一種適用于激光測速系統(tǒng)的自適應(yīng)CFAR 算法

黃黎平，唐詩，劉興濤

（1.中國直升機設(shè)計研究所，江西景德鎮(zhèn)，333000；2.成都凱天電子股份有限公司，四川成都，610031）

0 引言

激光測速系統(tǒng)利用多普勒效應(yīng)和大氣米散射效應(yīng)進行速度參數(shù)的探測[1]，系統(tǒng)的速度探測性能會受到大氣成分、大氣運動、激光的多路徑傳輸過程及激光器的相對強度噪聲和相位噪聲等影響，影響系統(tǒng)高精度探測的主要因素包括：硬靶干擾、大氣環(huán)境特性干擾及系統(tǒng)自身光電特性干擾等[2～5]。

激光測速系統(tǒng)有著復(fù)雜的應(yīng)用環(huán)境，又受到自身光電特性干擾，且激光測速系統(tǒng)探測到的空速信號信噪比較低，如果使用固定檢測閾值或者單一的恒虛警算法，極易對干擾信號造成誤檢[6～7]。目前各類型的恒虛警算法應(yīng)用于激光測速系統(tǒng)中均存在不足，比如單元平均恒虛警算法易將能量較大的激光器強度噪聲誤檢為有效信號，單元平均取大恒虛警算法會對能量較大的干擾信號附近的微弱信號造成漏檢。綜上，單一恒虛警檢測算法易受激光測速系統(tǒng)干擾信號的影響，無法有效檢測空速信號[9]。

傳統(tǒng)目標檢測的主要手段是通過人工判斷或者設(shè)置固定檢測閾值，但不同的干擾源具有不同的信號特性，固定檢查閾值存在局限，需要針對不同的干擾源設(shè)計合適的檢測閾值提高系統(tǒng)對于目標信號的有效探測率[10～11]。根據(jù)系統(tǒng)中不同干擾源的信號特性，本文基于恒虛警（CFAR）檢測設(shè)計了一種適用于激光測速系統(tǒng)的自適應(yīng)CFAR 算法。

1 基本原理

恒虛警（Constant False Alarm Rate，CFAR）檢測在雷達數(shù)據(jù)檢測中具有廣泛的應(yīng)用，該檢測算法可以根據(jù)背景噪聲、雜波和干擾信號自適應(yīng)調(diào)整閾值大小，使虛警概率恒定[1]。根據(jù)不同的應(yīng)用環(huán)境和干擾信號特征選擇不同的恒虛警檢測器，主要有噪聲恒虛警、單元平均恒虛警、有序恒虛警檢測器等。單元恒虛警檢測器作為最常用的恒虛警檢測器，示意圖如圖1 所示。

圖1 單元恒虛警檢測器示意圖

CA-CFAR，GO-CFAR 和SO-CFAR 三種檢測器的檢測門限為[2]：

其中kCA、kGO、kSO分別為單元平均恒虛警算法、單元平均取大恒虛警算法、單元平均取小恒虛警算法的乘性因子；VCA、VGO、VSO分別為采用單元平均恒虛警算法、單元平均取大恒虛警算法、單元平均取小恒虛警算法計算得到的檢測門限。在單元恒虛警檢測器中，檢測閾值由參考單元的信號均值和乘性因子k 決定，選擇合適的參考單元、CFAR 類型和乘性因子具有重要意義[3]。

2 算法設(shè)計

激光測速數(shù)據(jù)系統(tǒng)通過相干探測鑒頻得到某時刻整個電子系統(tǒng)采樣帶寬內(nèi)的散射信號頻譜，其中包括空速多普勒移頻信號、直流噪聲信號、激光器相對強度噪聲和相位噪聲及干擾物多普勒噪聲信號等，如圖2 所示。

圖2 激光測速數(shù)據(jù)系統(tǒng)頻譜信號示意圖

不同時刻的干擾信號具有不同的頻率成分，不能直接對本底噪聲進行抑制。如果使用固定檢測閾值，極易對干擾信號造成誤檢，如圖2 中的激光器強度噪聲和相位噪聲，這兩種噪聲信號具有較強的能量，容易超過檢測閾值，干擾檢測結(jié)果。為了準確解算大氣矢量信號，從信號頻譜中精確地檢測出空速多普勒移頻信號，我們基于恒虛警（CFAR）檢測原理設(shè)計了一種用于激光測速的自適應(yīng)調(diào)整檢測閾值的算法，設(shè)計的算法流程如圖3 所示，通過檢測單元的變化指數(shù)角系數(shù)Sk=xD-xD-1 自適應(yīng)調(diào)整參考單元與保護單元的個數(shù)及選擇CFAR 處理方法。

圖3 一種自適應(yīng)CFAR 檢測流程圖

S1：對激光測速數(shù)據(jù)系統(tǒng)取得的頻譜數(shù)據(jù)，采用漢明窗函數(shù)對頻譜數(shù)據(jù)進行平滑濾波，其窗口長度為激光測速數(shù)據(jù)系統(tǒng)輸出頻譜數(shù)據(jù)總的單元個數(shù)除以100 后取整，該步驟可以有效去除隨機噪聲點。

