雷达目标检测算法研究及优化

4.1 雷达信号检验基础

   （１） 回波数据仅仅为干扰 ， 而没有 目 标。

   （ 2） 干扰 与 目 标巧 同 构成 回波信 号

   上面两种情况分别 对应事件巧） 和Ｈｉ。 其中 ， 可用 Ｈ种概率表示雷达系统的检测性 能 ： 雷 达虚 警概率Ｐｆ。、 检测概率＆ 、 漏检概率 Ｐ ｍ 。 Ｐｆ。 表示不存在 目 标误判为存在 目 标 的概率 ， Ｐｄ 表示成功检测 出 目 标 的概率 ， Ｐ ｍ 表示存在 目 标却 没有检测 出 来的概率 。 其分别 为 ：

  从式（４４ ）和式（４－２巧Ｗ 看 出 ， Ｔ〇 作为判决 口 限直接影 响判决结果 。 早期雷达ｒ。 相对 固定 ， 不能适应不 同环境下 的 雷达 目 标检测 。 随着雷达信号 处理技术 的发展和统计判决思想 的影响 ， 产 生了 恒虚警率 （ Ｃｏｎｓｔａｎｔ Ｆ ａｌ ｓｅ Ａｌａｒｍ Ｒａｔｅ， ＣＦＡＲ ）自 适应检测技术。 雷达 ＣＦＡＲ 检测主要思 想就是在维持Ｐｆｇ 恒定不变 的情况下 ，对检测 单元 （ Ｃｅｌ ｌ Ｕｎｄｅｒ Ｔｅｓｔ ， ＣＵＴ ） 周 围 参考单元的 功 率进行估计 ， 此计算出 判决 门限T0.

   本 文 己经对线性调频连续波雷 达的 信 号处理过程进行 了 分析 。采取二 维信 号 处理方法对 回 波数据进行处理后 ， 在 所得距离－多 普勘二维矩 中 ，同一距 离 不 同 速度和 同一速度不 同 距 离 的 目 标可 Ｗ被 区 分 。 因 此 ， 相 比于传统ＣＦＡＲ 检测 只 考虑一维 （ 距离 维） 的信息 ， 本文打算采取二 维 ＣＦＡＲ 检测从距离和 速度两个维度上去除 杂波和 静止 目 标对动 目 标检测 的千扰 。

  ４． ２ 经典恒虚警 算法分析

  图 ４－１ 为雷达信 号处理流程 ， 如 图表示 回 波信 号经处理后在距离 维和速度维的能量分布情况。 若 当 前检测 单元 为Ｘｉ， ｊ ｑ ＞＊ｒ〇 时 ， 为所事件 ； 表示Ｘ ｉ所在位置处存 在 目 标 。 Ｘ ｉ＜ ＴＤ 时 ， 为巧） 事件 ； 表示Ｘ ｉ 所 在位置处 不 存在 目 标 。 ＣＦＡＲ 检测器通过滑 窗 的形式对图 ４－１ 的 每一单元依 次进行 检测 。

   图 ４－ ２ 为 典 型一维 ＣＦＡＲ 处理器 ， 为 了 保证判 决 口 限 的 准 确性 ， 防止 检测单元Ｘｉ 对参考 单 元的 影 响 ， 可在； （ ：￡ 左 右两 侧 设保护单 元 。

  图 中 ， 输入信 号 被送到 由 Ａ／ ＋ １ 个延迟 单元构 成 的延 迟线上， Ｘｉ 是被检测 单元，Ｘ ｉ 的 两 侧 各 Ｗ／ ２ 个 参 考单元 。 Ｗ 单元 求平均 恒虚 警检测 器 （ ＣＡ－ Ｃ ＦＡＲ ） 为 例 ， 式（４－４卿（４－＾ 为 判 决 口 限 的 求 解方 法 ：

   上式 中 ｒ 为受雷 达系 统恒虚誓率 限制 的系 数 。 除 了 ＣＡ－ ＣＦＡＲ 外 ， 还有 最小选择 （ ＳＯ ） 、 最大 选择 （ ＧＯ ） 、 有序 统计 （ ０ Ｓ ） 和开关 型 （ Ｓ ） 等 多种 恒虚警 检测方法［ ４４］－［４ 巧 。 上述 ＣＦＡＲ 检测 方法的不 同 ， 主要在 于对检测单元背景杂 波功牵估计方法的 不 同 。 不 同 ＣＦＡＲ 检测 策略可 Ｗ 得到不 同 的Ｔａ， 因 此， 雷达检测性能也大不相同 。 如 表 ４－１ 所示 ， 单一策略 的恒虚警算法虽然在某一方面具有 突 出的优点 ， 但其在复杂环境中适应性较差 。 因 此 ， 单一策 略的恒虚警算法并不 能满足本课题高铁沿线动 目 标 的检测 。

