一種自適應(yīng)雙參數(shù)雜波圖檢測方法

王輝輝 袁子喬

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

復(fù)雜背景下小目標(biāo)檢測是目前雷達(dá)面臨的難題，如何在保證檢測概率不損失的前提下，抑制雜波是目前研究熱點(diǎn)。雜波圖恒虛警檢測技術(shù)是一種使用于抑制雜波的技術(shù)[1]，被許多雷達(dá)廣泛使用。傳統(tǒng)的雜波圖技術(shù)使用一階遞歸的方法對(duì)多次掃掠的同一雜波單元平均幅度進(jìn)行估值，然后存儲(chǔ)每個(gè)雜波單元幅度均值，從而建立起幅度均值雜波圖，并利用幅度均值作為雜波圖恒虛警檢測門限，這種雜波圖也叫均值雜波圖[2]。傳統(tǒng)雜波圖是簡單的幅度均值雜波圖，為單參數(shù)雜波圖，它只利用了雜波的均值信息，傳統(tǒng)的雜波圖技術(shù)適合空域上變化比較劇烈、時(shí)域上比較穩(wěn)定的雜波環(huán)境，對(duì)于雜噪比變化范圍比較大的雜波環(huán)境，不能有效地控制虛警。傳統(tǒng)雜波圖恒虛警檢測門限是固定的，不能根據(jù)周圍雜波環(huán)境動(dòng)態(tài)調(diào)整門限，門限太低，虛警太大；門限太高，檢測損失大。然而地物雜波主要是來自強(qiáng)烈起伏的地面、樹林和高大的建筑物所造成的后向散射[3]，在復(fù)雜氣象條件下，雜波在每個(gè)雜波單元是時(shí)變的、非平穩(wěn)的，傳統(tǒng)的雜波圖技術(shù)不適用于這種情況。地雜波幅度分布一般來說是包含形狀和尺度兩個(gè)參數(shù)的對(duì)數(shù)正態(tài)或韋布爾分布，因此聯(lián)合均值和方差來來建立雙參數(shù)雜波圖，同時(shí)通過自適應(yīng)調(diào)整門限來適應(yīng)更大雜噪比( CNR) 動(dòng)態(tài)的雜波環(huán)境是當(dāng)前的迫切需求。本文在結(jié)合雙參數(shù)雜波圖實(shí)現(xiàn)的基礎(chǔ)上，提出了一種自適應(yīng)可變門限雙參數(shù)雜波檢測方法。該方法能根據(jù)雜波環(huán)境實(shí)時(shí)調(diào)整雙參數(shù)的加權(quán)值從而自適應(yīng)調(diào)整檢測門限，抑制虛警概率的同時(shí)，保證了時(shí)變、非平穩(wěn)環(huán)境下目標(biāo)的檢測概率。

1 雜波圖原理

單參數(shù)雜波圖的建立是通過對(duì)雜波數(shù)據(jù)的實(shí)時(shí)迭代更新來實(shí)現(xiàn)的，通過多次的迭代得到雜波幅度均值的漸進(jìn)無偏估計(jì)。更新過程主要采用相關(guān)積累運(yùn)算也稱為遞歸濾波器，其原理框圖如圖1(a)所示。遞歸濾波器是一個(gè)單極點(diǎn)系統(tǒng)，它實(shí)際上是對(duì)各個(gè)雜波單元的多次天線掃描作指數(shù)加權(quán)積累。更新過程為

(1)

(2)

雙參數(shù)雜波圖采用雜波均值和方差各自通過對(duì)應(yīng)的單極點(diǎn)濾波器進(jìn)行處理，得到雜波的輸入均值和標(biāo)準(zhǔn)差的漸進(jìn)無偏估計(jì)值，雙參數(shù)雜波圖原理框圖如圖1(b)所示[4-5]。對(duì)雜波均值和方差的無偏估計(jì)進(jìn)行加權(quán)處理得到最終的雙參數(shù)檢測門限，因此檢測門限值ZT是均值和標(biāo)準(zhǔn)差估值的線性組合[6]為

