馬 可 張遠(yuǎn)安 畢 進(jìn)

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

線性調(diào)頻連續(xù)波(Linear Modulation Continuous Wave，LFMCW)雷達(dá)[1]是一種以線性調(diào)頻連續(xù)波作為發(fā)射信號(hào)的雷達(dá)，其具有測(cè)速測(cè)距精度高、無(wú)近距離盲區(qū)、發(fā)射功率低、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、體積小等特點(diǎn)。近年來(lái)，隨著技術(shù)的發(fā)展連續(xù)波雷達(dá)在很多系統(tǒng)中都有應(yīng)用，如高度儀，汽車(chē)防撞系統(tǒng)、戰(zhàn)場(chǎng)場(chǎng)面監(jiān)視、導(dǎo)彈精密末制導(dǎo)等[2]。

雷達(dá)為了得到超低的虛警率和漏警率，可以從信號(hào)檢測(cè)、航跡濾波、目標(biāo)特性分析等多個(gè)方面綜合實(shí)現(xiàn)[3]。本文針對(duì)LFMCW雷達(dá)回波特點(diǎn)，從信號(hào)檢測(cè)方面入手，通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析，提出了一種多門(mén)限聯(lián)合檢測(cè)方法，該方法可以在保證目標(biāo)檢測(cè)概率的同時(shí)降低虛警率。

1 LFMCW雷達(dá)回波分析

在本文中，LFMCW雷達(dá)采用鋸齒調(diào)頻連續(xù)波作為發(fā)射信號(hào)，其回波經(jīng)過(guò)混頻、濾波、放大后進(jìn)入信號(hào)處理器，通過(guò)對(duì)差拍回波信號(hào)的距離維和多普勒維做二維快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)[4]，并進(jìn)行信號(hào)檢測(cè)和距離速度解耦合，就可以得到目標(biāo)的距離、速度信息。

連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號(hào)泄漏的相位噪聲會(huì)影響接收機(jī)靈敏度[5]。對(duì)于信號(hào)檢測(cè)，其噪聲為接收機(jī)噪聲加發(fā)射信號(hào)泄漏邊帶噪聲。這會(huì)導(dǎo)致接收機(jī)輸出噪聲的統(tǒng)計(jì)特性不是平穩(wěn)的。圖1為某發(fā)射信號(hào)的相位噪聲測(cè)試結(jié)果?？梢钥闯霭l(fā)射信號(hào)的相位噪聲隨頻率偏移呈快速下降趨勢(shì)，偏移到一定頻率時(shí)呈穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 相位噪聲測(cè)試結(jié)果

在連續(xù)波雷達(dá)工程設(shè)計(jì)時(shí)，通常需要在接收鏈路中增加頻率靈敏度控制(Sensitivity frequency control，SFC)[6-7]，以擴(kuò)大接收機(jī)動(dòng)態(tài)范圍、抑制噪聲近頻率端起伏。圖2為某接收機(jī)SFC頻率響應(yīng)曲線。

圖2 SFC頻率響應(yīng)曲線

對(duì)于LFMCW雷達(dá)，在信號(hào)檢測(cè)時(shí)門(mén)限需要適應(yīng)接收機(jī)輸出噪聲(即接收機(jī)本地噪聲與發(fā)射信號(hào)泄漏的邊帶噪聲之和)、無(wú)意干擾、以及強(qiáng)地雜波在二維FFT后的副瓣。圖3給出了LFMCW雷達(dá)在不同環(huán)境中信號(hào)檢測(cè)前的實(shí)際采集噪聲基底。

圖3 實(shí)際采集噪聲基底

由圖3可以看出，在不同環(huán)境下LFMCW雷達(dá)的噪聲基底不同，但在近距離單元段其噪聲整體較強(qiáng)，同時(shí)伴隨有個(gè)別噪聲尖峰點(diǎn)。這種噪聲尖峰點(diǎn)會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)的虛警率較高。因此，在目標(biāo)檢測(cè)時(shí)，應(yīng)該考慮如何在不同噪聲基底下降低噪聲尖峰點(diǎn)對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響。

2 LFMCW雷達(dá)多門(mén)限設(shè)計(jì)

通常情況下，雷達(dá)中的多門(mén)限檢測(cè)設(shè)計(jì)思路是先設(shè)置較低的第一門(mén)限保證檢測(cè)概率，再根據(jù)雷達(dá)特點(diǎn)增加其他門(mén)限以降低虛警率[8]。針對(duì)LFMCW雷達(dá)，根據(jù)不同的實(shí)際數(shù)采噪聲基底，結(jié)合恒虛警門(mén)限和固定門(mén)限，以實(shí)現(xiàn)較低的虛警率和漏警率。

