CN102230961A - 基于相位补偿处理的扩展目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明是一种基于相位补偿处理的扩展目标检测方法，分为以下几个步骤：步骤一、扩展目标高分辨一维距离像的产生：即对高分辨雷达的线性调频波信号通过匹配滤波得到扩展目标的一维距离像，步骤二、扩展目标回波序列的相位补偿处理；步骤三、扩展目标的能量积累过程：即通过扩展目标一维距离像中强散射点信号幅度的同相叠加得到扩展目标的检测统计量；步骤四、扩展目标检测过程的实现：该过程主要是通过CA-CFAR检测器实现的。上述环节中，所有工作都是以提高扩展目标检测性能为目的，最终实现扩展目标的正确检测。

Description

基于相位补偿处理的扩展目标检测方法

技术领域

本发明涉及一种基于相位补偿处理的扩展目标检测方法，尤其涉及到如何利用扩展目标在宽带高分辨雷达回波信号中的相位分布特点来改善对扩展目标的检测概率，属于雷达信号处理领域。

背景技术

随着空间探测技术的发展，宽带高分辨率雷达已成为现代雷达体系研究的一个重要方向。雷达带宽的增加使雷达成像可以获得更多的目标细节信息，能实现较准确的目标识别和分类，而高距离分辨特性降低了每个距离分辨单元内的杂波功率，为雷达检测性能的改善提供了有利条件。但是，在宽带高分辨情况下，目标由于其尺寸要远远大于雷达的分辨单元，成为由多个强散射点构成的距离扩展目标，从而造成目标能量分布分散，因此，如何能够充分利用目标一维距离像的信息以提高宽带雷达的信号检测性能是当前研究的一个重点问题。

目前，关于高斯杂波背景下距离扩展目标的检测已经获得了一些较为有效的方法，这些方法的研究主要出现在两个方面：

(1)通过脉间积累处理的方法实现对目标信号的检测，它们都对不同脉冲周期内相同距离单元的目标回波进行积累。一种形式的脉间积累是通过相参或非相参积累完成的，如利用分数阶傅里叶变换实现宽带雷达多周期回波相参积累的方法，它对机动目标多次回波相参积累有很好的适应性；另一种是基于互相关处理的脉间积累方法，但当目标强散射点的数目减少时它的检测性能会下降。

(2)对单个脉冲回波进行检测，它将同一脉冲周期不同距离单元的信号能量进行了积累。主要的实现方法有：能量积累检测，适合于扩展目标强散射点均匀分布的情况；二进制积累检测，当目标的能量有2/3以上集中于一个强散射点时，有较好的检测性能；基于顺序统计量的距离扩展目标检测(OS-RSTD，Order Statistic-Range Spread Target Detector)在不需要利用目标先验信息的情况下对能量集中于少数距离单元的目标，有较好的检测性能文献；依赖于散射中心密度的M/N(BSD-M/N，Based on Scattering Density-M out of N)检测，考虑了目标散射中心的空域分布密度，针对二进制积累检测器在第二检测门限M大于目标强散射点数目时，检测性能会迅速降低的问题进行改进，提高了对稀疏散射中心密度目标的检测性能；基于模糊积累的顺序统计CFAR(OS-CFAR，Order Statistic-Constant False Alarm Rate)目标检测，将多脉冲检测中的模糊积累方法应用到高分辨雷达的单脉冲检测中，在检测概率为50％时相对于二进制积累检测方法可带来约1.6dB的性能改善且具有更广泛的杂波适应性。

在上述的这些检测算法中，脉间积累虽然能够获得较理想的检测性能，但在高分辨条件下，当目标的相对运动速度很大时，将会导致相邻脉冲周期的目标距离像包络发生较大走动，那么在积累时就要对它们进行补偿，不易于工程实现。而在这些单脉冲检测方法中，二进制积累检测器有较好的检测性能，但在实现时需要依赖于目标距离像的某些先验知识，特别是其第二门限的选择，否则会导致检测不到目标的情况发生；能量积累检测器易于实现，而且不需要利用目标距离像的先验知识，是研究初期很受欢迎的一种检测方法，但它在很多情况下都存在不同的性能损失，尤其是当目标能量仅存在于少数几个距离单元时这种损失更明显；基于顺序统计量的检测器OS-RSTD改善了能量积累检测器在目标能量集中分布时的检测性能，但应用于均匀分布的目标时会由于顺序检测次数的增加导致引入的噪声分量提高，从而不利于检测的实现。同时这些检测方法都是在对目标一维像进行包络检波或平方率检波之后进行的，忽略了目标各散射点的回波相位信息，因此会产生一定的性能损失。因此如何能够充分利用扩展目标的回波信息尤其是它的相位信息成为宽带高分辨率雷达目标检测方法研究的一个新方向。

