第33卷 第1期 2018年2月 电波科学学报 Vo1.33,NO.1 February,2018 CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE 李健,孙光才,邢孟道,等.基于卷积构型的单元平均CFAR目标检测算法EJ].电波科学学报,2018,33(1):56—63.DOI:10.13443/j.cjors. 2017082501 LI J,SUN G C,XING M D,et a1.A cell averaging CFAR detector based on convolution for target detection in SAR images[J].Chinesejournal of radio science,2018,33(1):56—63.(in Chinese).DOI:10.13443/i.eiors.2017082501 基于卷积构型的单元平均CFAR目标检测算法 李健 。 孙光才 邢孟道 。 章林 (1.西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,西安710071; 2.西安电子科技大学信息感知技术协同创新中心,西安710071) 摘 要提出一种基于卷积构型的单元平均恒虚警率(convolution based cell averaging constant false alarm rate,CCA—cFAR)快速检测算法.该算法首先根据背景杂波分布模型计算待检测合成孔径雷达(syn— thetic aperture radar,SAR)图像统计量矩阵,然后对单元平均恒虚警率(cell averaging constant false alarm rate,CA—CFAR)检测器构建卷积模型,利用卷积运算实现对背景杂波的矩估计,并求出详细的背景杂波分 布函数,最后根据分布函数计算出每个像素的判定阂值,并对所有待检测像素是否为目标点进行判定.该检 测算法复杂度低,运算效率高,能够快速实现SAR图像实时目标检测.仿真实验证明了该方法的有效性和 工程实用价值. 关键词 合成孔径雷达(SAR);SAR图像;目标检测;CA—CFAR;矩估计 中图分类号TN957 文献标志码 A 文章编号 1005—0388(2O18)01-0056—08 DoI 10.13443/j.cjors.2017082501 A cell averaging CFAR detector based on convolution for target detection in SAR images LI Jian ’ SUN Guangcai · XING Mengdao ’ ZHANG Lin ’ (1.NationalKey Laboratory ofRadar Signal Processing,Xidian University,Xia'n 71007l,China; 2.Collaborative Innovation Center of Information Sensing and Understanding,Xidian University,Xi'an 710071,China) Abstract A fast convolution based cell averaging constant false alarm rate(CCA—CFAR)detector based on convolution for target detection in synthetic aperture radar(SAR)images is proposed in this pa— per.As a first step,the statistic matrices of the SAR image are computed according to the background elutter distribution mode1.Then,a convolution model iS built for the CA—CFAR detector to realize the mo— ment estimation,and background clutter distribution function of all pixels can be