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        2D-CFAR檢測(cè)的性能分析與實(shí)現(xiàn)

        2022-07-22 08:24:02左林虎劉國(guó)浩
        火控雷達(dá)技術(shù) 2022年2期
        關(guān)鍵詞:雜波檢測(cè)器個(gè)數(shù)

        左林虎 王 謙 劉國(guó)浩

        (1.西安電子工程研究所 西安 710100;2.陸軍裝備部駐西安地區(qū)軍事代表局 西安 710000)

        0 引言

        恒虛警(Constant false alarm rate, CFAR)檢測(cè)是雷達(dá)信號(hào)處理中的關(guān)鍵技術(shù)之一,即通過(guò)估計(jì)背景噪聲功率自動(dòng)形成檢測(cè)閥值,從而保持恒定的虛警率。常見(jiàn)的CFAR技術(shù)有單元平均恒虛警(CA-CFAR)、單元平均取小恒虛警(SO-CFAR)、單元平均取大恒虛警(GO-CFAR)、有序排序恒虛警(OS-CFAR)以及剔除平均恒虛警(TM-CFAR)等。其中,在均勻雜波背景下,CA-CFAR獲得接近最優(yōu)的檢測(cè)性能,但在雜波邊緣場(chǎng)景會(huì)有虛警或者漏警,在多目標(biāo)場(chǎng)景會(huì)出現(xiàn)目標(biāo)遮蔽現(xiàn)象;SO-CFAR、OS-CFAR以及TM-CFAR改善多目標(biāo)場(chǎng)景下的目標(biāo)遮蔽現(xiàn)象,相應(yīng)地在雜波邊緣場(chǎng)景和均勻場(chǎng)景下檢測(cè)性能下降;GO-CFAR能有效地避免雜波邊緣的虛警,但在多目標(biāo)場(chǎng)景下更容易出現(xiàn)目標(biāo)遮蔽現(xiàn)象。以上CFAR檢測(cè)器均是在距離維對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè),沒(méi)有考慮多普勒維度信息,二維恒虛警檢測(cè)(2D-CFAR)則是同時(shí)在距離維和多普勒維度選取參考單元對(duì)背景噪聲功率進(jìn)行估計(jì)。

        CFAR的檢測(cè)性能與參考單元個(gè)數(shù)相關(guān),在相同的虛警率下,當(dāng)參考單元個(gè)數(shù)增加時(shí),CFAR損失下降。對(duì)于一維CFAR而言,距離維上參考窗長(zhǎng)增加的同時(shí)也意味著待檢單元附近的干擾更易進(jìn)入?yún)⒖即皟?nèi),同樣也不利于準(zhǔn)確估計(jì)背景噪聲功率。與一維CFAR相比,在相同的參考單元個(gè)數(shù)下,二維CFAR的參考窗在距離維的長(zhǎng)度可以更小,意味著待檢單元附近的干擾對(duì)目標(biāo)檢測(cè)影響更小。與一維TM-CFAR類(lèi)似,也可以在二維CFAR中加上剔除,進(jìn)一步提升二維CFAR檢測(cè)在多目標(biāo)場(chǎng)景下的檢測(cè)性能。

        本文利用雷達(dá)模擬器產(chǎn)生地雜波邊緣場(chǎng)景、多目標(biāo)干擾等非均勻雜波場(chǎng)景,通過(guò)Matlab仿真分析CA-CFAR、SO-CFAR、GO-CFAR、OS-CFAR、TM-CFAR、2D-CFAR算法以及二維TM-CFAR算法(TM2D-CFAR)的檢測(cè)性能。在GPU中實(shí)現(xiàn)上述CFAR算法,在同等的輸入條件下,統(tǒng)計(jì)各CFAR算法的運(yùn)算時(shí)間。結(jié)合檢測(cè)性能和運(yùn)算效率綜合分析相關(guān)CFAR檢測(cè)器的性能。