本发明着重从扩展目标强散射点的回波相位入手，对相位分布特点的分析是整个检测过程的关键，影响相位分布的主要因素有照射距离，雷达信号波长及带宽等，通过对分析结果进行相应的补偿运算，然后运用顺序积累的方法，可以有效地完成对扩展目标信号能量的积累，改善待测信号的信噪比，从而提高目标的检测概率。

发明内容

本发明的目的在于提出和设计一种基于相位补偿处理的扩展目标检测方法，在高斯背景杂波和简单目标的假设下，利用扩展目标强散射点回波的相位分布特点，通过补偿处理尽可能实现信号能量的有效积累，改善待测信号的输入信噪比，提高目标的检测概率。

本发明在对已有的宽带高分辨雷达扩展目标的检测方法充分调研的基础上，通过对简单目标在线性调频波雷达下的回波信号的分析得到其相位分布规律，结合高斯杂波随机相位分布的特点，最终提出和设计出了一种基于回波相位补偿处理的扩展目标检测方法，利用扩展目标的成像特点，首次提出了通过目标回波信号的相位特征来提高待测信号信噪比的方法。通过对典型的扩展目标分布模式的模拟和仿真比较，该方法在目标强散射点均匀分布的情况下较一般的能量积累检测法有更好的目标检测概率，改善了宽带高分辨雷达的目标检测性能，在扩展目标检测领域有很好的应用前景。

本发明的一种基于相位补偿处理的扩展目标检测方法，分为以下几个步骤：

步骤一扩展目标高分辨一维距离像的产生：即对高分辨雷达的线性调频波信号通过匹配滤波得到扩展目标的一维距离像，具体步骤如下：(1)、对系统的参考信号做FFT，取其频谱共轭获得匹配滤波器的频域响应；(2)、对目标原始回波信号做同样的FFT变换得到回波信号的频域响应；(3)、将前述步骤(2)中得到的回波频谱与匹配滤波器的频域响应相乘，得到匹配滤波后的信号频域波形；(4)、将前述步骤(3)中匹配滤波后的信号频谱进行IFFT变换，即得到该扩展目标一维距离像序列；

步骤二扩展目标回波序列的相位补偿处理，具体步骤如下：(1)、通过对宽带高分辨雷达的结构以及扩展目标强散射点的分布特点的分析，得到高分辨条件下扩展目标一维距离像中各强散射点所对应的相位与散射点的照射距离之间的关系；(2)、利用它们之间的分布关系，给出对扩展目标一维距离像序列上的各点普适的相位补偿方法，使补偿后的一维距离像序列中各强散射点所对应的回波相位趋近相同，为下一步的能量积累过程提供条件；

步骤三扩展目标的能量积累过程：即通过扩展目标一维距离像中强散射点信号幅度的同相叠加得到扩展目标的检测统计量，具体步骤如下：(1)、利用该扩展目标的先验知识对其强散射点的数目进行估计，得到估计量h_e；(2)、对补偿后的一维距离像序列进行幅度的降序排序，并对序列中前h_e个采样值进行矢量叠加，并对叠加后的结果进行平方率检波，即得到该扩展目标的检测统计量；

步骤四扩展目标检测过程的实现：该过程主要是通过单元平均恒虚警率(CA-CFAR，Cell Average-Constant False Alarm Rate)检测器实现的，具体步骤如下：(1)、利用排序后的一维距离像序列中后Ls个采样值形成参考序列，并输入到CA-CFAR检测器中得到噪声统计量；(2)、根据系统设定的恒虚警概率P_fa得到门限系数T，T与噪声统计量相乘便得到检测门限；(3)、通过比较检测门限与检测统计量的大小就可以判断目标存在与否。本发明利用1000次Monte Carlo实验得到一定虚警概率下扩展目标的检测概率与输入信噪比之间的关系，并与一般的能量积累检测方法的结果进行比较，验证该方法对检测性能的改善。

