CN102426354A - 基于加权顺序统计和多脉冲相参积累的宽带雷达检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于加权顺序统计和多脉冲相参积累的宽带雷达检测方法,主要解决高速运动目标空间分布状态未知场景下的检测问题。其实现过程是:生成有杂波的宽带雷达目标多脉冲回波,并将回波沿距离域做FFT;计算杂波归一化协方差矩阵;将距离频率域数据做预白化处理和chirp-z变换;估计目标速度并做相参积累;对相参积累后的脉冲做IFFT;计算脉冲各距离单元平方包络并降序排列;对降序排列后数据加权处理;初始化计数器;计算计数距离单元自适应匹配滤波器能量积累;根据阈值检测目标是否存在。本发明能有效抑制杂波,并能校正回波的越距离单元走动,降序加权处理使得雷达能在目标空间分布未知状态下快速检测到目标。
Description
技术领域
本发明属于雷达技术领域,涉及目标检测方法,可用于非高斯杂波中的基于多次相参脉冲回波的宽带雷达检测高效处理。
背景技术
对于匹配滤波器理论,如果目标冲激响应是已知的,宽带雷达最优检测器是匹配于发射波形和目标冲激响应的滤波器。但在实际情况中待检测目标冲激响应是未知的,因此,现实中匹配滤波检测器很难实现。所以,在过去的几十年里,发明了几种基于单次目标回波各种不确定性假设的最优和次优检测器。若目标散射中心个数和位置已知,最优非相干积累检测器ONCID可通过积累包含目标散射中心的回波距离单元的包络平方实现;若目标冲激响应未知,可通过积累检测窗内所有距离单元的能量的能量积累检测器EID;若目标散射中心个数已知,利用目标散射中心个数的期望的空域散射密度广义似然比检测器SSD-GLRT;另外还有利用目标散射中心个数这一先验信息的次优检测器,比如序贯检测器ROD和二进制积累检测器BID,但在实际中,关于待检测目标散射中心个数的先验信息是难以获得的。
在宽带雷达中,利用多次相参脉冲回波进行杂波抑制和目标回波相参积累以提高信杂比来提高检测性能。近年来,已发表的研究宽带雷达距离扩展目标检测问题的方法主要有非高斯的杂波环境中基于多个相参接收机的宽带雷达检测算法,单纯考虑检测单元和参考单元杂波功率是否相等场景下,利用奈曼-皮尔逊准则得到的检测器,例如均匀和部分均匀杂波环境中距离扩展目标的广义似然比检测器GLRT,GLRT向同时存在杂波和干扰环境推广后的检测器,非均匀杂波中距离扩展目标的广义似然比检测器,以及考虑杂波抑制的非均匀杂波中利用多次相参回波的距离扩展目标检测方法。以上检测算法都没有考虑目标在不同接收器间的越距离单元走动或多次回波间的越距离单元走动,虽然在目标与雷达的相对速度较小时,上述算法不会因距离走动产生较大的损失,但当目标与雷达的相对速度较大时,目标回波的越距离单元走动会使雷达的检测性能降低,严重时甚至会造成待检测目标的丢失。
发明内容
本发明的目的在于克服上述检测器中目标散射中心个数未知和未考虑多次回波间越距离走动问题的不足,提出了一种基于加权顺序统计和多脉冲相参积累的宽带雷达检测方法,以在目标散射点个数未知情况下,当目标与雷达的相对速度较大时提高雷达检测性能。
为实现上述目的,本发明的宽带雷达检测方法,包括如下步骤:
1)将宽带雷达目标的近似模型和杂波模型分别表示为s(m,tk)和其中m表示一个相参处理时间内的第m个脉冲,tk表示脉内快时间,l是距离单元标号,u(l)表示第l个距离单元的杂波功率,g(m,l)为第m个脉冲中的第l个距离单元的杂波相位,列向量g(·,l)是与u(l)统计独立的M维零均值复高斯随机变量,M表示脉冲个数,并用行向量d(m,tk)表示第m个脉冲中杂波;
