数字信号处理——CFAR检测器设计（1）
目录
引言
说明
CFAR检测器
1、参数说明
2、检测过程分类
1、仅右窗检测
2、双窗检测
3、仅左窗检测
3、延迟线
1、左/右窗的最左单元延迟线
2、左参考窗求和结果、待检测单元延迟线
4、判决
参考说明
引言
雷达数字信号处理是数字信号处理技术在雷达领域的重要应用。CFAR（恒定虚警概率），是雷达信号处理流程中关键的环节。是连接MTD与目标凝聚的关键桥梁。
对于CFAR的基本原理与实现过程，这里就不详细阐述了。可以结合一些文献、利用 MATLAB 仿真熟悉算法步骤。
我之前做过一个有关CFAR的付费资源，感兴趣可以了解一下：
雷达信号CFAR处理——MATLAB源码
https://download.csdn.net/download/qq_43045275/78558406?spm=1001.2014.3001.5503这里面对原理以及算法步骤的说明非常详细。对于刚接触的同学，建议看看。
说明
CFAR算法主要分为均值类：CA-CFAR、GO-CFAR、SO-CFAR；以及排序类：OS-CFAR
本专栏主要针对均值类CFAR进行设计、实现、验证。
本篇博文主要介绍基于 FPGA 的 均值类CFAR 设计结构。后续几篇会介绍其代码实现、功能仿真、板级调试等。
FPGA芯片型号：xc7a35tfgg484-2
开发环境：Vivado 2018.3
CFAR检测器
1、参数说明
主要参数：
保护单元：目的是为了屏蔽距离维或者速度维的旁瓣，避免其渗入参考单元内，将噪声/杂波基底抬高，影响检测性能。因此保护单元的长度选择准则也就是距离维或速度维旁瓣的宽度。
参考单元：参考单元的均值将作为CFAR检测器的噪声/杂波电平估计值；因此参考窗长度的选择也关乎检测器的性能。
虚警概率：CFAR检测器最直接的指标。一般取到 10的负 6 次方。
门限系数：由CFAR检测器的虚警概率指标推算得到。具体的推算公式：
【注】：具体推导详见见文献【1】3.6节。
下图所示，以单侧保护单元长度1，单侧参考单元长度4 为例 说明均值类CFAR的检测原理：
2、检测过程分类
以距离维CFAR检测为例进行说明，速度维也是同样道理。
假设一个CPI的数据包括32个PRI，1个PRI采样点数为16。单侧保护单元设为2，单侧参考单元设为4。下面就具体的检测过程做详细描述。
说明：
在某些CFAR检测器的设计中，仅考虑双窗检测（即左右参考窗都存在的数据）。对于仅有左/右窗的数据直接舍弃。个人就目前的认知来说，认为不是很合理，因为目标是有可能出现在舍弃区间的，下面将想i下阐述。
1、仅右窗检测
1-6号距离单元仅能用右窗进行检测。
2、双窗检测
7-10号距离单元可用左右双窗检测。
3、仅左窗检测
11-16号距离单元仅可用左窗检测。
3、延迟线
个人觉得，CFAR检测器中最重要的设计就在于多种延迟线的设计。部分思路参考文献【2】。
1、左/右窗的最左单元延迟线
说明：
以左窗为例详细阐述：
第1个左窗求和结果：CELL 1 + CELL 2 + CELL 3 +CELL 4 ；
第2个左窗求和结果：CELL 2 + CELL 3 +CELL 4 + CELL 5，即第1个左窗求和结果 + CELL 5 - CELL 1；
第3个左窗求和结果：CELL 3 +CELL 4 + CELL 5 + CELL 6，即第2个左窗求和结果 + CELL 6 - CELL 2；
第4个左窗求和结果：CELL 4 + CELL 5 +CELL 6 + CELL 7，即第3个左窗求和结果 + CELL 7 - CELL 3；
……
所以左窗最左侧单元需要延迟的时钟个数=单侧参考窗长度；
2、左参考窗求和结果、待检测单元延迟线
上图应该是非常清楚明了，这里仅做部分简单说明：
缩写：LS： Left window Sum、RS：Right window Sum
对于第 1 个待检测单元，仅能用右窗 ，而第一个右窗在单元 7 处，因此检测单元需要延迟 6 个时钟周期，后续依次顺延。
第 7 个单元检测时，用第一个左窗的求和结果 LS1，而单元 7 检测时需要用到右窗，因此左窗和 LS1 需要和 RS7 在第 13 个单元的地方对齐，需要将 LS1 延迟 9 个时钟周期，后续依次顺延。
4、判决
为避免除法运算，采用下面的乘法运算方式：
WIN_SUM：单侧窗求和；
WIN_LEN：但侧窗长度；
UDC：Under Detect Cell，待检测单元；
TH：门限阈值；
需要注意的是，单窗检测于双窗检测对应的窗长不同。
参考说明
[1]董书亚. 高速公路雷达信号处理算法研究与硬件实现[D].南京理工大学,2020.DOI:10.27241/d.cnki.gnjgu.2020.001673.
[2]高亚军,张冠杰,陈矛.基于FPGA的CFAR设计与实现[J].火控雷达技术,2006(03):64-68.DOI:10.19472/j.cnki.1008-8652.2006.03.017.