一種線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)多門限聯(lián)合檢測方法

馬 可 張遠(yuǎn)安 畢 進(jìn)

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

線性調(diào)頻連續(xù)波(Linear Modulation Continuous Wave，LFMCW)雷達(dá)[1]是一種以線性調(diào)頻連續(xù)波作為發(fā)射信號的雷達(dá)，其具有測速測距精度高、無近距離盲區(qū)、發(fā)射功率低、結(jié)構(gòu)簡單、體積小等特點。近年來，隨著技術(shù)的發(fā)展連續(xù)波雷達(dá)在很多系統(tǒng)中都有應(yīng)用，如高度儀，汽車防撞系統(tǒng)、戰(zhàn)場場面監(jiān)視、導(dǎo)彈精密末制導(dǎo)等[2]。

雷達(dá)為了得到超低的虛警率和漏警率，可以從信號檢測、航跡濾波、目標(biāo)特性分析等多個方面綜合實現(xiàn)[3]。本文針對LFMCW雷達(dá)回波特點，從信號檢測方面入手，通過實測數(shù)據(jù)分析，提出了一種多門限聯(lián)合檢測方法，該方法可以在保證目標(biāo)檢測概率的同時降低虛警率。

1 LFMCW雷達(dá)回波分析

在本文中，LFMCW雷達(dá)采用鋸齒調(diào)頻連續(xù)波作為發(fā)射信號，其回波經(jīng)過混頻、濾波、放大后進(jìn)入信號處理器，通過對差拍回波信號的距離維和多普勒維做二維快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT)[4]，并進(jìn)行信號檢測和距離速度解耦合，就可以得到目標(biāo)的距離、速度信息。

連續(xù)波雷達(dá)發(fā)射信號泄漏的相位噪聲會影響接收機靈敏度[5]。對于信號檢測，其噪聲為接收機噪聲加發(fā)射信號泄漏邊帶噪聲。這會導(dǎo)致接收機輸出噪聲的統(tǒng)計特性不是平穩(wěn)的。圖1為某發(fā)射信號的相位噪聲測試結(jié)果。可以看出發(fā)射信號的相位噪聲隨頻率偏移呈快速下降趨勢，偏移到一定頻率時呈穩(wěn)定狀態(tài)。

圖1 相位噪聲測試結(jié)果

在連續(xù)波雷達(dá)工程設(shè)計時，通常需要在接收鏈路中增加頻率靈敏度控制(Sensitivity frequency control，SFC)[6-7]，以擴大接收機動態(tài)范圍、抑制噪聲近頻率端起伏。圖2為某接收機SFC頻率響應(yīng)曲線。

圖2 SFC頻率響應(yīng)曲線

對于LFMCW雷達(dá)，在信號檢測時門限需要適應(yīng)接收機輸出噪聲(即接收機本地噪聲與發(fā)射信號泄漏的邊帶噪聲之和)、無意干擾、以及強地雜波在二維FFT后的副瓣。圖3給出了LFMCW雷達(dá)在不同環(huán)境中信號檢測前的實際采集噪聲基底。

圖3 實際采集噪聲基底

由圖3可以看出，在不同環(huán)境下LFMCW雷達(dá)的噪聲基底不同，但在近距離單元段其噪聲整體較強，同時伴隨有個別噪聲尖峰點。這種噪聲尖峰點會導(dǎo)致雷達(dá)的虛警率較高。因此，在目標(biāo)檢測時，應(yīng)該考慮如何在不同噪聲基底下降低噪聲尖峰點對目標(biāo)檢測的影響。

2 LFMCW雷達(dá)多門限設(shè)計

通常情況下，雷達(dá)中的多門限檢測設(shè)計思路是先設(shè)置較低的第一門限保證檢測概率，再根據(jù)雷達(dá)特點增加其他門限以降低虛警率[8]。針對LFMCW雷達(dá)，根據(jù)不同的實際數(shù)采噪聲基底，結(jié)合恒虛警門限和固定門限，以實現(xiàn)較低的虛警率和漏警率。

2.1 恒虛警門限設(shè)計

恒虛警檢測[9-10]的主要目的是以恒定的虛警概率從回波信號中檢測出目標(biāo)信號而不受背景噪聲基底變化的影響，并為后續(xù)的距離速度解耦合消除噪聲。由圖3可知，噪聲基底中的強雜波點只存在于一定的距離和多普勒通道內(nèi)，對這些含有強雜波點的噪聲基底平均值進(jìn)行估計時不能在許多次掃描周期內(nèi)進(jìn)行，同時由于噪聲基底不是均勻的，也不可能在一次距離全頻段內(nèi)進(jìn)行，而只能在檢測點臨近單元。因此，在LFMCW連續(xù)波雷達(dá)中我們采用鄰近單元平均選大的方法進(jìn)行恒虛警檢測(Greatest of Constant False Alarm Rate，GOCFAR)，其檢測原理如圖4所示。

圖4 GOCFAR原理圖

在圖4中，測試單元前后鄰近的幾個單元為保護(hù)單元，保護(hù)單元的大小取決于目標(biāo)的尺寸和分辨單元的大小，保護(hù)單元是為了防止目標(biāo)能量泄漏到相鄰參考單元中影響背景噪聲基底功率估計。保護(hù)單元外側(cè)為參考單元，前后參考單元長度相等，噪聲基底功率估計由參考單元求平均獲得。GOCFAR是選擇前后參考單元均值中的較大值作為噪聲基底功率估計。門限系數(shù)是根據(jù)設(shè)定的恒虛警概率和恒虛警算法得出，將門限系數(shù)與噪聲基底功率估計相乘與測試單元比較，進(jìn)行門限檢測判決。

