李华琼，张中仅，王雨果，于雪莲

（1.中国民航局第二研究所，四川 成都 610041；2.电子科技大学，四川 成都 610000）

CFAR方法在机场跑道FOD检测中的性能分析

李华琼1，张中仅1，王雨果1，于雪莲2

（1.中国民航局第二研究所，四川 成都 610041；2.电子科技大学，四川 成都 610000）

机场跑道异物（Foreign Object Debris，FOD）目标所处环境雷达杂波背景较为复杂且相对较强，因此，需使用恒虚警（CFAR）技术，以获得满意的检测性能。针对此问题，通过计算机Matlab仿真模拟机场跑道FOD检测应用环境，对几种CFAR方法的性能进行了分析和比较，总结出几种方法的优缺点，为实际工程应用提供了理论依据。

FOD检测；邻近单元CFAR；杂波图CFAR；毫米波雷达

0 引言

FOD泛指跑道上可能损害航空器的某种外来物，如金属零件和碎石块等，对民航飞机的起降安全构成重大隐患［1，2］。目前，国内对FOD的监测都是靠人工定时巡视和人眼近距离搜寻，这种落后的方法效率低、可靠性差，而且大大占用宝贵的跑道使用时间，使航班次数被迫减少。近年来，以毫米波雷达为主要检测手段的机场跑道异物FOD监测系统成为民航领域的研究热点［3，4］。

FOD目标所处机场跑道杂波背景相当复杂且相对较强，为了获得可预知且稳定的检测性能，背景杂波功率电平必须实时地从回波数据中进行估计，并且采用恒虚警（CFAR）处理从而自适应地调整检测门限［5］。CFAR处理的主要过程是对杂波平均功率进行估计，相应的估计方法有两大类：一类是空域CFAR，即利用与检测单元在空间上邻近的参考单元的测量值来估计杂波平均功率，即邻近单元CFAR［6］；另一类是时域CFAR，利用检测单元以往多次扫描的测量值形成杂波平均功率估计，并利用新的测量值进行迭代更新，即杂波图CFAR［7］。

然而，各CFAR方法检测性能和适用性不同，本文通过计算机仿真分析，选择出了适合FOD检测应用的CFAR处理方法。

1 邻近单元CFAR检测方法

1.1 邻近单元CFAR检测原理

一个典型的邻近单元CFAR检测器的结构图如图1所示。图中，v（t）为一个检测单元在某时刻的观测量；I（v）和Q（v）分别为信号的同相和正交分量，经平方律检波［8］后构成检测统计量D（v）；D为待检测单元，前后各N个单元称为参考单元，CFAR检测器通过前窗和后窗共2N个参考单元来估计待检测单元的背景杂波功率，并据此设定检测门限，形成检测单元内是否存在目标的CFAR判决。

图1 邻近单元CFAR检测器原理

图1中阴影标出的紧邻待检测单元两边的单元称为保护单元，用来防止目标能量泄漏到参考单元中，不参与背景杂波功率的估计。

令Y=TZ为检测门限，则CFAR判决准则可表示为：

式中，T为阈值因子；Z为背景杂波功率的估计值。

单元平均CFAR（CA-CFAR）为邻近单元CFAR检测方法中最常用的一种，其背景杂波功率的估计由2N个参考单元功率的均值得到，即

1.2 CA-CFAR检测仿真分析

1.2.1 均匀杂波环境下单目标检测实例

仿真包络服从瑞利分布、功率为20 dB的杂波序列，在第100个距离单元内注入功率为35 dB的非起伏目标，即信杂比为λ=15 dB。预设虚警概率为Pfa=10－3，前后滑窗内均包含3个保护单元和10个参考单元，即N=10。检测结果如图2所示，在第100个距离单元上，CA-CFAR检测器能正确检测到目标，而在其他距离单元上没有虚警，检测性能良好。

图2 单目标检测实例

1.2.2 均匀杂波环境下多目标检测实例

当存在2个或2个以上的目标，且一个目标位于检测单元，另1个或多个目标落入参考单元内时，可能出现目标遮蔽现象。假设位于参考单元内的目标功率超过周围杂波的功率，则它的存在会提高对背景杂波功率的估计值，进而提高了CFAR检测门限，增加了目标漏检的可能性。

仿真中，在第100个和第108个距离单元内分别注入功率为35 dB和40 dB的非起伏目标1和目标2，其余条件同1.2.1。多目标检测实例如图3所示。由图3中的检测结果可知，当目标1位于检测单元位置时，目标2正好位于参考滑窗内，其较高的功率提高了背景功率的估计值，造成目标1漏检。

