CN101887119B - 基于子带anmf海杂波中动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于子带ANMF海杂波中动目标检测方法，其步骤为：(1)雷达接收的海面脉冲回波信号通过离散傅立叶变换调制滤波器组，实现子带分解。(2)对子带分解的信号进行下采样抽取，从而得到分解下采样后的子带信号。(3)基于分解下采样后的子带信号，构造子带ANMF这个检测器的各个子带的检测统计量，并单独确定各个子带的检测门限。(4)将各个子带的检测统计量与其对应子带的检测门限进行比较，判决目标是否存在。本发明降低了子带海杂波的散斑分量的非平稳性，克服了可利用的参考样本有限的难题，摆脱了前提假设条件限制的困扰，可适用于各种海况条件下的动目标检测。

Description

基于子带ANMF海杂波中动目标检测方法

技术领域

本发明属于物理领域，具体涉及一种海杂波背景下基于子带的自适应归一化匹配滤波器ANMF动目标检测方法。

背景技术

在目标探测领域，海杂波是海面的后向散射回波，它的作用是掩盖舰船目标，同时产生分散注意力的虚假信号。

目前海杂波背景下目标检测技术主要有利用平均周期实现海上小目标的检测方法，例如，北京航空航天大学申请的发明专利，基于平均周期的海上小目标检测方法(专利申请号200810247554.6，公开号CN 101452075A)。该专利申请首先提取各距离单元海面回波的平均周期，利用待检测距离单元邻近的距离单元计算检测门限，通过对门限值和待检测距离单元所提取的平均周期进行比较得到检测结果。该专利申请利用海杂波的平均周期较小、目标回波的平均周期较大这一差异检测海上弱小目标。该专利申请存在的主要不足是：它隐含的条件是必须在空间平稳的海杂波环境下适用，且受散斑分量非平稳性的影响。而在实际情况下，高分辨率海杂波在空间上是非平稳的，由此导致该专利申请可利用的邻近距离单元上的杂波样本数目有限，从而影响了检测器的检测性能的改善。另外，该专利申请不适用于多脉冲积累检测。而对于相干脉冲雷达而言，雷达的检测性能是与积累的脉冲数成正比的。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提出一种基于子带ANMF海杂波中动目标检测方法，实现海杂波背景下目标的多脉冲积累检测。

为实现上述目的，本发明提供的动目标检测方法如下：

步骤1，雷达接收的海面脉冲回波信号通过离散傅立叶变换DFT调制滤波器组，实现子带分解；

步骤2，对子带分解的信号进行下采样抽取，从而得到分解下采样后的子带信号；

步骤3，基于分解下采样后的子带信号，构造子带ANMF这个检测器的各个子带的检测统计量，并单独确定各个子带的检测门限；

步骤4，将各个子带的检测统计量与其对应子带的检测门限进行比较，判决目标是否存在，如果检测统计量大于检测门限，则判定目标存在，反之，则判定目标不存在。

本发明与现有技术比较具有以下优点：

第一，本发明由于利用了滤波器组的分解特性对雷达接收的海面回波信号分解，保证了子带海杂波的统计模型不变性，达到子带ANMF检测的目的。

第二，本发明由于利用了子带分解特性和采用了下采样处理方法，对雷达接收的海面回波信号分解并进行下采样处理，降低了子带海杂波的散斑分量的非平稳性，克服了可利用的参考样本有限的难题，以便进行更多脉冲的积累检测，提高了检测性能。

第三，本发明由于在构造子带检测器时采用各子带单独检测目标的处理方式，并且各个子带的门限由子带海杂波单独确定，实现准确的检测判决，提高了检测性能。

第四，在检测非平稳海杂波中的目标时，北京航空航天大学申请的发明专利有前提假设条件的限制，本发明克服了前提假设条件限制的缺点，可适用于各种海况条件下的动目标检测。

附图说明

图1是本发明的流程图。

图2是线性相位DFT调制滤波器组的频率响应图。

图3是本发明的检测机制图。

图4是相同积累样本条件下，ANMF检测器和本发明的检测性能比较图。

图5是相同积累时间条件下，ANMF检测器和本发明的检测性能比较图。

具体实施方式

参照图1，首先输入雷达接收的海面脉冲回波信号，对于输入的雷达回波信号x＝[x(1)，x(2)，...，x(N)]^T是由N个脉冲回波组成的，其中，上标T表示转置。回波信号x＝[x(1)，x(2)，...，(N)]^T可能仅含有海杂波信号c＝[c(1)，c(2)，...，c(N)]^T，也有可能是海杂波信号c＝[c(1)，c(2)，...，c(N)]^T与目标信号s＝[s(1)，s(2)，...，s(N)]^T的混合。然后回波信号通过以下步骤实现海杂波中的目标检测。

