一種被動(dòng)雷達(dá)低空目標(biāo)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)數(shù)據(jù)與信號(hào)處理領(lǐng)域，具體涉及一種被動(dòng)雷達(dá)低空目標(biāo)檢測(cè)方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 隨著低空管制的逐步開(kāi)放，直升機(jī)、無(wú)人機(jī)等低空飛行器在城市中越來(lái)越普及，這 對(duì)重點(diǎn)區(qū)域帶來(lái)了巨大的安全隱患，有報(bào)道稱(chēng)美國(guó)白宮就曾遭到了玩具無(wú)人機(jī)的入侵。 [0003]目前低空目標(biāo)多采用主動(dòng)雷達(dá)進(jìn)行檢測(cè)，但是主動(dòng)式探測(cè)耗費(fèi)大，覆蓋范圍有限。 而目前基站在城市已基本達(dá)到了全覆蓋，所以采用被動(dòng)雷達(dá)接受無(wú)線(xiàn)通信信號(hào)的體制，可 以有更廣闊的探測(cè)范圍，更低的研發(fā)成本。
[0004] 基于該思路，西安電子科大的學(xué)者白建雄提出了CDMA通信體制下的微弱目標(biāo)軌 跡檢測(cè)的方法，湖南大學(xué)的周明千將0FDM信號(hào)應(yīng)用于車(chē)載被動(dòng)雷達(dá)，加強(qiáng)行車(chē)過(guò)程中汽車(chē) 對(duì)周?chē)闆r的感知；德國(guó)的Searle等人研究了雜波環(huán)境下0FDM被動(dòng)雷達(dá)的模糊處理方法， 證明了 0FDM信號(hào)在無(wú)源雷達(dá)運(yùn)用中的優(yōu)越性。
[0005] 但是目前還存在如下的問(wèn)題：
[0006] 第一、對(duì)于微弱目標(biāo)的檢測(cè)，現(xiàn)有研究多針對(duì)高速目標(biāo)，利用目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)帶來(lái)的 多普勒頻移來(lái)完成識(shí)別，鮮有針對(duì)慢速目標(biāo)（馬赫數(shù)小于1)的系統(tǒng)化方法；
[0007] 第二、關(guān)于陣列的參數(shù)（陣元個(gè)數(shù)，圓形陣列半徑）的設(shè)置對(duì)數(shù)字波束形成的影 響，目前還沒(méi)有公開(kāi)的資料進(jìn)行這方面的研究；
[0008] 第三、現(xiàn)有的恒虛警檢測(cè)方法，如CA-CFAR，SO-CFAR，G0-CAFR等各有優(yōu)劣，例如 CA-CFAR的門(mén)限計(jì)算雖然不受目標(biāo)自身的影響，在清潔環(huán)境中使用能得到高的目標(biāo)檢測(cè)概 率，同時(shí)有效地控制虛警率，但是如果參考單元內(nèi)存在多目標(biāo)或者強(qiáng)干擾，將引起門(mén)限抬 高，其檢測(cè)性能也會(huì)大大下降；S0-CFAR解決了CA-CFAR不適用于被測(cè)單元兩側(cè)樣本中存 在多目標(biāo)或者干擾的問(wèn)題，但是對(duì)于雜波區(qū)檢測(cè)也會(huì)導(dǎo)致虛警率升高，因此S0-CFAR適用 于清潔環(huán)境中參考單元存在多目標(biāo)和強(qiáng)干擾的情況；G0-CFAR用于雜波環(huán)境中的目標(biāo)檢測(cè) 時(shí)能很好的控制由雜波引起的虛警率的升高，但是用于清潔環(huán)境檢測(cè)時(shí)，恒虛警損失大于 CA-CFAR，因此G0-CFAR適用于雜波區(qū)檢測(cè)；綜上所述，需要一種新的恒虛警檢測(cè)方法能集 成三者的優(yōu)勢(shì)來(lái)更好地實(shí)現(xiàn)慢速微弱目標(biāo)的檢測(cè)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0009] 本發(fā)明針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)存在的問(wèn)題，利用無(wú)線(xiàn)通信基站發(fā)射的0FDM通信信號(hào)，在基 站附近設(shè)置圓形雷達(dá)接收陣列，接收低空目標(biāo)反射回來(lái)的電磁波，通過(guò)信號(hào)處理，實(shí)現(xiàn)低空 目標(biāo)的探測(cè)預(yù)警。
