改進(jìn)型雷達(dá)二維恒虛警檢測參考窗*

汪 洋， 李光平

(廣東工業(yè)大學(xué) 信息工程學(xué)院，廣東 廣州 510006)

0 引 言

在雷達(dá)系統(tǒng)中，對統(tǒng)計(jì)檢測的性能估計(jì)通常需要對目標(biāo)和背景進(jìn)行建模，雷達(dá)檢波器中包含將接收到的回波信號(hào)幅值與固定門限值作比較，當(dāng)幅度值高于固定門限值，則判定為目標(biāo)存在，但在實(shí)際的雷達(dá)應(yīng)用中，總會(huì)有許多不同類型的噪聲和雜波出現(xiàn)的復(fù)雜環(huán)境背景，而且這些雜波將隨著時(shí)間和空間的不同時(shí)刻改變[1]，所以,一旦當(dāng)這些不同種類的噪聲和雜波高于固定門限值就會(huì)產(chǎn)生虛警。雷達(dá)目標(biāo)恒虛警檢測主要包括均值類和有序統(tǒng)計(jì)類。最早由Finn H M等人提出的單元平均恒虛警處理(cell-averaging CFAR,CA-CFAR)[2]，在均勻的噪聲和雜波背景環(huán)境下，CA-CFAR表現(xiàn)出了優(yōu)異的檢測性能，但在非均勻的雜波背景環(huán)境下，CA-CFAR的檢測性能大大降低。Rohling H提出的基于有序統(tǒng)計(jì)的恒虛警處理(ordered statistics CFAR,OS-CFAR)技術(shù)[3]在非均勻雜波背景環(huán)境下表現(xiàn)出優(yōu)異的檢測性能，同時(shí)在多目標(biāo)環(huán)境下也能表現(xiàn)出良好的檢測效率。

本文提出了一種將CA-CFAR和OS-CFAR相結(jié)合的二維田字型恒虛警檢測窗,并與傳統(tǒng)的二維矩形窗通過實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了比較與分析。

1 經(jīng)典的二維恒虛警處理模型和算法

1.1 自適應(yīng)恒虛警檢測模型

目標(biāo)檢測的主要任務(wù)是在距離—多普勒維數(shù)據(jù)所組成的距離—多普勒矩陣(range Doppler matrix,RDM)中的每個(gè)檢測單元做出判決[4,5]，目標(biāo)檢測的信號(hào)處理過程如圖1所示。

圖1 目標(biāo)檢測的信號(hào)處理過程

根據(jù)奈曼—皮爾遜檢測準(zhǔn)則[6]，假設(shè)檢驗(yàn)的判決結(jié)果由2種假設(shè)組成,即

y0H1

≥

H0TZ

(1)

(2)

1.2 二維CA-CFAR和OS-CFAR矩形參考窗

二維的恒虛警檢測[7,8]首先需要準(zhǔn)確地估計(jì)系統(tǒng)噪聲水平以及確定好參考窗，常見的二維窗如圖2(a)所示，是由M×N個(gè)參考單元組成的矩形參考窗，其中,M，N分別為距離維和多普勒維索引。

基于二維距離—多普勒參考窗的每個(gè)參考單元樣本獨(dú)立且都服從高斯分布，則在二維CA-CFAR處理下的每個(gè)參考單元平均干擾功率[9]

(3)

在圖2(a)中，為了使平均干擾功率估計(jì)值更精確，通常在待檢單元周圍設(shè)置保護(hù)單元，這些保護(hù)單元在進(jìn)行平均干擾功率估計(jì)時(shí)不代入運(yùn)算。則二維CA-CFAR的虛警概率為

(4)

當(dāng)利用OS-CFAR方法時(shí)，二維檢測窗中不需要引入?yún)⒖紗卧?，需要對所有參考單元的雜波和噪聲功率水平進(jìn)行升序排列形成一個(gè)新的序列，并選取該序列中第K個(gè)功率值X(k)作為平均干擾功率的估計(jì)值，這樣可以降低計(jì)算的復(fù)雜度[10]。則二維OS-CFAR的虛警概率為

pOSfa=p(Y0≥αOS·X(k))

(5)

2 改進(jìn)的二維恒虛警檢測參考窗方法

基于文獻(xiàn)[11]提出的改進(jìn)型二維矩形參考窗，其主要步驟是在距離—多普勒維上分別作OS-CFAR和CA-CFAR算法處理，將距離—多普勒維2個(gè)維度得到的結(jié)果相乘，然后估計(jì)雜波功率得到檢測報(bào)告。如圖2(b)所示，在二維矩形窗的基礎(chǔ)上作出改進(jìn)形成一種新的檢測窗。

