一種線性調頻連續波雷達多門限聯合檢測方法

馬 可 張遠安 畢 進

(西安電子工程研究所 西安 710100)

0 引言

線性調頻連續波(Linear Modulation Continuous Wave，LFMCW)雷達[1]是一種以線性調頻連續波作為發射信號的雷達，其具有測速測距精度高、無近距離盲區、發射功率低、結構簡單、體積小等特點。近年來，隨著技術的發展連續波雷達在很多系統中都有應用，如高度儀，汽車防撞系統、戰場場面監視、導彈精密末制導等[2]。

雷達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、目標特性分析等多個方面綜合實現[3]。本文針對LFMCW雷達回波特點，從信號檢測方面入手，通過實測數據分析，提出了一種多門限聯合檢測方法，該方法可以在保證目標檢測概率的同時降低虛警率。

1 LFMCW雷達回波分析

在本文中，LFMCW雷達采用鋸齒調頻連續波作為發射信號，其回波經過混頻、濾波、放大后進入信號處理器，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，FFT)[4]，并進行信號檢測和距離速度解耦合，就可以得到目標的距離、速度信息。

連續波雷達發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射信號泄漏邊帶噪聲。這會導致接收機輸出噪聲的統計特性不是平穩的。圖1為某發射信號的相位噪聲測試結果。可以看出發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定狀態。

圖1 相位噪聲測試結果

在連續波雷達工程設計時，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]，以擴大接收機動態范圍、抑制噪聲近頻率端起伏。圖2為某接收機SFC頻率響應曲線。

圖2 SFC頻率響應曲線

對于LFMCW雷達，在信號檢測時門限需要適應接收機輸出噪聲(即接收機本地噪聲與發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雷達在不同環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，在不同環境下LFMCW雷達的噪聲基底不同，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致雷達的虛警率較高。因此，在目標檢測時，應該考慮如何在不同噪聲基底下降低噪聲尖峰點對目標檢測的影響。

2 LFMCW雷達多門限設計

通常情況下，雷達中的多門限檢測設計思路是先設置較低的第一門限保證檢測概率，再根據雷達特點增加其他門限以降低虛警率[8]。針對LFMCW雷達，根據不同的實際數采噪聲基底，結合恒虛警門限和固定門限，以實現較低的虛警率和漏警率。

2.1 恒虛警門限設計

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信號而不受背景噪聲基底變化的影響，并為后續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，對這些含有強雜波點的噪聲基底平均值進行估計時不能在許多次掃描周期內進行，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進行，而只能在檢測點臨近單元。因此，在LFMCW連續波雷達中我們采用鄰近單元平均選大的方法進行恒虛警檢測(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單元，保護單元的大小取決于目標的尺寸和分辨單元的大小，保護單元是為了防止目標能量泄漏到相鄰參考單元中影響背景噪聲基底功率估計。保護單元外側為參考單元，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。門限系數是根據設定的恒虛警概率和恒虛警算法得出，將門限系數與噪聲基底功率估計相乘與測試單元比較，進行門限檢測判決。

2.2 基于統計的多門限設計

根據不同環境下LFMCW雷達實際采集噪聲基底，統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。

通過對不同環境下LFMCW雷達工作時采集800個相參處理周期(Coherent Processing Interval，CPI)內的環境數據進行分析，將800個CPI數據進行平均得到如圖5所示的結果，不同場景下噪聲基底隨著探測距離的變化曲線。

圖5 不同環境的平均噪聲基底

雷達在不同環境工作時，理想的方法是先通過讓雷達自主學習，探測環境回波信號，獲得該環境下噪聲基底隨距離單元變化曲線，將該曲線存入雷達檢測模塊中，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。這是因為雷達信號處理器常采用FPGA或者DSP來實現，要計算上百個CPI內的噪聲基底，從存儲資源上，往往難以滿足，但從圖5可以看到，不同環境下，噪聲基底隨距離的變化曲線規律很類似，也即可以通過試驗場環境來代替其他環境下的噪聲基底，前期試驗時，通過試驗場采集雷達正常工作時的數據進行分析，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的。

因此，在LFMCW連續波雷達的信號檢測中，我們采用恒虛警門限與基于統計的固定多門限聯合檢測方法，以期降低虛警率。

3 多門限聯合檢測實測結果

以某型LFMCW雷達為例，在不同環境下采集模擬目標數據，設置不同的門限，利用MATLAB處理數據，可以得到不同的目標檢測結果。

圖6為某次模擬目標由遠向近運動所采集的數據，選取目標運動中間的140個信號處理周期，僅設置單一恒虛警門限的目標檢測結果，其中橫軸為信號處理周期，縱軸為距離單元，*點為對應信號處理周期檢測出的目標所在距離單元位置。

圖6 單一恒虛警門限檢測結果

在圖6中，可以清晰地看出模擬目標隨信號處理周期變化的運動軌跡。在目標距離較遠時，近距離單元有較多雜波點產生。經過統計，140個周期內，目標檢測點111個，雜波點29個。

圖7為與圖6相同數據，設置上節所述設置多門限后聯合檢測的結果。

圖7 多門限聯合檢測結果

在圖7中，也可以清晰地看出模擬目標隨信號處理周期變化的運動軌跡，且近距離單元段經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生，如果消除這2個雜波點，將設置更高的門限值，這會導致目標檢測概率降低，漏警率較高。經過統計，在140個周期內，目標檢測點為107個。

表1統計了在單一恒虛警門限與多門限聯合檢測情況下，6次模擬目標在不同環境，不同信號處理周期數的目標檢測點個數、雜波點個數。

表1 檢測點個數對比

序號信號處理周期恒虛警門限多門限聯合目標點數雜波點數目標點數雜波點數114011129107221401152511023150122281183415012624119251601283212516160127331202

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

4 結束語

LFMCW雷達需要在含有接收機本地噪聲、發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，根據實測數據中噪聲基底的統計，提出了一種恒虛警與基于統計的固定多門限聯合檢測的方法。該方法實現簡單、并通過實測模擬目標數據驗證，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。這種方法已經在某型LFMCW雷達上得到了工程應用。