基于恒虚警检测的车载雷达信号目标检测方法及装置与流程
本发明涉及车载雷达数字信号检测技术领域，尤其涉及一种基于恒虚警检测的车载雷达信号目标检测方法及装置。
背景技术：
车载雷达系统探测车辆或者行人时，是通过天线发射电磁波，然后接收回波信号，通过分析回波信号得到探测目标的信息。由于回波所含有的信息非常多，不仅有目标信息，还有噪声以及不需要的杂波信号，因此需要对信号进行信号检测，以将所需要的真实目标从信号中挑选出来，而忽略背景噪声与杂波。目前车载雷达信号检测中，通常都是根据信号的特性或噪声等设定一个阈值，使用该阈值同信号进行比较、判决，阈值的设定需要满足一定的虚警率要求，若设定过低，那么由于噪声将引起虚警率过高，若设定过低又会导致信号检测效果不佳。
车载雷达不同于传统的对空、对海等雷达，车载雷达所要探测的场景内容通常较为复杂，除了基本的系统噪声以外，由于道路周围环境复杂，不仅存在各种起伏的地形，使得存在较强干扰的地物杂波，还包括其他如铁栅栏等的各种的环境物，以高速公路行车为例，高速公路上存在广告牌和双向车道之间用于分隔车道的铁栅栏等。目前如上述的车载雷达信号检测方式中，仅考虑了雷达信号的某种特性或系统噪声，并未考虑复杂的道路状况问题，而道路中如铁栅栏等环境物不仅物体数量多、分布密集，且雷达信号回波较强，雷达会受此干扰而探测、显示存在大量目标，但事实上这些环境物并不是需要处理的目标，因而会出现大量的“虚警”，致使系统的用户端会收到大量无用目标信息，且该类环境物的无用目标还会加大信号处理难度、延长信号处理的时间，甚至导致雷达工作异常。
技术实现要素：
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种实现方法简单、能够滤除规律分布的大量无用目标，检测精度及效率高、且虚警率低、抗干扰性强的基于恒虚警检测的车载雷达信号目标检测方法及装置。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种基于恒虚警检测的车载雷达信号目标检测方法，步骤包括：
s1.获取待检测信号序列，对获取到的所述待检测信号序列进行cfar(constantfalsealarmrate，恒虚警)检测，依次输出初始目标检测结果；
s2.在所述初始目标检测结果中，查找由相同位置分布特性的多个目标形成的规律目标序列，如果查找到则转入执行步骤s3，否则输出当前目标检测结果；
s3.根据查找到的所述规律目标序列对所述初始目标检测结果进行目标滤除，输出最终的目标检测结果。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤s2中规律目标序列的查找步骤包括：
s21.依次获取所述初始目标检测结果中各个目标的位置信息、相邻目标之间的间距；
s22.按照所述间距的大小，查找具有相等或差值在指定范围内间距的多个目标并构成一组，得到一个或多个目标组，若得到的所述目标组中目标数量大于指定阈值，则判定对应目标组为一个规律目标序列。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤s21的具体步骤为：依次遍历所述初始目标检测结果中各目标，记录每个目标的位置信息以及每个目标与相邻的下一个目标之间的间距，并将各目标的所述位置信息、间距进行一一映射后依次存入预先构建的目标信息向量中；所述步骤s22中具体获取所述目标信息向量，将所述目标信息向量中的各元素按照所述间距的大小进行排序，得到排序后的目标信息向量；将所述排序后的目标信息向量中间距大小相等或间距之间差值在指定范围内的各个元素构成一组，得到一个或多个目标组。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤s3的步骤包括：
s31.分别获取所查找到的各所述规律目标序列的分布特性，并分别根据获取的所述分布特征确定所述初始目标检测结果中存在的无用目标；
s32.从所述初始目标检测结果中滤除确定到的所述无用目标，输出最终的目标检测结果。
作为本发明方法的进一步改进，所述步骤s31的具体步骤为：
s311.以查找到的各所述规律目标序列中一个所述规律目标序列作为当前序列；