[0010] 本發(fā)明"一種被動(dòng)雷達(dá)低空目標(biāo)檢測(cè)方法"，包括以下步驟：
[0011] 步驟一、設(shè)計(jì)被動(dòng)雷達(dá)接收天線(xiàn)陣列，所述天線(xiàn)陣列的陣元呈圓形排布，接收0FDM 信號(hào)探測(cè)到低空目標(biāo)所反射回來(lái)的回波。
[0012] 設(shè)置包含4M(Μ為正整數(shù)）個(gè)天線(xiàn)陣元的圓形陣列，所述4M個(gè)天線(xiàn)陣元的質(zhì)心在 同一平面內(nèi)，并且該平面與地面平行。所述4Μ個(gè)天線(xiàn)陣元的質(zhì)心均勻排布在半徑為r。的 圓周上，相鄰陣元質(zhì)心之間所夾弧長(zhǎng)相等。利用該圓形陣列接收基站發(fā)射的4G移動(dòng)通信 0FDM信號(hào)探測(cè)到目標(biāo)所反射回來(lái)的回波。該圓形陣列圓心處設(shè)置有一個(gè)接收天線(xiàn)0。以 圓形陣列圓心為坐標(biāo)原點(diǎn)建立球坐標(biāo)系(/'，認(rèn)9)，在該球坐標(biāo)系中，徑向距離re[0， + 方位角Θe[0,2π]，俯仰角爐€[；()^，其中4M個(gè)天線(xiàn)陣元的質(zhì)心所在的平面定 義為該球坐標(biāo)系中俯仰角的平面。在4Μ個(gè)天線(xiàn)陣元中任意選取一個(gè)陣元，將它的方 位角Θ定義為0°，并將它命名為Ei，然后自E1開(kāi)始沿著半徑為r。的圓周依逆時(shí)針?lè)较?將圓周上的其它天線(xiàn)陣元依次命名為E2, ...，E4M。所述4M個(gè)天線(xiàn)陣元的方位角可表示為 ^ =?(Ι<_1)，ik=U~...4M).每個(gè)天線(xiàn)陣元的增益相同。
[0013] 假設(shè)re[0,R_] 〇?_是所述圓形陣列探測(cè)有效距離的上限，由通信基站功率決 定）范圍內(nèi)存在I個(gè)目標(biāo)，將其命名為T(mén)arji= 1，2，...，I)。
[0014] 定義^ = 4,λ是電磁波波長(zhǎng)，r。是所述圓形陣列的半徑，將Kr。作為一個(gè)變量 Λ 討論。當(dāng)天線(xiàn)陣元數(shù)目固定的時(shí)候，無(wú)論κι·。在[0, 2Jr]的區(qū)間內(nèi)如何取值，波束形成的 方向圖函數(shù)的主瓣與第一旁瓣的峰值均相差15個(gè)dB左右；但是κr。越小，主瓣能量越大， 導(dǎo)致寬度越大，主瓣出現(xiàn)模糊。當(dāng)1.8π時(shí)，主瓣再次出現(xiàn)模糊，也不能再進(jìn)行空間 匹配濾波；因此κr<]= 1. 8π是定位精度最優(yōu)的選擇。
[0015] 優(yōu)選的圓形陣列包含16個(gè)天線(xiàn)陣元。因?yàn)榫鶆驁A陣的幾何特點(diǎn)，陣元數(shù)目一般選 擇4的倍數(shù)。在確定陣列半徑的情況下，可以證明：天線(xiàn)陣元數(shù)目越多，主波束越窄，精度 越高，主瓣與第一旁瓣的峰值差越大，達(dá)10dB以上，匹配濾波精度越高，但是系統(tǒng)復(fù)雜度越 大。在實(shí)際應(yīng)用中，天線(xiàn)陣元越多，還意味著對(duì)數(shù)據(jù)的處理難度增大，費(fèi)效比增加，成本也相 應(yīng)增加，因此綜合考慮，選擇16個(gè)天線(xiàn)陣元是比較合適的。
[0016] 步驟二、對(duì)天線(xiàn)陣列接收的回波信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮（PC)。
