基于改進二維CFAR參考滑窗技術的目標檢測研究

謝春思,劉志贏,吳 帥,桑 雨

(1 海軍大連艦艇學院導彈與艦炮系,遼寧大連 116018;2 海軍大連艦艇學院學員五大隊,遼寧大連 116018;3 91991部隊，浙江舟山 316001;4 91526部隊，廣東湛江 524064;5 91278部隊，遼寧大連 116041)

0 引言

島岸附近復雜的地理環境使得末制導雷達很難從背景噪聲中提取出低信噪比目標信息，嚴重影響反艦導彈近岸作戰能力[1-4]。檢測前跟蹤算法是對低信噪比目標準確檢測和跟蹤的關鍵技術之一[5-7]。其思想是利用目標點跡運動的規律性和噪聲點跡的無規律性特點，對多幀雷達回波信號圖進行相參或非相參累計，實現從噪聲背景中提取目標軌跡的目的[8]。檢測前跟蹤TBD算法雖然能夠實現對低信噪比目標的檢測和跟蹤，但對雷達回波原始數據不設置門限，或設很低的門限幾乎對所有點跡遍歷，降低了漏警率，但數據處理量大[9]。采用DGF二維恒虛警率CFAR檢測器對原始雷達回波數據處理的方法，通過改進二維CFAR檢測器參考滑窗，達到減小TBD算法累計處理量的目的，較好地實現了TBD算法高效數據處理能力。

1 改進的二維參考滑窗

1.1 CFAR檢測器

常見恒虛警檢測器分為兩大類：均值類恒虛警檢測器和有序統計類恒虛警檢測器[10]。文中主要研究在高斯噪聲背景下的目標檢測，常用均值類CFAR檢測器，其工作原理如圖1所示。

圖1 均值類CFAR檢測器

一般在檢測單元周圍設置保護單元，防止目標能量外泄影響參考單元對背景噪聲功率水平估計的準確性。設D為檢測單元的檢測統計值，左側參考單元為xi(i=1,2,…,n)，右側參考單元為yi(i=1,2,…,n)，此時檢測器參考單元長度為2n，檢測單元兩側的參考單元的長度各為n。則噪聲功率水平估計值Z可由x，y求均值得到，與標稱化因子T的乘積得到自適應門限閾值U0。判決門限閾值為[11]：

(1)

1.2 二維CFAR檢測器參考滑窗

相對傳統一維CFAR檢測器，二維CFAR檢測在距離維度和多普勒維度能夠獲取更多的目標信息，使得二維CFAR的目標檢測性能有明顯的提升，能更準確實現檢測目標的目的[12-13]。常見二維CFAR檢測器參考滑窗有如圖2～圖4分別所示的矩形、十字形及米字形[14]。

圖2 矩形參考滑窗

圖2為矩形參考滑窗，采樣單元多，對背景噪聲功率水平估計最接近實際水平，對低信噪比目標的檢測性能好，但數據處理量大，檢測實時性低。圖3為十字形參考滑窗，僅在距離維和多普勒維采樣，具備對高信噪比目標快速有效檢測能力，但因其采樣率低，不能穩定估計背景噪聲功率水平，故對低信噪比目標的檢測性能差。圖4為米字形參考滑窗，在十字形參考滑窗的基礎上增加了對角線參考單元的采樣，提高了準確、穩定估計背景噪聲功率水平能力和低信噪比目標的檢測能力。

圖3 十字形參考滑窗

圖4 米字形參考滑窗

1.3 網格形參考滑窗

為更準確估計參考滑窗中噪聲功率水平，提升低信噪比目標的檢測能力，同時提高系統的實時性，在矩形參考滑窗的基礎上增加了隨機采樣點數，得到了圖5所示的網格形參考滑窗。

圖5 網格形參考滑窗

改進網格形參考滑窗同樣在檢測單元周圍設置了矩形保護單元，防止檢測單元內目標能量外泄，參考滑窗內的參考單元呈網格形，相比于矩形參考滑窗內參考單元，減少了一半采樣次數，降低了計算量，相比于米字形及十字形參考滑窗增加了參考單元個數，提高了噪聲功率水平估計的準確性。

2 背景水平估計性能評估

對以下條件仿真：假設島岸背景噪聲為高斯白噪聲，噪聲功率水平為1。參考滑窗大小為15×15，仿真次數為10次，對比矩形、十字形、米字形和網格形滑窗內參考單元的噪聲功率水平估計性能。

對比網格形、十字形及米字形參考滑窗內的噪聲統計直方圖形狀，可以看出網格形參考滑窗內的噪聲統計直方圖形狀最接近背景噪聲分布。分別用均值和方差衡量各滑窗內的噪聲水平估計和偏離度，4種參考滑窗對噪聲功率水平估計的統計如表1所示，由表1繪制趨勢圖如圖7、圖8所示。

圖6 4種參考滑窗內噪聲水平統計直方圖

表1 滑窗大小為15時噪聲功率水平估計值及偏離水平統計表

圖7 參考滑窗大小為15時噪聲功率水平估計趨勢圖

圖8 參考滑窗大小為15時偏離水平趨勢圖

由圖7和圖8可以得到4種參考窗口內參考單元的噪聲功率水平估計的均值和偏離水平變化趨勢，矩形和網格形參考窗口穩定性和準確性要優于十字形和米字形參考滑窗，十字形和米字形滑窗在仿真試驗中會出現大幅度偏離真實值的情況。