s312.获取当前序列中第一个目标的位置信息、相邻目标之间的间距；根据获取的所述第一个目标的位置信息，在所述初始目标检测结果中定位到目标并作为基准目标，以获取的所述相邻目标之间的间距作为基准间距，从基准目标开始每隔所述基准间距查找是否存在目标，若存在，则确定查找到的目标为无用目标；
s313.获取下一个所述规律目标序列作为当前序列，转入执行步骤s312，直至完成所有规律目标序列的查找，最终输出确定的所有无用目标。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s32中滤除所有无用目标，具体通过定位到所有所述无用目标后，将定位到的各无用目标的信息置零实现。
作为本发明方法的进一步改进：所述步骤s32中滤除所有无用目标，具体以所述无用目标作为噪底，对所述待检测序列重新执行cfar检测实现。
作为本发明方法的进一步改进：所述重新执行cfar检测的具体步骤为：从待检测序列中分别取出对应各所述规律目标序列的所有目标，并按顺序存入链表li中，使用所述链表li重新计算当前规律目标序列中各个无用目标位置处的门限值，按照计算得到的门限值重新对所述待检测序列执行cfar检测。
作为本发明的进一步改进：所述步骤s1中进行cfar检测具体采用ca-cfar(cellaverageconstantfalsealarmrate，平均恒虚警)检测方法。
本发明进一步提供一种基于恒虚警检测的目标检测装置，包括：
cfar检测模块，用于获取待检测信号序列，对获取到的所述待检测信号序列进行cfar检测，依次输出初始目标检测结果；
规律目标查找模块，用于在所述初始目标检测结果中，查找由相同位置分布特性的多个目标形成的规律目标序列，如果查找到则转入执行目标滤除模块，否则输出当前目标检测结果；
目标滤除模块，用于根据查找到的所述规律目标序列对所述初始目标检测结果进行目标滤除，输出最终的目标检测结果。
作为本发明装置的进一步改进，所述规律目标查找模块包括：
特征获取单元，用于依次获取所述初始目标检测结果中各个目标的位置信息、相邻目标之间的间距；
规律目标序列查找单元，用于按照所述间距的大小，查找具有相等或差值在指定范围内间距的多个目标并构成一组，得到一个或多个目标组，若得到的所述目标组中目标数量大于指定阈值，则判定对应目标组为一个规律目标序列。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
1)本发明通过cfar检测方法进行初始目标检测，能够使虚警率保持在一个稳定的水平，可以有效增强雷达的抗干扰能力，同时进一步对初始目标检测结果查找由相同位置分布特性的多个目标形成的规律目标序列，如果查找到则根据规律目标序列确定无用目标，滤除掉无用目标后得到最终的目标检测结果，能够针对空间位置上有分布规律的大量无用目标的特殊场景，有效滤除待检测序列中的大量无用目标，大大减少了虚警率，提高了信号检测精度，同时减少了大量不必要的信号处理过程；
2)本发明采用ca-cfar检测方式对待检测信号序列进行初始检测，由于使用了实时周边环境进行检测，使得对应不同背景使用不同的判决门限，能够进一步提高雷达在不同环境下的抗干扰能力；
3)本发明进一步基于规律分布环境物的特性，在查找到各种不同分布特性的规律目标序列后，基于所查找到的各规律目标序列的分布特性，由规律目标序列的第一目标的位置、相邻目标之间的间距依次确定其余的无用目标，能够有效查找出规律分布的所有无用目标，从而进一步降低虚警率，提高目标检测精度。
附图说明
图1是本实施例基于恒虚警检测的车载雷达信号目标检测方法的实现流程示意图。
图2是本实施例所采用的ca-cfar检测方法的实现原理示意图。
图3是采用ca-cfar检测存在规律分布大量无用目标时的结果示意图。
图4是本实施例实现滤除无用目标的实现原理示意图。
图5是本实施例采用二次cfar检测方式滤除无用目标的实现原理示意图。
图6是本发明具体实施例中进行雷达信号检测的检测结果示意图。
图7是采用传统ca-cfar检测进行雷达信号检测的结果示意图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体优选的实施例对本发明作进一步描述，但并不因此而限制本发明的保护范围。
如图1所示，本实施例基于恒虚警检测的车载雷达信号目标检测方法步骤包括：
s1.获取待检测信号序列，对获取到的待检测信号序列进行cfar检测，依次输出初始目标检测结果。