2.1 恒虛警門(mén)限設(shè)計(jì)

恒虛警檢測(cè)[9-10]的主要目的是以恒定的虛警概率從回波信號(hào)中檢測(cè)出目標(biāo)信號(hào)而不受背景噪聲基底變化的影響，并為后續(xù)的距離速度解耦合消除噪聲。由圖3可知，噪聲基底中的強(qiáng)雜波點(diǎn)只存在于一定的距離和多普勒通道內(nèi)，對(duì)這些含有強(qiáng)雜波點(diǎn)的噪聲基底平均值進(jìn)行估計(jì)時(shí)不能在許多次掃描周期內(nèi)進(jìn)行，同時(shí)由于噪聲基底不是均勻的，也不可能在一次距離全頻段內(nèi)進(jìn)行，而只能在檢測(cè)點(diǎn)臨近單元。因此，在LFMCW連續(xù)波雷達(dá)中我們采用鄰近單元平均選大的方法進(jìn)行恒虛警檢測(cè)(Greatest of Constant False Alarm Rate，GOCFAR)，其檢測(cè)原理如圖4所示。

圖4 GOCFAR原理圖

在圖4中，測(cè)試單元前后鄰近的幾個(gè)單元為保護(hù)單元，保護(hù)單元的大小取決于目標(biāo)的尺寸和分辨單元的大小，保護(hù)單元是為了防止目標(biāo)能量泄漏到相鄰參考單元中影響背景噪聲基底功率估計(jì)。保護(hù)單元外側(cè)為參考單元，前后參考單元長(zhǎng)度相等，噪聲基底功率估計(jì)由參考單元求平均獲得。GOCFAR是選擇前后參考單元均值中的較大值作為噪聲基底功率估計(jì)。門(mén)限系數(shù)是根據(jù)設(shè)定的恒虛警概率和恒虛警算法得出，將門(mén)限系數(shù)與噪聲基底功率估計(jì)相乘與測(cè)試單元比較，進(jìn)行門(mén)限檢測(cè)判決。

2.2 基于統(tǒng)計(jì)的多門(mén)限設(shè)計(jì)

根據(jù)不同環(huán)境下LFMCW雷達(dá)實(shí)際采集噪聲基底，統(tǒng)計(jì)出噪聲尖峰幅度值的分布，選取合適的固定門(mén)限，以減小噪聲尖峰帶來(lái)的虛警。

通過(guò)對(duì)不同環(huán)境下LFMCW雷達(dá)工作時(shí)采集800個(gè)相參處理周期(Coherent Processing Interval，CPI)內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將800個(gè)CPI數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得到如圖5所示的結(jié)果，不同場(chǎng)景下噪聲基底隨著探測(cè)距離的變化曲線。

圖5 不同環(huán)境的平均噪聲基底

雷達(dá)在不同環(huán)境工作時(shí)，理想的方法是先通過(guò)讓雷達(dá)自主學(xué)習(xí)，探測(cè)環(huán)境回波信號(hào)，獲得該環(huán)境下噪聲基底隨距離單元變化曲線，將該曲線存入雷達(dá)檢測(cè)模塊中，用作檢測(cè)時(shí)的固定門(mén)限。但是在工程實(shí)踐時(shí)，這種方法比較困難。這是因?yàn)槔走_(dá)信號(hào)處理器常采用FPGA或者DSP來(lái)實(shí)現(xiàn)，要計(jì)算上百個(gè)CPI內(nèi)的噪聲基底，從存儲(chǔ)資源上，往往難以滿足，但從圖5可以看到，不同環(huán)境下，噪聲基底隨距離的變化曲線規(guī)律很類(lèi)似，也即可以通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)環(huán)境來(lái)代替其他環(huán)境下的噪聲基底，前期試驗(yàn)時(shí)，通過(guò)試驗(yàn)場(chǎng)采集雷達(dá)正常工作時(shí)的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過(guò)脫機(jī)處理獲得噪聲基底隨距離單元的變化曲線，作為固定門(mén)限，存入FPGA或者DSP中，這在工程中是很容易實(shí)現(xiàn)的。

因此，在LFMCW連續(xù)波雷達(dá)的信號(hào)檢測(cè)中，我們采用恒虛警門(mén)限與基于統(tǒng)計(jì)的固定多門(mén)限聯(lián)合檢測(cè)方法，以期降低虛警率。

