恒虛警處理在連發(fā)火炮多目標(biāo)檢測中的應(yīng)用

韓壯志+宋春吉+李欽+陳燕

摘 要： 針對(duì)連發(fā)火炮的復(fù)雜多目標(biāo)環(huán)境，傳統(tǒng)的單元平均恒虛警處理方法不能滿足信號(hào)檢測的要求。為了充分利用目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息，通過距離?多普勒二維恒虛警方法估計(jì)背景噪聲，采用修正的單元平均恒虛警處理剔除目標(biāo)之間的相互干擾，并結(jié)合雙門限檢測對(duì)連發(fā)火炮多目標(biāo)回波進(jìn)一步處理，引入動(dòng)態(tài)閾值增強(qiáng)檢測的魯棒性。工程實(shí)踐表明，該方法提高了回波信號(hào)的信噪比和信雜比，有效地實(shí)現(xiàn)了連發(fā)火炮多目標(biāo)的檢測，為下一步目標(biāo)參數(shù)提取提供基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞： 多目標(biāo)； 距離?多普勒二維； 修正單元平均恒虛警； 雙門限檢測

中圖分類號(hào)： TN955+.1?34 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A 文章編號(hào)： 1004?373X（2017）15?0006?04

Abstract： For the complex multi?target environment of continuous?emission artillery， the CA?CFAR processing method can′t meet the requirement of signal detection. In order to make full use of the moving information of the target， the distance?Doppler two?dimensional CFAR method is used to estimate the background noise. The modified CA?CFAR processing is adopted to eliminate the mutual interference among the targets. The dual?threshold detection is combined to further process the multi?target echo of continuous?emission artillery. The dynamic threshold is introduced to enhance the detection robustness. The engineering practice result shows that the method can improve the signal?to?noise ratio and signal?to?clutter ratio of the echo signal， realize the continuous?emission artillery multi?target detection effectively， and provide the basis for the target parameter extraction of next step.

Keywords： multi?target； distance?Doppler two?dimension； modified CA?CFAR； dual?threshold detection

0 引 言

恒虛警處理是雷達(dá)信號(hào)檢測的關(guān)鍵。雷達(dá)信號(hào)檢測是在各種噪聲和雜波干擾的環(huán)境中進(jìn)行的[1]，雜波的分布特性通常是未知的，選擇恰當(dāng)?shù)暮闾摼幚矸椒軌蚝芎玫毓烙?jì)雜波功率，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測。經(jīng)典的恒虛警處理方法有均值類恒虛警處理（ML?CFAR）和有序統(tǒng)計(jì)恒虛警處理（OS?CFAR）[2?4]，但是針對(duì)復(fù)雜的多目標(biāo)環(huán)境都存在不同程度的局限性。

由于彈丸相對(duì)雷達(dá)徑向變速運(yùn)動(dòng)，所以目標(biāo)在時(shí)頻圖上的信息是一條斜線。本文考慮運(yùn)用距離?多普勒二維信息對(duì)背景噪聲進(jìn)行估計(jì)，逐頻率點(diǎn)進(jìn)行時(shí)間維上的恒虛警。為了避免多目標(biāo)之間的相互影響，對(duì)傳統(tǒng)單元平均恒虛警進(jìn)行修正減少目標(biāo)干擾[5]。結(jié)合雙門限檢測算法，極大地降低了回波信號(hào)的虛警率。工程實(shí)踐表明，該方法可以實(shí)現(xiàn)連發(fā)火炮多目標(biāo)的檢測。

1 恒虛警處理在連發(fā)火炮多目標(biāo)檢測中的改進(jìn)

測速雷達(dá)發(fā)射偽隨機(jī)碼調(diào)相連續(xù)波信號(hào)進(jìn)行火炮彈丸探測，設(shè)定雷達(dá)與火炮位置的關(guān)系如圖1所示。

本文利用傳統(tǒng)的檢測后跟蹤步驟實(shí)現(xiàn)彈丸的跟蹤濾波。首先，獲取單個(gè)距離門回波數(shù)據(jù)并進(jìn)行雜波與噪聲抑制；其次，經(jīng)過干擾抑制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測，一般為固定門限或恒虛警檢測；最后，單距離門數(shù)據(jù)檢測后的準(zhǔn)彈跡點(diǎn)進(jìn)行距離門之間相互關(guān)聯(lián)，形成多距離門航跡。適當(dāng)?shù)暮闾摼幚矸椒ㄊ菍?duì)每一個(gè)距離門內(nèi)數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)檢測的關(guān)鍵。恒虛警處理方法通過對(duì)參考單元的功率電平按照一定準(zhǔn)則得到待測單元雜波功率電平的近似估計(jì)，根據(jù)規(guī)定的虛警率計(jì)算檢測門限。不斷改進(jìn)的恒虛警處理方法的核心在于根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整對(duì)參考單元功率的計(jì)算方法[6?9]。