   ４ ． ３ 二维 多 策略恒虚警检测算法设计

   ４ ． ３ ． １ ＣＦＡＲ 检测亩 设计

   考虑到高铁场景下线性调频连续波雷迭回 波信 号可能 包含大量干扰因 素 ， 如地面、 灌木丛 、 铁轨， 甚至 飞 鸟 、 犬类等动物的干 扰 。 而送些干扰 因素会影响对目 标的判断 ， 使 得雷达系 统发生误判 。 若杂 波能量 足够大时 ， 可 能还会掩盖回 波中 的弱 目 标。 针对这一情况 ， 相 关研巧表明 ， 含有 目 标 的 雷达数据经过信号处理后 ， 其主 能量集 中 在一个点 上， 并 向 四 周 扩散。 即 雷达 回 波经过二维数字信号 处理后 的 目 标 、 干扰、 朵 波都分布在距 离－ 多普勒谱上.为了 得到参考单元功率 的 精确估计值 ， 本文拟采取二 维恒虚警检测 窗 。

   图 ４－３ 为 本文 拟采取 的 二维检测 窗 ， 为十字型检测 窗 。 十字 型检测 窗只 利用距离维和速度维的 有效数据 ，避免 目 标周 围不 相 关单元对背景杂 波的影响 。 和矩形窗相 比 ， 十字窗 不仅减少 了 计算量， 还对 目 标背 景杂波进行 了 精确估计 ， 从而提升 了 检测效率 。

   ４ ． ３ ． ２ 二维多 策略恒虚警检测 算法

  本课题雷 达探测 环境主 要 针对西南 山 区 铁路沿线 地 区 ， 该 地 区 检测 目 标背 景较为 复 杂 。 为 了 保 证 ＣＦＡＲ 检 测 器在 高铁场 景 下 的健壮性 ， 本课题在检测 单 元主要检测 维 度 （ 距离 维 ） 采用 ＶＩＳ－ ＣＦＡＲ 检测 方法 。 ＶＩ Ｓ－ ＣＦＡＲ 结合 ＶＩ－ ＣＦＡＲ （ 变化指 示 型恒虚 警算 法 ） 和 Ｓｗｉ ｔｃ ｈｉ ｎｇ－Ｃ ＦＡＲ （ 开关 型 恒虚 警 算法 ） 优点 ， 对 当 前雷达 检测 环境进行判 断 ， 自 适 应选择 相应 的 Ｃ ＦＡＲ 算法 ， 提 高 危 险 目 标 的检测 率 。而 在 次要 检测 维度 （ 速度维 ） 采 用 ＳＯ － Ｃ ＦＡＲ 辅 助检 测 。 用 于提 高对 目 标 的检测性能 ， 防 止雷 达系 统 发 生 漏 警 。 当 二 个维度 其 中 之一检测 出 目 标 存在 时 ， 则 ＣＦＡ Ｒ判 断结 果 为 有 目 标 。

  充 分 考 虑 环境杂 波对 目 标检测 的 影响 ， 探测 环境 可 分为 Ｗ 下Ｈ种 情况 ：

  （１ ） 均匀 杂 波环境 。 参 考单 元独立 同 分 布 ， 杂 波 功 率相 同 。

   （ ２ ） 杂 波边 缘环境 。 杂 波 平均 功 率 突 然地升 高 ， 或者 降低 。 要 考虑虚 警 概率上升 问 题。

   （３ ） 多 目 标环 境 。 若检测 单 元 目 标 功 率 较小 ， 参考 单 元 中 干 扰功 率较大 。 大目 标 对小 目 标 的＂遮蔽 作用＂， 造成漏 警 问 题 。

  多 策略 恒虚警 算 法 （ 距离 维 ）

  ＶＩ Ｓ － Ｃ ＦＡ民 恒 虚警 检 测 器 参 照 ＶＩ－ Ｃ ＦＡ民 根 据 不 同 环境 多 策 略选择 相 应 ＣＦＡ民方案 的思 想 ， 沿用 Ｖ Ｉ－ Ｃ ＦＡ民 中 的 统 计量 ＶＩ 和 ＭＲ［４９］ ［５ ０］。 其 中 ， ＶＩ 用来 衡量

  检测单元Ｘｉ 前后半参考窗 内背景杂波 的 是否均匀 ， 均匀 意 味着参考窗不含其它 干扰 目 标和 杂波边缘 。 ＭＲ 用 来衡量检测单元Ｘｆ 前后 半参考 窗背景杂 波功率差值 。统计量 ＶＩ 与 ＭＲ 的计算分别如下 公式：

   若标记检测单元前半参考 窗为 Ａ ， 后 半参考 窗为 Ｂ 。 分别 比较半 窗 Ａ 和 Ｂ的 ＶＩ 与 预定 口 限Ｋｗ 大小 ，可得参考 窗 Ａ 和参考窗 Ｂ 所处环境的均匀 程度 。 计算半窗 Ａ 和半窗 Ｂ 的 ＭＲ 值 ， 分别与Ｋｍｋ 比较 。 可知 ， 半窗 Ａ 和 Ｂ 的杂波均值是否 相 同 。 对统计量 ＶＩ 与 ＭＲ 判 断结 果进行组合， 共有如表 ４－２ 所示 ５ 种结 果。对本谏题来说 ， 雷达探测环境可能 面临实时 的改变， 而 ＶＩＳ－ＣＦＡＲ 可 帮 助雷达系 统对当 前探测环境进行大概判断 。 从而 ， 自 适应选择最适宜的 ＣＦＡＲ 策略对 目标进行检测 ， ＶＩＳ－ ＣＦＡＲ 充分利用 了 经典 ＣＦＡＲ 检测器在某一方面的 优势 。

