李佩針 劉 珂

（零八一電子集團(tuán)有限公司，四川 成都 611731）

基于頻域的一種多目標(biāo)檢測(cè)方法

李佩針 劉 珂

（零八一電子集團(tuán)有限公司，四川 成都 611731）

在多目標(biāo)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(cè)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足檢測(cè)需求。文章基于頻域，介紹了一種多目標(biāo)的檢測(cè)方法。該方法采用頻域遞歸型MTI和頻域雜波圖檢測(cè)相結(jié)合的方法檢測(cè)出多目標(biāo)，并提出將雜波圖恒虛警和有序恒虛警級(jí)聯(lián)的一種恒虛警處理措施解決虛警概率增加的問(wèn)題。

頻域；遞歸型MTI；雜波圖恒虛警；迭代；有序恒虛警

雷達(dá)目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)是在有噪聲和干擾條件下進(jìn)行的，如何抑制這些干擾信號(hào)則成了影響雷達(dá)檢測(cè)性能的關(guān)鍵技術(shù)。在多目標(biāo)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(shí)變的，不同區(qū)間的雜波強(qiáng)度也有大的區(qū)別，采用傳統(tǒng)單一的檢測(cè)方法已經(jīng)不能滿(mǎn)足檢測(cè)需求。對(duì)于岸基雷達(dá)，當(dāng)海雜波與低空小目標(biāo)的回波同時(shí)進(jìn)入雷達(dá)，往往都是雜波將目標(biāo)回波給淹沒(méi)了，這種情況下，在時(shí)域上根本無(wú)法將其分辨出來(lái)。鑒于海雜波在頻譜上與動(dòng)目標(biāo)回波頻譜的差別，可在頻域上將雜波和回波分開(kāi)，但又因?yàn)榈退龠\(yùn)動(dòng)的海雜波其頻譜的偏移和展寬使落在附近頻段的目標(biāo)較難從頻率上分開(kāi)，故而還需要采用恒虛警檢測(cè)來(lái)提高雷達(dá)在海雜波環(huán)境下的檢測(cè)能力。傳統(tǒng)的檢測(cè)都是在時(shí)域上進(jìn)行，本文基于頻域，描述了一種岸基雷達(dá)采用的抗海雜波檢測(cè)方法，針對(duì)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(jì)量恒虛警檢測(cè)相結(jié)合的方法提高檢測(cè)性能。

1 頻域遞歸型MTI

當(dāng)雜波和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波在雷達(dá)顯示器上同時(shí)顯示時(shí)，會(huì)使目標(biāo)的觀察變得很困難。如果目標(biāo)處在雜波背景內(nèi)，弱的目標(biāo)湮沒(méi)在強(qiáng)雜波中，特別是當(dāng)強(qiáng)雜波使接收系統(tǒng)產(chǎn)生過(guò)載時(shí)，發(fā)現(xiàn)目標(biāo)十分困難。目標(biāo)不在雜波背景內(nèi)時(shí)，要在成片雜波中很快分辨出運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波也不容易。如果雷達(dá)終端采用自動(dòng)檢測(cè)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(guò)載或者不必要地增大系統(tǒng)的容量和復(fù)雜性。因此，無(wú)論從抗干擾或改善雷達(dá)工作質(zhì)量的觀點(diǎn)來(lái)看，選擇運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波而抑制固定雜波背景都是一個(gè)很重要的問(wèn)題。

區(qū)分運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和固定雜波的基礎(chǔ)是他們?cè)谒俣壬系牟顒e。由于運(yùn)動(dòng)速度不同而引起回波信號(hào)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(biāo)的回波。在動(dòng)目標(biāo)顯示（MTI）雷達(dá)中使用了各種濾波器，濾去固定雜波而保留運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的回波，從而大大改善了在雜波背景下檢測(cè)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的能力，并且提高了雷達(dá)的抗干擾能力。

