一種自適應(yīng)雙參數(shù)雜波圖檢測(cè)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(cè)是目前雷達(dá)面臨的難題，如何在保證檢測(cè)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(cè)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(cè)門限，這種雜波圖也叫均值雜波圖[2]。傳統(tǒng)雜波圖是簡(jiǎn)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(cè)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(cè)損失大。然而地物雜波主要是來(lái)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(lái)說(shuō)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(lái)來(lái)建立雙參數(shù)雜波圖，同時(shí)通過自適應(yīng)調(diào)整門限來(lái)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(cè)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(cè)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(cè)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(lái)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(wú)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(wú)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(wú)偏估計(jì)進(jìn)行加權(quán)處理得到最終的雙參數(shù)檢測(cè)門限，因此檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(lái)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(lái)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(lái)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(cè)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(cè)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(lái)求雙參數(shù)雜波圖的檢測(cè)門限，另一方面用來(lái)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(cè)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(cè)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(lái)的。將雙參數(shù)雜波圖檢測(cè)門限乘以檢測(cè)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(cè)單元幅度值和最終門限進(jìn)行比較，如果待檢測(cè)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(cè)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(cè)單元為O，與待檢測(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)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(cè)方法，對(duì)某相控陣?yán)走_(dá)采集的復(fù)雜環(huán)境下無(wú)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(cè)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(cè)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(cè)和本文方法分別對(duì)雜波進(jìn)行檢測(cè)處理。

在雜波圖剛建立時(shí)，兩種方法檢測(cè)結(jié)果如圖5所示，圖5(a)為傳統(tǒng)雜波圖檢測(cè)結(jié)果，圖5(b)為本文所提方法檢測(cè)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(cè)結(jié)果

在雜波圖建立過程中，兩種方法檢測(cè)結(jié)果如圖6所示，圖6(a)為傳統(tǒng)雜波圖檢測(cè)結(jié)果，圖6(b)為本文方法檢測(cè)結(jié)果，此時(shí)兩種檢測(cè)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(lái)后，兩種方法檢測(cè)結(jié)果如圖7所示，圖7(a)為傳統(tǒng)雜波圖檢測(cè)結(jié)果，圖7(b)為本文方法的檢測(cè)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(cè)方法的檢測(cè)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(cè)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(cè)處理，并對(duì)目標(biāo)檢測(cè)概率進(jìn)行統(tǒng)計(jì)，兩種方法的檢測(cè)概率曲線如圖8所示。低信噪比條件下，本文方法的檢測(cè)概率略小于傳統(tǒng)方法，對(duì)于小目標(biāo)檢測(cè)會(huì)帶來(lái)一定損失，當(dāng)信噪比大于10 dB時(shí)，本文方法的檢測(cè)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(lái)一定的檢測(cè)損失，但對(duì)于信噪比較大的目標(biāo)不會(huì)有檢測(cè)損失。

圖6 雜波圖建立中期目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

圖7 雜波圖建立后的目標(biāo)檢測(cè)結(jié)果

圖8 目標(biāo)檢測(cè)概率曲線

4 結(jié)束語(yǔ)

復(fù)雜背景下的小目標(biāo)檢測(cè)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(cè)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(cè)方法。該方法根據(jù)雷達(dá)基底噪聲強(qiáng)度對(duì)待檢測(cè)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(cè)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(cè)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。