一种毫米波防撞雷达频域恒虚警处理新方法

第12卷第21期2012年7月1671—1815(2012)21-5158-05

科学技术与工程

Science Technology and Engineering

Vol.12No.21Jul．2012 2012Sci.Tech.Engrg.

一种毫米波防撞雷达频域恒虚警处理新方法

陆小凯

曹

宁

(河海大学计算机与信息学院，南京211100)

摘要针对毫米波防撞雷达中目标信号检测虚警率高的问题，提出一种基于有序统计量在瑞利分布杂波背景下的频域恒

虚警检测(OS －CFAR )的方法。该方法通过对雷达差频信号的频谱进行检测，对检测后的信号进行杂波对消，使系统从雷达中频信号的频谱中检测出目标信号的谱线并滤除杂波。准确检测目标的同时去除干扰，从而降低目标信号检测虚警率。仿真结果证实了该方法适用于多目标干扰环境，能有效对抗杂波干扰，具有良好的虚警控制能力，提高了雷达系统的有效性。关键词

防撞雷达

恒虚警

信号检测杂波对消中图法分类号

TN958.5;

文献标志码

A

2012年4月9日收到

第一作者简介:陆小凯(1988—)，男，江苏兴华人，硕士研究生，研究方向:毫米波防撞雷达信号处理关键技术。

随着我国高速公路的飞速发展，汽车碰撞事故越来越多。据统计，车辆碰撞追尾事故占公路交通事故总量的90%左右

［1］

。汽车防撞雷达系统，作为

汽车主动安全控制研究领域的一大热点［2］

，可以辅

助汽车驾驶者对影响公路交通安全的人、车、道路环境进行实时监控，在危急情况下主动干涉驾驶、辅助驾驶者做出正确处理，防止汽车相撞事故。由于毫米波具有分辨率高、截获概率低、天线部件尺寸小以及抗干扰能力强等一系列优点，汽车防撞雷

达系统广泛采用调频连续波(FMCW )体制

［3，4］

。近年来，美国、日本和德国在车载防撞雷达领域已有部分成果，先后成功研制了多种频率的FM-CW 汽车防撞雷达系统［5］。在毫米波汽车防撞雷达信号处理领域，没有固定的方法可循。目前常用的方法是对原始信号进行平均、滤波及频谱分析等

［6］

。在实际使用中，由于道路环境的千变万化，

信号往往会淹没在噪声中。在信号检测时，难免出现虚警现象

［7］

。针对这个问题，本文提出一种基于

有序统计量的频域恒虚警检测(OS-CFAR )和杂波对消的方法。该方法可以对目标进行比较准确的判别同时去除干扰目标，从而降低虚警率，提高了

雷达系统的抗干扰能力。

1防撞雷达系统概述

毫米波防撞雷达的基本原理是将发送信号和

回波信号进行混频，该差频信号中含有目标信息，对该信号进行处理分析即可得到目标的相对距离和相对速度

［8］

。其原理图如图1所示

。

图1

FMCW 原理示意图

图1中，

f c 为调制信号的中心频率，B 为调制带宽，

t d 为接收信号和发射信号的延迟时间，T m 为调制周期。当目标相对静止时，回波与发射波形仅存在一个时间上的延时。当目标相对运动时，除时间上的延时外，还包含一个多普勒频偏f d 。差频信号在调频上升段和下降段的频率分别为f b +和f b －，可

分别表示为f b +=f r －f d 和f b －=f r +f d 。其中f r =4BR

cT m 是目标相对静止时差频信号的频率，f d =2vf c c 是多普勒频偏。目标的距离和相对速度可以表示为:

R =

cT m 8B (f b ++f b －)，v =c

4f c (f b －

－f b +)(1)

由式(1)可知，只要知道差频信号在调频上升段和下降段的频谱信息，即可得到目标的信息。本文提出的方法就是为了解决如何在存在干扰的情况下较为准确地计算出目标信号在正负调频段的频率。

2雷达信号频域OS-CFAR 处理针对雷达信号检测时出现的虚警问题，本文提

出在雷达中频信号频域处理时使用频域恒虚警处理算法。恒虚警检测实际上是一种自适应门限检测，

利用参考窗样本来估计环境噪声(包括杂波、干扰等)的参数以达到恒虚警率的特性。当参考背景单元为均匀分布时，经典的单元平均CFAR 检测可以获得最佳的检测性能，但不能适应复杂的杂波环境。在多目标环境中，有序统计(OS )检测相比于均值类CFAR 检测器具有较好的抗干扰目标的能力，同时在均匀杂波背景和杂波边缘中的性能下降也是适度的、可以接受的［9］

。考虑到道路环境比较复

杂，本文讨论的车载雷达频域CFAR 处理采用OS-CFAR 检测算法。

毫米波防撞雷达系统可以获得差频信号的频谱特性并对其分析，图2给出了频域OS-CFAR 检测器框图

。

图2

变斜率FMCW 雷达调制波形

差频信号经过FFT 之后，通过线性检波器被送到滑窗寄存器中。检测器的自适应判决准则为:

D ＞TZ ，判定为H 1D ＜TZ ，判定为H {

(2)

式(2)中，假设H 1条件下目标存在，H 0条件下目标不存在。参考单元长度为N ，

D 是检测统计量，Z 是参考单元所在N 个滑窗的总的功率水平估计，

T 是门限因子。

本文假设车载雷达工作的杂波环境(接收机热噪声、大气噪声、云雨杂波等)服从高斯分布，即其包络服从瑞利分布。时域OS-CFAR 检测器首先对参考单元采样值作排序处理，选取Z =x (k )作为总的背景杂波功率水平估计，则在均匀杂波背景中的Z 的PDF 为:

f z (z )=

k μ()

N k

e －(N －k +1)z /μ

(1－e －z /μ)k －1

(3)

Z 的矩母函数MGF 为:

M z (u )=k

()N k

Γ(N －k +1+u μ)Γ(k )

Γ(N +u μ+1)(4)

则OS-CFAR 检测器在均匀杂波背景中的检测概率和虚警概率为:

P d =k

()R k

Γ［N －k +1+T /(1+λ)］Γ(k )Γ［R +T /(1+λ)+1］(5)

P fa =k

()R k

Γ(N －k +1+T )Γ(k )Γ(N +T +1)(6)

其中，μ是总的杂噪功率水平，λ是信噪比。从式(6)可以看出，虚警率不依赖于噪声的参数，检测是恒虚警的。只要给定虚警率，便可得到门限因子T ，从而得出检测概率。

直接将传统时域恒虚警检测思想用于频域即是频域CFAR 检测

［10］

。差频信号经过FFT 后，取出

频谱的峰值点对其作OS-CFAR 处理。若判定检测单元中含有目标，则保留其谱线;若判定检测单元中没有目标，则去除其谱线。经过恒虚警处理后，理论上调频上升段和下降段的频谱上的谱线数与

目标的数量相同，但恒虚警检测的检测概率会随信噪比的变化而变化，检测后的谱线中可能含有虚假

9

51521期陆小凯，等:一种毫米波防撞雷达频域恒虚警处理新方法