LFMCW雷達(dá)恒虛警檢測(cè)技術(shù)研究.pdf

1、線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW, linear frequency modulated continuous wave)雷達(dá)具有體積小、重量輕、距離分辨力高、無(wú)距離盲區(qū)和抗截獲能力強(qiáng)的優(yōu)點(diǎn)，在戰(zhàn)場(chǎng)偵察、汽車防撞等領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用。在LFMCW雷達(dá)實(shí)際工作中，地面目標(biāo)往往位于雜波變化劇烈區(qū)域、多目標(biāo)區(qū)域等非均勻環(huán)境中，導(dǎo)致恒虛警(CFAR,constant false alarmrate)檢測(cè)時(shí)存在虛警概率升高和檢測(cè)概率降低的問(wèn)題。圍繞L

2、FMCW雷達(dá)高斯背景下的雜波邊緣環(huán)境、多目標(biāo)環(huán)境以及非均勻環(huán)境，對(duì)CFAR檢測(cè)技術(shù)進(jìn)行了研究。本文主要工作如下:
　　 1、研制完成一部X波段頻掃LFMCW雷達(dá)樣機(jī)，該雷達(dá)采用微帶漏波頻率掃描天線、固態(tài)發(fā)射機(jī)射頻組件、基于DSP+FPGA的信號(hào)處理平臺(tái)以及基于ARM9的總控系統(tǒng)。結(jié)合先進(jìn)的軟件無(wú)線電技術(shù)和信號(hào)處理算法，在平均發(fā)射功率為500mW條件下，能夠在1公里范圍內(nèi)強(qiáng)地雜波環(huán)境下發(fā)現(xiàn)慢速運(yùn)動(dòng)的人，最小可檢測(cè)速度為0.315m

3、/s。該雷達(dá)采用頻率電掃描天線避免了天線伺服系統(tǒng)的使用，同時(shí)提高了地雜波的抑制性能;采用連續(xù)波體制降低了射頻組件的設(shè)計(jì)復(fù)雜度，節(jié)約了成本。
　　 2、針對(duì)LFMCW雷達(dá)在雜波邊緣環(huán)境中的CFAR檢測(cè)算法進(jìn)行了研究，提出一種基于最大似然差(MLD，maximum likelihood difference)的CFAR檢測(cè)器MLD-CFAR。MLD-CFAR檢測(cè)器通過(guò)計(jì)算MLD來(lái)判斷參考滑窗中是否存在雜波邊緣，并在存在雜波邊緣時(shí)判斷

4、雜波邊緣的最大似然位置;通過(guò)計(jì)算均值比(MR,mean ratio)來(lái)判斷前、后沿滑窗是否來(lái)自相同雜波分布，進(jìn)而自適應(yīng)選擇參考單元和均值類CFAR算法計(jì)算檢測(cè)門(mén)限。MLD-CFAR在雜波邊緣環(huán)境中能夠保持恒虛警率，提高目標(biāo)檢測(cè)概率，減少目標(biāo)遮蔽現(xiàn)象;在均勻環(huán)境中與單元平均CFAR檢測(cè)器相比檢測(cè)損失很小，從而提高了CFAR檢測(cè)器在雜波邊緣環(huán)境中的魯棒性。
　　 3、針對(duì)LFMCW雷達(dá)在非均勻雜波環(huán)境中的CFAR檢測(cè)算法進(jìn)行了研究，

5、提出了一種改進(jìn)開(kāi)關(guān)CFAR(IS-CFAR, improved switching CFAR)檢測(cè)器，用以克服開(kāi)關(guān)CFAR(S-CFAR, switching CFAR)檢測(cè)器在雜波邊緣環(huán)境中虛警概率升高的問(wèn)題，并且在多目標(biāo)環(huán)境中保持高檢測(cè)性能。IS-CFAR檢測(cè)器利用檢測(cè)單元幅度生成一個(gè)比較門(mén)限，然后分別統(tǒng)計(jì)前、后沿滑窗中小于該比較門(mén)限的參考單元數(shù)目，以此判斷參考滑窗位于的雜波環(huán)境，進(jìn)而選取相應(yīng)的參考單元計(jì)算檢測(cè)門(mén)限。本文給出了IS-