图3 多目标检测实例

1.2.3 杂波边缘目标检测实例

在实际检测中，雷达波束照射的区域可能包括部分跑道开阔地带或部分植被覆盖地带。当检测单元位于或靠近不同反射率的区域边界处时，CFAR处理的参考滑窗内会包含杂波边缘。这种杂波边缘效应可能会导致低反射率区域内靠近边缘的目标检测发生漏检。

仿真中，前150个距离单元的平均杂波功率为20 dB，而后150个距离单元的杂波功率提升为30 dB。目标位于第145个距离单元，功率为35 dB，距离杂波边缘有5个距离单元，其余条件同1.2.1，仿真结果由图4所示。

图4 杂波边缘标检测实例

当该目标位于检测单元时，后参考窗绝大部分由来自高反射率区域的杂波单元组成，从而抬高了检测该目标时所用的门限，导致了漏警。

2 杂波图CFAR检测方法

2.1 杂波图CFAR检测原理

当杂波强度在空域变化剧烈时，若采用传统的均值类恒虚警方法只能采用很少的参考单元，恒虚警损失很大，而且虚警率不易保持恒定。一般情况下，杂波即使在距离和方位上变化剧烈，但同一单元的杂波强度随时间的变化是缓慢的，因而可以采用“时间单元”恒虚警处理的方法［9］，在时间上对以往各次雷达回波测量值进行迭代处理，这就是杂波图CFAR处理。Nitzberg等人首先提出和分析了这种方法［10］，称为杂波图CFAR点技术。

杂波图处理主要包括2个步骤：杂波图更新和杂波图检测。杂波图更新的迭代公式如下：

式中，pn－1为某个空间单元第n－1次扫描更新后的杂波电平估计值；qn为该单元第n次扫描的回波测量值；w为衰减因子。可以说，杂波图实际存储的是每个空间单元的检测阈值pn－1，而且这个值会随着下一次扫描回波测量值的到来而不断更新。杂波图检测的判决准则为：

式中，T为阈值因子。如式（4）所示，当qn/pn－1＞T时，就判断为有目标出现；否则，就按照式（3）用qn对pn－1进行更新，得到该空间单元新的杂波电平估计pn。杂波图CFAR点技术原理如图5所示。

图5 杂波图CFAR点技术检测原理

沈福民等在点技术基础上提出了一种杂波图单元平均CFAR平面技术［11］，相对于点技术而言，该方法又称为杂波图CFAR面技术，如图6所示。杂波图CFAR面技术检测的基本原理为：在每个扫描周期，先对杂波图空间单元进行单元平均处理，然后对各个杂波图单元平均值进行迭代得到检测单元的背景估计值。杂波图CFAR面技术检测的迭代公式与点技术相同，如式（3），但qn所指意义有所变化，表示对杂波图单元进行单元平均处理后的值：

图6 杂波图CFAR面技术

2.2 杂波图CFAR检测仿真分析

仿真中，将雷达观测空间分为30个方位单元和300个距离单元，即杂波图的大小为30×300。杂波为包络服从瑞利分布高斯杂波序列，前150个距离单元的平均杂波功率为20 dB，而后150个距离单元的杂波功率提升为30 dB，利用前49次扫描形成稳定杂波图，在第50次扫描时在杂波边缘附近注入4个目标。预设虚警率Pfa=10－3，分别用点技术和面技术进行检测，对于点技术，w取0.062 5，T取18.125 5；对于面技术，w取0.125，T取0.349 8，M和N取7，p和q取3。4个目标的信息如下：

目标1：距离单元150，方位单元10，功率35 dB；

目标2：距离单元150，方位单元18，功率40 dB；

目标3：距离单元147，方位单元10，功率35 dB；

目标4：距离单元144，方位单元10，功率35 dB。

仿真结果如图7～图10所示，4个目标虽然位于杂波边缘，但仍属于低杂波功率区域，平均信杂比都在15 dB以上，利用杂波图点技术检测时，由于本单元背景杂波功率的估计只与本单元自身有关，不会受高功率杂波边缘的影响，故4个目标均可成功检测到。

图7 杂波图CFAR点技术距离上检测实例

图8 杂波图CFAR点技术方位上检测实例

图9 杂波图CFAR面技术距离上检测实例

图10 杂波图CFAR面技术方位上检测实例

而采用面技术检测时，由于目标1参考单元的一半都来自高功率杂波区域，其检测门限被明显提高，故无法检测到；目标2的检测门限也被明显提高，但由于其自身的信杂比较高，故仍可检测到；目标3位于杂波边缘附近，其检测门限被提高的相对不多，刚好可以被检测到；目标4距离杂波边缘较远，其参考单元基本来自低功率杂波区域，且自身信杂比足够，故可以成功检测到。