由于车载雷达所处环境中噪声与杂波通常不是恒定不变的，一般会随着雷达探测区域的变化与时间的推移发生改变，若检测时采用固定不变的判决阈值，则随着环境的变化会产生各种虚警，抗干扰能力差。本实施例为了保证当背景噪声与杂波发生变化时信号检测的效果不发生显著变化，采用cfar检测方法，cfar检测方法会随着环境的变化调整判决阈值，以使虚警率保持在一个相对稳定的水平，可以有效增强雷达的抗干扰能力。本实施例为保持cfar检测中虚警率不高于一定值，通过实时获取待测目标的背景噪声平均强度，计算得到一个适应当前环境的检测门限，以使检测门限(阈值)与噪声的平均强度成正比。
在具体应用实施例中，在雷达天线接收到目标回波数据之后，依次经过ad转换、对消、和差波束、fft以及信号积累等处理之后，得到一个待检测信号序列s，然后对该序列s进行cfar检测，cfar检测具体采用ca-cfar方法，利用探测目标周围的环境估计噪声。如图2所示，ca-cfar检测的实现流程具体为：
s11.在一个长度为l(l≠0)的待检测信号序列s中，使用一个滑动窗口在待检测信号序列s中划出一段长度为n+g+1(n+g+1≤l,g≥0,n与g均为偶数)的序列；
s12.对待测单元u进行检测，按照下式(1)、(2)计算得到ca-cfar检测的门限t，其中噪声统计区域z1、z2的长度均为n/2，即为噪底；
t＝e×w(2)
其中，e为得到待测单元u的噪底统计平均量，ni为滑动窗口内各个噪底单元的幅度，w为加权量，且w根据所需虚警率进行设置。
s13.待检测单元u根据与门限t的比较结果判定是信号还是噪声。
如图2所示，本实施例待检测单元u处于n/2+g/2+1的正中间处，紧邻待检测单元u的左右两侧是长度均为g/2的保护区域，保护区域的两侧分别为噪声统计区域z1、z2，通过设置保护区域可以在信号泄露至待检测单元u的近邻单元时，噪底统计不会受到信号本身的影响。
采用ca-cfar检测方式对待检测信号序列进行初始检测，由于使用了实时周边环境进行检测，使得对应不同背景使用不同的判决门限，能够提高雷达在不同环境下的抗干扰能力，在均匀杂波背景下可以获得准最佳的检测性能。
s2.在初始目标检测结果中，查找由相同位置分布特性的多个目标形成的规律目标序列，如果查找到则转入执行步骤s3，否则输出当前目标检测结果。
由于ca-cfar检测仅是基于背景噪声调整检测门限，待检测信号序列s经过ca-cfar检测后，待检测信序列s中所有的目标都将会被检测出来，检测的目标中除了均匀噪声、若干有用目标外，还可能含有一种或多种规律分布的若干个无用目标序列。
若存在如广告牌、铁栅栏等大量规律的环境物，会将真实目标以及该规律的环境物均检测为目标，由于规律的环境物的雷达特征相同，且会具有在距离上间隔均匀有序、位置规律的分布特性，存在规律分布的无用目标序列时采用ca-cfar检测得到的检测效果如图3所示，该无用目标序列中各目标均匀分布、两两目标之间具有相同的间距。本实施例针对该类无用目标的分布规律，在初始目标检测结果中，通过查找是否存在具有相同位置分布特性的多个目标，来查找是否存在规律目标序列，如果查找到，表明存在空间位置分布规律的大量无用目标，则转入执行步骤s3以进一步滤除掉所存在的无用目标，如果未查找到，则直接输出当前cfar检测结果。
在具体实施例中，步骤s2中规律目标序列的查找步骤包括：
s21.依次获取初始目标检测结果中各个目标的位置信息、相邻目标之间的间距。
依次遍历初始目标检测结果中各目标以收集各目标的特征，记录每个目标的位置信息pi以及每个目标与相邻的下一个目标之间的间距di，并将各目标的位置信息pi、间距di进行一一映射后依次存入预先构建的目标信息向量
s22.按照间距的大小，查找具有相等或差值在指定范围内间距的多个目标并构成一组，得到一个或多个目标组，若得到的目标组中目标数量大于指定阈值，则判定对应目标组为一个规律目标序列。
由于可能存在多种具有不同分布特性(如具有不同间距)类型的规律目标序列，在ca-cfar检测结束之后对各目标分布的情况按照相邻目标之间的间距di进行统计，先把目标信息向量
s3.根据查找到的规律目标序列对初始目标检测结果进行目标滤除，输出最终的目标检测结果。