1.1 傳統(tǒng)的臨近單元平均恒虛警

傳統(tǒng)的臨近單元平均恒虛警處理方法是通過對(duì)參考單元的功率電平求和取平均來估計(jì)待測單元的雜波功率電平，算法如圖2所示。

待測單元相鄰兩個(gè)保護(hù)電平用來防止目標(biāo)能量泄露到參考單元中影響檢測效果。為待測單元雜波功率電平的估計(jì)，通過對(duì)個(gè)參考單元的處理得到。為門限系數(shù)，它和的乘積作為參考門限電平。當(dāng)待測單元的電平值超過門限值，認(rèn)為有目標(biāo)；反之，認(rèn)為無目標(biāo)。

可以構(gòu)建單元平均恒虛警處理的檢測門限為：

式中為與虛警概率有關(guān)的門限乘積系數(shù)，其表達(dá)式如下：

式中：表示虛警概率；表示所有參考單元的數(shù)目。采用單元平均恒虛警處理方法需要滿足兩個(gè)條件：

① 臨近參考單元所含雜波的統(tǒng)計(jì)特性與待檢單元的一致；

② 參考單元中不包含任何目標(biāo)，僅存在干擾噪聲[10]。

1.2 修正單元平均恒虛警

連發(fā)火炮是復(fù)雜的多目標(biāo)環(huán)境，由于干擾和其他目標(biāo)的存在，檢測性能有所損失，傳統(tǒng)的臨近單元平均恒虛警處理方法不能滿足信號(hào)檢測的要求，因而本文采用一種修正的臨近單元平均恒虛警處理方法。為了滿足條件①，保持雜波干擾在距離維的均勻性，參考距離單元的數(shù)量不宜太多，本文中前導(dǎo)參考窗和滯后參考窗都包含4個(gè)距離單元；為了滿足條件②，并結(jié)合實(shí)驗(yàn)需要，本文首先對(duì)前導(dǎo)和滯后參考單元的功率電平值進(jìn)行平均，剔除電平值超出平均值倍的距離單元（假定序號(hào)為值視檢測效果調(diào)整）的影響，因此，修正的單元平均恒虛警處理表達(dá)式為：

式中為剔除包含強(qiáng)目標(biāo)參考單元后的參考單元數(shù)量。

2 雙門限檢測

高射頻彈丸多目標(biāo)進(jìn)行恒虛警處理主要有兩個(gè)目的：消除噪聲帶來的虛警；消除雜波以及由于偽碼調(diào)相回波信號(hào)相關(guān)旁瓣形成的虛警。

由于在一定積累時(shí)間內(nèi)，目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向速度會(huì)發(fā)生變化，使得目標(biāo)在距離?多普勒譜中的表現(xiàn)形式不是一個(gè)孤立的點(diǎn)，而是在距離維和多普勒維上都有一定程度的擴(kuò)展，表現(xiàn)為在RD譜中占據(jù)多個(gè)單元格的面目標(biāo)。目標(biāo)一維CFAR檢測算法只在檢測單元所在的距離向或多普勒向選取參考單元，不能充分地利用目標(biāo)在距離?多普勒譜上的信息，而目標(biāo)二維CFAR檢測能更好地對(duì)噪聲背景進(jìn)行估計(jì)[11]。因此，針對(duì)彈丸目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)性，在進(jìn)行目標(biāo)CFAR檢測時(shí)，本文采用目標(biāo)二維CFAR檢測算法。將一維時(shí)域回波數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為二維的時(shí)頻數(shù)據(jù)矩陣，其數(shù)值大小對(duì)應(yīng)信號(hào)幅度，如圖3所示。橫軸對(duì)應(yīng)多普勒即速度單元，縱軸對(duì)應(yīng)距離即時(shí)間單元。

在二維區(qū)域上進(jìn)行CFAR檢測，其檢測假設(shè)為：

式中：和分別表示多普勒單元和距離單元；表示對(duì)應(yīng)的目標(biāo)在多普勒維和距離維的回波信號(hào)；為背景噪聲或雜波；和是對(duì)應(yīng)距離?多普勒頻率圖的幅度。

將二維數(shù)據(jù)矩陣映射到檢測空間用以進(jìn)行后續(xù)的恒虛警處理以及目標(biāo)檢測。在修正單元平均恒虛警的基礎(chǔ)上，采用檢測雙門限。門限一為低門限，用來消除噪聲功率帶來的虛警變化，算法基本流程如圖4所示。