3 多門(mén)限聯(lián)合檢測(cè)實(shí)測(cè)結(jié)果

以某型LFMCW雷達(dá)為例，在不同環(huán)境下采集模擬目標(biāo)數(shù)據(jù)，設(shè)置不同的門(mén)限，利用MATLAB處理數(shù)據(jù)，可以得到不同的目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果。

圖6為某次模擬目標(biāo)由遠(yuǎn)向近運(yùn)動(dòng)所采集的數(shù)據(jù)，選取目標(biāo)運(yùn)動(dòng)中間的140個(gè)信號(hào)處理周期，僅設(shè)置單一恒虛警門(mén)限的目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果，其中橫軸為信號(hào)處理周期，縱軸為距離單元，*點(diǎn)為對(duì)應(yīng)信號(hào)處理周期檢測(cè)出的目標(biāo)所在距離單元位置。

圖6 單一恒虛警門(mén)限檢測(cè)結(jié)果

在圖6中，可以清晰地看出模擬目標(biāo)隨信號(hào)處理周期變化的運(yùn)動(dòng)軌跡。在目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時(shí)，近距離單元有較多雜波點(diǎn)產(chǎn)生。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，140個(gè)周期內(nèi)，目標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)111個(gè)，雜波點(diǎn)29個(gè)。

圖7為與圖6相同數(shù)據(jù)，設(shè)置上節(jié)所述設(shè)置多門(mén)限后聯(lián)合檢測(cè)的結(jié)果。

圖7 多門(mén)限聯(lián)合檢測(cè)結(jié)果

在圖7中，也可以清晰地看出模擬目標(biāo)隨信號(hào)處理周期變化的運(yùn)動(dòng)軌跡，且近距離單元段經(jīng)過(guò)高固定門(mén)限和恒虛警門(mén)限的限制后，雜波點(diǎn)僅為2個(gè)。這2個(gè)雜波點(diǎn)是由某個(gè)較高的噪聲尖峰產(chǎn)生，如果消除這2個(gè)雜波點(diǎn)，將設(shè)置更高的門(mén)限值，這會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)檢測(cè)概率降低，漏警率較高。經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)，在140個(gè)周期內(nèi)，目標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)為107個(gè)。

表1統(tǒng)計(jì)了在單一恒虛警門(mén)限與多門(mén)限聯(lián)合檢測(cè)情況下，6次模擬目標(biāo)在不同環(huán)境，不同信號(hào)處理周期數(shù)的目標(biāo)檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)、雜波點(diǎn)個(gè)數(shù)。

表1 檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)對(duì)比

序號(hào)信號(hào)處理周期恒虛警門(mén)限多門(mén)限聯(lián)合目標(biāo)點(diǎn)數(shù)雜波點(diǎn)數(shù)目標(biāo)點(diǎn)數(shù)雜波點(diǎn)數(shù)114011129107221401152511023150122281183415012624119251601283212516160127331202

通過(guò)表1可以看出，LFMCW雷達(dá)對(duì)于模擬運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)時(shí)，多門(mén)限聯(lián)合檢測(cè)的檢測(cè)概率略低于單一恒虛警門(mén)限的檢測(cè)概率，通過(guò)后續(xù)數(shù)據(jù)處理航跡濾波可以忽略這種影響。同時(shí)多門(mén)限聯(lián)合檢測(cè)可以大大降低雜波點(diǎn)引起的虛警。雜波點(diǎn)較少對(duì)雷達(dá)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理能夠起到積極作用。

4 結(jié)束語(yǔ)

LFMCW雷達(dá)需要在含有接收機(jī)本地噪聲、發(fā)射信號(hào)泄漏的邊帶噪聲、無(wú)意干擾、強(qiáng)地雜波副瓣等噪聲基底中檢測(cè)目標(biāo)，根據(jù)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中噪聲基底的統(tǒng)計(jì)，提出了一種恒虛警與基于統(tǒng)計(jì)的固定多門(mén)限聯(lián)合檢測(cè)的方法。該方法實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單、并通過(guò)實(shí)測(cè)模擬目標(biāo)數(shù)據(jù)驗(yàn)證，在略微犧牲檢測(cè)概率的情況下可以有效減少噪聲尖峰帶來(lái)的虛警。這種方法已經(jīng)在某型LFMCW雷達(dá)上得到了工程應(yīng)用。