当确认待检测信号序列s中含有规律目标序列的大量无用目标之后，进一步需要滤除所有的无用目标，以使该无用目标的信息不会输入下一个处理环节，从而减少后续不必要的数据处理量。通过步骤s2检测到规律目标序列后，进一步根据规律目标序列来确定需要滤除的无用目标。
在具体应用实施例中，步骤s3的具体步骤为：
s31.分别获取所查找到的各规律目标序列的分布特性，并分别根据获取的分布特征确定初始目标检测结果中存在的无用目标。
s311.以查找到的各规律目标序列中一个规律目标序列作为当前序列；
s312.获取当前序列中第一个目标的位置信息、相邻目标之间的间距；根据获取的第一个目标的位置信息，在初始目标检测结果中定位到目标并作为基准目标，以获取的相邻目标之间的间距作为基准间距，从基准目标开始每隔所述基准间距查找是否存在目标，若存在，则确定查找到的目标为无用目标；
s313.获取下一个规律目标序列作为当前序列，转入执行步骤s312，直至完成所有规律目标序列的查找，最终输出确定的所有无用目标。
通过步骤s2检测到的规律目标序列，仍然会遗漏部分无用目标，如两个无用目标被有用目标分隔开，通过相邻目标之间的间距的方式则无法寻找到该无用目标，而对于规律分布的环境物，其对应的各目标必然是按照规律进行分布，本实施例基于规律分布环境物的特性，在查找到各种不同分布特性的规律目标序列后，基于所查找到的各规律目标序列的分布特性，由规律目标序列的第一目标的位置、相邻目标之间的间距依次确定其余的无用目标，即以某一个无用目标位置为基准，每隔一个基准间距的位置处都认为应为无用目标，能够有效查找出规律分布的所有无用目标，从而进一步降低虚警率。
规律目标序列可能存在多个，从目标信息向量
uselessdatai＝(第一个无用目标的位置，目标间隔)(3)
则根据各规律目标序列的数据结构uselessdatai，即可获取得到对应的第一个目标的位置信息、相邻目标之间的间距。
s32.从初始目标检测结果中滤除确定到的无用目标，输出最终的目标检测结果。
如图4所示，在具体应用实施例中，本实施例对车载雷达信号进行cfar检测完成后，统计目标的分布规律以确认无用目标序列是否存在，若存在，按照消除目标信息或者以跨单元统计噪底的方式重新检测，滤除无用目标信号，该两种滤除无用目标信号的方式具体为：
(1)直接去除方式：具体通过定位到所有无用目标后，将定位到的各无用目标的信息置零实现。
首先利用uselessdatai中数据直接定位到所有的无用目标，再将这些无用目标的幅度信息置零，以直接将无用目标的信息滤除。该类方式简单、高效，但是存在将特殊位置上有用信号信息被抹除的风险，如某一有用目标恰好位于无用目标处而被确定为无用目标，采用该类方式将会直接滤除该有用目标的信息。
(2)二次cfar检测方式：具体以无用目标作为噪底，对待检测序列重新执行cfar检测实现，如图5所示，其中虚线对应为门限，该类检测方式的实质是提高无用目标信号所在位置处的检测门限，即采用跨单元统计方式，让无用目标作为噪底来检测无用目标位置上的信号，以滤除掉无用目标信号。
通过uselessdatai中数据可以确定无用目标的分布规律，采用二次cfar检测方式进行无用目标滤除，即便某一有用目标恰好位于无用目标处而被确定为无用目标，由于有用目标的幅值与无用目标的幅值会存在差别，通过跨单元统计方式重新执行二次cfar检测处理，可以基于自适应门限有效滤除所有无用目标，同时避免有用目标被误检后被滤除。
本实施例中重新执行cfar检测的具体步骤为：按照数据结构uselessdatai中第i种无用目标信息，从待检测序列s中分别取出对应各规律目标序列的所有目标，并按顺序存入链表li中，使用链表li按照下式(4)重新计算当前规律目标序列中各个无用目标位置处的新门限值tij，按照计算得到的新门限值tij，结合uselessdatai中位置数据，使用tij作为对应目标位置的判决门限并对待检测序列执行cfar检测。
其中，k为第i个规律目标序列中的无用目标数量，ω为倍率因子，具体可根据所需虚警率进行设定，lm为第m个目标的幅度信息。
本实施例采用上述方法，通过cfar检测方法进行初始目标检测，能够使虚警率保持在一个稳定的水平，可以有效增强雷达的抗干扰能力，同时进一步对初始目标检测结果查找由相同位置分布特性的多个目标形成的规律目标序列，如果查找到则根据规律目标序列确定无用目标，滤除掉无用目标后得到最终的目标检测结果，能够针对空间位置上有分布规律的大量无用目标的特殊场景，有效滤除掉待检测序列中的大量无用目标，大大减少了虚警率，提高了信号检测精度，同时能够减少后级大量不必要的信号处理过程。