3 仿真结果分析

通过对单元平均CFAR方法和杂波图CFAR方法的分析和实例仿真，得出以下结论：

①在均匀杂波背景及单目标检测环境下，满足一定的信杂比要求，均值类CFAR和杂波图CFAR的检测性能都很好。

②在非均匀杂波背景或多目标干扰环境下，CA-CFAR的检测性能严重下降；相比之下，非均匀杂波背景和多目标干扰环境对杂波图CFAR点技术的检测性能不会有任何影响；杂波图CFAR面技术在非均匀杂波背景下对位于杂波边缘的目标的检测性能略有下降，在多目标干扰环境下仍能保持较好的检测性能。

③杂波图CFAR处理需先经过若干周期的扫描以形成稳定杂波图后再进行目标检测，并且存在衰减因子w的选取问题，w取值越小，检测概率越高，但检测性能达到稳定的速度就越慢［12］。点技术取得较好的检测性能对w取值的依赖很强，而面技术的检测性能对w取值的依赖性要弱得多。

基于以上3点结论，杂波图CFAR点技术虽然检测性能达到稳定的速度较慢，但其检测性能较另外2种方法更好，选择该方法能获得对FOD目标较好的检测性能。

4 结束语

采用以毫米波雷达为主要检测手段的机场跑道FOD监测系统对跑道进行监测比传统的人工巡视方式更高效、可靠。选择合适的CFAR处理方法能得到较好的检测性能，确保了民航飞机的安全起降，同时提高了经济效益。通过计算机仿真为实际工程应用提供了理论依据，节约了时间和人力物力资源，在以后的工作中将会继续开展，使得监测系统的性能不断提高。

［1］ Security＆Technology Center of Department of Airport CAAC.FOD Precaution Manual［R］.2009：1－5.

［2］ FAA.AC 150/5220－24.Airport Foreign Object Debris De-tection Equipment［R］.2009：1－13.

［3］ MH 5001－2000.Technical standards for airfield area of civil airports［S］.2007：8－25.

［4］ MAZOUNI K，KOHMURA A.77GHz FMCW Radar for FODs Detection［C］∥Proc.7th European Radar Conf. Paris，France：EuMA，2010：451－454.

［5］ 何 友.雷达自动检测与恒虚警处理［M］.北京：清华大学出版社，1999.

［6］ 何 友，关 键，孟祥伟.雷达自动检测和CFAR处理方法综述［J］.系统工程与电子技术，2001，12（11）：9－85.

［7］ 闫修林.杂波图技术在雷达终端信号处理中的应用［J］.现代雷达，2004，24（5）：34－36.

［8］ 黄善勇，丁 丽，张文超.一种简单的多用途数字信道化结构［J］.无线电工程，2011，41（7）：55－57.

［9］ 秦轶炜，孙元敏，杨文华，等.低空监视雷达复杂环境下的最优CFAR设计［J］.无线电通信技术，2015，41（2）：59－63.

［10］ 刘 永，何 友，孟祥伟.幅度杂波图恒虚警处理中的点技术研究［J］.系统工程与电子技术，1998（9）：7－18.

［11］沈福民，刘 峥.杂波图CFAR平面检测技术［J］.系统工程与电子技术，1996，18（7）：9－14.

［12］ 何 友，刘 永，孟祥伟.杂波图CFAR平面技术在均匀背景中的性能［J］.电子学报，1999，27（3）：119－121.

Performance Analysis and Comparison of CFAR Methods for FOD Detection in Airport Runway Environment

LI Huaqiong1，ZHANG Zhongjin1，WANG Yuguo1，YU Xuelian2
（1．The Second Research Institute of CAAC，Chengdu Sichuan 610041，China；2．University of Electronic Science＆Technology of China，Chengdu Sichuan 610000，China）

The radar clutter background that airport runway FODs（Foreign Object Debris）situate is complex and relatively strong，therefore，constant false alarm rate（CFAR）technology is used to obtain satisfactory detection performance.Focus on this problem，application of FOD detection in airport runway environment is simulated by Matlab.Simulations of some CFARmethods are performed，and simulation results are compared，which provides theoretical basis for practical engineering application.

FOD detection；adjacent unit CFAR technique；cluttermap CFAR technique；millimeter-wave radar

TN957.51

A

1003－3106（2015）09－0053－05

10.3969/j.issn.1003－3106.2015.09.14

李华琼，张中仅，王雨果，等.CFAR方法在机场跑道FOD检测中的性能分析［J］.无线电工程，2015，45（9）：53－57.

李华琼女，（1963—），高级工程师。主要研究方向：雷达信号处理与计算机应用。

2015-06-02

国家自然科学基金项目资助（61139003）。

张中仅男，（1984—），工程师。主要研究方向：雷达信号处理。