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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. 购线网www.gooxian.com 专业定制各类测试线(同轴线、香蕉头测试线,低噪线等)。 |
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