ZT=K1μ+K2σ

(3)

雙參數(shù)雜波圖考慮了雜波的方差對(duì)虛警概率的影響，因此當(dāng)雜波在空域上變化比較劇烈時(shí)，相比于只有幅度信息的單參數(shù)雜波圖，雙參數(shù)雜波圖具有更強(qiáng)的虛警控制能力。

圖1 單、雙參數(shù)雜波圖原理圖

2 自適應(yīng)門限雙參數(shù)雜波圖檢測方法

2.1 自適應(yīng)雙參數(shù)雜波圖建立

自適應(yīng)雙參數(shù)雜波圖檢測首先需要建立雜波圖，本文建立的雙參數(shù)雜波圖為五維雜波圖，即將雷達(dá)的探測范圍按照脈沖重復(fù)周期模式、多普勒通道個(gè)數(shù)、方位、俯仰和距離劃分成5個(gè)維度的若干個(gè)雜波單元，根據(jù)雙參數(shù)雜波圖的建立方法，利用DDR3-SDRAM來建立某相控陣?yán)走_(dá)的雙參數(shù)雜波圖。

如圖2 所示，在當(dāng)前相干處理周期內(nèi)，首先根據(jù)當(dāng)前脈沖重復(fù)周期模式、多普勒通道個(gè)數(shù)、方位、俯仰和距離信息所對(duì)應(yīng)的雜波圖存儲(chǔ)地址，從DDR3-SDRAM中分塊讀取對(duì)應(yīng)雜波圖數(shù)據(jù)，并將讀取的數(shù)據(jù)緩存在FPGA內(nèi)部的FIFO中。新輸入的雜波數(shù)據(jù)為雜波幅度，當(dāng)新的雜波幅度數(shù)據(jù)到來時(shí)，將數(shù)據(jù)分為兩個(gè)支路，第一支路直接緩存新輸入原始雜波幅度數(shù)據(jù)，第二支路將輸入原始雜波幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行平方處理然后進(jìn)行緩存。新輸入的雜波幅度數(shù)據(jù)位寬為32 bits，因此平方處理后數(shù)據(jù)位寬為64 bits，為了降低存儲(chǔ)量，將雜波幅度平方數(shù)據(jù)進(jìn)行特殊的截位處理，選擇其中的32 bits數(shù)據(jù)送入更新模塊。從DDR3-SDRAM里面讀出來的雜波圖數(shù)據(jù)緩存到另一個(gè)FIFO中，當(dāng)開始進(jìn)行更新操作時(shí)，首先從緩存雜波圖數(shù)據(jù)的FIFO中將雜波圖數(shù)據(jù)讀出，此時(shí)讀出的雜波數(shù)據(jù)為32bits，其中低16位為雜波幅度均值，高16位為雜波幅度平方均值。將32 bits雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行拆分，分別得到16 bits的雜波幅度均值和雜波幅度平方均值估值，利用數(shù)據(jù)變化模塊，將雜波幅度均值和雜波幅度平方均值變換到32 bits。將變換后的雜波均值和新輸入的第一支路的雜波幅度數(shù)據(jù)進(jìn)行一階遞歸濾波更新處理，得到更新后的雜波幅度均值數(shù)據(jù)。同時(shí)將變換后的雜波幅度平方均值和第二支路的新輸入雜波幅度平方數(shù)據(jù)進(jìn)行一階遞歸濾波更新處理，得到更新后的雜波幅度平方均值數(shù)據(jù)。分別將更新后得到的雜波幅度均值和雜波幅度平方均值數(shù)據(jù)進(jìn)行位寬變化，從32 bits變化到16 bits，并將變換位寬后的數(shù)據(jù)按照低16位存放雜波幅度均值數(shù)據(jù)，高16位存放雜波幅度平方均值數(shù)據(jù)的格式進(jìn)行位寬拼接，得到一個(gè)更新后的32 bits數(shù)據(jù)，將更新后的數(shù)據(jù)寫入DDR3-SDRAM，完成一次雜波圖更新操作。依次循環(huán)，完成雙參數(shù)雜波圖的建立。