obtained.Finally,the detect threshold for each pixel is calculated to determine whether the pixel is the target point.The algo— rithm has the advantages of low complexity and high computational efficiency,and can achieve SAR image real—time target detection.Experimental results demonstrate the effectiveness and usefulness of the pro— posed algorithm. Keywords synthetic aperture radar;SAR image;target detection;CA—CFAR detector;moment esti— mat on 收稿日期:2017 08—25 资助项目:国家自然科学基金重大研究计划培育项目(91438106);国家自然科学基金创新群体(61621005) 联系人:李健E—mail:lijianfor@163.corn 第1期 李健等:基于卷积构型的单元平均CFAR目标检测算法 57 引 言 目标检测作为合成孑L径雷达(synthetic aper— ture radar,SAR)图像自动目标识别(automatic target recognition,ATR)的重要步骤,其检测性能 和效率会影响SAR成像质量[1 ],同时也决定着后 续识别的精度和速度_3].恒虚警率(constant false a— larm rate,CFAR)检测算法由于其稳定高效的特 性,在SAR图像目标检测中受到了广泛应用[4 ].随 着SAR向着高分辨宽测绘带发展 ],SAR图像数 据量成倍地增加,如何快速有效、实时地检测目标显 得尤为关键[9]. 大多数CFAR算法基于滑窗对SAR图像进行 逐像素检测,图像中每个像素多次参与了滑窗计算, 导致算法计算速度普遍不高口 ¨].为了增加算法的 实用性,迫切需要能够工程化应用的快速算法口 . 文献1-9]提出一种融合了快速预筛选和迭代计算方 法的CFAR快速检测算法基本框架,提高了CFAR 检测算法的执行效率;文献[13]提出一种基于G。 分布的快速检测算法,利用全局阈值对整幅图像进 行快速检测,但是在场景变化复杂时失配严重;文献 [14]提出一种逐像素点迭代的优化方法,通过减小 参考滑窗对SAR图像遍历时的重复计算量提高计 算效率,但是该方法算法复杂度仍然较高. 本文提出一种基于卷积构型的单元平均恒虚警 室(convolution based cell averaging constant false alarm rate,CCA—CFAR)快速检测算法.该算法根据 背景杂波分布模型计算待检测SAR图像统计量矩 阵,通过对单元平均恒虚警率(cell averaging con— stant false alarm rate,CA—CFAR)检测器构建卷积 模型,利用卷积计算实现传统CA-CFAR算法逐像 素点滑窗估计背景杂波分布参数.该方法通过降低 CA—CFAR算法的运算复杂度,减少目标检测时间, 在精确得到背景杂波的分布模型参数估计的同时, 快速实现SAR图像实时目标检测. 本文的余下部分安排如下:第1节简单介绍了 通用CA—CFAR算法的基本原理及存在的问题;第 2节介绍了本文提出的CCA—CFAR算法;第3节分 析了传统算法与本文算法的计算复杂度;第4节通 过仿真实验验证了该算法的有效性. 1 CA—CFAR检测算法及问题 对于非复杂均匀场景而言,采用CA—CFAR检 测器即可达到检测需求.CA—CFAR算法通过对图 像中单个像素的能量与检测阈值比较来判定是否为 检测目标,其自适应检测阈值根据背景杂波的分布 函数和设定的虚警率计算得到.检测阈值T的计算 公式为 rT 1~Pf 一I p(x)dx. J o 式中:P 为虚警率;P(.z)为背景杂波概率密度函 数,不同的分布模型对应不同的背景杂波概率密度 函数.而背景杂波分布模型由SAR图像场景的散射 特性决定,根据均匀、非均匀、极不均匀等不同分布 的SAR图像场景,学者们提出了正态分布、瑞利分 布、韦布尔分布、Go分布、 稳态分布等对背景杂波 进行理论建模 ”].