6、CFAR在均勻環(huán)境以及非均勻環(huán)境中的檢測(cè)概率和虛警概率閉型表達(dá)式。 IS-CFAR在均勻環(huán)境中CFAR損失很小，在多目標(biāo)環(huán)境中檢測(cè)性能與S-CFAR基本相同;在雜波邊緣環(huán)境中，IS-CFAR的虛警控制能力遠(yuǎn)優(yōu)于S-CFAR，并且接近于性能最優(yōu)的選大CFAR檢測(cè)器。
　　 4、推導(dǎo)了廣義開(kāi)關(guān)CFAR(GS-CFAR，generalized switching CFAR)檢測(cè)器精確的檢測(cè)概率表達(dá)式，并將GS-CFAR在均勻環(huán)境及非均

7、勻環(huán)境中的檢測(cè)概率和虛警概率統(tǒng)一為一個(gè)表達(dá)式。通過(guò)Monte-Carlo方法驗(yàn)證了對(duì)GS-CFAR推導(dǎo)結(jié)果的正確性。通過(guò)仿真分析得出，在多目標(biāo)環(huán)境中，GS-CFAR的檢測(cè)性能略優(yōu)于S-CFAR，但是低于OS-CFAR。
　　 5、為了提高LFMCW雷達(dá)在多目標(biāo)環(huán)境中的檢測(cè)性能，提出了一種基于最大參考單元(MRC, maximum reference cell)的CFAR檢測(cè)器MRC-CFAR。在MRC-CFAR中，將MRC與一個(gè)

8、標(biāo)稱化因子相乘生成一個(gè)比較門(mén)限，然后將剩余單元與該門(mén)限比較，根據(jù)小于該門(mén)限的單元數(shù)目來(lái)判斷參考滑窗是否存在干擾目標(biāo)，以此來(lái)選取相應(yīng)參考單元生成檢測(cè)門(mén)限。本文推導(dǎo)了MRC-CFAR在均勻和非均勻環(huán)境中的檢測(cè)概率和虛警概率表達(dá)式。當(dāng)參數(shù)選取合適時(shí)，MRC-CFAR在均勻環(huán)境中具有很低的CFAR損失，在干擾目標(biāo)環(huán)境中檢測(cè)性能遠(yuǎn)優(yōu)于S-CFAR和有序統(tǒng)計(jì)CFAR(OS-CFAR, order-statisticCFAR)檢測(cè)器，在雜波邊緣環(huán)境中

9、具有良好的虛警控制能力。由于僅需獲得參考單元中最大值，不需要作其它排序處理，MRC-CFAR計(jì)算量較低，易于在實(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)中使用。
　　 6、傳統(tǒng)雜波圖CFAR(CM-CFAR, clutter map CFAR)檢測(cè)器在多持續(xù)目標(biāo)環(huán)境中存在自遮蔽現(xiàn)象，為了提高CM-CFAR在LFMCW雷達(dá)工作中的檢測(cè)概率，提出了一種基于最大單元(MC，maximal cell)的雜波圖CFAR檢測(cè)器CM/MC-CFAR。在CM/MC-CFAR

10、中，對(duì)于每個(gè)掃描周期，將MC與一個(gè)標(biāo)稱化因子相乘生成一個(gè)比較門(mén)限，然后將剩余單元與該門(mén)限比較，根據(jù)小于該比較門(mén)限的單元數(shù)目來(lái)選取相應(yīng)單元更新背景雜波功率估計(jì)。本文推導(dǎo)了CM/MC-CFAR在均勻環(huán)境和多持續(xù)目標(biāo)環(huán)境中的檢測(cè)概率和虛警概率表達(dá)式。仿真結(jié)果表明，CM/MC-CFAR在均勻環(huán)境中檢測(cè)損失很小，在多持續(xù)目標(biāo)環(huán)境中檢測(cè)性能優(yōu)于傳統(tǒng)的有序統(tǒng)計(jì)雜波圖CFAR檢測(cè)器和混合CM/L-CFAR檢測(cè)器，能夠有效克服多持續(xù)目標(biāo)環(huán)境中的自遮蔽效應(yīng)