這里采用的是遞歸型一次相消器，當(dāng)用Z變換進(jìn)行分析時(shí)，可將其畫(huà)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(guò)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(yīng)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(lái)擴(kuò)大速度響應(yīng)范圍。遞歸型濾波器可以比較靈活的改變其頻率響應(yīng)的形狀，但它的暫態(tài)響應(yīng)比較長(zhǎng)。這種暫態(tài)響應(yīng)限制了遞歸型濾波器在雷達(dá)中的應(yīng)用。可結(jié)合海雜波的相關(guān)性，選取適當(dāng)?shù)腒1來(lái)克服這種暫態(tài)響應(yīng)的影響。

2 頻域恒虛警

一般CFAR都是基于時(shí)域進(jìn)行的，但其實(shí)也可以在頻域進(jìn)行。頻域CFAR處理就是根據(jù)有用信號(hào)與雜波的頻域特性差異，將回波信號(hào)變換到頻域，在頻域上檢測(cè)有用信號(hào)。由于海雜波幅度相關(guān)性強(qiáng)，利用雷達(dá)天線掃描-掃描間積累的方法，會(huì)使雷達(dá)檢測(cè)性能明顯提高。雜波圖迭代是一種有效實(shí)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(shí)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(chǔ)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(chēng)為“全速度雜波圖”[4]。該估值的更新是根據(jù)當(dāng)前一個(gè) CPI的回波數(shù)據(jù)包對(duì)應(yīng)的方位碼和距離單元找到相對(duì)應(yīng)的距離方位單元，將當(dāng)前數(shù)據(jù)經(jīng)過(guò)FFT處理后求取其幅度，同時(shí)對(duì)該組結(jié)果分別在距離上按照劃分的每個(gè)距離單元中包含的距離門(mén)數(shù)，在方位上按照一個(gè)波束內(nèi)的劃窗數(shù)進(jìn)行平均，再與相應(yīng)距離方位單元中存儲(chǔ)的上一個(gè)周期數(shù)據(jù)，做一次記憶迭代運(yùn)算，最后結(jié)果再存入可讀寫(xiě)存儲(chǔ)器相應(yīng)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(yīng)用環(huán)境，由檢測(cè)目標(biāo)的速度計(jì)算穿越波束的時(shí)間，確定迭代的快慢來(lái)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(chǔ)的則成了相應(yīng)距離方位單元對(duì)應(yīng)的雜波均值。

該類(lèi)方法的雜波圖恒虛警在處理海雜波時(shí)，具備了如下優(yōu)點(diǎn)：

（1）克服了天線相繼的掃掠間強(qiáng)相關(guān)的問(wèn)題[5]；

（2）采用積累反饋思想，通過(guò)系數(shù)加權(quán)克服了由于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)進(jìn)入雜波估值單元而引起的雜波單元估值問(wèn)題；

（3）由于參加估值的單元數(shù)的增加，使得恒虛警檢測(cè)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(cè)器

在多目標(biāo)環(huán)境中，有序恒虛警OS-CFAR相對(duì)于均值類(lèi)恒虛警CA-CFAR具有較好的抗干擾目標(biāo)能力，同時(shí)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(jìn)的有序恒虛警檢測(cè)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(kāi)始的m個(gè)最大單元，取其余單元的線性組合作為檢測(cè)單元雜波功率水平估計(jì)Z。m的經(jīng)驗(yàn)取值為m≈1／6L。

在多目標(biāo)環(huán)境中，OS相對(duì)于CA有一定的優(yōu)勢(shì)。因?yàn)樗鼊h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(biāo)回波進(jìn)入Z的概率，使Z更趨于合理，因此具有更好的抗干擾目標(biāo)的能力。