2.2 基于統(tǒng)計的多門限設(shè)計

根據(jù)不同環(huán)境下LFMCW雷達(dá)實際采集噪聲基底，統(tǒng)計出噪聲尖峰幅度值的分布，選取合適的固定門限，以減小噪聲尖峰帶來的虛警。

通過對不同環(huán)境下LFMCW雷達(dá)工作時采集800個相參處理周期(Coherent Processing Interval，CPI)內(nèi)的環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，將800個CPI數(shù)據(jù)進(jìn)行平均得到如圖5所示的結(jié)果，不同場景下噪聲基底隨著探測距離的變化曲線。

圖5 不同環(huán)境的平均噪聲基底

雷達(dá)在不同環(huán)境工作時，理想的方法是先通過讓雷達(dá)自主學(xué)習(xí)，探測環(huán)境回波信號，獲得該環(huán)境下噪聲基底隨距離單元變化曲線，將該曲線存入雷達(dá)檢測模塊中，用作檢測時的固定門限。但是在工程實踐時，這種方法比較困難。這是因為雷達(dá)信號處理器常采用FPGA或者DSP來實現(xiàn)，要計算上百個CPI內(nèi)的噪聲基底，從存儲資源上，往往難以滿足，但從圖5可以看到，不同環(huán)境下，噪聲基底隨距離的變化曲線規(guī)律很類似，也即可以通過試驗場環(huán)境來代替其他環(huán)境下的噪聲基底，前期試驗時，通過試驗場采集雷達(dá)正常工作時的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，通過脫機處理獲得噪聲基底隨距離單元的變化曲線，作為固定門限，存入FPGA或者DSP中，這在工程中是很容易實現(xiàn)的。

因此，在LFMCW連續(xù)波雷達(dá)的信號檢測中，我們采用恒虛警門限與基于統(tǒng)計的固定多門限聯(lián)合檢測方法，以期降低虛警率。

3 多門限聯(lián)合檢測實測結(jié)果

以某型LFMCW雷達(dá)為例，在不同環(huán)境下采集模擬目標(biāo)數(shù)據(jù)，設(shè)置不同的門限，利用MATLAB處理數(shù)據(jù)，可以得到不同的目標(biāo)檢測結(jié)果。

圖6為某次模擬目標(biāo)由遠(yuǎn)向近運動所采集的數(shù)據(jù)，選取目標(biāo)運動中間的140個信號處理周期，僅設(shè)置單一恒虛警門限的目標(biāo)檢測結(jié)果，其中橫軸為信號處理周期，縱軸為距離單元，*點為對應(yīng)信號處理周期檢測出的目標(biāo)所在距離單元位置。

圖6 單一恒虛警門限檢測結(jié)果

在圖6中，可以清晰地看出模擬目標(biāo)隨信號處理周期變化的運動軌跡。在目標(biāo)距離較遠(yuǎn)時，近距離單元有較多雜波點產(chǎn)生。經(jīng)過統(tǒng)計，140個周期內(nèi)，目標(biāo)檢測點111個，雜波點29個。

圖7為與圖6相同數(shù)據(jù)，設(shè)置上節(jié)所述設(shè)置多門限后聯(lián)合檢測的結(jié)果。

圖7 多門限聯(lián)合檢測結(jié)果

在圖7中，也可以清晰地看出模擬目標(biāo)隨信號處理周期變化的運動軌跡，且近距離單元段經(jīng)過高固定門限和恒虛警門限的限制后，雜波點僅為2個。這2個雜波點是由某個較高的噪聲尖峰產(chǎn)生，如果消除這2個雜波點，將設(shè)置更高的門限值，這會導(dǎo)致目標(biāo)檢測概率降低，漏警率較高。經(jīng)過統(tǒng)計，在140個周期內(nèi)，目標(biāo)檢測點為107個。

表1統(tǒng)計了在單一恒虛警門限與多門限聯(lián)合檢測情況下，6次模擬目標(biāo)在不同環(huán)境，不同信號處理周期數(shù)的目標(biāo)檢測點個數(shù)、雜波點個數(shù)。

表1 檢測點個數(shù)對比

序號信號處理周期恒虛警門限多門限聯(lián)合目標(biāo)點數(shù)雜波點數(shù)目標(biāo)點數(shù)雜波點數(shù)114011129107221401152511023150122281183415012624119251601283212516160127331202

通過表1可以看出，LFMCW雷達(dá)對于模擬運動目標(biāo)的檢測時，多門限聯(lián)合檢測的檢測概率略低于單一恒虛警門限的檢測概率，通過后續(xù)數(shù)據(jù)處理航跡濾波可以忽略這種影響。同時多門限聯(lián)合檢測可以大大降低雜波點引起的虛警。雜波點較少對雷達(dá)后續(xù)的數(shù)據(jù)處理能夠起到積極作用。

4 結(jié)束語

LFMCW雷達(dá)需要在含有接收機本地噪聲、發(fā)射信號泄漏的邊帶噪聲、無意干擾、強地雜波副瓣等噪聲基底中檢測目標(biāo)，根據(jù)實測數(shù)據(jù)中噪聲基底的統(tǒng)計，提出了一種恒虛警與基于統(tǒng)計的固定多門限聯(lián)合檢測的方法。該方法實現(xiàn)簡單、并通過實測模擬目標(biāo)數(shù)據(jù)驗證，在略微犧牲檢測概率的情況下可以有效減少噪聲尖峰帶來的虛警。這種方法已經(jīng)在某型LFMCW雷達(dá)上得到了工程應(yīng)用。