CN102495399A - 提高动目标检测可测速区间的多载频优化方法 - Google Patents

Abstract

一种提高动目标检测可测速区间的多载频优化方法，主要解决动目标检测中最小可检测速度与最大不模糊速度的矛盾，最小化不可测速区间。其步骤包括：(1)选择载频组；(2)最小化不可测速区间；(3)判断最大不模糊速度是否达标；(4)输出最优载频组。本发明通过采用牛顿迭代法，获得最小可检测速度对应的精确载频值，克服了现有技术发射载频的最小可检测速度不能有效满足实际需要的缺点，使得本发明具有精确程度高，动目标检测性能高的优点。通过递进选择载频组后迭代优化，克服了现有技术在动目标检测时不可测速区间过多，多频信号利用率低的缺点，使得本发明具有载频利用率高，动目标检测速度范围大的优点。

Description

提高动目标检测可测速区间的多载频优化方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，更进一步涉及目标检测技术领域中的一种多载频联合检测优化方法。本发明可以应用于运动平台多频多通道雷达地面动目标检测。在载频可选范围受限情况下，该方法通过对多频多通道系统的载频组进行优化，以最少的载频个数，获得最大的可测速区间。

背景技术

传统单通道系统通过采用频域滤波、发射特性位移、时频分析等方法能够实现动目标检测功能，但对主瓣杂波区的运动目标检测性能较差，多通道系统可通过空间信息抑制主瓣杂波，提高检测性能。但是单频均匀阵系统的最小可检测速度与最大不模糊速度之间存在矛盾，较好的最小可检测速度将导致最大不模糊速度较差、盲速区间增加，多频多通道系统可利用多载频模糊速度的差异提高检测性能。

杨垒、王彤、保铮在“一种星载ATI-GMTI系统最优基线设计方法”(电子学报，2009年第六期1175～1179页)一文中使用多基线联合处理方法，第一步将星载雷达进行子阵分割，第二步以最小化盲速区间为目标对分块方式进行搜索优化。该方法存在的不足是，需对天线进行非均匀划分，而非均匀划分阵列不利于杂波的自适应抑制。

邹博、董臻、蔡斌、梁甸农在“基于最小冗余的天基稀疏阵雷达多载频STAP研究”(信号处理2010年4月第26卷第4期601～606页)一文中使用空时频处理杂波抑制方法，利用多个载频的回波数据进行空时频联合处理，减少稀疏STAP检测中的盲速区间，提高最大不模糊速度。该方法存在的不足是没有对载频组的选择进行优化，检测性能并不是最优的。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提出一种提高动目标检测可测速区间的多载频优化方法。该方法充分利用多载频最小化不可测速区间，解决最大不模糊速度与最小可检测速度的矛盾。

本发明目的的基本思路是：首先从运动平台多频多通道处理的动目标检测性能指标出发，提出一种递进载频选择方法，然后以最小化不可测速区间为目标，采用载频组循环增加搜索法，以最少的载频个数获得大的可测速区间，最后判断多载频组合的解模糊能力是否达标。

本发明的具体步骤如下：

(1)选择载频组

1a)利用牛顿迭代法计算最小可检测速度对应的载频值，设定初始载频和最大载频误差，迭代初始载频值直到满足最大载频误差要求；

1b)如果

当f₁＜f_max时

当f₁＞f_max时，取f₁＝f_max；

其中，f₁为步骤1a)计算得到的载频，

为不属于，F_s为系统可用载频范围，f_max为系统最大可用载频，为大于f₁的最小可用载频；

1c)在步骤1b)获得的首个实际载频值的条件下，递进选择第i个载频；

利用下式计算载频组：

$V_{\mathrm{MDV}}^{f_i}=V_{\mathrm{MAX}}^{f_{i-1}}$

其中，为载频f_i的最小可检测速度，

为载频f_i-1的最大不模糊速度；

1d)当f_l+1＜f_min或

时递进选择结束，前l个载频构成载频组；

其中，f_l+1为递进获得的第l+1个载频，f_min为系统最小可选择载频，

为载频f_l+1的最大不模糊速度，V₂为动目标检测所需的最大速度；

1e)如果

取

当时，取

其中，f_i为递进获得的第i个载频，

为不属于符号，F_s为系统可用载频范围，

为大于f_i的最小可用载频，f_i-1为递进获得的第i-1个载频，

为小于f_i的最大可用载频。

(2)最小化不可测速区间

2a)利用下式计算不可测速区间：

$D=S-\underset{i=1}{\overset{I}{U}}[V_{\mathrm{MDV}}^{f_i},V_{\mathrm{MAX}}^{f_i}]U{[V_{\mathrm{MAX}}^{f_1},V_2]}_0$