步骤1，雷达接收的海面脉冲回波信号x通过离散傅立叶变换DFT调制滤波器组，实现子带分解，保证了子带海杂波的统计模型不变性。

在实现子带分解前，需要先设计低通原型滤波器，它的设计应该使线性相位DFT调制滤波器组应当具有较高的阻带抑制特性和通带平坦特性，本发明的实施例通过以下步骤实现：

1a)设计低通原型滤波器：

$\underset{z}{\min }\left\{{\∫}_{2\mathrm{\π}/(2K+1)}^{\mathrm{\π}}{\left(c_N^T\left(\mathrm{\ω}\right)z\right)}^2\mathrm{d\ω}\right\}$

使其满足以下关系

$1-\mathrm{\ϵ}\≤c_N^T\left(\mathrm{\ω}\right)z\≤1+\mathrm{\ϵ},\mathrm{\ω}\∈[0,\mathrm{\π}/(2K+1)]$

其中，c_N(ω)为滤波器的设计参数，2N为滤波器的阶数，ω为角频率，z为原型滤波器的系数向量，2K+1是总的子带数，正数ε控制原型滤波器的通带震荡；

1b)由低通原型滤波器经过DFT调制得到滤波器组，其表达方式如下：

$H_k\left(f\right)=e^{-j2\mathrm{\πN}(f-{\mathrm{kf}}_r/(2K+1))}b(f-\frac{{\mathrm{kf}}_r}{2K+1}),k=-K,-K+1,...,K$

其中H_k(f)为第k个子带分析滤波器的频率响应，K是指正频或者负频子带数，f是指频率，2K+1是总的子带数，2N为滤波器的阶数，b(f)是滤波器的在频率域的幅度响应，保证滤波器的通带平坦性。2K+1个分析滤波器构成了滤波器组。

通过上述的1a)和1b)，本发明的实施例获得了图2所示的DFT调制滤波器组的频率响应图，其中，DFT调制滤波器组的阻带衰减幅度为-42dB，通带幅度波动系数为0.1。DFT调制滤波器组的阻带衰减幅度较低，保证了每个子带滤波器的通带范围之外的杂波分量能够被抑制，同时，DFT滤波器组的通带波动系数较小，保护了位于该滤波器通带内的目标信号。

1c)通过上述设计的DFT调制滤波器组获得子带分解信号，其表达形式如下：

x_k＝x*h_k，k＝-K，-K+1，...，K

其中，x_k为子带分解信号，x表示接收的回波信号，*表示卷积运算，h_k为第k个子带滤波器的时域表达形式。子带信号x_k可能仅含有子带海杂波信号，也可能是子带海杂波信号与子带目标信号的混合。

通过上述的1a)、1b)和1c)，本发明的实施例保证了子带海杂波的统计模型不变性。

步骤2，对子带分解的信号x_k进行下采样抽取，从而得到分解下采样后的子带信号，提高散斑分量的平稳度。

对子带信号x_k进行下K₁采样后可以得到海杂波信号

和目标信号

两个结果。第k个子带下K₁采样的海杂波信号为

k＝-K，-K+1，...，K；第k个子带下K₁采样的目标信号为：

其中

是目标幅度受滤波器通带内的幅度调制后的复常数，f_d是目标的多普勒频率，v(f_d，K₁)是指采样因子为K₁的下采样处理后的多普勒导向矢量。

本发明的实施例通过对信号进行下采样处理，提高子带海杂波的散斑分量的平稳度。

步骤3，基于分解下采样后的子带信号，构造子带ANMF这个检测器的各个子带的检测统计量，并单独确定各个子带的检测门限。

3a)构造子带ANMF的检测统计量

对于分解下采样的子带信号

在构造子带ANMF这个检测器之前，需要先给出二元假设检验方法，其表达形式为：

$\left\{\begin{array}{c}{H}_0:x_{k,K_1}=c_{k,K_1}\\ H_1:x_{k,K_1}=\tilde{a}v(f_d,K_1)+c_{k,K_1}\end{array}\right.$