圖2 自適應(yīng)雙參數(shù)雜波圖檢測流程

2.2 雙參數(shù)雜波圖位寬變化處理

雙參數(shù)雜波圖建立中需要對(duì)雜波數(shù)據(jù)的存儲(chǔ)位寬做特殊處理。新輸入的雜波幅度是32 bits，因此雙參數(shù)的五維雜波圖存儲(chǔ)量非常大。如果雜波幅度均值和雜波幅度平方均值數(shù)據(jù)都按照原始位寬存儲(chǔ)的話，DDR3-SDRAM存儲(chǔ)量不夠。因此本文中對(duì)雜波幅度數(shù)據(jù)(32 bits)和雜波幅度平方數(shù)據(jù)(64 bits)的位寬做了特殊處理。如圖3所示，在雙參數(shù)雜波圖建立過程中將讀出的雜波數(shù)據(jù)存入了一個(gè)32位輸出的FIFO中進(jìn)行緩存，當(dāng)更新開始時(shí)，從該FIFO讀出雜波數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)的高16位和低16位分別是雜波幅度平方均值和雜波幅度均值估值，分別判斷雜波幅度平方均值和雜波幅度均值的標(biāo)志位第16位是否為1，如果為1，則對(duì)該數(shù)據(jù)的低15位做平方處理，得到32位的數(shù)據(jù)輸出；否則的話，對(duì)數(shù)據(jù)高16位進(jìn)行補(bǔ)零處理，最終得到兩路32位的數(shù)據(jù)，一路為雜波幅度均值數(shù)據(jù)，一路為雜波幅度平方均值數(shù)據(jù)。分別將兩路數(shù)據(jù)輸出，一方面用兩路數(shù)據(jù)得到檢測門限；另一方面分別和新輸入的雜波幅度數(shù)據(jù)和雜波幅度平方數(shù)據(jù)進(jìn)行更新處理，更新過程遞歸系數(shù)選擇為7/8。對(duì)更新后的兩路數(shù)據(jù)需要做處理以后才能存儲(chǔ)。首先分別判斷更新完后的雜波幅度均值數(shù)據(jù)和雜波幅度平方均值數(shù)據(jù)的高17位數(shù)據(jù)是否大于0，如果大于0，那么對(duì)更新后的數(shù)據(jù)做開平方處理，開平方的數(shù)據(jù)需要做標(biāo)志處理，因此取開平方以后的數(shù)據(jù)的低15位做為有效數(shù)據(jù)，將第16位做為標(biāo)志位，并將標(biāo)志位置1。否則，取更新后的數(shù)據(jù)低16位作為存儲(chǔ)雜波數(shù)據(jù)，并將位寬變化后的雜波幅度均值和雜波幅度平方均值數(shù)據(jù)做位寬拼接，然后存儲(chǔ)拼接后的數(shù)據(jù)。經(jīng)過處理，雜波幅度均值和雜波幅度平方均值的位寬都從32 bits變?yōu)?6 bits，這樣處理雜波數(shù)據(jù)，既不影響雜波精度，又使得雜波存儲(chǔ)量翻倍。

