基于頻域的一種多目標檢測方法

李佩針 劉 珂

（零八一電子集團有限公司，四川 成都 611731）

基于頻域的一種多目標檢測方法

李佩針 劉 珂

（零八一電子集團有限公司，四川 成都 611731）

在多目標回波環(huán)境中，雜波剩余、噪聲虛警等始終存在，采用傳統(tǒng)單一的檢測方法已經(jīng)不能滿足檢測需求。文章基于頻域，介紹了一種多目標的檢測方法。該方法采用頻域遞歸型MTI和頻域雜波圖檢測相結(jié)合的方法檢測出多目標，并提出將雜波圖恒虛警和有序恒虛警級聯(lián)的一種恒虛警處理措施解決虛警概率增加的問題。

頻域；遞歸型MTI；雜波圖恒虛警；迭代；有序恒虛警

雷達目標信號檢測是在有噪聲和干擾條件下進行的，如何抑制這些干擾信號則成了影響雷達檢測性能的關(guān)鍵技術(shù)。在多目標回波環(huán)境中，雜波剩余、噪聲虛警等始終存在[1]，由于雜波在空間的分布是非同態(tài)的，有些還是時變的，不同區(qū)間的雜波強度也有大的區(qū)別，采用傳統(tǒng)單一的檢測方法已經(jīng)不能滿足檢測需求。對于岸基雷達，當海雜波與低空小目標的回波同時進入雷達，往往都是雜波將目標回波給淹沒了，這種情況下，在時域上根本無法將其分辨出來。鑒于海雜波在頻譜上與動目標回波頻譜的差別，可在頻域上將雜波和回波分開，但又因為低速運動的海雜波其頻譜的偏移和展寬使落在附近頻段的目標較難從頻率上分開，故而還需要采用恒虛警檢測來提高雷達在海雜波環(huán)境下的檢測能力。傳統(tǒng)的檢測都是在時域上進行，本文基于頻域，描述了一種岸基雷達采用的抗海雜波檢測方法，針對該方法的不足提出了采用頻域遞歸型MTI抑制雜波，將頻域雜波圖和有序統(tǒng)計量恒虛警檢測相結(jié)合的方法提高檢測性能。

1 頻域遞歸型MTI

當雜波和運動目標回波在雷達顯示器上同時顯示時，會使目標的觀察變得很困難。如果目標處在雜波背景內(nèi)，弱的目標湮沒在強雜波中，特別是當強雜波使接收系統(tǒng)產(chǎn)生過載時，發(fā)現(xiàn)目標十分困難。目標不在雜波背景內(nèi)時，要在成片雜波中很快分辨出運動目標回波也不容易。如果雷達終端采用自動檢測和數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)，則由于大量雜波的存在，將引起終端過載或者不必要地增大系統(tǒng)的容量和復雜性。因此，無論從抗干擾或改善雷達工作質(zhì)量的觀點來看，選擇運動目標回波而抑制固定雜波背景都是一個很重要的問題。

區(qū)分運動目標和固定雜波的基礎是他們在速度上的差別。由于運動速度不同而引起回波信號頻率產(chǎn)生的多卜勒頻移不相等，這就可以從頻率上區(qū)分不同速度目標的回波。在動目標顯示（MTI）雷達中使用了各種濾波器，濾去固定雜波而保留運動目標的回波，從而大大改善了在雜波背景下檢測運動目標的能力，并且提高了雷達的抗干擾能力。

這里采用的是遞歸型一次相消器，當用Z變換進行分析時，可將其畫成如圖1所示。

圖1　遞歸型一次相消MTI濾波器

遞歸型一次相消濾波器的傳遞函數(shù)通過下面的關(guān)系式可求得：

K1越接近于1，遞歸型濾波器頻率響應的平坦范圍就越寬，但抑制雜波的凹口也越窄[2]。這里正是利用這種方法來擴大速度響應范圍。遞歸型濾波器可以比較靈活的改變其頻率響應的形狀，但它的暫態(tài)響應比較長。這種暫態(tài)響應限制了遞歸型濾波器在雷達中的應用?？山Y(jié)合海雜波的相關(guān)性，選取適當?shù)腒1來克服這種暫態(tài)響應的影響。