圖2 二維CA-CFAR矩形和改進(jìn)型參考窗

由于二維距離—多普勒矩形窗的參考窗數(shù)目過多且部分參考單元包含與判決無關(guān)的信息，在矩形窗中減少部分參考單元形成田字窗，可以使計(jì)算量減小也使得雜波功率能夠更準(zhǔn)確地估計(jì)。具體步驟如下：

1)在距離維和多普勒維分別作OS-CFAR和CA-CFAR處理，在對參考單元中雜波功率水平進(jìn)行估計(jì)時(shí)剔除待檢單元左上、左下、右上和右下的4個(gè)保護(hù)單元。

2)首先將距離維參考單元的功率水平進(jìn)行升序排列，選出該序列中第K個(gè)值x(k)作為距離維背景雜波功率， 將標(biāo)稱化門限因子αCA與第(1)步得到的多普勒維雜波功率水平估計(jì)值相乘得到檢測門限值ST,將低于門限值的數(shù)據(jù)歸零并篩選出待檢單元的真實(shí)目標(biāo)。

3 外場試驗(yàn)

為了測試二維矩形參考窗和二維田字形參考窗的外場實(shí)際目標(biāo)檢測性能，將二維CA-CFAR和OS-CFAR檢測方法運(yùn)用到以上兩種參考窗中。實(shí)驗(yàn)所使用的儀器為德州儀器的AWR1642雷達(dá)開發(fā)板，雷達(dá)發(fā)射波形為鋸齒波，外部連接一個(gè)單片機(jī)作為控制模塊，U盤存儲(chǔ)雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)。雷達(dá)基本參數(shù)如下：載波頻率f0：77 GHz；掃頻周期：57.14 μs；掃頻帶寬：4 GHz。

實(shí)驗(yàn)場景如圖3(a)所示，選擇在空曠的室外，并選取2個(gè)測試人員作為檢測目標(biāo)。將AWR1642雷達(dá)模塊置放在汽車引擎蓋中間，該雷達(dá)的所能檢測到目標(biāo)的方位角為±60°。如圖3(b)所示，2個(gè)測試人員站在車輛正前方。在圖3(b)中，周圍的樹木以及鐵欄桿均在雷達(dá)檢測區(qū)域內(nèi)，雷達(dá)所接收到回波信號(hào)將包含實(shí)際所檢測到的目標(biāo)和一些雜波加噪聲。

圖3 實(shí)際場景

如圖4(a)所示，取圖3(b)中的場景的一幀原始數(shù)據(jù)經(jīng)過MATLAB進(jìn)行處理可以發(fā)現(xiàn)2個(gè)尖峰值正好與車輛前方的2個(gè)測試人員相對應(yīng)，在尖峰周圍為檢測區(qū)域內(nèi)的部分雜波或噪聲。下面利用二維矩形窗和二維田字窗處理方法分別對圖3(b)中的實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，二維田字窗的仿真結(jié)果如圖4(b)所示。結(jié)合圖3(b)和圖4(a)可得，在圖4(a)中2個(gè)尖峰分別對應(yīng)2個(gè)測試人員，這2個(gè)檢測到的目標(biāo)相對雷達(dá)的距離分別為6.497 m和7.587 m，相對雷達(dá)的徑向速度為0.250 2 m/s。如圖4(c)所示為二維矩形窗檢測結(jié)果。

從圖4(b)和(c)可以看到，利用二維矩形滑窗檢測方法雖然能檢測到實(shí)際場景中的2個(gè)真實(shí)目標(biāo)，但圖4(c)中卻檢測到5個(gè)目標(biāo)，產(chǎn)生了3個(gè)虛假目標(biāo)，對檢測效率有一定的影響，通過在二維矩形窗的基礎(chǔ)上剔除一些與檢測判決無關(guān)的參考單元形成田字窗可以提高檢測效率，對降低虛警概率起到一定的作用。

圖4 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

4 結(jié)束語

仿真結(jié)果表明：雖然兩種參考窗均可以檢測到測試車輛前方的目標(biāo)，但由于二維矩形窗中部分參考單元與目標(biāo)檢測判決無關(guān)，則會(huì)產(chǎn)生虛警，而田字窗剔除掉這些與判決無關(guān)的參考單元后可以更精確地估計(jì)平均雜波功率水平，降低虛警概率。所以2種參考窗在進(jìn)行恒虛警檢測時(shí)，二維田字窗的檢測效率更高。