        1 二維CFAR算法模型及仿真結(jié)果

        1.1 二維CFAR算法模型

        二維參考窗同時(shí)在距離維和多普勒維選取參考單元對(duì)噪聲背景進(jìn)行估計(jì)。假設(shè)二維參考窗在距離維和多普勒維度的數(shù)目分別為和,保護(hù)窗在距離維和多普勒維度的數(shù)目分別為和,則二維參考窗其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

        由圖1可知,二維CA-CFAR檢測(cè)器的噪聲估計(jì)值可以表示為式(1)。

        圖1 CFAR處理參考窗

        (1)

        其中,表示二維參考窗內(nèi)距離維上第個(gè)、多普勒維上第個(gè)參考單元的采樣值。

        對(duì)二維參考窗內(nèi)的采樣值進(jìn)行排序,再剔除從最小采樣值起的個(gè)較小參考單元個(gè)數(shù),從最大采樣值起的個(gè)較大參考單元個(gè)數(shù)。二維TM-CFAR檢測(cè)器的噪聲估計(jì)值可以表示為式(2)所示。

        (2)

        其中()表示二維參考窗內(nèi)參考單元的采樣值經(jīng)排序后的第個(gè)采樣值。

        檢測(cè)門(mén)限可表示如式(3)所示。

        (3)

        其中,為門(mén)限因子。

        通過(guò)待檢單元的采樣值與檢測(cè)門(mén)限比較來(lái)判斷目標(biāo)是否存在,如式(4)所示。

        (4)

        1.2 相關(guān)CFAR檢測(cè)器仿真結(jié)果

        1.2.1 雜波邊緣場(chǎng)景

        雷達(dá)模擬器在32.25km處設(shè)置靜止目標(biāo),在28.25~31.75km范圍內(nèi)添加丘陵地貌的雜波?;夭〝?shù)據(jù)經(jīng)脈壓、MTD等處理后,距離-多普勒數(shù)據(jù)矩陣如圖2(a)所示,多普勒通道1的距離維數(shù)據(jù)局部圖如圖2(b)所示。

        圖2 雜波邊緣場(chǎng)景下雷達(dá)回波數(shù)據(jù)

        從圖2中,可以看出來(lái)目標(biāo)在多普勒1通道的距離單元423附近,雜波區(qū)域約在距離單元340到414之間。

        CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR、OS-CFAR、TM-CFAR的保護(hù)單元個(gè)數(shù)均設(shè)置為3,參考單元個(gè)數(shù)設(shè)置為16,OS-CFAR排序后選擇第13個(gè)參考單元,TM-CFAR剔除最大和最小的3個(gè)參考單元采樣值。二維CFAR的保護(hù)圈數(shù)為1圈,參考圈數(shù)為2圈。調(diào)整各個(gè)CFAR的門(mén)限乘積因子,使得在均勻雜波背景下,它們的虛警率均為1×10。邊緣場(chǎng)景下,相關(guān)CFAR檢測(cè)器的多普勒通道1的檢測(cè)結(jié)果如圖3所示。

        圖3 雜波邊緣場(chǎng)景下CFAR檢測(cè)結(jié)果

        圖3(a)為CA-CFAR檢測(cè)結(jié)果,可以看出雜波邊緣目標(biāo)被遮蔽;圖3(b)為GO-CFAR檢測(cè)結(jié)果,與圖3(a)類(lèi)似;圖3(c)為SO-CFAR檢測(cè)結(jié)果,雜波邊緣目標(biāo)可以檢測(cè)到,同時(shí)雜波邊緣有虛警點(diǎn);圖3(d)為OS-CFAR檢測(cè)結(jié)果,與圖3(c)類(lèi)似;圖3(e)為T(mén)MCA-CFAR檢測(cè)結(jié)果,與圖3(a)類(lèi)似,雜波邊緣目標(biāo)被遮蔽;圖3(f)為二維CFAR檢測(cè)結(jié)果,雜波邊緣目標(biāo)可以檢測(cè)到,同時(shí)雜波區(qū)域也有虛警;圖3(g)為二維TM-CFAR檢測(cè)結(jié)果,與檢測(cè)結(jié)果圖3(f)類(lèi)似。