在相同仿真條件下對不同參考滑窗窗口大小的背景噪聲功率水平估計性能進行10次仿真，不同大小滑動窗口內噪聲功率水平估計偏離水平如表2所示。

表2 不同大小滑動窗口內噪聲功率水平估計偏離水平統計表

由表2獲取的網格形、十字形及米字形不同參考滑窗大小對應的噪聲功率水平估計偏離水平變化趨勢圖如圖9所示。

圖9 不同大小窗口的噪聲功率水平估計偏離水平趨勢圖

圖9表明隨著參考滑窗大小的增大，滑窗內參考單元對背景噪聲功率水平估計趨于穩定。設定對噪聲功率水平的偏離水平不超過5%(即Δδvar≤5)不會影響對目標信號的檢測。可以看出，十字形和米字形滑窗隨著窗口大小的增大對背景噪聲功率水平的估計值的偏離水平逐漸趨近于5%，而矩形滑窗大小在13、網格形滑窗大小在15時已經滿足了允許噪聲估計值偏離水平。此時，網格形滑窗數據處理量為110，矩形滑窗數據處理量為161，網格形滑窗計算量更小。

綜上分析可得，網格形參考滑窗對背景噪聲功率水平估計的準確性和穩定性性能要強于十字形和米字形參考滑窗，數據處理的實時性要高于矩形參考滑窗，最佳檢測窗口大小為15。

3 目標檢測性能仿真分析

在島岸背景噪聲環境下，利用改進二維CFAR檢測器網格形滑動窗口對多幀雷達回波信號圖進行預處理，對不同信噪比目標檢測性能進行仿真分析。仿真條件：假設島岸背景噪聲為均勻高斯白噪聲，噪聲功率水平為1，二維CA-CFAR檢測器參考滑窗為網格形，窗口大小15×15，門限因子T=1，概率統計次數1 000次，仿真次數10次。對不同信噪比目標檢測概率統計如表3所示。

表3 不同信噪比目標檢測概率統計表

由表3獲得背景噪聲下二維CA-CFAR檢測器網格形參考滑窗對不同信噪比目標的檢測概率變化趨勢圖。

由圖10可知，當目標檢測門限為背景噪聲功率估計水平目標信噪比大于3 dB時，網格形參考滑窗對目標的檢測概率能達到0.9以上；當目標信噪比大于6 dB時，能夠完成對目標的準確檢測；對信噪比低于3 dB的目標檢測概率較低。為了實現對目標的準確檢測，降低漏檢率，需要降低檢測門限，對不同信噪比目標檢測門限設置及點跡篩選數仿真分析。

圖10 網格形參考滑窗檢測概率變化趨勢圖

仿真條件：島岸背景噪聲為均勻高斯白噪聲，噪聲功率水平為1，二維CA-CFAR檢測器參考滑窗為網格形，窗口大小為13×13，概率統計次數1 000次，仿真次數10次。

二維CA-CFAR檢測器網格形滑窗在窗口大小為13時對不同信噪比目標的檢測門限值及對應的篩選能力統計如表4所示。

由表4獲得的不同信噪比目標檢測概率與門限值的變化曲線如圖11所示。

圖11 不同信噪比及門限值下目標檢測概率曲線

由表4分析目標信噪比、檢測門限值設定及篩選目標點數的關系可以得出，目標信噪比不會影響檢測門限對目標點跡的篩選，即目標點擊篩選數與檢測門限值是一一對應的關系，并不會隨著目標信噪比的變化而發生大幅度的變化。對比圖11，可以看出不同信噪比目標檢測門限值與檢測概率的關系，若對目標的檢測概率達到99.5%時即可認為能夠對目標實現準確檢測，當目標信噪比達到4 dB時網格形參考滑窗能夠實現對目標的準確檢測；當目標信噪比為1 dB時為實現對目標的準確檢測需要將檢測門限值降為0.1倍的噪聲功率水平估計值，目標信噪比為2 dB時需要降為噪聲功率水平估計值的0.2倍；目標信噪比為3 dB時需要降為噪聲功率水平估計值的0.5倍。在未知目標信噪比時，應以最小目標信噪比設置目標檢測門限，從而達到對目標的準確檢測減小漏警率，此時會加大數據處理量，點跡篩選量少，會降低數據處理效果。

表4 不同信噪比目標檢測性能統計表

4 總結

為了提升末制導雷達對低信噪比目標的檢測性能，減小數據處理量，提高系統的實時性，通過對二維CFAR參考滑窗進行相應的技術改進，獲得了改進的二維CFAR檢測器網格形窗口對目標檢測的數據處理技術。通過仿真分析，驗證了網格形參考滑窗的背景噪聲水平估計的穩定性和準確性，確定了最佳參考滑窗窗口大小。在最佳檢測窗口下，對不同信噪比目標的檢測概率進行了仿真，同時得到了不同信噪比目標的篩選門限值，為檢測門限設置提供了參考依據。