在确定背景杂波分布模型后, 需要对分布函数的参数进行估计,目前主要的估计 方法分为最大似然估计和矩估计方法.在实际应用 中,通常采用计算相对简单的矩估计方法,该方法的 具体思路为:当给定 个背景杂波数据,可以计算得 到实际的m阶矩;在给定概率分布函数的条件下, 结合m阶矩的理论值,则可得到如下一组方程: .fz 加 ,… 一 骞z z 如 ,… 一 骞 ,… 一 骞z 式中:0 , 。,…,0 是分布函数中的待估计参数; 为背景杂波数据.求解式(2)的方程组即可得到分 布函数中的未知参数,从而获得该分布模型下的背 景杂波概率密度函数 (z).再将P(z)代人式(1)能 够求出该待检测像素的检测阈值. 具体的CA—CFAR算法检测流程如图1所示, 对SAR图像中一个像素点采用CA—CFAR检测器 计算其所需的m阶矩,然后确定详细的背景杂波分 布函数,并利用给定的恒虚警率,计算该待检测像素 点的自适应检测阈值,再将该待检测像素与检测阈 值进行比较,判定该像素点是否为目标点.完成一个 像素点的检测后,滑动空心滑窗对下一个像素点进 行阈值估计和检测,直到SAR图像中所有像素点全 部完成检测. 传统cA—cFAR算法估计m阶矩统计量口。 时 通常采用空心滑窗逐像素点计算,如图2空心滑窗 示意图所示,图中杂波数据窗大小为P x P ,鉴于 保护窗需要大于目标尺寸大小,保护窗大小设为P ×P。.则第i行第J列的待检测像素z 实际的m阶 58 矩为 i+P /Z j+P /2 i+Pp/2,+P口/z 电 波科 学 学报 第33卷 景杂波能量的均值和方差,因此这里需要计算的矩 ∑ ∑z 一∑)一 ∑z . (3) 估计统计量为背景杂波能量的一阶和二阶矩估计, 则一阶和二阶矩估计的统计量矩阵分别为U ===S、 U 一S。.传统的逐像素点统计矩估计量如式(3)所 示,每个像素的m阶矩估计通过计算其杂波数据窗 内的统计量矩阵数据的平均值得到,该过程可以看 作SAR图像统计量矩阵与空心滑窗函数相卷积.这 里根据CA—CFAR检测器原理构建上述等效的卷积 模型,则相较于传统方法需要计算每个像素点的m 根据式(3)逐像素点计算背景杂波的m阶矩 时,相邻像素的背景杂波数据大量重复,因此在计算 过程会涉及到大量的重复计算,导致算法运算效率 不高.这严重影响了SAR图像的目标检测速度,限 制了SAR图像的实时目标检测性能. 图1 CA-CFAR检测算法流程图 Fig.1 Flowchart of the CA-CFAR detection algorithm ’ 鋈 誓 保护窗 待检测像素 图2 空心滑窗示意图 Fig.2 Schematic diagram of hollow sliding window 2 CCA—CFAR快速检测算法 针对传统CA—CFAR检测算法计算背景杂波矩 估计时,算法复杂度高且运算效率较低,本文提出一 种CCA—CFAR快速检测算法.该算法首先根据背景 杂波分布模型及式(2)中的待估计参数确定要计算 的矩估计统计量,并得到需要计算的m阶矩估计的 统计量矩阵: U 一S . (4) 式中:S为SAR图像的能量矩阵,该SAR图像有r× z个像素.例如:经典双参数CFAR算法需要估计背 阶矩估计,该方法能够直接得到整个SAR图像所有 像素点的背景杂波m阶矩估计: E( )一 州)* . (5) 式中, w(P ,P )=== 1111111 I ̄ooooo1 1111 1111111…l 00000 l …1111 . (6) 1111111 00oooJ P P 1111 根据卷积定理,两个函数在空间域中的卷积等 于其求傅里叶变换后的乘积的逆傅里叶变换.这里 对SAR图像统计量矩阵和空心滑窗权矩阵作二维 傅里叶变换,将其变换到二维频域进行矩阵相乘得 c, (r,z)* i: ur(r,z) . (7) 式中,【, (r,z)、 (P ,P )分别为SAR图像统计量 矩阵和空心滑窗权矩阵做二维傅里叶变换后的二维 频域矩阵.对式(7)右边相乘得到的矩阵再做二维 逆傅里叶变换,从而得到整个SAR图像所有像素点 的背景杂波m阶矩估计,即 E(x )一IFFT2{ur(r,z) ).(8) 在得到所有像素的矩估计统计量后,可以根据 式(2)求出分布函数中的未知参数,从而确定详细 的背景杂波分布函数.最后,根据式(1)计算所有像 素点的检测阈值rr(z).