恒虚警处理在连发火炮多目标检测中的应用

韩壮志+宋春吉+李钦+陈燕

摘 要： 针对连发火炮的复杂多目标环境，传统的单元平均恒虚警处理方法不能满足信号检测的要求。为了充分利用目标的运动信息，通过距离?多普勒二维恒虚警方法估计背景噪声，采用修正的单元平均恒虚警处理剔除目标之间的相互干扰，并结合双门限检测对连发火炮多目标回波进一步处理，引入动态阈值增强检测的鲁棒性。工程实践表明，该方法提高了回波信号的信噪比和信杂比，有效地实现了连发火炮多目标的检测，为下一步目标参数提取提供基础。

关键词： 多目标； 距离?多普勒二维； 修正单元平均恒虚警； 双门限检测

中图分类号： TN955+.1?34 文献标识码： A 文章编号： 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

恒虚警处理是雷达信号检测的关键。雷达信号检测是在各种噪声和杂波干扰的环境中进行的[1]，杂波的分布特性通常是未知的，选择恰当的恒虚警处理方法能够很好地估计杂波功率，实现目标检测。经典的恒虚警处理方法有均值类恒虚警处理（ML?CFAR）和有序统计恒虚警处理（OS?CFAR）[2?4]，但是针对复杂的多目标环境都存在不同程度的局限性。

由于弹丸相对雷达径向变速运动，所以目标在时频图上的信息是一条斜线。本文考虑运用距离?多普勒二维信息对背景噪声进行估计，逐频率点进行时间维上的恒虚警。为了避免多目标之间的相互影响，对传统单元平均恒虚警进行修正减少目标干扰[5]。结合双门限检测算法，极大地降低了回波信号的虚警率。工程实践表明，该方法可以实现连发火炮多目标的检测。

1 恒虚警处理在连发火炮多目标检测中的改进

测速雷达发射伪随机码调相连续波信号进行火炮弹丸探测，设定雷达与火炮位置的关系如图1所示。

本文利用传统的检测后跟踪步骤实现弹丸的跟踪滤波。首先，获取单个距离门回波数据并进行杂波与噪声抑制；其次，经过干扰抑制后的数据进行目标检测，一般为固定门限或恒虚警检测；最后，单距离门数据检测后的准弹迹点进行距离门之间相互关联，形成多距离门航迹。适当的恒虚警处理方法是对每一个距离门内数据进行目标检测的关键。恒虚警处理方法通过对参考单元的功率电平按照一定准则得到待测单元杂波功率电平的近似估计，根据规定的虚警率计算检测门限。不断改进的恒虚警处理方法的核心在于根据实际情况调整对参考单元功率的计算方法[6?9]。

1.1 传统的临近单元平均恒虚警

传统的临近单元平均恒虚警处理方法是通过对参考单元的功率电平求和取平均来估计待测单元的杂波功率电平，算法如图2所示。

待测单元相邻两个保护电平用来防止目标能量泄露到参考单元中影响检测效果。为待测单元杂波功率电平的估计，通过对个参考单元的处理得到。为门限系数，它和的乘积作为参考门限电平。当待测单元的电平值超过门限值，认为有目标；反之，认为无目标。

可以构建单元平均恒虚警处理的检测门限为：

式中为与虚警概率有关的门限乘积系数，其表达式如下：

式中：表示虚警概率；表示所有参考单元的数目。采用单元平均恒虚警处理方法需要满足两个条件：

① 临近参考单元所含杂波的统计特性与待检单元的一致；

② 参考单元中不包含任何目标，仅存在干扰噪声[10]。

1.2 修正单元平均恒虚警

连发火炮是复杂的多目标环境，由于干扰和其他目标的存在，检测性能有所损失，传统的临近单元平均恒虚警处理方法不能满足信号检测的要求，因而本文采用一种修正的临近单元平均恒虚警处理方法。为了满足条件①，保持杂波干扰在距离维的均匀性，参考距离单元的数量不宜太多，本文中前导参考窗和滞后参考窗都包含4个距离单元；为了满足条件②，并结合实验需要，本文首先对前导和滞后参考单元的功率电平值进行平均，剔除电平值超出平均值倍的距离单元（假定序号为值视检测效果调整）的影响，因此，修正的单元平均恒虚警处理表达式为：

式中为剔除包含强目标参考单元后的参考单元数量。

2 双门限检测

高射频弹丸多目标进行恒虚警处理主要有两个目的：消除噪声带来的虚警；消除杂波以及由于伪码调相回波信号相关旁瓣形成的虚警。

由于在一定积累时间内，目标相对于雷达的径向速度会发生变化，使得目标在距离?多普勒谱中的表现形式不是一个孤立的点，而是在距离维和多普勒维上都有一定程度的扩展，表现为在RD谱中占据多个单元格的面目标。目标一维CFAR检测算法只在检测单元所在的距离向或多普勒向选取参考单元，不能充分地利用目标在距离?多普勒谱上的信息，而目标二维CFAR检测能更好地对噪声背景进行估计[11]。因此，针对弹丸目标的运动性，在进行目标CFAR检测时，本文采用目标二维CFAR检测算法。将一维时域回波数据转化为二维的时频数据矩阵，其数值大小对应信号幅度，如图3所示。横轴对应多普勒即速度单元，纵轴对应距离即时间单元。