2 頻域恒虛警

一般CFAR都是基于時域進行的，但其實也可以在頻域進行。頻域CFAR處理就是根據(jù)有用信號與雜波的頻域特性差異，將回波信號變換到頻域，在頻域上檢測有用信號。由于海雜波幅度相關(guān)性強，利用雷達天線掃描-掃描間積累的方法，會使雷達檢測性能明顯提高。雜波圖迭代是一種有效實現(xiàn)掃描-掃描間積累的方法[3]，故而此處選用頻域雜波圖的方法實現(xiàn)恒虛警。

頻域雜波圖是在方位-距離二維空間上劃分，在多普勒頻率上再分層，存儲的雜波估值是多次天線掃描的雜波在頻域上的幅度平均值的估值，稱為“全速度雜波圖”[4]。該估值的更新是根據(jù)當前一個 CPI的回波數(shù)據(jù)包對應的方位碼和距離單元找到相對應的距離方位單元，將當前數(shù)據(jù)經(jīng)過FFT處理后求取其幅度，同時對該組結(jié)果分別在距離上按照劃分的每個距離單元中包含的距離門數(shù)，在方位上按照一個波束內(nèi)的劃窗數(shù)進行平均，再與相應距離方位單元中存儲的上一個周期數(shù)據(jù)，做一次記憶迭代運算，最后結(jié)果再存入可讀寫存儲器相應的距離方位單元地址中。雜波圖更新的迭代公式如下：

上式中：k為小于1的迭代因子，可根據(jù)具體的應用環(huán)境，由檢測目標的速度計算穿越波束的時間，確定迭代的快慢來選定；z為天線掃描周期的延遲。由此，天線多圈掃描以后，雜波圖中存儲的則成了相應距離方位單元對應的雜波均值。

該類方法的雜波圖恒虛警在處理海雜波時，具備了如下優(yōu)點：

（1）克服了天線相繼的掃掠間強相關(guān)的問題[5]；

（2）采用積累反饋思想，通過系數(shù)加權(quán)克服了由于運動目標進入雜波估值單元而引起的雜波單元估值問題；

（3）由于參加估值的單元數(shù)的增加，使得恒虛警檢測器的損失有所下降，從而改善了恒虛警性能。

3 有序恒虛警檢測器

在多目標環(huán)境中，有序恒虛警OS-CFAR相對于均值類恒虛警CA-CFAR具有較好的抗干擾目標能力，同時在均勻雜波背景和雜波邊緣環(huán)境中的性能下降也是適度的，可以接受的。

這里選用的是一種改進的有序恒虛警檢測器CMLD-CFAR，其模型為：

圖2　CMLD_CFAR

它先將參考單元采樣值按幅值排序，然后刪去從最大值開始的m個最大單元，取其余單元的線性組合作為檢測單元雜波功率水平估計Z。m的經(jīng)驗取值為m≈1／6L。

在多目標環(huán)境中，OS相對于CA有一定的優(yōu)勢。因為它刪除了一些高幅度參考單元采用值，在一定程度下減少了干擾目標回波進入Z的概率，使Z更趨于合理，因此具有更好的抗干擾目標的能力。