        相關(guān)CFAR的所有多普勒通道上的檢測(cè)結(jié)果統(tǒng)計(jì)如表1所示。

        表1 雜波邊緣場(chǎng)景下的相關(guān)CFAR檢測(cè)結(jié)果對(duì)比

        從表1中,可以看出CA-CFAR、GO-CFAR、TMCA-CFAR檢測(cè)的虛警點(diǎn)較少,但是位于雜波邊緣附近的目標(biāo)沒(méi)有被檢測(cè)到,而SO-CFAR、OS-CFAR能夠檢測(cè)到雜波邊緣附近的目標(biāo),但是同時(shí)有很多虛警點(diǎn),相對(duì)而言,2D-CFAR和TM2D-CFAR的檢測(cè)結(jié)果比較均衡,沒(méi)有漏警,虛警較少,再對(duì)比2D-CFAR和TM2D-CFAR的檢測(cè)結(jié)果,可見(jiàn)在雜波邊緣場(chǎng)景應(yīng)用剔除技術(shù)并沒(méi)有收益。從整體結(jié)果看,在雜波邊緣場(chǎng)景下,可見(jiàn)二維CFAR的檢測(cè)效果好于一維CFAR的。

        1.2.2 多目標(biāo)場(chǎng)景

        雷達(dá)模擬器在49.5km、50km、50.25km處設(shè)置靜止目標(biāo),RCS依次為10m、1m、10m。回波數(shù)據(jù)經(jīng)脈壓、MTD等處理后,距離-多普勒數(shù)據(jù)如圖4(a)所示,多普勒通道1的距離維數(shù)據(jù)局部圖如圖4(b)所示。

        圖4 多目標(biāo)場(chǎng)景下雷達(dá)回波數(shù)據(jù)

        相關(guān)CFAR的參數(shù)配置與上一致,相關(guān)CFAR檢測(cè)器的多普勒通道1的檢測(cè)結(jié)果如圖5所示。

        圖5(a)為CA-CFAR檢測(cè)結(jié)果,位于中間的小目標(biāo)被遮蔽;圖5(b)為GO-CFAR檢測(cè)結(jié)果,與CA-CFAR類(lèi)似;圖5(c)為SO-CFAR檢測(cè)結(jié)果,位于中間的小目標(biāo)被遮蔽,這是由于目標(biāo)的前后參考窗內(nèi)都有干擾;圖5(d)為OS-CFAR檢測(cè)結(jié)果,三個(gè)目標(biāo)均能被檢測(cè),OS-CFAR的檢測(cè)性能與值有關(guān),可通過(guò)調(diào)整值優(yōu)化檢測(cè)性能;圖5(e)為T(mén)MCA-CFAR檢測(cè)結(jié)果,三個(gè)目標(biāo)均能檢測(cè)到,同樣TMCA-CFAR檢測(cè)結(jié)果與剔除個(gè)數(shù)值有關(guān);圖5(f)為2D-CFAR檢測(cè)結(jié)果三個(gè)目標(biāo)均能檢測(cè)到;圖5(g)為T(mén)M2D-CFAR檢測(cè)結(jié)果三個(gè)目標(biāo)均能檢測(cè)到,對(duì)比二維CFAR和二維TM-CFAR的檢測(cè)結(jié)果,可以看出在多目標(biāo)場(chǎng)景下應(yīng)用剔除技術(shù)是有收益的。

