300。雜波為包絡(luò)服從瑞利分布高斯雜波序列，前150個距離單元的平均雜波功率為20 dB，而后150個距離單元的雜波功率提升為30 dB，利用前49次掃描形成穩(wěn)定雜波圖，在第50次掃描時在雜波邊緣附近注入4個目標(biāo)。預(yù)設(shè)虛警率Pfa=10－3，分別用點(diǎn)技術(shù)和面技術(shù)進(jìn)行檢測，對于點(diǎn)技術(shù)，w取0.062 5，T取18.125 5；對于面技術(shù)，w取0.125，T取0.349 8，M和N取7，p和q取3。4個目標(biāo)的信息如下：

目標(biāo)1：距離單元150，方位單元10，功率35 dB；

目標(biāo)2：距離單元150，方位單元18，功率40 dB；

目標(biāo)3：距離單元147，方位單元10，功率35 dB；

目標(biāo)4：距離單元144，方位單元10，功率35 dB。

仿真結(jié)果如圖7～圖10所示，4個目標(biāo)雖然位于雜波邊緣，但仍屬于低雜波功率區(qū)域，平均信雜比都在15 dB以上，利用雜波圖點(diǎn)技術(shù)檢測時，由于本單元背景雜波功率的估計只與本單元自身有關(guān)，不會受高功率雜波邊緣的影響，故4個目標(biāo)均可成功檢測到。

圖7 雜波圖CFAR點(diǎn)技術(shù)距離上檢測實例

圖8 雜波圖CFAR點(diǎn)技術(shù)方位上檢測實例

圖9 雜波圖CFAR面技術(shù)距離上檢測實例

圖10 雜波圖CFAR面技術(shù)方位上檢測實例

而采用面技術(shù)檢測時，由于目標(biāo)1參考單元的一半都來自高功率雜波區(qū)域，其檢測門限被明顯提高，故無法檢測到；目標(biāo)2的檢測門限也被明顯提高，但由于其自身的信雜比較高，故仍可檢測到；目標(biāo)3位于雜波邊緣附近，其檢測門限被提高的相對不多，剛好可以被檢測到；目標(biāo)4距離雜波邊緣較遠(yuǎn)，其參考單元基本來自低功率雜波區(qū)域，且自身信雜比足夠，故可以成功檢測到。

3 仿真結(jié)果分析

通過對單元平均CFAR方法和雜波圖CFAR方法的分析和實例仿真，得出以下結(jié)論：

①在均勻雜波背景及單目標(biāo)檢測環(huán)境下，滿足一定的信雜比要求，均值類CFAR和雜波圖CFAR的檢測性能都很好。

②在非均勻雜波背景或多目標(biāo)干擾環(huán)境下，CA-CFAR的檢測性能嚴(yán)重下降；相比之下，非均勻雜波背景和多目標(biāo)干擾環(huán)境對雜波圖CFAR點(diǎn)技術(shù)的檢測性能不會有任何影響；雜波圖CFAR面技術(shù)在非均勻雜波背景下對位于雜波邊緣的目標(biāo)的檢測性能略有下降，在多目標(biāo)干擾環(huán)境下仍能保持較好的檢測性能。

③雜波圖CFAR處理需先經(jīng)過若干周期的掃描以形成穩(wěn)定雜波圖后再進(jìn)行目標(biāo)檢測，并且存在衰減因子w的選取問題，w取值越小，檢測概率越高，但檢測性能達(dá)到穩(wěn)定的速度就越慢［12］。點(diǎn)技術(shù)取得較好的檢測性能對w取值的依賴很強(qiáng)，而面技術(shù)的檢測性能對w取值的依賴性要弱得多。

基于以上3點(diǎn)結(jié)論，雜波圖CFAR點(diǎn)技術(shù)雖然檢測性能達(dá)到穩(wěn)定的速度較慢，但其檢測性能較另外2種方法更好，選擇該方法能獲得對FOD目標(biāo)較好的檢測性能。