再比较每个像素点能量值与 检测阈值的大小,判断该像素是否为目标点,具体的 判断表达式如下: {I gC T< ,T 蓁呈誓 不是目 点.标点 。 第1期 李健等:基于卷积构型的单元平均CFAR目标检测算法 59 图3给出了本文CCA—CFAR快速检测算法的 检测SAR图像统计量矩阵,并对SAR图像统计量 矩阵和空心滑窗权矩阵进行补零;②对补零后的矩 阵做二维傅里叶变换;③二维频域SAR图像统计 量矩阵与空心滑窗权矩阵相乘;④对相乘后得到的 矩阵做二维逆傅里叶变换.这里为了方便对比三种 算法的计算量,统一规定SAR图像具有r×z个像 素,滑窗大小为P x P ,保护窗大小为P ×P ,其 具体流程图,该算法完整的实现步骤如下: 1)确定虚警率,根据背景杂波分布模型确定需 要统计的背景杂波矩估计量,计算待检测SAR图像 统计量矩阵;并根据数据窗和保护窗的大小,计算空 心滑窗权矩阵. 2)对SAR图像统计量矩阵和空心滑窗权矩阵 补零,做二维傅里叶变换到二维频域,完成矩阵相乘 后再逆傅里叶变换得到SAR图像所有像素的背景 中r===z.上述四个步骤具体的计算量为: 第一步需要统计背景杂波能量的一阶矩和二阶 杂波矩估计统计量,并求出详细的分布模型函数. 3)根据给定的虚警率以及背景杂波分布函数, 计算SAR图像所有像素的自适应检测阈值. 4)比较每一个待检测像素点能量值与检测阈 值,判定该像素点是否为目标点,直至完成整幅 sAR图像所有像素的目标检测. 图3 CCA-CFAR检测算法流程图 Fig.3 Flowchart of the CCA-CFAR detection algorithm 3 算法复杂度分析 为了证明本文所提出的CCA—CFAR快速检测 算法具有更低的算法复杂度,这里对经典的双参数 CFAR算法、文献E14]方法和本文算法的详细步骤 进行了分析.本文算法的步骤1)、步骤3)及步骤4) 与文献[14]方法及传统CA—CFAR算法具有相同的 算法复杂度,这里不再对比分析.而本文算法节省的 计算量来自于利用卷积计算实现传统CA—CFAR算 法逐像素点滑窗统计背景杂波矩估计量,因此这里 主要对比分析步骤2)(即图3虚线框中步骤)与文献 [14]方法及传统CA-CFAR算法相区别的计算量. 本文CCA-CFAR算法步骤2)具体分为以下四 步:①确定需要统计的背景杂波矩估计量,计算待 矩,求出统计量矩阵并对SAR图像统计量矩阵和空 心滑窗权矩阵进行补零,上述操作的计算量较小,可 以忽略不计; 第二步需要对补零后的矩阵做二维傅里叶变 换,N点一维信号傅里叶变换需要Nlb N次加法和 r lb N次乘法,则二维傅里叶变换所需要的计算量 厶 为2N Ib N次加法和N lb N次乘法,两个统计量矩 阵做二维傅里叶变换的计算量为4N。lb N次加法和 2N Ib N次乘法; 第三步二维矩阵相乘的计算量为2N 次乘法; 第四步二维逆傅里叶变换需要的计算量为 4N lb N次加法和2N ib N次乘法. 综合上述四个步骤,则总共需要的计算量为 8N2lb N次加法和4 lb N+2 次乘法,假设加法 和乘法的计算量相同,则总的计算量为 N (121b N+2),其中N—r+max(P ,P )一1.通过 步骤2)能够得到整个SAR图像所有像素的背景杂波 矩估计统计量,而后续处理步骤与传统CA-CFAR算 法及文献[14]算法大致相同,这里不再赘述. 传统CA—CFAR算法统计一个像素点的背景杂 波一阶矩和二阶矩需要的计算量为2(P P 一 P P。)次加法和2次乘法,则r×z个像素需要的计 算量为2(P P 一P P。+1)r .文献[14]方法采用 了一种逐像素点迭代的优化方法,减小了参考滑窗 对SAR图像遍历时的重复计算量,此方法需要的计 算量大致为4(min(P ,P )+min(P ,P ))r .综合 上述计算结果,三种算法所需的计算量如表1所示. 表1 目标检测算法计算量结果 Tab.1 Computation of the target detection algorithms 检测方法 总计算量 CA-CFAR算法 2(P P 一PpP。+1)r2 文献E14]方法4(min(P ,P )+min(P ,P ))r 本文方法 N (121b N+2) 电 波 科 学 学 报 第={3卷 据 l所爪.史献[1lj]方法汁算量 j传统 L、/\【、FAR算法汁{ 之比 4(nlin(』’ ,, , )十miI1(P ,P..)), 。 