在二维区域上进行CFAR检测，其检测假设为：

式中：和分别表示多普勒单元和距离单元；表示对应的目标在多普勒维和距离维的回波信号；为背景噪声或杂波；和是对应距离?多普勒频率图的幅度。

将二维数据矩阵映射到检测空间用以进行后续的恒虚警处理以及目标检测。在修正单元平均恒虚警的基础上，采用检测双门限。门限一为低门限，用来消除噪声功率带来的虚警变化，算法基本流程如图4所示。

由于每个距离门的数据是一个数据矩阵（行列），横轴对应频率点数纵轴对应时间点数对每一列的所有数据进行求和，然后求平均值。为了加强检测的鲁棒性，本文引入动态阈值得到该列数据的门限，表示如下：

门限计算完毕后，将该列中每一个数据与门限进行比较，大于等于该门限的数据保留下来，如果小于门限则将该数据剔除，用0进行代替。该列比较完毕后，对数据矩阵下一个频率点进行同样处理，遍历所有频率点。

由于信道的不一致性以及目标特性的复杂性，造成目标之间干扰严重，采用单一门限处理后的结果有时不太理想，因此本文增加了恒虚警门限二。恒虚警门限二的基础是一组弹丸回波信号幅度的抖动保持在一定的范围内。在门限一处理的基础上，根据目标的动态变化范围首先找到该距离门内各个单元数据的最大值，然后用最大值与门限二增量的差值作为门限2。高于门限的数据不变，低于门限的数据清零。算法基本流程如图5所示。

门限二的计算公式为：

3 实验结果与分析

本实验采用实测3连发步枪信号模拟连发火炮信号，实验结果如图6～图8所示。

图6是某距离门短时傅里叶变换后得到的时间速度图。明暗代表能量的大小。3条明亮的斜线代表3发弹经过该距离门时的回波信号。具有较强的噪声，弹迹表现不是一个孤立的点，而是在距离维和多普勒维上都有一定程度的扩展，在时频图中形成面目标，导致无法准确提取此时弹丸的速度和时间信息。明亮的竖线是由伪随机编码的码重复周期带来的干扰，能量超过弹丸回波，严重影响后续的数据处理。

图7是按照修正的单元平均恒虚警处理后的结果，从图7中可以看出背景噪声大部分被滤除，可以清晰地看到3条明亮的斜線，但仍然不是孤立的点迹，一部分噪声不能滤除，很多亮点散布。值得注意的是，明亮的竖线由于能量恒定，通过临近单元能量门限的划定可以将其滤除。

图8是检测双门限的处理结果，此时门限一修正量dB，门限二修正量与图7相比，线目标已经基本变成点目标，可以较为准确地提取出3发弹丸在此距离门内的时间和速度信息。结合目标检测算法，最终提取出此时3发弹丸的运动参数如表1所示。

4 结 论

为了充分利用弹丸目标的运动信息，本文在距离?多普勒二维进行目标检测处理。在传统单元平均恒虚警处理的基础上，针对连发火炮多目标环境提出修正的单元平均恒虚警处理技术，剔除不满足功率条件的参考单元后进行检测。以恒虚警处理为基础，结合双门限实现多目标的检测，为下一步的目标参数提取提供基础。实际工程应用中，剔除单元能量的选定、门限动态阈值的设定可以根据实际情况做出相应调整。

参考文献

[1] 黄坤，刘咏，宋石玉.恒虚警处理中基于噪声采样的检测门限设定[J].电讯技术，2010，50（8）：103?105.

[2] 秦玉华，郝程鹏.基于自动删除平均和单元平均的恒虚警检测器[J].探测与控制学报，2011，33（1）：15?17.

[3] 陈建军，黄孟俊，邱伟.海杂波下的双门限恒虚警目标检测新方法[J].电子学报，2011，39（9）：2136?2140.

[4] 程晓莉，王晓晖，梁车平.几种恒虚警处理方法及性能比较[J].电子元器件应用，2010，12（3）：59?60.

[5] 乔宏章，张军.泄漏电缆周界监视技术研究[J].无线电工程，2013，43（3）：43?46.

[6] 许江湖，张明敏，王平波.基于自动删除算法的最小选择恒虚警检测器[J].武汉理工大学学报（交通科学与工程版），2006，30（6）：1065?1068.

[7] 简涛，苏峰，何友，等.复合高斯杂波下距离扩展目标的自适应检测[J].电子学报，2012，40（5）：991?994.

[8] 杜鹏飞，张祥军.单元平均恒虚警率检测中的一个新结论[J].现代雷达，2007，29（2）：60?62.

[9] 桂任舟.利用二维恒虚警进行非均匀噪声背景下的目标检测[J].武汉大学学报，2012，37（3）：355?357.

[10] RICHARDS M A.雷达信号处理基础[M].北京：电子工业出版社，2012.

[11] 梁建.高频地波雷达目标二维CFAR检测及软件实现[D].青岛：中国海洋大学，2014.