4 結(jié)束語

采用以毫米波雷達(dá)為主要檢測手段的機(jī)場跑道FOD監(jiān)測系統(tǒng)對跑道進(jìn)行監(jiān)測比傳統(tǒng)的人工巡視方式更高效、可靠。選擇合適的CFAR處理方法能得到較好的檢測性能，確保了民航飛機(jī)的安全起降，同時提高了經(jīng)濟(jì)效益。通過計算機(jī)仿真為實際工程應(yīng)用提供了理論依據(jù)，節(jié)約了時間和人力物力資源，在以后的工作中將會繼續(xù)開展，使得監(jiān)測系統(tǒng)的性能不斷提高。

［1］ Security＆Technology Center of Department of Airport CAAC.FOD Precaution Manual［R］.2009：1－5.

［2］ FAA.AC 150/5220－24.Airport Foreign Object Debris De-tection Equipment［R］.2009：1－13.

［3］ MH 5001－2000.Technical standards for airfield area of civil airports［S］.2007：8－25.

［4］ MAZOUNI K，KOHMURA A.77GHz FMCW Radar for FODs Detection［C］∥Proc.7th European Radar Conf. Paris，F(xiàn)rance：EuMA，2010：451－454.

［5］ 何 友.雷達(dá)自動檢測與恒虛警處理［M］.北京：清華大學(xué)出版社，1999.

［6］ 何 友，關(guān) 鍵，孟祥偉.雷達(dá)自動檢測和CFAR處理方法綜述［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2001，12（11）：9－85.

［7］ 閆修林.雜波圖技術(shù)在雷達(dá)終端信號處理中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2004，24（5）：34－36.

［8］ 黃善勇，丁 麗，張文超.一種簡單的多用途數(shù)字信道化結(jié)構(gòu)［J］.無線電工程，2011，41（7）：55－57.

［9］ 秦軼煒，孫元敏，楊文華，等.低空監(jiān)視雷達(dá)復(fù)雜環(huán)境下的最優(yōu)CFAR設(shè)計［J］.無線電通信技術(shù)，2015，41（2）：59－63.

［10］ 劉 永，何 友，孟祥偉.幅度雜波圖恒虛警處理中的點(diǎn)技術(shù)研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1998（9）：7－18.

［11］沈福民，劉 崢.雜波圖CFAR平面檢測技術(shù)［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，1996，18（7）：9－14.

［12］ 何 友，劉 永，孟祥偉.雜波圖CFAR平面技術(shù)在均勻背景中的性能［J］.電子學(xué)報，1999，27（3）：119－121.

Performance Analysis and Comparison of CFAR Methods for FOD Detection in Airport Runway Environment

LI Huaqiong1，ZHANG Zhongjin1，WANG Yuguo1，YU Xuelian2
（1．The Second Research Institute of CAAC，Chengdu Sichuan 610041，China；2．University of Electronic Science＆Technology of China，Chengdu Sichuan 610000，China）

The radar clutter background that airport runway FODs（Foreign Object Debris）situate is complex and relatively strong，therefore，constant false alarm rate（CFAR）technology is used to obtain satisfactory detection performance.Focus on this problem，application of FOD detection in airport runway environment is simulated by Matlab.Simulations of some CFARmethods are performed，and simulation results are compared，which provides theoretical basis for practical engineering application.

FOD detection；adjacent unit CFAR technique；cluttermap CFAR technique；millimeter-wave radar

TN957.51

A

1003－3106（2015）09－0053－05

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.14

李華瓊，張中僅，王雨果，等.CFAR方法在機(jī)場跑道FOD檢測中的性能分析［J］.無線電工程，2015，45（9）：53－57.

李華瓊女，（1963—），高級工程師。主要研究方向：雷達(dá)信號處理與計算機(jī)應(yīng)用。

2015-06-02

國家自然科學(xué)基金項目資助（61139003）。

張中僅男，（1984—），工程師。主要研究方向：雷達(dá)信號處理。