2)根据目标近似模型和杂波模型,得到脉冲回波:z(m,tk)=s(m,tk)+d(m,tk),其中m=1,2,...,M,并对脉冲回波z(m,tk)以快时间tk为变量做FFT变换到距离频率域,得到z(m,f),其中f表示频率;
3)对z(m,f)离散采样,得到离散频谱z(m,n),m=1,2,...,M,n=1,2,...,G,其中n表示离散频率变量,G表示脉冲回波所包含的距离单元个数,设定离散频谱的前N个距离单元为检测单元,而接着的JN个距离单元为参考单元,检测单元和参考单元个数之和满足关系式:(N+JN)≤G,并用参考单元数据估计杂波归一化协方差矩阵其中列向量zn表示第n个距离频率单元中M次连续脉冲的观测矢量,上标H表示共轭转置;
5)设定Cn为chirp-z变换矩阵,将预白化后的数据矢量yn沿距离维通过chirp-z变换后由脉冲域转换到多普勒域,得到每个距离频率单元的信号的归一化多普勒频率都相等,chirp-z变换后的结果:qn=Cnyn,n=1,2,...,N,qn中第k维数据是yn经chirp-z处理后第k个多普勒通道的输出qn,k,其中,k=1,2,...,M,得到第n个距离频率单元中第k个多普勒通道的包络幅值为rn,k=κn,kqn,k,其中而是矩阵的对角线上的第k个元素的倒数;
6)对M个多普勒通道中rn,k,k=1,2,...,M做相参积累,得到第n个距离频率单元的M次回波经过预白化和chirp-z变换后相参积累的结果rn;并将第k个多普勒通道中的各距离单元包络幅值rn,k,n=1,2,...,N进行能量加和:并对其余(M-1)个多普勒通道也做能量加和处理,然后将所有多普勒通道中能量和最大的多普勒通道用表示,根据多普勒通道可得到目标的运动速度,将第n个距离频率单元的相参积累rn和求得速度的多普勒通道综合表示为只代表在求得目标速度的情况下第n个距离频率单元的相参积累;
8)对gl的模值求平方,得到回波在距离域相参积累后每个距离单元的平方包络:xl=|gl|2,l=1,2,...,N,并将xl,l=1,2,...,N进行降序排列,依次表示为x(1),x(2),...,x(N),即x(1)>x(2)>L>x(N);
9)设定加权值为wl,l=1,2,...,N,对重排后的数据加权,则每个距离单元平方包络加权结果表示为wlx(l),l=1,2,...,N;
10)将计数器进行初始化,设定i=0;
12)根据设定的目标检测虚警概率在阈值表中选择对应的阈值ηi和杂波功率将ti与ηi和的乘积进行比较,若表示检测到目标;若则表示没有检测到目标,转至步骤11),如果i=N时仍有则表示遍历整个检测窗后目标不存在。
本发明由于利用多次相参脉冲回波积累,能有效抑制杂波并提高信杂比,同时由于利用chirp-z变换校正目标回波的越距离单元走动,使得在目标速度较大时仍能实现所有频率单元回波信号的能量累积,此外由于利用目标经过杂波抑制和相参积累后的回波做降序加权处理,能在目标空间分布未知场景中高效实现对距离扩展目标的检测。
以下结合附图对发明的实施例进行详细描述:
附图说明
图1是本发明实现总流程图;
图2是本发明在不同输入信杂比的检测结果图。
具体实施方式
参照图1,本发明的具体实现步骤如下:
步骤1,生成加杂波的宽带雷达目标多脉冲回波。
利用宽带雷达目标多脉冲回波的近似模型s(m,tk)和球不变随机变量杂波d(m,tk)生成加杂波的宽带雷达目标多脉冲回波:z(m,tk)=s(m,tk)+d(m,tk),其中m=1,2,...,M,M为一个相参处理单元内所包含的脉冲个数,tk为脉内快时间;
宽带雷达目标多脉冲回波的近似模型:
其中,L为目标回波占据的距离单元数,Al为第l个距离单元的回波幅度,p[·]为雷达脉冲包络,Rl为第l个距离单元0时刻与雷达的径向距离,v为目标速度,c为光速,Tr为脉冲重复周期,fc为雷达发射信号载频;