由于每個(gè)距離門的數(shù)據(jù)是一個(gè)數(shù)據(jù)矩陣（行列），橫軸對(duì)應(yīng)頻率點(diǎn)數(shù)縱軸對(duì)應(yīng)時(shí)間點(diǎn)數(shù)對(duì)每一列的所有數(shù)據(jù)進(jìn)行求和，然后求平均值。為了加強(qiáng)檢測的魯棒性，本文引入動(dòng)態(tài)閾值得到該列數(shù)據(jù)的門限，表示如下：

門限計(jì)算完畢后，將該列中每一個(gè)數(shù)據(jù)與門限進(jìn)行比較，大于等于該門限的數(shù)據(jù)保留下來，如果小于門限則將該數(shù)據(jù)剔除，用0進(jìn)行代替。該列比較完畢后，對(duì)數(shù)據(jù)矩陣下一個(gè)頻率點(diǎn)進(jìn)行同樣處理，遍歷所有頻率點(diǎn)。

由于信道的不一致性以及目標(biāo)特性的復(fù)雜性，造成目標(biāo)之間干擾嚴(yán)重，采用單一門限處理后的結(jié)果有時(shí)不太理想，因此本文增加了恒虛警門限二。恒虛警門限二的基礎(chǔ)是一組彈丸回波信號(hào)幅度的抖動(dòng)保持在一定的范圍內(nèi)。在門限一處理的基礎(chǔ)上，根據(jù)目標(biāo)的動(dòng)態(tài)變化范圍首先找到該距離門內(nèi)各個(gè)單元數(shù)據(jù)的最大值，然后用最大值與門限二增量的差值作為門限2。高于門限的數(shù)據(jù)不變，低于門限的數(shù)據(jù)清零。算法基本流程如圖5所示。

門限二的計(jì)算公式為：

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

本實(shí)驗(yàn)采用實(shí)測3連發(fā)步槍信號(hào)模擬連發(fā)火炮信號(hào)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖6～圖8所示。

圖6是某距離門短時(shí)傅里葉變換后得到的時(shí)間速度圖。明暗代表能量的大小。3條明亮的斜線代表3發(fā)彈經(jīng)過該距離門時(shí)的回波信號(hào)。具有較強(qiáng)的噪聲，彈跡表現(xiàn)不是一個(gè)孤立的點(diǎn)，而是在距離維和多普勒維上都有一定程度的擴(kuò)展，在時(shí)頻圖中形成面目標(biāo)，導(dǎo)致無法準(zhǔn)確提取此時(shí)彈丸的速度和時(shí)間信息。明亮的豎線是由偽隨機(jī)編碼的碼重復(fù)周期帶來的干擾，能量超過彈丸回波，嚴(yán)重影響后續(xù)的數(shù)據(jù)處理。

圖7是按照修正的單元平均恒虛警處理后的結(jié)果，從圖7中可以看出背景噪聲大部分被濾除，可以清晰地看到3條明亮的斜線，但仍然不是孤立的點(diǎn)跡，一部分噪聲不能濾除，很多亮點(diǎn)散布。值得注意的是，明亮的豎線由于能量恒定，通過臨近單元能量門限的劃定可以將其濾除。

圖8是檢測雙門限的處理結(jié)果，此時(shí)門限一修正量dB，門限二修正量與圖7相比，線目標(biāo)已經(jīng)基本變成點(diǎn)目標(biāo)，可以較為準(zhǔn)確地提取出3發(fā)彈丸在此距離門內(nèi)的時(shí)間和速度信息。結(jié)合目標(biāo)檢測算法，最終提取出此時(shí)3發(fā)彈丸的運(yùn)動(dòng)參數(shù)如表1所示。

4 結(jié) 論

為了充分利用彈丸目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)信息，本文在距離?多普勒二維進(jìn)行目標(biāo)檢測處理。在傳統(tǒng)單元平均恒虛警處理的基礎(chǔ)上，針對(duì)連發(fā)火炮多目標(biāo)環(huán)境提出修正的單元平均恒虛警處理技術(shù)，剔除不滿足功率條件的參考單元后進(jìn)行檢測。以恒虛警處理為基礎(chǔ)，結(jié)合雙門限實(shí)現(xiàn)多目標(biāo)的檢測，為下一步的目標(biāo)參數(shù)提取提供基礎(chǔ)。實(shí)際工程應(yīng)用中，剔除單元能量的選定、門限動(dòng)態(tài)閾值的設(shè)定可以根據(jù)實(shí)際情況做出相應(yīng)調(diào)整。

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