其中H₀表示仅有子带下采样的海杂波而不存在目标的情况，而H₁表示同时存在子带下采样的目标

和子带下采样的海杂波

的情况。本发明实施例的检测器包括一个DFT调制滤波器组和每个子带ANMF检测器，其中每个子带ANMF检测器只负责多普勒频率位于该子带的通带范围的检测。子带ANMF检测器包括对子带海杂波的白化过程和对子带目标信号的匹配过程。为此，构造出的子带ANMF检测统计量为：

其中

是第k个子带经过下K₁采样后的ANMF检测统计量，v(f_d，K₁)为子带下K₁采样后的导向矢量，f_d是待检测目标的多普勒频率，

为利用子带下采样处理后的海杂波信号的参考单元r_k，p估计得到的协方差矩阵，P为参考单元个数，

是指第k个子带下K₁采样后的N维接收信号。

3b)设定各个子带的检测门限

针对上述提到的子带检测统计量，设定检测器的各个子带的检测门限，其实现过程如下：对于第k个子带下采样的海杂波信号

在给定的虚警概率p_f情况下，获到H₀条件下的L个实验样本，再将L个实验样本进行从大到小降序排列，取排列后的第

个实验样本作为第k个子带的检测门限η_k，其中

表示不超过实数L×p_f的最大整数。所有2K+1个子带ANMF检测器均按以上过程设定门限。本发明实施例中的实验样本的数目L必须足够大，以保证获得的检测门限η_k的精度。

步骤4，基于已经获得的子带检测统计量和检测门限，对于实测的海杂波数据，其判决如下：

其中

是第k个子带下K₁采样后的检测统计量；η_k表示第k个子带的检测门限。

本发明的效果可以通过下面的实验进一步验证。实验所用的雷达回波数据是IPIX雷达在1998年获得的，数据文件为19980223_170435_ANTSTEP.CDF，雷达参数如下：发射频率为9.3GHz，距离分辨率为15m，脉冲重复频率为100Hz，扫描脉冲为60000，距离单元为34，其中，纯杂波占据31个距离单元。本发明设定的虚警概率为p_f＝10^-3，需要L＝100,000个实验样本。

图3是本发明检测机制图，由于各个子带具有不同的检测门限，而且各个子带检测器只负责多普勒频率位于该子带内的目标的检测，使得不同子带之间的检测不会相互影响。基于图3的检测机制，当本发明的积累时间是ANMF检测器的积累时间的2倍时，在相同的积累样本条件下，ANMF检测器和本发明的性能比较结果如图4所示，显而易见，本发明的检测性能优于ANMF检测器的检测性能。由于本发明使用了下采样技术，本发明的积累脉冲数为ANMF检测器的积累脉冲数的2倍时，在相同积累时间条件下，本发明的检测性能优于ANMF检测器的检测性能，如图5所示。这主要是因为本发明降低了子带海杂波的散斑分量的非平稳性，克服了可利用的参考样本有限的难题，能够积累更多的脉冲。

Claims (3)

1.一种基于子带ANMF海杂波中动目标检测方法，包括：

步骤1，将雷达接收的海面脉冲回波信号通过离散傅立叶变换DFT调制滤波器组，实现子带分解；

步骤2，对子带分解的信号进行下采样抽取，从而得到分解下采样后的子带信号；

步骤3，基于分解下采样后的子带信号，构造子带ANMF这个检测器的各个子带的检测统计量，并单独确定各个子带的检测门限；构造出的子带ANMF检测统计量为：

其中，

是第k个子带经过下K₁采样后的ANMF检测统计量，v(f_d，K₁)为子带下K₁采样后的导向矢量，K₁是下采样因子，f_d是待检测目标的多普勒频率，

为利用子带下采样处理后的海杂波信号的参考单元r_k，p估计得到的海杂波协方差矩阵，P为参考单元个数，

是指第k个子带下K₁采样后的N维接收信号；

步骤4，将各个子带的检测统计量与其对应子带的检测门限进行比较，判决目标是否存在，如果检测统计量大于检测门限，则判定目标存在，反之，则判定目标不存在。

2.根据权利要求1所述的基于子带ANMF海杂波中动目标检测方法，其中步骤中1所述DFT调制滤波器组的阻带衰减幅度为-42dB，通带幅度波动系数为0.1。

3.根据权利要求1所述的基于子带ANMF海杂波中动目标检测方法，其中步骤3中所述的检测门限确定为，对于子带k，在给定的虚警概率p_f情况下，获到H₀条件下的L个实验样本，H₀条件表示仅有子带下采样的海杂波而不存在目标的情况，再将L个实验样本进行从大到小降序排列，取排列后的第

个实验样本作为第k个检测门限，其中表示不超过实数L×p_f的最大整数。

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