一种被动雷达低空目标检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于雷达数据与信号处理领域，具体涉及一种被动雷达低空目标检测方 法。
【背景技术】
[0002] 随着低空管制的逐步开放，直升机、无人机等低空飞行器在城市中越来越普及，这 对重点区域带来了巨大的安全隐患，有报道称美国白宫就曾遭到了玩具无人机的入侵。 [0003]目前低空目标多采用主动雷达进行检测，但是主动式探测耗费大，覆盖范围有限。 而目前基站在城市已基本达到了全覆盖，所以采用被动雷达接受无线通信信号的体制，可 以有更广阔的探测范围，更低的研发成本。
[0004] 基于该思路，西安电子科大的学者白建雄提出了CDMA通信体制下的微弱目标轨 迹检测的方法，湖南大学的周明千将0FDM信号应用于车载被动雷达，加强行车过程中汽车 对周围情况的感知；德国的Searle等人研究了杂波环境下0FDM被动雷达的模糊处理方法， 证明了 0FDM信号在无源雷达运用中的优越性。
[0005] 但是目前还存在如下的问题：
[0006] 第一、对于微弱目标的检测，现有研究多针对高速目标，利用目标高速运动带来的 多普勒频移来完成识别，鲜有针对慢速目标（马赫数小于1)的系统化方法；
[0007] 第二、关于阵列的参数（阵元个数，圆形阵列半径）的设置对数字波束形成的影 响，目前还没有公开的资料进行这方面的研究；
[0008] 第三、现有的恒虚警检测方法，如CA-CFAR，SO-CFAR，G0-CAFR等各有优劣，例如 CA-CFAR的门限计算虽然不受目标自身的影响，在清洁环境中使用能得到高的目标检测概 率，同时有效地控制虚警率，但是如果参考单元内存在多目标或者强干扰，将引起门限抬 高，其检测性能也会大大下降；S0-CFAR解决了CA-CFAR不适用于被测单元两侧样本中存 在多目标或者干扰的问题，但是对于杂波区检测也会导致虚警率升高，因此S0-CFAR适用 于清洁环境中参考单元存在多目标和强干扰的情况；G0-CFAR用于杂波环境中的目标检测 时能很好的控制由杂波引起的虚警率的升高，但是用于清洁环境检测时，恒虚警损失大于 CA-CFAR，因此G0-CFAR适用于杂波区检测；综上所述，需要一种新的恒虚警检测方法能集 成三者的优势来更好地实现慢速微弱目标的检测。
【发明内容】
[0009] 本发明针对现有技术存在的问题，利用无线通信基站发射的0FDM通信信号，在基 站附近设置圆形雷达接收阵列，接收低空目标反射回来的电磁波，通过信号处理，实现低空 目标的探测预警。
[0010] 本发明"一种被动雷达低空目标检测方法"，包括以下步骤：
[0011] 步骤一、设计被动雷达接收天线阵列，所述天线阵列的阵元呈圆形排布，接收0FDM 信号探测到低空目标所反射回来的回波。
[0012] 设置包含4M(Μ为正整数）个天线阵元的圆形阵列，所述4M个天线阵元的质心在 同一平面内，并且该平面与地面平行。所述4Μ个天线阵元的质心均匀排布在半径为r。的 圆周上，相邻阵元质心之间所夹弧长相等。利用该圆形阵列接收基站发射的4G移动通信 0FDM信号探测到目标所反射回来的回波。该圆形阵列圆心处设置有一个接收天线0。以 圆形阵列圆心为坐标原点建立球坐标系(/'，认9)，在该球坐标系中，径向距离re[0， + 方位角Θe[0,2π]，俯仰角炉€[；()^，其中4M个天线阵元的质心所在的平面定 义为该球坐标系中俯仰角的平面。在4Μ个天线阵元中任意选取一个阵元，将它的方 位角Θ定义为0°，并将它命名为Ei，然后自E1开始沿着半径为r。的圆周依逆时针方向 将圆周上的其它天线阵元依次命名为E2, ...，E4M。所述4M个天线阵元的方位角可表示为 ^ =?(Ι<_1)，ik=U~...4M).每个天线阵元的增益相同。