圖3 位寬處理

2.3 自適應(yīng)門限調(diào)整方法

從DDR3-SDRAM中讀出的雜波數(shù)據(jù)，經(jīng)過位寬變化后得到了雜波幅度均值和雜波幅度平方均值。將雜波幅度均值進(jìn)行平方處理，對(duì)雜波幅度均值平方后的數(shù)據(jù)進(jìn)行截位處理使得位寬變?yōu)?2bits，這樣雜波幅度均值平方后的數(shù)據(jù)和雜波幅度平方均值位寬一致。用雜波幅度平方均值減去雜波幅度均值平方后的數(shù)據(jù)得到雜波幅度方差估計(jì)值，該方差值一方面用來求雙參數(shù)雜波圖的檢測門限，另一方面用來調(diào)整自身的加權(quán)系數(shù)。從DDR3-SDRAM中讀出的經(jīng)位寬變化后的雜波幅度均值和雜波方差值按照比例系數(shù)進(jìn)行加權(quán)求和，得到雙參數(shù)雜波圖檢測門限。雜波幅度均值的加權(quán)系數(shù)為K1×T1，雜波圖幅度方差的加權(quán)系數(shù)為K2×T2， 其中K1和K2分別為初始化時(shí)設(shè)定的固定加權(quán)系數(shù)，T1和T2是動(dòng)態(tài)調(diào)整因子，動(dòng)態(tài)調(diào)整因子是由待檢測單元周圍的雜波幅度均值和雜波幅度方差分布情況適時(shí)計(jì)算出來的。將雙參數(shù)雜波圖檢測門限乘以檢測門限系數(shù)T得到雙參數(shù)雜波圖恒虛警的最終門限，并將待檢測單元幅度值和最終門限進(jìn)行比較，如果待檢測單元幅度值大于最終門限，則認(rèn)為有目標(biāo)存在，否則沒有目標(biāo)。

待檢測單元周圍的雜波均值和雜波方差統(tǒng)計(jì)如圖4所示。

圖4 背景單元選取

待檢測單元為O，與待檢測單元相鄰的距離單元和相鄰多普勒單元為保護(hù)單元P，選取周圍距離和多普勒平面上9×5共45個(gè)單元，去掉一個(gè)待檢測單元O和4個(gè)保護(hù)單元P，分別計(jì)算總共40個(gè)背景單元B的雜波均值的平均值和雜波方差的平均值，根據(jù)兩個(gè)平均值與基底噪聲的比值關(guān)系，將雜波均值和雜波方差進(jìn)行強(qiáng)度等級(jí)劃分，其中基底噪聲由雷達(dá)不開發(fā)射機(jī)時(shí)的電噪聲幅度平均值測得。對(duì)于距離多普勒平面中，多普勒單元0與M-1為相鄰的多普勒單元，因此若待檢測單元的多普勒單元為0，則計(jì)算平均值時(shí)包含的多普勒單元為M-2、M-1、0、1、2。根據(jù)待檢測單元周圍的雜波均值的強(qiáng)度等級(jí)，選擇對(duì)應(yīng)的雜波均值加權(quán)系數(shù)調(diào)整因子T1，根據(jù)待檢測單元周圍的雜波方差的強(qiáng)度等級(jí)，選擇對(duì)應(yīng)的雜波方差加權(quán)系數(shù)調(diào)整因子T2，并分別將雜波均值和方差加權(quán)系數(shù)的調(diào)整因子送給雜波圖門限求和使用，得到自適應(yīng)的雙參數(shù)雜波圖檢測門限。本發(fā)明中將雜波均值和雜波方差等級(jí)劃分為5個(gè)等級(jí)，每個(gè)等級(jí)分別對(duì)應(yīng)一個(gè)調(diào)整因子。

3 仿真與實(shí)現(xiàn)

利用本文的雙參數(shù)雜波圖檢測方法，對(duì)某相控陣?yán)走_(dá)采集的復(fù)雜環(huán)境下無目標(biāo)的地雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。如果某個(gè)距離某個(gè)多普勒檢測到目標(biāo)，則在該位置用1做標(biāo)記，否則用0標(biāo)記，由于沒有真實(shí)目標(biāo)存在，因此檢測到的目標(biāo)為虛假目標(biāo)。利用傳統(tǒng)單參數(shù)固定門限雜波圖檢測和本文方法分別對(duì)雜波進(jìn)行檢測處理。