[0017] 天線(xiàn)陣列接收回波，經(jīng)過(guò)下變頻至基帶后，進(jìn)行脈沖壓縮，目的是為了獲得一維距 離像，從中得到目標(biāo)的距離信息。
[0018] 根據(jù)IEEE802.lip標(biāo)準(zhǔn)下的參數(shù)設(shè)置0FDM信號(hào)并推導(dǎo)相應(yīng)的回波信號(hào)。0FDM已 經(jīng)是一個(gè)成熟的體制，信號(hào)形式確定，本發(fā)明不再贅述。
[0019] 因?yàn)?FDM信號(hào)是大時(shí)間帶寬積信號(hào)，所以對(duì)回波信號(hào)和參考信號(hào)做卷積就可以 得到比較好的脈沖壓縮結(jié)果，形成特性良好的一維距離像，即獲取I個(gè)目標(biāo)與坐標(biāo)原點(diǎn)的 距離民（i= 1，2,. . .，I)。優(yōu)選的，采用分碼元二級(jí)脈沖壓縮的方法（參見(jiàn)文獻(xiàn)[1]鄧斌.多 載頻相位編碼雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)與處理技術(shù)[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué).2011. [2]趙晶晶.相位 編碼0FDM新體制雷達(dá)信號(hào)設(shè)計(jì)與處理研究[D].國(guó)防科學(xué)技術(shù)大學(xué).2015)可以充分利用 0FDM信號(hào)多載頻的特點(diǎn)，得到精度更高的脈沖壓縮結(jié)果。
[0020] 步驟三、將脈沖壓縮后的回波信號(hào)通過(guò)平方律檢波器后進(jìn)行恒虛警檢測(cè)（CFAR)， 檢測(cè)出微弱目標(biāo)。
[0021] 因?yàn)槟繕?biāo)回波經(jīng)過(guò)反射會(huì)通過(guò)很多條路徑被天線(xiàn)陣列所接收，收到的信號(hào)會(huì)有不 同程度的衰減，伴隨著噪聲。在復(fù)雜背景下，多徑信號(hào)的雜波服從瑞利分布，而均值類(lèi)CFAR算法適用于瑞利雜波背景下的目標(biāo)檢測(cè)?，F(xiàn)有CFAR檢測(cè)器的原理都是：首先設(shè)置固定的恒 虛警率，計(jì)算標(biāo)稱(chēng)化因子T的值，回波通過(guò)均值類(lèi)CFAR算法計(jì)算雜波功率估計(jì)并與標(biāo)稱(chēng)化 因子T相乘，形成具有一定自適應(yīng)性的檢測(cè)門(mén)限。若檢測(cè)單元為V，選擇檢測(cè)單元V單側(cè)長(zhǎng)度 為W的鄰域計(jì)算雜波功率估計(jì)值Z，則三種經(jīng)典的CFAR檢測(cè)器CA-CFAR，GO-CFAR，SO-CAFR 的雜波功率估計(jì)依次為：
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 其中Xy表示檢測(cè)單元V左邊鄰域的平方律檢波器輸出序列，XlR是檢測(cè)單元V 右邊鄰域的平方律檢波器輸出序列。本發(fā)明可以采用三種經(jīng)典的CFAR檢測(cè)器：CA-CFAR， GO-CFAR，S0-CAFR中的任一種算法來(lái)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)。
[0026] 更進(jìn)一步，針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的問(wèn)題，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種新的CFAR算法，稱(chēng)之為 A-CFAR，其檢測(cè)原理如下：回波信號(hào)通過(guò)脈沖壓縮以后，再通過(guò)平方律檢波器后獲得采樣序 階i=J
列，若檢測(cè)單元為v，選擇檢測(cè)單元左右兩側(cè)長(zhǎng)度為w的鄰域計(jì)算雜波功率估計(jì)值 和i?，然后分別與標(biāo)稱(chēng)化因子τ相乘，得? 和 w ti
7，w 的值不相等，A 中選擇與檢測(cè)單元v的值相近的那一側(cè)作為 ψ w ψ