[0013] 假设re[0,R_] 〇?_是所述圆形阵列探测有效距离的上限，由通信基站功率决 定）范围内存在I个目标，将其命名为Tarji= 1，2，...，I)。
[0014] 定义^ = 4,λ是电磁波波长，r。是所述圆形阵列的半径，将Kr。作为一个变量 Λ 讨论。当天线阵元数目固定的时候，无论κι·。在[0, 2Jr]的区间内如何取值，波束形成的 方向图函数的主瓣与第一旁瓣的峰值均相差15个dB左右；但是κr。越小，主瓣能量越大， 导致宽度越大，主瓣出现模糊。当1.8π时，主瓣再次出现模糊，也不能再进行空间 匹配滤波；因此κr<]= 1. 8π是定位精度最优的选择。
[0015] 优选的圆形阵列包含16个天线阵元。因为均匀圆阵的几何特点，阵元数目一般选 择4的倍数。在确定阵列半径的情况下，可以证明：天线阵元数目越多，主波束越窄，精度 越高，主瓣与第一旁瓣的峰值差越大，达10dB以上，匹配滤波精度越高，但是系统复杂度越 大。在实际应用中，天线阵元越多，还意味着对数据的处理难度增大，费效比增加，成本也相 应增加，因此综合考虑，选择16个天线阵元是比较合适的。
[0016] 步骤二、对天线阵列接收的回波信号进行脉冲压缩（PC)。
[0017] 天线阵列接收回波，经过下变频至基带后，进行脉冲压缩，目的是为了获得一维距 离像，从中得到目标的距离信息。
[0018] 根据IEEE802.lip标准下的参数设置0FDM信号并推导相应的回波信号。0FDM已 经是一个成熟的体制，信号形式确定，本发明不再赘述。
[0019] 因为0FDM信号是大时间带宽积信号，所以对回波信号和参考信号做卷积就可以 得到比较好的脉冲压缩结果，形成特性良好的一维距离像，即获取I个目标与坐标原点的 距离民（i= 1，2,. . .，I)。优选的，采用分码元二级脉冲压缩的方法（参见文献[1]邓斌.多 载频相位编码雷达信号设计与处理技术[D].国防科学技术大学.2011. [2]赵晶晶.相位 编码0FDM新体制雷达信号设计与处理研究[D].国防科学技术大学.2015)可以充分利用 0FDM信号多载频的特点，得到精度更高的脉冲压缩结果。
[0020] 步骤三、将脉冲压缩后的回波信号通过平方律检波器后进行恒虚警检测（CFAR)， 检测出微弱目标。
[0021] 因为目标回波经过反射会通过很多条路径被天线阵列所接收，收到的信号会有不 同程度的衰减，伴随着噪声。在复杂背景下，多径信号的杂波服从瑞利分布，而均值类CFAR算法适用于瑞利杂波背景下的目标检测。现有CFAR检测器的原理都是：首先设置固定的恒 虚警率，计算标称化因子T的值，回波通过均值类CFAR算法计算杂波功率估计并与标称化 因子T相乘，形成具有一定自适应性的检测门限。若检测单元为V，选择检测单元V单侧长度 为W的邻域计算杂波功率估计值Z，则三种经典的CFAR检测器CA-CFAR，GO-CFAR，SO-CAFR 的杂波功率估计依次为：
[0022]
[0023]
[0024]
[0025] 其中Xy表示检测单元V左边邻域的平方律检波器输出序列，XlR是检测单元V 右边邻域的平方律检波器输出序列。本发明可以采用三种经典的CFAR检测器：CA-CFAR， GO-CFAR，S0-CAFR中的任一种算法来对目标进行检测。
[0026] 更进一步，针对现有技术的问题，本发明设计了一种新的CFAR算法，称之为 A-CFAR，其检测原理如下：回波信号通过脉冲压缩以后，再通过平方律检波器后获得采样序 阶i=J
列，若检测单元为v，选择检测单元左右两侧长度为w的邻域计算杂波功率估计值 和i?，然后分别与标称化因子τ相乘，得? 和 w ti
7，w 的值不相等，A 中选择与检测单元v的值相近的那一侧作为 ψ w ψ