基于线性调频连续波雷达的低速小目标检测方法

刘艳苹

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

基于线性调频连续波雷达的低速小目标检测方法

刘艳苹

(中国船舶重工集团公司第七二三研究所，江苏 扬州 225001)

低分辨率脉冲体制雷达对小目标探测能力有限，提出了一种基于线性调频连续波(LFMCW)雷达的低速小目标检测方法，利用LFMCW雷达高距离分辨率的优势，采用快速傅里叶变换(FFT)处理、非相参积累以及恒虚警处理等，有效提高了信噪比，降低了虚警率。

线性调频连续波；差拍信号；快速傅里叶变换；非相参积累；恒虚警

0 引 言

线性调频连续波雷达具有高距离分辨率、无距离盲区、良好的低截获性能以及结构简单、体积小巧、重量轻等特点，主要应用于雷达成像、精确制导、机载导航设备等方面，也应用于工业控制、战场侦察、气象监测等不同领域[1]。在边防、安防领域，对小型无人机、地面运动小目标的探测需求越来越迫切，针对这一类雷达反射截面积小、速度低的小目标，传统的低分辨率脉冲体制雷达无法达成低速小目标探测能力要求，因此可采用具有高距离分辨率的线性调频连续波雷达进行慢速小目标探测。

1 线性调频连续波雷达工作原理

线性调频连续波雷达的发射信号是线性调频信号，接收的回波信号是延时了的线性调频信号。线性调频连续波信号有锯齿波、对称三角波2种频率调制方式，锯齿波是一种单斜率线性调频连续波，理论和实践证明采用这种波形的雷达存在严重的距离速度耦合现象，对多目标环境中的运动目标检测影响很大。但在探测低速小目标时，距离速度耦合的影响在距离精度要求的范围内，因此采用处理上相对简单的锯齿波作为发射信号。

如图1所示，实线表示发射信号，时宽为τ，带宽为B，重复周期为T，虚线表示接收回波信号，二者除了在时间上延迟了t外，形状相同[2]。发射信号与接收回波信号经过混频器混频后得到二者的差拍信号。可以看出，发射信号的时宽τ远远大于最大作用距离对应的回波延时tm，而且差拍信号的频率正比于目标距离，不同的回波延时对应不同的差拍频率，二者成线性关系。

从图1中还可以看出，不同的延时t对应不同的差拍频率fb，对应关系如下：

(1)

且延时t与距离R满足关系式:

(2)

式中：c为光速。

结合式(1)和式(2)可得到:

(3)

由式(3)可以看出，差拍频率fb与距离R成线性关系，在差拍频率恒定的有效时段Te进行采样，通过快速傅里叶变换(FFT)便可以得到相应的信号功率谱，通过计算功率谱所在位置便可以测得目标到雷达的径向距离。

2 检测方法

由线性调频连续波雷达的工作原理可以看出线性调频连续波雷达的分析对象是发射信号和目标回波信号的差拍信号。对目标的检测就是对差拍信号的频率进行检测，差拍信号的频率与目标距离成比例关系，通过距离向FFT处理获得回波信号的差拍频率信息，再根据调频曲线斜率计算出对应目标的距离信息。

在差拍信号有效区间进行采样的数据，相当于对数据加了矩形窗。由于矩形窗在频域的副瓣比较高，仅为-13 dB，为了降低副瓣的影响，对采样信号进行加窗，窗函数选择低副瓣、主瓣展宽较小的海明窗。

2.1 FFT点数的选取

如图2所示，实线为发射波形，虚线为最大不模糊距离仅为Rmax的回波波形，即最大延时为tmax，最大差拍频率为fmax，信号调频带宽为B，信号时宽为τ，发射周期为T，用于频率检测的最大时长为τ-tmax，即为有效采样区间，采样频率为fs，在有效采样区间内可采样点数M=(τ-tmax)fs，考虑到工程实现中需留有一定余量，采样点数通常为小于M的整数。

最大不模糊距离Rmax的回波频域示意图如图3所示，采样频率fs≥2fmax，fmax为最大不模糊距离Rmax在频谱上的位置，因此FFT处理之后，有效数据在频域上的分布范围为0～fmax。

FFT点数的选取与系统所要求的距离精度和距离分辨率有关。根据信号带宽计算得到系统距离分辨率为:

R=c/2B

(4)

(5)

可得N≥fsτ，由于可采样点数M=(τ-tmax)fs，tmax为大于零的数，故N>M，同时FFT处理的点数又要满足是2的整数次幂，所以FFT点数N选取大于M的且为2的整数次幂的数[3]。实际采样点数M小于FFT点数N，长度不足的部分补零。