本发明提出了一种基于相位补偿处理的扩展目标检测方法，其优点和功效主要在于：

(1)本发明中采用的相位补偿方法，充分的利用了扩展目标高分辨一维距离像的相位信息，很好的解决扩展目标回波信号的相位信息难以有效利用而带来的检测性能损失的问题；

(2)本发明在利用扩展目标一维距离像相位信息的同时沿用了雷达目标检测领域经典的CA-CFAR检测方法，它的技术较为成熟，易于实现，在实际中应用广泛；

(3)本发明提出的相位补偿方法只需要对信号处理部分的软件进行改进开发，不必改装或升级硬件配置及结构，从而降低了该方法对雷达系统的硬件要求，具备更广泛地适用性。

(4)本发明具有系统软件开发成本低、周期短、便于维护和功能升级等特点。

附图说明

图1是扩展目标检测方法的结构框图。

图2是扩展目标高分辨一维距离像的形成机理示意图。

图3是相位补偿方法的示意图。

图4是CA-CFAR检测器的原理示意图。

图5是分别采用两种检测方法对三种扩展目标一维距离像模型的检测性能仿真结果图。

图6是扩展目标的实际长度h₀对检测性能的影响的仿真结果图。

图7是扩展目标的估计长度h_e对检测性能的影响的仿真结果图。

图8是检测中选取的参考序列长度Ls对检测性能的影响的仿真结果图。

具体实施方案

下面结合附图，对本发明的具体实施方式进行详细说明。

本发明提出的扩展目标检测方法的结构框图如图1所示。首先利用宽带雷达以线性调频波照射目标，产生扩展目标的一维距离像；其次利用扩展目标强散射点的回波相位分布特点对一维距离像序列进行相位的补偿处理，使补偿后的序列中扩展目标强散射点对应的回波相位趋近相同；然后对补偿后的一维序列进行幅度的降序排列，并根据目标的先验信息估计该扩展目标的强散射点数目，便于对扩展目标的能量进行积累；最后对积累后的序列进行CA-CFAR检测，得出在一定的虚警概率下扩展目标的检测概率同待测信号输入信噪比之间的关系，并通过与一般的能量积累检测的结果作比较，表现该方法的优势。

本发明采用的扩展目标一维距离像的形成机理如图2所示。在宽带雷达的高距离分辨率下，目标尺寸会远远大于其距离分辨单元，此时目标回波就不仅仅存在于某一个距离单元内，而是同时分布在多个距离单元里，呈现出多散射点结构，即为扩展目标。那么雷达接收到的回波信号便是扩展目标沿其径向方向上的一维投影分布，包含了目标上强散射点的距离信息，形成扩展目标的一维距离像。具体步骤如下：(1)、对系统的参考信号做FFT，取其频谱共轭获得匹配滤波器的频域响应；(2)、对目标原始回波信号做同样的FFT变换得到回波信号的频域响应；(3)、将前述步骤(2)中得到的回波频谱与匹配滤波器的频域响应相乘，得到匹配滤波后的信号频域波形；(4)、将步骤前述(3)中匹配滤波后的信号频谱进行IFFT变换，即得到该扩展目标一维距离像序列；

本发明中提出利用扩展目标强散射点的回波相位分布特点对一维距离像序列进行相位的补偿处理，使补偿后的序列中扩展目标强散射点对应的回波相位趋近相同。通过对线性调频波雷达系统的结构和扩展目标散射中心的分布特点进行分析，得到扩展目标强散射点的回波相位有如下分布特点：若令R₁和R₂分别对应雷达径向距离上目标某两个强散射点的照射距离，那么这两个散射点之间的相位差可表示为：

$\mathrm{\Δ\ψ}=\frac{4\mathrm{\π}(R_1-R_2)}{\mathrm{\λ}}=\frac{4\mathrm{\π\ΔR}}{\mathrm{\λ}}$

对回波序列的相位补偿处理示意图如图3所示，Δd表示序列中相邻两采样点之间的距离，

是这两个相邻的采样点之间的相位差。由于扩展目标散射点之间的相位关系与距离成正比，那么不考虑扩展目标散射点是否存在，回波信号中相邻两个样本之间的相位差应满足

因此，以序列第一个采样值的相位为基准，依次对每个采样值进行相位补偿，即对第m个采样点补偿相位

使补偿后的扩展目标各散射点对应信号的相位趋近相同。

本发明中对扩展目标能量的积累是通过由目标的部分先验知识估计扩展目标强散射点的数目来完成的。目标电磁散射场主要由目标表面微分不连续点及镜面反射点的散射所产生，这些特征点即扩展目标的强散射中心，一般位于目标的边缘、拐点及联接处，因此通过一定的目标先验知识可大概估计出扩展目标的强散射点数目h_e，然后对补偿后的一维距离像序列进行幅度的降序排列，便可对序列的前h_e个采样值进行积累得到该扩展目标的检测统计量。

本发明中提出的单元平均-恒虚警(CA-CFAR)的检测原理示意图如图4所示，其中，D为被测单元，两侧均取一定长度的保护单元；采集R＝2n个参考单元：x_i(i＝1，2，...，n)和y_i(i＝1，2，...，n)分别为前沿和后沿滑窗，n为滑窗长度，Z为背景杂波能量估计；T为门限参数，S为自适应门限。CA-CFAR的判决准则为：