为验证本实施例上述目标检测方法的有效性，分别直接采用ca-cfar检测方法、本实例上述目标检测方法对一车载雷达信号进行目标检测，虚警率为0.001、检测序列点数为1000，检测结果如图6、7所示，其中图7对应为直接采用ca-cfar检测方法，图6对应为采用本实施例上述目标检测方法，且图(a)对应为采用第(1)种直接去除方式滤除无用目标，图(b)对应为采用第(2)种二次ca-cfar检测方式滤除无用目标。由图6、7可知，直接采用ca-cfar检测方法无法检测到规律分布的大量无用目标，而本实施例上述目标检测能够有效去除该类规律分布的无用目标，同时对比图6(a)、(b)可知，由于第5个真实目标恰好位于其中一个无用目标所处的位置，图(a)的处理结果直接去除掉该真实存在的目标信息，而图(b)能正确的检测出该有用目标，即采用二次ca-cfar检测方式滤除无用目标，可以避免滤除被误检为无用目标的有用目标。
本实施例基于恒虚警检测的目标检测装置，包括：
cfar检测模块，用于获取待检测信号序列，对获取到的待检测信号序列进行cfar检测，依次输出初始目标检测结果；
规律目标查找模块，用于在初始目标检测结果中，查找由相同位置分布特性的多个目标形成的规律目标序列，如果查找到则转入执行目标滤除模块，否则输出当前目标检测结果；
目标滤除模块，用于根据查找到的规律目标序列对初始目标检测结果进行目标滤除，输出最终的目标检测结果。
本实施例中，cfar检测模块具体采用ca-cfar检测方法进行目标检测。
本实施例中，规律目标查找模块包括：
特征获取单元，用于依次获取所述初始目标检测结果中各个目标的位置信息、相邻目标之间的间距；
规律目标序列判定单元，用于按照所述间距的大小，查找具有相等或差值在指定范围内间距的多个目标并构成一组，得到一个或多个目标组，若得到的所述目标组中目标数量大于指定阈值，则判定对应目标组为一个规律目标序列。
本实施例中，特征获取单元具体依次遍历初始目标检测结果中各目标，记录每个目标的位置信息以及每个目标与相邻的下一个目标之间的间距，并将各目标的所述位置信息、间距进行一一映射后依次存入预先构建的目标信息向量中；规律目标序列判定单元具体获取所述目标信息向量，将所述目标信息向量中的各元素按照所述间距的大小进行排序，得到排序后的目标信息向量；将所述排序后的目标信息向量中间距大小相等或间距之间差值在指定范围内的各个元素构成一组，得到一个或多个目标组。
本实施例中，目标滤除模块包括：
无用目标确定单元，用于分别获取所查找到的各所述规律目标序列的分布特性，并分别根据获取的所述分布特征确定所述初始目标检测结果中存在的无用目标；
无用目标滤除单元，用于从所述初始目标检测结果中滤除确定到的所述无用目标，输出最终的目标检测结果。
本实施例中，无用目标确定单元具体包括：
第一单元，用于以查找到的各所述规律目标序列中一个所述规律目标序列作为当前序列；
第二单元，用于获取当前序列中第一个目标的位置信息、相邻目标之间的间距；根据获取的所述第一个目标的位置信息，在所述初始目标检测结果中定位到目标并作为基准目标，以获取的所述相邻目标之间的间距作为基准间距，从基准目标开始每隔所述基准间距查找是否存在目标，若存在，则确定查找到的目标为无用目标；
第三单元，用于获取下一个所述规律目标序列作为当前序列，转入执行第二单元，直至完成所有规律目标序列的查找，最终输出确定的所有无用目标。
本实施例中，无用目标滤除单元中滤除所有无用目标，具体通过定位到所有无用目标后，将定位到的各无用目标的信息置零实现，也可以以无用目标作为噪底，对待检测序列重新执行cfar检测实现。
本实施例基于恒虚警检测的车载雷达信号目标检测装置与上述基于恒虚警检测的车载雷达信号目标检测方法的原理一致，在此不再一一赘述。
上述只是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制。虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均应落在本发明技术方案保护的范围内。
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