S2：本文假設(shè)左右參考單元窗長都為10 個單元，左右保護單元都為2 個，根據(jù)濾波后的頻譜數(shù)據(jù)滑窗計算每個檢測單元的角系數(shù)指標Sk。

S3：將角系數(shù)指標Sk與閾值Ts和Tg（Tg>Ts）進行判斷，根據(jù)判斷結(jié)果選擇對應(yīng)的處理方法得到各時刻的對應(yīng)檢測門限，檢測門限的計算見公式1。如果SkTg，為了降低系統(tǒng)對于干擾信號的虛假概率，采用GO-CFAR 檢測器，即檢測單元的變化指數(shù)大于第二閾值Tg，則采用單元平均取大恒虛警算法，保護單元個數(shù)增加1 個，參考單元的個數(shù)減少9 個的方式調(diào)整保護單元與參考單元的個數(shù)。

S4：將每個檢測單元與對應(yīng)檢測門限進行比較，當(dāng)檢測單元數(shù)值大于步驟S3 中的檢測門限時，判斷為空速信號。

3 試驗結(jié)果與分析

為了驗證算法對空速信號探測的準確性，將激光測速系統(tǒng)進行飛行試驗，對取得的頻譜信號進行分析，得出每時刻的真空速，最終對比系統(tǒng)輸出的真空速數(shù)據(jù)與GPS 速度動態(tài)變化的一致性。激光測速系統(tǒng)安裝如圖4 所示。

圖4 激光測速數(shù)據(jù)系統(tǒng)機上安裝

激光測速系統(tǒng)飛行試驗取得的頻譜如圖5(a)所示，圖中綠色實線表示待測信號，紅色虛線表示本文提出的自適應(yīng)CFAR 算法取得的檢測閾值，藍色點劃線表示使用傳統(tǒng)的CA-CFAR 算法得到的檢測閾值。將頻譜目標區(qū)域進行局部放大，如圖5(b)所示，圖中紅色空心圓圈表示使用自適應(yīng)CFAR 算法檢測到的有效峰值，藍色星點表示CA-CFAR 算法檢測到的有效峰值。可以看出傳統(tǒng)的CA-CFAR 算法抗環(huán)境干擾能力差，會將具有較高能量的激光器強度噪聲干擾信號誤檢為有效信號。

圖5 激光測速系統(tǒng)試飛試驗算法對比（誤檢）

另一時刻的激光測速系統(tǒng)飛行試驗取得的頻譜如圖6(a)所示，該時刻激光器相位噪聲信號頻譜成分與圖5(a)中的相位噪聲信號不同，但無論是自適應(yīng)CFAR 算法還是CACFAR 算法取得的檢測閾值都能隨著干擾信號不同而自主調(diào)整檢測閾值，驗證了CFAR 檢測在復(fù)雜環(huán)境中的性能優(yōu)勢。將頻譜目標區(qū)域進行局部放大，如圖6(b)所示，可以看出當(dāng)?shù)托旁氡鹊挠行盘栐谀芰枯^強的干擾信號附近時， CACFAR 檢測容易出現(xiàn)漏檢。使用利用角系數(shù)的自適應(yīng)CFAR算法能提高信號的有效探測率。

圖6 激光測速系統(tǒng)試飛試驗算法對比（漏檢）

比較采用自適應(yīng)CFAR 算法與CA-CFAR 算法在系統(tǒng)不同信噪比條件下的數(shù)據(jù)檢測率結(jié)果，如圖7 所示，圖中藍色實線表示自適應(yīng)CFAR 算法的檢測概率，紅色虛線表示CACFAR 算法的檢測概率。統(tǒng)計結(jié)果表明，自適應(yīng)CFAR 算法在信號低信噪比時比CA-CFAR 算法有更高的檢測概率，即使在信號信噪比為0.5 的情況下也具有45%的檢測概率，整體性能優(yōu)于傳統(tǒng)的CFAR 算法。

圖7 自適應(yīng)CFAR 算法和CA-CFAR 算法性能對比

使用自適應(yīng)CFAR 算法對激光測速系統(tǒng)試飛頻譜數(shù)據(jù)進行空速信號檢測，根據(jù)頻譜數(shù)據(jù)解算出飛機真空速，探測結(jié)果與GPS 數(shù)據(jù)變化吻合，如圖8 所示，圖中藍色點線表示GPS 輸出的地速信號，綠色點線表示激光測速系統(tǒng)輸出的真空速，紅色虛線表示飛機飛行高度。

圖8 激光測速系統(tǒng)解算真空速與GPS 速度對比

4 結(jié)束語

本文基于單元平均恒虛警檢測器，提出一種用于激光測速系統(tǒng)的自適應(yīng)CFAR 檢測算法，并給出了算法流程。對激光測速數(shù)據(jù)進行特征分析，利用角系數(shù)對算法中的參考單元和保護單元進行自適應(yīng)調(diào)整，此算法用于一維的頻譜信號檢測，相較于傳統(tǒng)的CFAR 算法檢測，降低了系統(tǒng)的誤檢、漏檢概率，有效地提高了信號檢測率，特別增加了信噪比小于1.5dB 時的探測概率。后續(xù)將對自適應(yīng)CFAR 進一步優(yōu)化，推廣應(yīng)用于激光測速系統(tǒng)二維數(shù)據(jù)信號探測。