其中，H1表示有目标假设，H0表示无目标假设。门限参数T与虚警概率P_fa之间有确定性关系：

T＝(P_fa)^-1/M-1

因此，在本发明中对扩展目标的检测采用恒虚警概率P_fa＝10^-6，定义平均信噪比为

$\mathrm{SNR}={10\log }_{10}\left(\frac{1}{{2h}_0{\mathrm{\σ}}^2}\underset{l=1}{\overset{h_0}{\mathrm{\Σ}}}{\left|{\tilde{z}}_l\right|}^2\right)$

其中，σ为噪声均方值，用以调节信噪比的变化。表1给出了本发明中仿真用的三种扩展目标一维距离像模型，表中h₀表示目标的实际长度，仿真时估计的目标长度为h_e。三种分布模型中扩展目标的总能量相同，模型1设计扩展目标的所有能量全部集中在一个散射点上，而模型3中扩展目标的能量均匀分布在h₀个强散射点上，模型2给出了一种折中的情况，即扩展目标的部分能量集中在一个距离单元，其余能量均匀分布在剩余的距离单元里。仿真时，在每个输入信噪比下进行1000次Monte-Carlo实验，每次实验中背景杂波均为独立不相关的高斯白噪声，得到该检测方法对扩展目标的平均检测性能。

表1

本发明对三种扩展目标模型分别在基于相位补偿处理的积累检测方法和一般的能量积累检测方法下的检测性能进行了仿真分析，结果如图5所示，发明中提出的方法对目标模型3的检测性能最好，在检测概率90％处相比于能量积累检测器大概有3dB的性能改善。

本发明对可能影响到扩展目标检测性能的因素(目标实际长度h₀，估计长度h_e，参考序列长度Ls等)进行分析，图6～8给出了仿真结果，可看出目标实际长度h₀和估计长度h_e对检测性能有一定的影响，而参考序列长度Ls对检测结果几乎没有影响。

根据以上对本发明的技术方案以及仿真数据的阐述分析可知，采用基于相位补偿处理的扩展目标检测方法能够对强散射点均匀分布的简单目标实现较理想的检测性能，提高了目标被检测发现的概率，对我国宽带高分辨雷达目标检测相关技术的研究有着重要价值，具有很好的应用前景。

Claims (1)

1.一种基于相位补偿处理的扩展目标检测方法，该方法分为以下几个步骤：

步骤一扩展目标高分辨一维距离像的产生：即对高分辨雷达的线性调频波信号通过匹配滤波得到扩展目标的一维距离像，具体步骤如下：(1)、对系统的参考信号做FFT，取其频谱共轭获得匹配滤波器的频域响应；(2)、对目标原始回波信号做同样的FFT变换得到回波信号的频域响应；(3)、将前述步骤(2)中得到的回波频谱与匹配滤波器的频域响应相乘，得到匹配滤波后的信号频域波形；(4)、将前述步骤(3)中匹配滤波后的信号频谱进行IFFT变换，即得到该扩展目标一维距离像序列；

步骤二扩展目标回波序列的相位补偿处理，具体步骤如下：(1)、通过对宽带高分辨雷达的结构以及扩展目标强散射点的分布特点的分析，得到高分辨条件下扩展目标一维距离像中各强散射点所对应的相位与散射点的照射距离之间的关系；(2)、利用它们之间的分布关系，给出对扩展目标一维距离像序列上的各点普适的相位补偿方法，使补偿后的一维距离像序列中各强散射点所对应的回波相位趋近相同，为下一步的能量积累过程提供条件；

步骤三扩展目标的能量积累过程：即通过扩展目标一维距离像中强散射点信号幅度的同相叠加得到扩展目标的检测统计量，具体步骤如下：(1)、利用该扩展目标的先验知识对其强散射点的数目进行估计，得到估计量h_e；(2)、对补偿后的一维距离像序列进行幅度的降序排序，并对序列中前h_e个采样值进行矢量叠加，并对叠加后的结果进行平方率检波，即得到该扩展目标的检测统计量；

步骤四扩展目标检测过程的实现：该过程主要是通过单元平均恒虚警率检测器实现的，具体步骤如下：(1)、利用排序后的一维距离像序列中后Ls个采样值形成参考序列，并输入到CA-CFAR检测器中得到噪声统计量；(2)、根据系统设定的恒虚警概率P_fa得到门限系数T，T与噪声统计量相乘便得到检测门限；(3)、通过比较检测门限与检测统计量的大小就可以判断目标存在与否。本发明利用1000次Monte Carlo实验得到一定虚警概率下扩展目标的检测概率与输入信噪比之间的关系，并与一般的能量积累检测方法的结果进行比较，验证该方法对检测性能的改善。

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