其中，D为系统总体不可测速区间，S为系统检测速度区间，U为并集符号，I为当前载频组的载频个数，[ ]为区间符号，

为载频f_i的最小可检测速度，为载频f_i的最大不模糊速度，[ ]₀为两个或两个以上载频检测到的速度区间，

为载频f₁的最大不模糊速度，V₂为动目标检测所需的最大速度；

2b)当|D|＝0时，输出载频组，其中，D为系统总体不可测速区间，|D|为区间D长度值；

2c)当|D|＞0时，在步骤(1)得到的载频组中增添n个载频，构成新的载频组，利用步骤2a)计算该载频组对应的不可测速区间长度，搜索新添加的n个载频使得不可测速区间长度最短，返回步骤(2)；

其中，D为系统总体不可测速区间，|D|为区间D长度值，n为添加载频的个数，初始n＝1，每次循环后n增1；

(3)判断最大不模糊速度是否达标

3a)计算载频组中任意两个载频各自的最大不模糊速度的最小公倍数，获得该两个载频的最大可解不模糊速度值；

3b)当所有最大可解不模糊速度V_MAX(f_i，f_j)＞V₂时，则该载频最大不模糊速度达标，输出载频组；当存在任意一个最大可解不模糊速度V_MAX(f_i，f_j)＜V₂时，则该载频组不可用，返回步骤(2)选择次优载频组；

其中，V_MAX(f_i，f_j)为载频f_i和载频f_j的最大可解不模糊速度，f_i为第i个载频，f_j为第j个载频，V₂为动目标检测所需的最大速度。

(4)输出最优载频组。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明采用牛顿迭代法求解输出信杂噪比公式，获得最小可检测速度对应的载频值，克服了现有技术发射载频的最小可检测速度不能有效满足实际需要的缺点，使得本发明具有精确程度高，动目标检测性能高的优点。

第二，本发明由于采用载频递进选择方法，可以有效解决最小可检测速度与最大不模糊速度的矛盾，得到最小的不可测速区间，克服了现有技术在动目标检测时不可测速区间过多的问题，使得本发明具有载频利用率高，可测速区间范围大的优点。

第三，本发明由于采用载频组循环增加搜索法，用最少载频个数得到最小的不可测速区间，克服了现有技术在多频多通道系统下多频信号利用率低的缺点，使得本发明具有计算复杂度低，动目标检测性能高的优点。

附图说明

图1为本发明的流程图；

图2为本发明得到的最优载频组的输出信杂噪比曲线。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的描述。

参照图1，本发明的具体实施步骤如下：

步骤1.选择载频组

首先，为了获得系统所需最小可检测速度对应的精确载频值，采用牛顿迭代法计算载频值，设定初始载频值和最大载频误差，迭代初始载频值直到满足最大载频误差要求。

根据输出信杂噪比公式，采用牛顿迭代法求解最小可检测速度对应载频值如下：

$F\left(f_{\min }\right)=N\·\mathrm{SNR}-{\left(\frac{\sin \frac{\mathrm{N\π}{v}_r\mathrm{df}}{{\mathrm{cv}}_a}}{\sin \frac{\mathrm{\π}{v}_r\mathrm{df}}{{\mathrm{cv}}_a}}\right)}^2\frac{\mathrm{CNR}\·\mathrm{SNR}}{(N\·\mathrm{CNR}+1)}-l=0$

设定首个载频值f₀，迭代计算公式为：

$f_{m+1}=f_m-\frac{F\left(f_m\right)}{F^{\′}\left(f_m\right)}$

迭代终止函数如下：

|f_min-f_m|＜ε

其中：F为曲线函数，f_min为最小可检测速度对应的载频值，N为系统可用阵列个数，SNR为单个通道输入信噪比，sin为正弦函数，v_r为动目标运动速度，d为均匀阵的阵元间距，f_m表示第m个载频值，c为光速，v_a表示运动平台沿航迹的速度，CNR为输入的杂噪比，l表示门限，ε表示设定的最大允许误差值。