4 一種恒虛警改進措施

采用上述頻域雜波圖恒虛警檢測方法能達到提高檢測性能的目的，尤其是在多目標的發(fā)現(xiàn)問題上發(fā)揮了非常重要的作用；但是實際檢測過程中，在雷達量程切換、工作狀態(tài)切換和信號增益突然增大時，會出現(xiàn)虛警過多情況，嚴重時會使后端點跡處理機通信堵塞，雷達沒法正常工作。上述雜波圖恒虛警思想，是直接將當前雜波幅度存入雜波圖估值單元，作為雜波圖建立初值，雜波圖從建立到平穩(wěn)的周期由迭代系數(shù)的大小決定，在雜波圖趨于平穩(wěn)的這段時間里，虛警就會增大。這個缺陷只要采用了雜波圖恒虛警就不可避免，因為雜波圖恒虛警是慢門限恒虛警，需要一定時間的積累起到恒虛警的作用。起初，筆者采用了一些規(guī)避措施，比方說，將雷達設計成，開機那段時間的回波數(shù)據(jù)只拿來做雜波圖，待雜波圖開始平穩(wěn)后才開始檢測，這樣可防止工作狀態(tài)切換帶來的通信擁堵影響；但是在正常檢測過程中，在大目標出現(xiàn)周期內(nèi)會引起周圍一帶距離范圍整個噪聲電平的抬高，從而導致過門限“目標”數(shù)增加，這種情況就需要再考慮引入快門限恒虛警檢測器進行改進。前面提到了在多目標環(huán)境中，有序恒虛警相對于均值類恒虛警具有較好的抗干擾目標的能力，這里筆者選用有序恒虛警。

圖3　改進前信號處理框圖

改進后的信號處理框圖如圖 3所示，將頻域雜波圖檢測器的輸出結(jié)果再通過一個有序恒虛警檢測器。頻域雜波圖檢測器在正常工作時起主要作用，當工作狀態(tài)改變時，在雜波圖趨于平穩(wěn)過程中雜波圖門限失效，起主要作用的則是有序恒虛警檢測器CMLD-CFAR。將CMLD-CFAR檢測方法應用在頻域上，就是對每個檢測單元，分別先對其兩側(cè)鄰近的若干個參考單元進行排序，剔除掉其中的幾個最大幅度參考單元，再求取剩下參考單元的平均值作為雜波均值估計，進而實現(xiàn)對目標的自適應門限檢測處理，這樣既降低了虛警率，又實時有效地解決了非均勻干擾帶來的有序恒虛警方法的虛警率突變問題。這兩種恒虛警結(jié)合的檢測方法，能對兩者的缺陷相互彌補，但由此會加大信噪比的損失，這將是筆者進一步需要分析和解決的問題。

圖4　改進后的信號處理框圖

5 結(jié)束語

本文介紹了一種基于頻域的多目標檢測方法，該方法在頻域上實現(xiàn)對消和雜波圖檢測，已經(jīng)非常成熟的應用在雷達上，能實時有效地檢測多目標。針對文中所提的狀態(tài)改變時，虛警率增大的問題，提出的將雜波圖恒虛警檢測方法和有序恒虛警檢測方法兩種結(jié)合應用的改進方案，也是行之有效且易于工程實現(xiàn)的，值得推廣。

[1] 吳順君,梅曉春.雷達信號處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2008.

[2] 丁鷺飛,耿富錄.雷達原理[M].西安:西安電子科技大學出版社,2002.

[3] 沈福明,劉錚.毫米波海雜波背景下的雷達信號處理[J].西安電子科技大學學報,1997,(12):173-177.

[4] 劉艷萍.一種海雜波背景下快速小目標的檢測方法[J].艦船電子對抗,2006,(5):41-44.

[5] 雷旺敏,張飚.岸基雷達的抗海雜波措施[J].現(xiàn)代雷達, 2006,(5):5-7.

A multiple-target detection method based on frequency domain

In the multiple-target echo environment, the remaining clutter and noise is always existed. So, detection methods using the traditional single way don't meet detection requirements. Based on the frequency domain, it describes a method for detecting multiple-targets. The method using frequency-domain recursive MTI and clutter maps combined detects multiple-targets. Finally, it proposed the improvement scheme by the way of clutter map CFAR cascading order statistic CFAR to decrease the probability of false alarm.

Frequency domain; recursive MTI; clutter map CFAR; iteration; order statistic CFAR

TN95

A

1008-1151(2015)12-0001-02

2015-11-10

李佩針（1980-），女，四川仁壽人，零八一電子集團有限公司工程師，碩士，研究方向為雷達信號處理；劉珂（1981-），男，四川成都人，零八一電子集團有限公司工程師，碩士，研究方向為雷達發(fā)射機。