        圖5 多目標(biāo)場(chǎng)景下CFAR檢測(cè)結(jié)果

        對(duì)于一維的排序類(lèi)CFAR檢測(cè)來(lái)說(shuō),在多目標(biāo)場(chǎng)景下的檢測(cè)性能與值選擇有關(guān),而值與參考窗內(nèi)的干擾個(gè)數(shù)有關(guān)聯(lián),以TMCA-CFAR為例,若剔除個(gè)數(shù)小于參考窗內(nèi)的干擾個(gè)數(shù),仍有可能出現(xiàn)目標(biāo)遮蔽現(xiàn)象,而如果剔除個(gè)數(shù)太多時(shí),造成參與噪聲估計(jì)的參考單元個(gè)數(shù)太少,對(duì)檢測(cè)仍有影響。從圖5可見(jiàn),在多目標(biāo)場(chǎng)景下,2D-CFAR檢測(cè)器不作剔除或排序等處理就能把3個(gè)目標(biāo)都檢測(cè)到,可見(jiàn)二維CFAR窗的受干擾影響更小,進(jìn)一步我們可以推斷得出,在多目標(biāo)場(chǎng)景下,同樣使用剔除恒虛警,在二維CFAR參考窗的剔除個(gè)數(shù)可以少于一維CFAR參考窗,即采用二維CFAR窗的噪聲估計(jì)會(huì)更準(zhǔn)確一些。

        結(jié)合雜波邊緣場(chǎng)景和多目標(biāo)場(chǎng)景的仿真結(jié)果,我們可以看出基于二維檢測(cè)窗的CFAR檢測(cè)器的檢測(cè)性能要優(yōu)于基于一維檢測(cè)窗的CFAR檢測(cè)器。

        2 相關(guān)CFAR工程實(shí)現(xiàn)及處理時(shí)間統(tǒng)計(jì)

        2.1 基于GPU的CFAR算法實(shí)現(xiàn)

        基于中央處理器(Central Processing Unit, CPU)和圖形處理器(Graphic Proces-sing Unit, GPU)的異構(gòu)計(jì)算已逐步發(fā)展為高性能計(jì)算領(lǐng)域的主流模式。CPU的主頻比較高,采用多核架構(gòu),每個(gè)核都能獨(dú)立完成計(jì)算、邏輯和數(shù)據(jù)讀寫(xiě)功能,可以運(yùn)行操作系統(tǒng),可以操作外設(shè),并可以配置超大的內(nèi)存空間和存儲(chǔ)空間;GPU是近年來(lái)在大數(shù)據(jù)計(jì)算方面發(fā)展非常迅速的器件,它擁有超多的運(yùn)算核心,與CPU相比,每個(gè)核心不能單獨(dú)使用,但每組核心具有一定的管理能力,同時(shí)對(duì)內(nèi)存的訪問(wèn)速度比CPU要快的多,這種架構(gòu)非常適合對(duì)整塊數(shù)據(jù)進(jìn)行并行處理計(jì)算。采用CPU+ GPU的異構(gòu)計(jì)算架構(gòu)使CPU和GPU的優(yōu)勢(shì)形成互補(bǔ),兼顧C(jī)PU的復(fù)雜任務(wù)處理能力和GPU的并行計(jì)算能力。

        CUDA(Compute Unified Device Architecture)作為GPU高性能計(jì)算的主要開(kāi)發(fā)工具之一,已經(jīng)在計(jì)算機(jī)、物理、信號(hào)處理等眾多領(lǐng)域發(fā)揮重要作用。本文基于NVIDIA公司旗下的型號(hào)為T(mén)esla P6的GPU,使用CUDA C/C++實(shí)現(xiàn)CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR、OS-CFAR、TM-CFAR以及二維CFAR檢測(cè)器。其實(shí)現(xiàn)流程大致如圖6所示。

        圖6 基于GPU的CFAR處理流程圖

        如圖6所示,首先分配主機(jī)與設(shè)備內(nèi)存,在主機(jī)中初始化待處理數(shù)據(jù)和保護(hù)單元個(gè)數(shù)、參考單元個(gè)數(shù),剔除個(gè)數(shù)等CFAR參數(shù)后,將這些數(shù)據(jù)拷貝到設(shè)備中,然后執(zhí)行核函數(shù),根據(jù)不同的CFAR檢測(cè)器類(lèi)型進(jìn)行相應(yīng)的CFAR處理,最終將結(jié)果返回到主機(jī)中,進(jìn)行后續(xù)處理。