球不变随机变量用来描述高分辨雷达杂波,连续M次回波中不同距离单元内的杂波以矩阵形式表示为: 表示第l个距离单元的杂波功率,设定杂波使部分均匀的,g(m,l)为第m个脉冲中的第l个距离单元的杂波相位,列向量g(·,l)是与u(l)统计独立的M维零均值复高斯随机变量,且具有相同的协方差矩阵R,并用行向量d(m,tk)表示第m个脉冲中杂波。
步骤2,对加杂波的宽带雷达目标多脉冲回波沿距离域做FFT。
由于在距离域直接处理目标的越距离单元走动不方便,因此对脉冲回波z(m,tk)以快时间tk为变量做FFT变换到距离频率域,得到z(m,f),其中f表示频率,并对z(m,f)离散采样,得到目标回波的离散频谱z(m,n),m=1,2,...,M,n=1,2,...,G,其中n表示离散频率变量,G表示脉冲回波所包含的距离单元个数,设定离散频谱的前N个距离单元为检测单元,而接着的JN个距离单元为参考单元,检测单元和参考单元个数之和满足关系式:(N+JN)≤G;
在距离频率-慢时间域,部分均匀杂波中,存在距离走动的宽带雷达目标的检测问题可以抽象为以下二元假设检验:
其中,zn=z(·,n)为第n个距离频率单元中由M次连续脉冲得到的观测矢量,·表示M个不同脉冲,cn=c(·,n)为M维杂波矢量,sn=s(·,n)为M维目标矢量。
步骤3,计算杂波归一化协方差矩阵。
在距离频率域,参考单元和检测单元的杂波的归一化协方差矩阵是相同的,因此仅利用参考单元数据计算杂波的归一化协方差矩阵,同时由于检测器中杂波的归一化协方差矩阵R可由采样协方差矩阵代替,即所以,杂波的归一化协方差矩阵为:上标H表示共轭转置。
步骤5,对预白化后数据yn做chirp-z变换。
由于多普勒和距离频率的线性耦合关系,各频率单元的多普勒是不同的,因此直接将各频率单元的白化后的信号的DFT谱平方直接相加积累无法实现对所有频率单元回波信号的能量积累,所以将预白化后的数据矢量yn沿距离维通过chirp-z变换后由脉冲域转换到多普勒域实现多普勒频率变标,得到每个距离频率单元的信号的归一化多普勒频率都相等;
设定Cn为chirp-z变换矩阵:
利用chirp-z变换矩阵Cn对预白化后数据矢量yn进行chirp-z变换,其结果为:qn=Cnyn,n=1,2,...,N。
步骤6,利用chirp-z变换后的数据qn估计目标脉冲速度并做相参积累。
6a)设定矩阵的对角线上的第k个元素为qn,k为qn中第k维数据,则第n个距离频率单元中的第k个多普勒通道的包络幅值为rn,k=κn,kqn,k,其中qn,k是yn经chirp-z处理后第k个多普勒通道的输出,k=1,2,...,M;
6d)对M个多普勒通道中rn,k,k=1,2,...,M再做相参积累,得到第n个距离频率单元的M次回波经过预白化和chirp-z变换后相参积累的结果rn;
由于将检测窗内的观测信号变换到频域会使目标的回波信号分散到整个检测窗内,这样在距离频率域对目标回波做能量积累时会加入超量积累噪声;当检测窗的长度比目标回波的支撑区大很多时,超量积累噪声引起的超量积累损失是不可忽视的,为克服频域能量积累中的超量积累损失,要将距离频率域的相参积累脉冲转换回到距离域,即通过对距离频率域相参积累脉冲做IFFT处理得到回波在距离域相参积累脉冲。
步骤8,计算距离域相参积累脉冲各距离单元的平方包络,并对平方包络做降序排列。
距离频率域相参积累脉冲中的各距离单元经IFFT变换转换到距离域,将回波在距离域相参积累后的脉冲中的各距离单元数据表示为gl,l=1,2,...,N,则gl由转化而来的表达式为:对gl的模值求平方,得到距离域相参积累后的脉冲中各距离单元的平方包络:xl=|gl|2,l=1,2,...,N;