4 一種恒虛警改進(jìn)措施

采用上述頻域雜波圖恒虛警檢測(cè)方法能達(dá)到提高檢測(cè)性能的目的，尤其是在多目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)問(wèn)題上發(fā)揮了非常重要的作用；但是實(shí)際檢測(cè)過(guò)程中，在雷達(dá)量程切換、工作狀態(tài)切換和信號(hào)增益突然增大時(shí)，會(huì)出現(xiàn)虛警過(guò)多情況，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使后端點(diǎn)跡處理機(jī)通信堵塞，雷達(dá)沒(méi)法正常工作。上述雜波圖恒虛警思想，是直接將當(dāng)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(shí)間里，虛警就會(huì)增大。這個(gè)缺陷只要采用了雜波圖恒虛警就不可避免，因?yàn)殡s波圖恒虛警是慢門(mén)限恒虛警，需要一定時(shí)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(shuō)，將雷達(dá)設(shè)計(jì)成，開(kāi)機(jī)那段時(shí)間的回波數(shù)據(jù)只拿來(lái)做雜波圖，待雜波圖開(kāi)始平穩(wěn)后才開(kāi)始檢測(cè)，這樣可防止工作狀態(tài)切換帶來(lái)的通信擁堵影響；但是在正常檢測(cè)過(guò)程中，在大目標(biāo)出現(xiàn)周期內(nèi)會(huì)引起周?chē)粠Ь嚯x范圍整個(gè)噪聲電平的抬高，從而導(dǎo)致過(guò)門(mén)限“目標(biāo)”數(shù)增加，這種情況就需要再考慮引入快門(mén)限恒虛警檢測(cè)器進(jìn)行改進(jìn)。前面提到了在多目標(biāo)環(huán)境中，有序恒虛警相對(duì)于均值類(lèi)恒虛警具有較好的抗干擾目標(biāo)的能力，這里筆者選用有序恒虛警。

圖3　改進(jìn)前信號(hào)處理框圖

改進(jìn)后的信號(hào)處理框圖如圖 3所示，將頻域雜波圖檢測(cè)器的輸出結(jié)果再通過(guò)一個(gè)有序恒虛警檢測(cè)器。頻域雜波圖檢測(cè)器在正常工作時(shí)起主要作用，當(dāng)工作狀態(tài)改變時(shí)，在雜波圖趨于平穩(wěn)過(guò)程中雜波圖門(mén)限失效，起主要作用的則是有序恒虛警檢測(cè)器CMLD-CFAR。將CMLD-CFAR檢測(cè)方法應(yīng)用在頻域上，就是對(duì)每個(gè)檢測(cè)單元，分別先對(duì)其兩側(cè)鄰近的若干個(gè)參考單元進(jìn)行排序，剔除掉其中的幾個(gè)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(jì)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)的自適應(yīng)門(mén)限檢測(cè)處理，這樣既降低了虛警率，又實(shí)時(shí)有效地解決了非均勻干擾帶來(lái)的有序恒虛警方法的虛警率突變問(wèn)題。這兩種恒虛警結(jié)合的檢測(cè)方法，能對(duì)兩者的缺陷相互彌補(bǔ)，但由此會(huì)加大信噪比的損失，這將是筆者進(jìn)一步需要分析和解決的問(wèn)題。

圖4　改進(jìn)后的信號(hào)處理框圖

5 結(jié)束語(yǔ)

本文介紹了一種基于頻域的多目標(biāo)檢測(cè)方法，該方法在頻域上實(shí)現(xiàn)對(duì)消和雜波圖檢測(cè)，已經(jīng)非常成熟的應(yīng)用在雷達(dá)上，能實(shí)時(shí)有效地檢測(cè)多目標(biāo)。針對(duì)文中所提的狀態(tài)改變時(shí)，虛警率增大的問(wèn)題，提出的將雜波圖恒虛警檢測(cè)方法和有序恒虛警檢測(cè)方法兩種結(jié)合應(yīng)用的改進(jìn)方案，也是行之有效且易于工程實(shí)現(xiàn)的，值得推廣。

[1] 吳順君,梅曉春.雷達(dá)信號(hào)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(dá)原理[M].西安:西安電子科技大學(xué)出版社,2002.

[3] 沈福明,劉錚.毫米波海雜波背景下的雷達(dá)信號(hào)處理[J].西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào),1997,(12):173-177.

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

[5] 雷旺敏,張飚.岸基雷達(dá)的抗海雜波措施[J].現(xiàn)代雷達(dá), 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(tuán)有限公司工程師，碩士，研究方向?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理；劉珂（1981-），男，四川成都人，零八一電子集團(tuán)有限公司工程師，碩士，研究方向?yàn)槔走_(dá)發(fā)射機(jī)。