  根据 Ｗ上原 理 。 ＶＩ Ｓ － ＣＦＡＲ 实 现原理 图 如 图 ４－４ ：

    ４－２ 中 ， 策略 １ 表示 ： 当 前 后 半 窗 均 匀且均值相 等 时 ， 利 用 ＣＡ－ ＣＦＡＲ 在均匀 环境 中 的优势 。 算 法选择整 个参 考窗 （ ＡＢ ） 作 为 待 检测 单 元 的杂 波功率估计 。 策略 ２ 表示 ： 当 前 后 半 窗均 匀但均值 不 相 等 时 ， Ｇ Ｏ－ ＣＦＡＲ 选择 功率 较大的 半 窗 ， 作为待检单元 的杂 波 攻率估计 ， Ｗ此减少 系 统虚 警次数 。 策 略 ３￣ 策略 ５表示 ； 当 滑 窗 Ａ 、 Ｂ 其 中 有一个不 均匀 时 ， 则 选用 抗干扰性 能 最好 的 Ｓ － Ｃ ＦＡＲ 。

   Ｓ － ＣＦＡＲ 检测 器 的 抗干扰优势 在 于其利 用 了 检 测单 元Ｘｆ统计特性 ，对参考 单元进 行 了 区 分 。 这样 有利 于 对参考 窗 中 任意 位置 干扰 目 标和 均匀 杂 波 区进 行 区 分，可有 效抵制 多 目 标干扰。 首先 ， Ｓ－ ＣＦＡＲ Ｗ检测 单元的 衰 减作 为口 限 ， 将参考 滑窗 内 采 样值分 为两类 ， 具体实现步 骤如 下.

   ＳＯ － ＣＦＡＲ 算 法 （ 速度 维）

  为 了 避免雷达 目 标 检测 在距离 维产生漏 警 现象， 本课题在检测 单 元 的速度维采用 ＳＯ－ Ｃ ＦＡ民 算法 。 Ｓ Ｏ－ ＣＦＡＲ 属 于均 值 类 的 检测 器 ， 在 估 算背 景 杂 波功 率时 ，

   二维多 策略恒虚警检测算法优化

   本 文在 第 ４ 章 对雷 达 回 波特性进行 了 分析 ， 可知 运动 目 标 （ 落石 、 人 、 车 辆等 ） 是 由 多 个 均 匀散射体所构 成的 目 标 ， 若 Ｃ ＦＡＲ 检测 性 能理想 ， 则 可 检测 出运动 物体 的 多 个 点 目 标。

  对 于 Ｃ ＦＡＲ 检测 器 ， 检测 口 限 闽 值 与虚 警 率 有 如 下 关 系 ：

   ５ 二维 多 策略 ＣＦＡＲ 算 法仿真及性 能分析

   上 面 章 节 己对 二 维 多 策 略恒 虚警 检测算法 进行 了 介绍 ， 本 章主 要 对 其性 能进行 分析 ， 包 括检测性 能 Ｗ及 不 同 环境 条件 下 的 自 适应选 窗策 略 。 仿真 中 参考 窗长度 Ａ＾＝２４ ， 半 窗 Ａ 和 半 窗 Ｂ 分 别 包 含 １ ２ 个参 考 单 元 。 分 别 计算 本方 法中 窗 Ａ 和窗 Ｂ 的 ＶＩ 统计 量和 Ｍ民 统 计量 ， 根据表 ４－ ２ 自 适应选 择相 应 ＣＦＡＲ 方案 。 本部分主 要仿 真二 维 多 策 略 恒 虚警检测 算法在 均匀 杂波 、 多 目 标干扰 与 杂 波边缘 背景下 的 性能 ， 并 将 本方法和 Ｖ Ｉ－ Ｃ ＦＡＲ 、 Ｓ－Ｃ ＦＡＲ 、 Ｃ Ａ－ Ｃ ＦＡ民 、 ＧＯ－ Ｃ ＦＡＲ 、 ＳＯ－ Ｃ ＦＡＲ这 ５ 种 经典 的恒虚警 算法 的检测 性能 进行对 比 。 本次 仿真采 用 蒙 特卡 洛方法 ， 其中 主要 参数如 下 ， 仿 真次 数Ｍ ＝ １ ０６ 次 ， 回 波 幅 度 模 型 选用 Ｓ ｗｅｒ ｌ ｉ ｎｇＩ 型 ， 参考窗 长度 ；Ｖ＝２４,KVI=4.56,kMR=2.9，其 中 均 匀 杂 波 与 多 目 标干 扰 下 的 虚 警率Pfa=10-6,边缘杂波 背 景 下虚 警 概率,Pfa=10-3.