在雜波圖剛建立時(shí)，兩種方法檢測結(jié)果如圖5所示，圖5(a)為傳統(tǒng)雜波圖檢測結(jié)果，圖5(b)為本文所提方法檢測結(jié)果，由于雜波圖才開始建立，此時(shí)雜波圖不能反映雜波的真實(shí)情況，因此兩種方法虛假目標(biāo)都比較多。

圖5 雜波圖建立初期目標(biāo)檢測結(jié)果

在雜波圖建立過程中，兩種方法檢測結(jié)果如圖6所示，圖6(a)為傳統(tǒng)雜波圖檢測結(jié)果，圖6(b)為本文方法檢測結(jié)果，此時(shí)兩種檢測方法都能夠抑制掉部分虛假，由于方差的引入和自適應(yīng)調(diào)整，本文的方法比傳統(tǒng)方法具有更好的抑制效果。

當(dāng)雜波圖穩(wěn)定的建立起來后，兩種方法檢測結(jié)果如圖7所示，圖7(a)為傳統(tǒng)雜波圖檢測結(jié)果，圖7(b)為本文方法的檢測結(jié)果。此時(shí)傳統(tǒng)方法依然還有較多虛假目標(biāo)存在，而本文檢測方法的檢測結(jié)果已經(jīng)沒有虛警目標(biāo)存在，本方法能夠很好地將地物雜波抑制掉。本文方法能夠在復(fù)雜地雜波環(huán)境下，很好地適應(yīng)雜波環(huán)境，能夠降低系統(tǒng)的虛警概率。

在實(shí)測的雜波環(huán)境中加入目標(biāo)信號(hào)，并讓信雜比從0 dB間隔2 dB變化到24 dB，分別利用兩種方法對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測處理，并對(duì)目標(biāo)檢測概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，兩種方法的檢測概率曲線如圖8所示。低信噪比條件下，本文方法的檢測概率略小于傳統(tǒng)方法，對(duì)于小目標(biāo)檢測會(huì)帶來一定損失，當(dāng)信噪比大于10 dB時(shí)，本文方法的檢測概率要優(yōu)于傳統(tǒng)方法。本文方法對(duì)于小目標(biāo)會(huì)帶來一定的檢測損失，但對(duì)于信噪比較大的目標(biāo)不會(huì)有檢測損失。

圖6 雜波圖建立中期目標(biāo)檢測結(jié)果

圖7 雜波圖建立后的目標(biāo)檢測結(jié)果

圖8 目標(biāo)檢測概率曲線

4 結(jié)束語

復(fù)雜背景下的小目標(biāo)檢測很容易受環(huán)境影響，過多的虛警不但浪費(fèi)系統(tǒng)時(shí)間資源而且容易出現(xiàn)虛假目標(biāo)，因此復(fù)雜環(huán)境下的虛警抑制是地基雷達(dá)面臨的挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的單參數(shù)固定門限雜波圖檢測對(duì)于時(shí)變非平穩(wěn)的環(huán)境適應(yīng)性差，因此本文提出了一種自適應(yīng)門限的雙參數(shù)雜波圖檢測方法。該方法根據(jù)雷達(dá)基底噪聲強(qiáng)度對(duì)待檢測單元周圍雜波均值和方差分別進(jìn)行強(qiáng)度的等級(jí)劃分，根據(jù)雜波均值和方差強(qiáng)度等級(jí)分別自動(dòng)修正雙參數(shù)雜波圖檢測門限中均值和方差的加權(quán)比例系數(shù)，雜波均值和方差強(qiáng)度越強(qiáng)，檢測門限中對(duì)應(yīng)的加權(quán)比例系數(shù)越大，從而實(shí)現(xiàn)了門限自適應(yīng)調(diào)整。在復(fù)雜背景下，本文所提方法在一定程度上提高了虛警的抑制能力，該方法能很好地應(yīng)用在其他雷達(dá)平臺(tái)上。