2(,’ ,’,, ,j,,P..+1) 一 一≈ P I l . ,l 、(10) 小义【、CA Ct:AR快速检测算法汁算量 j传统 L、A、FAR算法、卜 { 之比为 ,J二= ! l!! ± 2(P J’ J’『lJ +1), 6I1) ,..、 ≈ _l_ ‘ …’ 从 (1 0)ilJ‘以行}¨.义献[1 4]方法采川的逐像 索点达代优化减少r弧复计算 , 总计算 !小f 传统(、A("FAR ‘法¨‘算 。能够达到提离CA 【、FAR算法检测速发的I1的:埘比式(11),本史群法 利川1卷 计 对他统(、A(TAR算法的晕复汁 进 行r优化.能够 & 地提高运算效率,提升算法的『1 f,J;愉洲速度.具体的愉测速牢提升倍数需 根据 SAR图像、背最 波数据商以及保护窗的 寸决 定.F而仿真实验给f1{J 具体性能分析. 4 仿真实验 为r验证水义捉fI』的CCA CFAR快速检测算 法.这 采』fj机械多迎道SAR杂波对消后的动ll标 f-1【聚焦图像进行II标愉测仿真实验.测试数据『皋l像 人小为l 02 .1×1 O2 1 t 分别采崩传统CA—CFAR 钟:法、史献[14] ‘法币¨小文算法榆测图像中的动fIj .仿真实验中采川f伞心滑窗力‘式统计背景杂波特 . 虑到SAR 像分辨率f1】罔像中动目标 十, 这 没 保护窗的火小为81×81,背景数据窗的大 小为l0l×l0l, 臀率,’h没为1×l0。. 1为实洲数据动U标检测结果,其ff1.1刘(a) 为采用传统CA L、FAR算法的检测结果图,『皋l(I】)为 采川文献[1 1]方法的检测结果 ,图(c)为采川本文 钟:法的检测结2- .通过对比町以看出,传统【、A L、FAR算法、义献_1 1]并法和小文算法都能够检测 川{ 像III的动I1抓,lI_榆测结果 示三种方法对动 Il 的榆测数都为898, 彳丁l卡f{㈦的目标检测性能. r夺史算法址"刈 【’A(;FAR检测器构建卷积模 ,I 改进后的快逑铆:法.则该算法检测器性能 均匀 朵波 景下是最优的.适川 不同分布模型下采川1 CA CFAR检测 的愉测 :法 (r1)CA(、FAR钟:法 (b)文献[14]算法 (a)(、A('FAR algorilhm (b)Algorithm of literalur ̄ ( ·)小艾钾.法 (C)Tl1‘、【)rotx)st、(1 algorithm 图4实测数据动目标检测结果 Fig.4 Moving target detection results using measured data 通过f:述实验【1J‘ ,本文CCA—CFAR快速检 测算法具有传统CA(;teAR算法相I 的日标枪测毕『i 度。 该算法的改进卞 体现 榆测速度上的提升. 检测速度直接决定r f1标榆测算法的实用 和1 应JH性,因此这 父沣该算法存闩标检测速度 的性能.为了说【I』J本文(、L、八一CFAR快速检测锋:法 在榆测速度卜=的提升。这 采片】Sandia实验 的 MiniSAR地面场景高分辨SAR 像数据进行¨标 枪测仿真实验,该}冬1像分辨率为0.1 m×0.1 FD.,女I1 图5(a)所示,截取的实测SAR图像像素数为1 000 ×l 200点.从图一 J‘以看f¨,场景右侧是一个停乍 场,日标为多种类 的 川1‘辆,车辆大小约为2 n ×4 m.大部分车辆¨林集中在场景右侧.场景 侧 为房屋和树术,其他部分为地而.实验中,分别采』lf】 舣参数cA—CFAR算法、文献[14]方法和本文算法 检测图像中的目 .学虑剑日标像素会T扰检测结 果,实验巾采用空心滑窗方式估汁背景杂波统汁 , 并根据SAR图像分辨率和罔像中口标尺寸,设 保 护窗的大小为41×4 1,背景数据窗的大小为71× 71.虚警率P 设为l×l0。. 第l期 李健等:基于卷积构型的单元平均(、FAR目标检测算法 (,I) 测SAP, 像 £1)Tl1( original SAR imag ̄ (1))双参数(、A L、FAR算法检测结果 l】T\VO paralnt't e'r L、A(、FAR algorithm (c)文献 ¨ ,J。法榆测结果 ( )Algorithm of literaluro 1 图5 MiniSAR实测数据目标检测结果 Fig.5 Target detection results with MiniSAR data MiniSAR实测数据目标检测结 如 j(为体 现各方法的愉测结果对比,并没有对检测结果进行 聚类)。