2.2 非相参积累

非相参积累是将一次扫描时间内连续nB个重复周期同一距离单元的视频回波信号能量积累起来，通过积累，进一步提高信噪比。基于机械扫描的搜索雷达的脉冲间积累采用滑窗积累，滑窗宽度为天线波束扫过点目标的时间内目标回波脉冲数量，可通过式(6)计算得到：

(6)

式中:θB为天线波束宽度;T为脉冲重复周期;ωm为天线扫描速度[4]。

2.3 恒虚警处理

恒虚警处理(CFAR)可选择邻近距离单元选大恒虚警或杂波图恒虚警。

2.3.1 邻近距离单元选大恒虚警

邻近距离恒虚警分别对检测单元两侧的回波幅度进行积累平均，并比较两侧均值，选择较大的值作为恒虚警检测的门限。邻近距离单元选大恒虚警(GOCA-CFAR)检测的原理图如图4所示。

2.3.2 杂波图恒虚警

杂波图恒虚警以静态杂波图作为恒虚警检测门限，静态杂波图存储于非易失存储器内，在杂波图建立期间采用递归常数进行积累。

杂波图迭代公式由下式来描述：

(7)

式中:Dn,m(l)为天线第l个扫描周期得到的数据，共有I个距离门和J个脉冲的数据，等于这个方位-距离单元上所有采样数据的均值:

En,m(l)=ω[Dn,m(l)-En,m(l-1)]+En,m(l-1)

(8)

式中:1>ω>0(例如1/8);l为天线扫描次数。

所谓的静态杂波图，是按空间划分多个空间单元，对空间单元内雷达架设周边环境初始侦测的杂波进行多个天线周期积累平均，从而获得杂波均值，用于固定环境下检测意外目标。

3 仿真验证

设计一线性调频连续波雷达，波束宽度为1°，天线转速为20 r/min，信号调频带宽150 MHz，调频时宽1.8 ms，调频周期2 ms，最大不模糊距离1.8 km。

根据上述各公式，可计算出有效采样区间为1 788 μs，最大差拍频率为1 MHz，因此可采用2 MHz作为采样时钟。在有效信号时间内采样点数为3 576个，FFT处理点数采用4 096，不够的数据补零，FFT处理可实现的距离分辨率0.878 m，带宽为150 MHz的线性调频信号理论上距离分辨率为1 m，因此FFT点数的选取满足系统性能要求。

假设目标距离在0.9 km处，即差拍频率为0.5 MHz，模拟的目标信噪比0 dB，经过FFT处理后目标信噪比为31 dB，非相参积累后目标信噪比为32 dB。图5～图7分别是混合噪声的差拍信号、经过FFT等相关处理后的结果和经过CFAR处理后的结果。

仿真结果显示在0.9 km的位置有一目标，表明经过FFT处理和非相参积累，信噪比得到明显改善，比传统的脉冲雷达信号处理的信噪比改善效果显著，再经过恒虚警处理后，有效降低了噪声虚警，又进一步提高了信号检测能力。

4 结束语

本文结合了线性调频连续波雷达和脉冲体制雷达的传统信号处理方法，将其应用于连续波体制搜索雷达慢速小目标的检测。通过仿真结果分析和实际工程应用，这一系列检测方法可有效检测出噪声和地物杂波背景下慢速小目标，而对于海杂波等背景下慢速小目标的检测则需要进一步探索和研究。

[1] 杨帆.LFMCW雷达信号处理算法研究及实现[D].西安：西安电子科技大学，2007.

[2] 张琳.线性调频连续波雷达信号处理技术[D].西安：西安电子科技大学，2003.

[3] 李鲜武.数字调频连续波测距雷达方程[J].雷达科学与技术，2009，7(5)：329-332.

[4] SKOLNIK M I.雷达系统导论[M].林茂庸，程云明，毛二可，等译.北京：国防工业出版社，1992.

DetectionMethodofLow-velocitySmallTargetsBasedonLFMCWRadar

LIU Yan-ping

(The 723 Institute of CSIC，Yangzhou 225001，China)

The detecting capability of low-resolution pulse system radar to small targets is restricted,this paper puts forward a detecting method based on linear frequency modulation continuous wave (LFMCW) radar for low-velocity small target,utilizes the advantage of high range revolution of LFMCW radar,adopts fast Fourier transform (FFT) processing,non-coherent integration and constant false alarm (CFAR) processing,etc.,effectively improves the signal to noise ratio,reduces the false alarm ratio.

linear frequency modulation continuous wave;beat signal;fast Fourier transform;non-coherent integration;constant false alarm

2017-07-08

TN957.51

A

CN32-1413(2017)05-0080-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.06.017