并将平方包络xl,l=1,2,...,N进行降序排列,依次表示为x(1),x(2),...,x(N),即得到降序排列后结果:x(1)>x(2)>L>x(N)。
步骤9,对降序排列后数据做加权处理。
对降序排列平方包络做加权处理的作用是抑制低信噪比距离单元对宽带雷达目标检测器的贡献,即平方包络值越小的距离单元所加的权值wl越小;
由于实际中目标的多变性,很难找到针对所有目标的通用权值,所以引进一系列指数权值,表示为:
wl=e-τ(l-1)/N,l=1,2,K,N
其中,τ表示衰减因子,用于控制权值的衰减速度,衰减因子τ越大,权值wl衰减越快,使得低信噪比距离单元对宽带雷达目标检测器的贡献越小;
利用指数权值wl对降序排列后数据做加权处理,得到加权数据wlx(l),l=1,2,...,N。
步骤10,初始化计数器i=0。
步骤11,计算计数距离单元自适应匹配滤波器输出能量积累。
每检测一个距离单元,计数器的值自增1,即i=i+1;
步骤12,利用ti判断目标是否存在。
在这一步骤中,非相干积累的距离单元数是自适应确定的,不要求预先根据待检测目标强散射中心个数设定,即在宽带雷达检测性能稳定的范围内仍能实现对空间分布情况未知目标的检测;
第二个阶段是要判断计数器当前计数值i与检测窗长N的逻辑关系,如果i<N,说明还没有遍历所有整个检测窗,仍需要转至步骤11继续检测;如果i=N,仍有则说明遍历整个检测窗后仍没有检测到目标,即做出没有目标的判决,并结束检测过程。
本发明的效果通过以下仿真对比试验进一步说明:
1.实验场景:
实验数据包括用科学计算软件matlab7.0仿真产生的服从K分布的海杂波以及用电磁仿真软件Backscattering Simulation Software产生的“战斧”巡航导弹的宽带雷达回波。目标长度为6.9米,目标相对雷达的飞行速度为245米/秒,雷达带宽为1GHz,距离分辨率为0.15米,雷达脉冲重复频率为1000Hz,一个相参处理时间内包含32个脉冲。
2.仿真内容:
利用实验数据,通过计算机蒙特卡罗仿真实验,分别估计本发明给出的检测方法,最优检测方法以及常规检测方法的检测概率-输入信号信杂比曲线。其中最优检测方法是指在脉冲间进行相参积累时校正了目标回波包络的距离走动,而在沿距离维进行非相参积累时,只对包含目标回波的距离单元进行积累;常规检测方法则是在进行脉冲间的相参积累时不考虑目标回波包络的越距离单元走动,在沿距离维进行非相参积累时直接在目标回波支撑区做能量积累。在估计检测概率-输入信号信杂比曲线时,设定的目标检测虚警概率是Pfa=10-4,蒙特卡罗仿真的独立实验次数是10000。仿真结果如图2所示。
3.仿真结果分析:
从图2中可以看出,本发明的检测方法要明显优于常规检测方法,在检测概率为0.8处二者相差大约12dB,这是因为本发明的检测方法校正了相参处理时间内目标回波的越距离单元走动,实现了多脉冲的相参积累,而且本发明的检测算法在沿距离维做非相参积累时抑制了无目标回波距离单元对检测的影响。
另一方面,本发明的检测方法相比于最优检测方法也存在明显的性能损失。在检测概率为0.8处性能损失大约为2.2dB。这是因为最优检测方法是在假设目标的散射中心的位置和个数都已知的条件下得到的,并且只对包含目标散射中心回波的距离单元进行了积累,而本发明的检测方法则是针对这些信息未知的情况设计的,它们的不确定性引起了检测性能的下降。
Claims (5)
1.一种基于加权顺序统计和多脉冲相参积累的宽带雷达检测方法,包括如下步骤:
1)将宽带雷达目标的近似模型和杂波模型分别表示为s(m,tk)和其中m表示一个相参处理时间内的第m个脉冲,tk表示脉内快时间,l是距离单元标号,u(l)表示第l个距离单元的杂波功率,g(m,l)为第m个脉冲中的第l个距离单元的杂波相位,列向量g(·,l)是与u(l)统计独立的M维零均值复高斯随机变量,M表示脉冲个数,并用行向量d(m,tk)表示第m个脉冲中杂波;
2)根据目标近似模型和杂波模型,得到脉冲回波:z(m,tk)=s(m,tk)+d(m,tk),其中m=1,2,...,M,并对脉冲回波z(m,tk)以快时间tk为变量做FFT变换到距离频率域,得到z(m,f),其中f表示频率;
3)对z(m,f)离散采样,得到离散频谱z(m,n),m=1,2,...,M,n=1,2,...,G,其中n表示离散频率变量,G表示脉冲回波所包含的距离单元个数,设定离散频谱的前N个距离单元为检测单元,而接着的JN个距离单元为参考单元,检测单元和参考单元个数之和满足关系式:(N+JN)≤G,并用参考单元数据估计杂波归一化协方差矩阵其中列向量zn表示第n个距离频率单元中M次连续脉冲的观测矢量,上标H表示共轭转置;
5)设定Cn为chirp-z变换矩阵,将预白化后的数据矢量yn沿距离维通过chirp-z变换后由脉冲域转换到多普勒域,得到每个距离频率单元的信号的归一化多普勒频率都相等,chirp-z变换后的结果:qn=Cnyn,n=1,2,...,N,qn中第k维数据是yn经chirp-z处理后第k个多普勒通道的输出qn,k,其中,k=1,2,...,M,得到第n个距离频率单元中第k个多普勒通道的包络幅值为rn,k=κn,kqn,k,其中而是矩阵的对角线上的第k个元素的倒数;
6)对M个多普勒通道中rn,k,k=1,2,...,M做相参积累,得到第n个距离频率单元的M次回波经过预白化和chirp-z变换后相参积累的结果rn;并将第k个多普勒通道中的各距离单元包络幅值rn,k,n=1,2,...,N进行能量加和:并对其余(M-1)个多普勒通道也做能量加和处理,然后将所有多普勒通道中能量和最大的多普勒通道用表示,根据多普勒通道可得到目标的运动速度,将第n个距离频率单元的相参积累rn和求得速度的多普勒通道综合表示为只代表在求得目标速度的情况下第n个距离频率单元的相参积累;
8)对gl的模值求平方,得到回波在距离域相参积累后每个距离单元的平方包络:xl=|gl|2,l=1,2,...,N,并将xl,l=1,2,...,N进行降序排列,依次表示为x(1),x(2),...,x(N),即x(1)>x(2)>L>x(N);
9)设定加权值为wl,l=1,2,...,N,对重排后的数据加权,则每个距离单元平方包络加权结果表示为wlx(l),l=1,2,...,N;
10)将计数器进行初始化,设定i=0;
2.根据权利要求1所述的宽带雷达检测方法,其中步骤1)所涉及的目标近似模型s(m,tk),表示为:
式中,Tr表示雷达发射脉冲重复周期,fc表示雷达发射载频,全时间变量t表示为脉内快时间tk和脉间慢时间之和t=mTr+tk,第m个脉冲的回波近似模型,L表示目标回波占据距离单元数,Al表示第l个距离单元的回波幅度,p[·]表示雷达脉冲包络,Rl表示0时刻目标散射点与雷达的径向距离,v表示目标速度,c表示光速。
4.根据权利要求1所述的宽带雷达检测方法,其中步骤9)所涉及的加权值wl,表示为:
wl=e-τ(l-1)/N,l=1,2,K,N
式中,τ表示衰减因子,用于控制权值的衰减速度。
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PB01 | Publication | ||
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