如果该载频值

当f₁＜f_max时

当f₁＞f_max时，取f₁＝f_max；其中，f₁为步骤1a)计算得到的载频，

为不属于，F_s为系统可用载频范围，f_max为系统最大可用载频，为大于f₁的最小可用载频。

其次，为了获得最优的可测速区间，利用下式递进计算第i个载频：

$V_{\mathrm{MDV}}^{f_i}=V_{\mathrm{MAX}}^{f_{i-1}}$

其中，

为载频f_i的最小可检测速度，

为载频f_i-1的最大不模糊速度；

当f_l+1＜f_min或

时递进选择结束，前l个载频构成载频组，其中f_l+1为递进获得的第l+1个载频，f_min为系统最小可选择载频，

为载频f_l+1的最大不模糊速度，V₂为动目标检测所需的最大速度；

按照如下公式计算：

$V_{\mathrm{MAX}}^{f_i}=\frac{v_{a}c}{4d\·f_i}$

其中，

为载频f_i的最小可检测速度，v_a为平台运动速度，c为光速，d为均匀阵的阵元间距，f_i为第i个载频。

最后，根据可选范围对载频进行修正，如果

取

当

时，取其中，f_i为递进获得的第i个载频，

为不属于符号，F_s为系统可用载频范围，为大于f_i的最小可用载频，f_i-1为递进获得的第i-1个载频，为小于f_i的最大可用载频。

步骤2.最小化不可测速区间

首先，为了获得载频组的检测性能，利用下式计算不可测速区间：

$D=S-\underset{i=1}{\overset{I}{U}}[V_{\mathrm{MDV}}^{f_i},V_{\mathrm{MAX}}^{f_i}]U{[V_{\mathrm{MAX}}^{f_1},V_2]}_0$

其中，D为系统总体不可测速区间，S为系统检测速度区间，U为并集符号，I为当前载频组的载频个数，[ ]为区间符号，

为载频f_i的最小可检测速度，

为载频f_i的最大不模糊速度，[ ]₀为两个或两个以上载频检测到的速度区间，

为载频f₁的最大不模糊速度，V₂为动目标检测所需的最大速度。

其次，判断不可测速区间是否最小化：以最小化不可测速区间长度为目标进行循环搜索，依次添加n个载频至载频组合，每次循环n增1，系统总体不可测速区间长度为0时或n＝k-l时搜索终止，输出最优载频组合。

当|D|＝0时，输出载频组；当|D|＞0时，在步骤(1)得到的载频组中增添n个载频，构成新的载频组，搜索n个载频使载频组的不可测速区间长度最短，返回步骤(2)，其中，D为系统总体不可测速区间，|D|为区间D的长度值，n为添加载频的个数，初始n＝1，每次循环后n增1。

步骤3.判断最大不模糊速度是否达标

首先，为确保在测速区间可测速，计算载频组的最大不模糊速度。

计算载频组中任意两个载频各自的最大不模糊速度的最小公倍数，获得该两个载频的最大可解不模糊速度值。

两个载频各自的最大不模糊速度的公倍数按照如下公式计算：

$V=m\·V_{\mathrm{MAX}}^{f_i}=n\·V_{\mathrm{MAX}}^{f_j}$

其中，V为公倍数，m为正整数，

为载频f_i的最大不模糊速度，n为正整数，

为载频f_j的最大不模糊速度。

两个载频的最大可解不模糊速度值为公倍数中的最小值。

其次，判断最大不模糊速度是否达标：当所有最大可解不模糊速度V_MAX(f_i，f_j)＞V₂时，则最大不模糊速度达标，输出载频组；当存在任意一个最大可解不模糊速度V_MAX(f_i，f_j)＜V₂时，则该载频组不可用，返回步骤(2)选择新的次优载频组，其中，V_MAX(f_i，f_j)为载频f_i和载频f_j的最大可解不模糊速度，f_i为第i个载频，f_j为第j个载频，V₂为动目标检测所需的最大速度。

步骤4.输出最优载频组。

本发明的效果可以通过下述仿真实验加以说明：

仿真条件

雷达工作在正侧视一发多收模式，平台沿航迹运动速度v_a＝100m/s，噪声满足复高斯分布，信噪比为13dB，杂噪比为30dB，门限为18dB，使用阵列孔径为2m的4元均匀阵，系统所需速度区间为[1.5m/s，30m/s]，可选载频范围为L波段和S波段。

仿真结果

图2是本方法获得的最优载频组的输出信杂噪比曲线。其中横坐标表示动目标径向速度值，纵坐标表示输出信杂噪比，虚线为载频1.3GHZ对应的输出信杂噪比曲线；实线为载频2.8GHZ对应的输出信杂噪比曲线；点划线为载频3.3GHZ对应的输出信杂噪比曲线；点线为载频3.7GHZ对应的输出信杂噪比曲线，仿真结果的分析如下：

采用牛顿迭代法计算输出信杂噪比式得到最小可检测速度对应载频为3.7GHZ，递进法得到第二个载频为1.2GHZ，修正后选取1.3GHZ，对应最大不模糊速度为11.5m/s，递进结束；迭代搜索得到最优载频组合{1.3GHZ，2.8GHZ，3.3GHZ，3.7GHZ}，最大不模糊速度达标，在系统所需测速区间内，此载频组的不可测速区间长度为0。