其中,图5(a)为原始实测数据SAR图像.图 5(b)为采用双参数CA('FAR算法的检测结果 , 图5(C)为采用文献[14]方法的愉测结粜图,图5 (d)为采用本文算法的检测结果图.通过对比可以看 出,住场景的右侧低能量均匀地面场景区域,双参数 CA('FAR算法、文献[I~1]算法和本文算法具有较 好的日标检测效果;在场景的左侧高能最杂波场景 区域(房 和森林).I二种方法检测虚警都较高.说明 了( A—CFAR炎捡测器在异质性杂波环境下检测 lq- 能会下降,该问题可通过采用其他类检测器进行精 检测得到解决,具体针对异质性杂波环境下的目标 检测算法还需进一步研究.根据目标检测结果,舣参 数CA—CFAR算法、义献[14]算法和本文算法埘日 标的检测像素数分别为2 626、2 562、2 552,其中检 测出的目标像素数差异来源丁边缘像素点。这■种 方法都能够检测}1I图像巾的车辆口标,因此能够认 为这三种方法具有相同的检测性能.将仿真参数代 入式(1 0)与式(11)口『得,相较于双参数CA CFAR 算法,史献[14]方法可以提高检测速度约l2倍.本 文方法口』以提高检测速度约6()倍.实验结果女¨卜, 双参数CA('FAR算法检测用时l Oj.32 s.文献L1 r-一] 62 电 波科 学 学报 第33卷 算法用时7.51 s,本文算法用时0.93 s(仿真环境: MATLAB2016a,CPU I7 3.4 GHz,4 GB RAM).实 验结果与理论值基本相同,说明了本文算法在目标 检测性能与传统CA—CFAR算法相同的情况下,提 高了算法运算效率,大大缩短了目标检测时间. 为了进一步说明本文算法的快速检测性能,这 里对不同数据大小的SAR图像进行目标检测仿真 实验.仿真中分别对256×256点、512×512点、 1 024×1 024点、2 048×2 048点、4 096×4 096点、 8 192×8 192点的SAR图像进行目标检测.图6给 出了完成目标检测所需的时间,鉴于检测时间呈几 何级增长,此处采用对数时间作为时间刻度.从图中 可以看出,本文算法对于256×256点、512×512 点、1 024×1 024点及2 048×2 048点SAR图像能 够数秒内得到检测结果,对于4 096×4 096点和 8 192×8 192点的多像素数SAR图像也能够实现 数十秒内获得检测结果.在此仿真实验参数下,文献 E14]方法相比双参数CA—CFAR方法所需的检测时 问减小了一个数量级,而本文方法相比文献[14]方 法所需检测时间又减小了近一个数量级,具有最快 的检测速度和最优的检测效率.综上所述,本文方法 通过降低算法复杂度大大降低了目标检测时间,提 高了目标检测速度,能够快速实现SAR图像实时目 标检测. 鼍 口 皇 厘 留 像素数(每行例) 图6不同像素数SAR图像目标检测所用时间 Fig.6 Target detection time of SAR images with different pixels 5结 论 本文提出了一种CCA—CFAR快速检测算法, 该算法首先根据背景杂波分布模型计算待检测 SAR图像统计量矩阵,然后对CA—CFAR检测器构 建卷积模型,利用卷积运算实现传统CA—CFAR算 法逐像素点滑窗计算背景杂波矩估计统计量,并确 定详细的背景杂波分布函数.最后根据分布函数计 算出每个像素的检测阈值,并对所有待检测像素是 否为目标点进行判定.该方法降低了CA-CFAR检 测算法的算法复杂度,可用于图像目标快速预检测, 且适用于不同分布模型下所有采用CA—CFAR检测 器的目标检测算法. 参考文献 Eli LI X S,XING M D,XIA X G,et a1.Simultaneous stationary scene imaging and ground moving target in— dication for high resolution wide-swath SAR system [J].IEEE transactions on geoscience and remote sensing,2016,54(7):4224—4239. 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