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基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测

作者:时间:2016-10-22来源:网络收藏

摘要:强地物杂波严重影响雷达系统对慢速目标的探测性能,对此设计了基于零频抑制与检测方法。采用提高零频抑制能力,并针对慢速目标检测的实际需求,对其滤波性能和设计方法进行了分析。采用空间邻域插值方式完成目标区域的杂波背景积累,解决慢速目标检测不连续问题。最后对改进的慢速目标检测方法进行了仿真分析。实验结果表明,该方法对的检测概率优于其他方法。

本文引用地址:http://www.amcfsurvey.com/article/201610/309027.htm

边境安全监视、重要设施防护和交通流量控制等市场需求,极大地开拓了地面雷达应用领域,使其受到越来越广泛的重视。实际环境中,慢速目标(例如人员)是威胁度较高的一类目标,对其检测能力成为衡量雷达系统性能的重要指标。而现实中受地杂波的影响,多数雷达对沿其径向速度较慢的目标,面临检测能力不足的问题。主要原因包括:首先,相对于快速运动目标,慢速目标在多普勒域与地物杂波谱存在更为严重的交叠,很难从地物杂波中对其进行有效提取。其次,以行人为典型的,多为弱小目标,具有机动性强、反射系数小但RCS起伏大的特点,明显影响了对其的有效检测。

运动平台下的慢速目标检测,常采用偏置相位中心天线(DPCA)和空时自适应处理(STAP)技术,但均难以直接用于地面雷达。目前,常用方法主要是由MTI滤波器抑制地物静止杂波,然后采用灵敏度高的恒虚警检测方法,如ML-CFAR、OS-CFAR、OSGO-CFAR等。但受系统指标限制,MTI滤波器阶数不能设计过高,其较宽的过渡带导致对宽谱地物中不可避免损失了目标能量。但以上算法在提高慢速目标检测概率的同时,虚警率增加较快,对系统的性能提升有限。部分文献提出了检测慢速目标的思想,并引起较大关注,但有关其具体应用情况却报道较少。本文将杂波零频抑制和改进的,用于地面慢速目标检测,以提高雷达对地面目标的探测能力。

1 基本原理

1.1 零多普勒频率抑制

通常而言,地物杂波为静止回波,能量集中在零多普勒频率附近,具有双边对称特点。较为恶劣的情况下,杂波均方根谱宽约0.37m/s (折合为速度值表示),而强度通常高于系统热噪声60 dB以上。以人员这类慢速弱小目标为典型地面慢速目标分析,其速度范围在0.3~1.5 m/s。为实现地面慢速目标的有效检测,首先要考虑地杂波的抑制,即零多普勒频率附近的窄带谱能量抑制问题。这种零频抑制的滤波器应在零多普勒频率处呈现深的止带凹口,而随着频率的增加呈现快速的上升斜率,以保证慢速目标的检测能力。

对于FIR数字滤波器,通常需要数十甚至上百阶才能满足要求。而则具备这一特点。它由两个共轭关系的复数滤波器实现,其滤波器传输函数可以表示为式(1)。因此,地杂波零频抑制可通过设计完成。

Hkamus(f)|=||H(f)|-|H*(f)| (1)

1.2 杂波图检测

杂波图检测的基本思想是利用杂波和目标回波的时间积累特性不同,完成二者的有效分离。相比基于空间平滑估计杂波背景的CFAR算法,杂波图更好地利用了杂波的时间分布特性。而杂波图的一阶递归滤波方式如图1所示。

基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测

其中,l表示天线扫描周期,一次扫描得到的杂波单元幅度是Dnm(l),已知杂波图值为Ynm(l-1),通过下式可以得到新的杂波图值Ynm(l)。

Ynm(l)=(1-K))Ynm(l-1)+KDnm(l) (2)

K是小于1的衰减因子,多次更新之后就可以得到杂波的平均幅度。当K值取较小值,杂波图需长时间积累平稳,适用于随时间变化缓慢的杂波背景。较大K值则用于适应环境杂波急剧变化情况。

2 慢速目标检测

雷达波束照射区内的地面不仅有大量的散射单元,还存在强的点状散射单元,如城市楼房、水塔等。地杂波概率密度函数将趋向于莱斯分布,可表示为:

基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测

式中,Io为零阶贝塞尔函数,σ2为代表地杂波起伏分量的平均功率,μ为强散射点的回波幅度,为低频直流分量。当μ=0时,则恢复为瑞利分布。

通过零频抑制去除地杂波低频直流分量,可使Rice杂波转换为瑞利杂波。然后对慢速目标与杂波剩余的多普勒交叠区,进行杂波图CFAR可以改善检测性能。基于零频抑制和杂波图的慢速目标检测主要由两部分组成,如图2所示:1)地杂波零频抑制;2)杂波剩余的时间平滑,即杂波图CFAR。

基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测

3 Kalmus滤波器设计

Kalmus滤波器传输函数由式(1)表示,其中|H(f)|项可以通过与离散傅里叶变换等效的横向滤波器实现。由DFT定义可以推导出其等效为一组滤波器组,其响应函数为

基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测

其中,0≤k≤N-1表示滤波器组的组号。Kalmus滤波器本质是将DFT滤波器组中的相邻两个滤波器相减以获得深的凹口,然后通过频域搬移使凹口落在零频。由此可得到Kalmus滤波器的幅频响应,如图3所示。

基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测

按照上述方式,两个滤波器的系数可以设计为

基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测

其中,N代表滤波器阶数,且0≤n≤N,w(n)为长度为N的窗函数。此外,Kalmus滤波器存在一定旁k,可通过窗函数法进行加权抑制。

4 改进的杂波图检测

普通杂波图对慢速目标检测,通常面临不连续的问题。这是由于杂波图更新频率过快,与目标通过距离单元的时间不匹配造成的。假定雷达系统的距离单元大小为L,慢速目标以速度v通过距离单元的时间为t=L/v。假定杂波图更新频率远小于t,则在t时间内目标一直位于该距离单元内。杂波图积累将多次采用目标能量,造成杂波背景估计偏差。最终对目标的检测结果,表现为数次检测后目标消失;而目标运动至下一单元后,又将重复这一过程。

基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测

杂波图检测的改进包括以下方面:1)杂波图更新频率可设,使其与距离单元通过时间匹配。2)检测后标记目标和背景单元,目标单元不参与杂波积累。3)采用邻域的背景单元插值计算目标单元背景,即空间邻域插值。改进的方法框图如图4所示。

5 仿真实验

5.1 Kalmus滤波器性能仿真

为设计性能适用的零频抑制滤波器,对不同阶数下Kalmus滤波器的半功率点位置进行了仿真实验。

基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测

图5为半功率点起点和终点位置随阶数的变化曲线,所加窗为Hanning窗。滤波器半功率点起点位置随着阶数增加减小,但高阶滤波器起点位置减小不再明显。本文采用8或16阶。另外,加窗抑制旁k也在一定程度上增加了通带范围。

5.2 慢速目标检测仿真

通过模拟强杂波环境下的慢速目标检测过程,验证检测性能。其中,模拟杂波高于系统噪声60 dB,目标运动速度0.5m/s,信噪比变化13-30 dB。图6为不同方法下统计慢速目标检测概率随信噪比的变化曲线。可以看到,基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测,性能明显优于其他方法。

基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测

6 结束语

慢速目标检测是地面雷达系统中的技术难点。和目标检测方法相结合的设计方式,提供了较好技术途径。基于零频抑制与杂波图的地面慢速目标检测方法,在和目标检测两方面进行了改进,其检测概率改善明显。该方法对提高地面雷达性能具有参考意义。



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