实验结果显示采用牛顿迭代法计算输出信杂噪比函数可精确得到满足最小可检测速度需要的载频，递进选择载频组，并在载频选择范围受限下循环搜索获得最优的可测速区间，证明本发明可使用最少的载频个数解决最大不模糊速度与最小可检测速度的矛盾，提高系统可测速区间。

Claims (4)

1.一种提高动目标检测可测速区间的多载频优化方法，包括如下步骤：

(1)选择载频组

1a)利用牛顿迭代法计算最小可检测速度对应的载频值，设定初始载频和最大载频误差，迭代载频值直到满足最大载频误差要求；

1b)如果

当f₁＜f_max时

当f₁＞f_max时，取f₁＝f_max；

其中，f₁为步骤1a)计算得到的载频，

为不属于符号，F_s为系统可用载频范围，f_max为系统最大可用载频，

为大于f₁的最小可用载频；

1c)在步骤1b)获得的首个实际载频值的条件下，递进选择第i个载频；

利用下式计算载频组：

$V_{\mathrm{MDV}}^{f_i}=V_{\mathrm{MAX}}^{f_{i-1}}$

其中，为载频f_i的最小可检测速度，

为载频f_i-1的最大不模糊速度；

1d)当f_l+1＜f_min或时递进选择结束，前l个载频构成载频组；

其中，f_l+1为递进获得的第l+1个载频，f_min为系统最小可选择载频，

为载频f_l+1的最大不模糊速度，V₂为动目标检测所需的最大速度；

1e)如果

取当

时，取

其中，f_i为载频组的第i个载频，

为不属于符号，F_s为系统可用载频范围，

为大于f_i的最小可用载频，f_i-1为递进获得的第i-1个载频，

为小于f_i的最大可用载频；

(2)最小化不可测速区间

2a)利用下式计算不可测速区间：

$D=S-\underset{i=1}{\overset{I}{U}}[V_{\mathrm{MDV}}^{f_i},V_{\mathrm{MAX}}^{f_i}]U{[V_{\mathrm{MAX}}^{f_1},V_2]}_0$

其中，D为系统总体不可测速区间，S为系统检测速度区间，U为并集符号，I为当前载频组的载频个数，[ ]为区间符号，

为载频f_i的最小可检测速度，

为载频f_i的最大不模糊速度，[ ]₀为两个或两个以上载频检测到的区间符号，

为载频f₁的最大不模糊速度，V₂为动目标检测所需的最大速度。

2b)当|D|＝0时，输出载频组，其中，D为系统总体不可测速区间，|D|为区间D长度值；

2c)当|D|＞0时，在步骤(1)得到的载频组中增添n个载频，构成新的载频组，利用步骤2a)计算该载频组对应的不可测速区间长度，搜索新添加的n个载频使得不可测速区间长度最短，返回步骤(2)；

其中，D为系统总体不可测速区间，|D|为区间D的长度值，n为载频添加个数，初始n＝1，每次循环后n增1；

(3)判断最大不模糊速度是否达标

3a)计算载频组中任意两个载频各自的最大不模糊速度的最小公倍数，获得该两个载频的最大可解不模糊速度值；

3b)当所有最大可解不模糊速度V_MAX(f_i，f_j)＞V₂时，则该载频最大不模糊速度达标，输出载频组；当存在任意一个最大可解不模糊速度V_MAX(f_i，f_j)＜V₂时，则该载频组不可用，返回步骤(2)选择次优载频组；

其中，V_MAX(f_i，f_j)为载频f_i和载频f_j的最大可解不模糊速度，f_i为第i个载频，f_j为第j个载频，V₂为所需动目标检测的最大速度；

(4)输出最优载频组。

2.根据权利要求1所述的提高动目标检测可测速区间的多载频优化方法，其特征在于：步骤1a)所述的采用牛顿迭代法计算载频值，设定初始载频值和最大载频误差，迭代初始载频值直到满足最大载频误差要求。

3.根据权利要求1所述的提高动目标检测可测速区间的多载频优化方法，其特征在于：步骤1c)所述的载频组使用如下递进公式计算：

$V_{\mathrm{MDV}}^{f_i}=V_{\mathrm{MAX}}^{f_{i-1}}$

其中，

为载频f_i-1的最大不模糊速度，

为载频f_i的的最小可检测速度。

4.根据权利要求1所述的提高动目标检测可测速区间的多载频优化方法，其特征在于：所述步骤(2)中以最小化不可测速区间长度为目标进行循环搜索，依次添加n个载频至载频组合，每次循环n增1，系统总体不可测速区间长度为0时搜索终止，输出最优载频组合。