        由于OS-CFAR與TM-CFAR正常處理時(shí),需要進(jìn)行完全排序,排序較為耗時(shí),對(duì)它們進(jìn)行處理上的優(yōu)化。對(duì)于OS-CFAR檢測(cè),不進(jìn)行排序,只對(duì)待檢單元的采樣值和參考單元的采樣值的比較,然后判斷待檢單元采樣值是否超過(guò)個(gè)參考單元的采樣值;對(duì)于TM-CFAR檢測(cè),進(jìn)行不完全排序,只從大往小只排前k個(gè)參考單元的采樣值,然后剔除后進(jìn)行求平均。

        對(duì)于二維CFAR而言,通過(guò)使用紋理內(nèi)存進(jìn)行處理優(yōu)化。紋理內(nèi)存針對(duì)二維空間的局部訪問(wèn)性進(jìn)行了優(yōu)化,所以通過(guò)紋理內(nèi)存訪問(wèn)二維矩陣的鄰域會(huì)獲得加速。如圖7所示,圖7中的4個(gè)地址并非連續(xù),一般的緩存中,這些地址不會(huì)緩存,如果在這種情況下使用紋理內(nèi)存而不是全局內(nèi)存,那么將獲得性能的提升。

        圖7 紋理內(nèi)存應(yīng)用場(chǎng)景

        2.2 相關(guān)CFAR運(yùn)算耗時(shí)統(tǒng)計(jì)

        雷達(dá)波束個(gè)數(shù)為102個(gè),脈沖積累數(shù)為20個(gè),回波信號(hào)的采樣點(diǎn)數(shù)為1408個(gè)。服務(wù)器所用的GPU型號(hào)為T(mén)esla P6,CPU型號(hào)為FT2000。各CFAR的參考窗長(zhǎng)、保護(hù)窗長(zhǎng)等參數(shù)設(shè)置與上文的仿真參數(shù)設(shè)置一致,則各CFAR檢測(cè)算法在GPU中耗時(shí)統(tǒng)計(jì)如表2所示。

        表2 相關(guān)CFAR運(yùn)行時(shí)間對(duì)比

        從表2中可以看出,經(jīng)優(yōu)化處理后,OS-CFAR和二維CFAR的運(yùn)算時(shí)間和CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR是一個(gè)量級(jí)的,而TMCA-CFAR和TM2D-CFAR仍涉及到部分排序,相對(duì)于其他CFAR檢測(cè)仍耗時(shí)更多。

        3 結(jié)束語(yǔ)

        本文利用雷達(dá)模擬器產(chǎn)生地雜波邊緣場(chǎng)景、多目標(biāo)干擾等非均勻雜波場(chǎng)景,通過(guò)Matlab仿真分析CA-CFAR、SO-CFAR、GO-CFAR、OS-CFAR、TM-CFAR以及二維CFAR算法的檢測(cè)性能。在GPU中實(shí)現(xiàn)上述CFAR算法,在同等的輸入條件下,統(tǒng)計(jì)各CFAR算法的運(yùn)算時(shí)間。從實(shí)驗(yàn)結(jié)果中可以看出二維CFAR算法在雜波邊緣場(chǎng)景、多目標(biāo)干擾場(chǎng)景下有良好的檢測(cè)性能,同時(shí)在工程實(shí)現(xiàn)上也具備著高效性和低運(yùn)算開(kāi)銷(xiāo),因此二維CFAR在工程應(yīng)用上是一個(gè)不錯(cuò)的選擇。由于本文中的數(shù)據(jù)來(lái)源是由雷達(dá)模擬器產(chǎn)生的,而現(xiàn)實(shí)雷達(dá)面臨的雜波背景更復(fù)雜,因此單一地應(yīng)用二維CFAR檢測(cè)不能解決所有問(wèn)題,此時(shí)需要依據(jù)雜波圖等手段獲取真實(shí)雜波特性,對(duì)檢測(cè)區(qū)域進(jìn)行CFAR策略分段,對(duì)每一段的區(qū)域使用最合適的CFAR檢測(cè)方法,以達(dá)到最優(yōu)的整體檢測(cè)性能。

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