CN102645648B - 一种用于改善船用雷达目标检测性能的脉冲积累方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于改善船用雷达目标检测性能的脉冲积累方法，其通过对雷达回波信号进行采样，并对采样数据进行抑制噪声处理得到一个雷达回波信号的样本数据，然后利用船用雷达的量程和船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度的改变情况，确定雷达回波信号的往返时间和每次累加的采样点的个数的更新，接着利用船用雷达发射的雷达脉冲信号的重复频率的改变情况，确定雷达回波信号的累积个数的更新，最后根据累积个数的雷达回波信号的样本数据计算得到一条雷达扫描线的数据，这样在雷达回波信号比较微弱的情况下，能够有效提高脉冲积累的信噪比，在尽可能抑制噪声的同时把目标脉冲信号提取出来，达到改善船用雷达的接收机的目标检测性能。

Description

一种用于改善船用雷达目标检测性能的脉冲积累方法

技术领域

本发明涉及一种船用雷达目标检测技术，尤其是涉及一种用于改善船用雷达目标检测性能的脉冲积累方法。

背景技术

船用雷达在船舶导航中起着非常重要的作用，船用雷达能否精确地检测到海上目标直接影响到船用雷达的性能和船舶的安全。由于海上环境复杂多变，因此在船用雷达的接收机输入端，其接收到的雷达回波信号总是与噪声以及海杂波等干扰信号混杂在一起，有时甚至会使微弱的雷达回波信号淹没在干扰信号中。

目前，雷达回波信号的检测中广泛使用奈曼-皮尔逊准则，这个准则要求在给定信噪比的条件下，满足一定虚警概率时的发现概率最大。然而，较多的干扰信号会增加虚警概率或相应地降低虚警概率恒定时的检测概率。因此，提高雷达回波信号的信噪比、从根本上减小错误判决的概率、有效地抑制噪声以及海杂波等干扰信号、提高对海上目标的检测性能对船用雷达的接收机中的信号处理部分具有十分重要的意义。

脉冲积累可以有效提高雷达回波信号的信噪比，从而可提高目标检测性能。现有的脉冲积累实现方法是对M个脉冲进行积累从而提高雷达回波信号的信噪比M倍，然而每次脉冲积累的个数M取决于船用雷达的天线的参数，这就限制了船用雷达的目标检测能力，从而导致船用雷达在信噪比较低的条件下不能准确地检测到微弱的目标信号。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种能够使船用雷达在信噪比较低的条件下准确地检测到目标，达到改善船用雷达目标检测性能的脉冲积累方法。

本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为：一种用于改善船用雷达目标检测性能的脉冲积累方法，其特征在于包括以下步骤：

①船用雷达的天线接收一个雷达回波信号，并传输雷达回波信号给船用雷达的接收机中的信号处理单元；

②信号处理单元中的模数转换器（ADC，Analog to Digital Converter）对接收到的雷达回波信号进行采样，采样点的个数设为N，得到N个采样数据，分别记为D(1),D(2),…,D(i),…，D(N-1),D(N)，然后传输N个采样数据给信号处理单元中的现场可编程门阵列（FPGA，Field Programmable Gate Array），其中，i∈[1,N]，N=f_s×t，f_s表示信号处理单元中的模数转换器的采样频率，t表示一个雷达回波信号的往返时间；

③信号处理单元中的现场可编程门阵列接收N个采样数据，并对N个采样数据进行抑制噪声处理，得到雷达回波信号对应的样本数据，记为{C(k)k=1,2,...,N}， $C\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{M}\underset{j=k-M+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}D\left(j\right)& k=M,M+1,...,N\\ D\left(k\right)& k=\mathrm{1,2},...,M-1\end{array}\right.,$ 其中，C(k)表示雷达回波信号对应的样本数据{C(k)|k=1,2,…,N}中的第k个样本点，D(j)表示第j个采样数据，D(k)表示第k个采样数据；

④判断船用雷达的量程或船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度是否发生改变，如果船用雷达的量程发生改变，则更新一个雷达回波信号的往返时间t，

然后返回步骤①继续执行；如果船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度发生改变，则更新一个雷达回波信号中的N个采样点中每次累加的采样点的个数M，M=τ×f_s，然后返回步骤①继续执行；否则，执行步骤⑤；其中，t、M的初始值均为0，R表示船用雷达的量程，c表示船用雷达发射的雷达脉冲信号的传播速度，τ表示船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度；

⑤重复执行步骤①至步骤③n-1次，共得到n个雷达回波信号对应的样本数据，记为{C_l(k)|l=1,2,…,n;k=1,2,…,N}，然后执行步骤⑥，其中，C_l(k)表示第l个雷达回波信号对应的样本数据中的第k个样本点，

θ表示方位向天线波束宽度，T表示船用雷达的天线扫描一周的时间，F表示船用雷达发射的雷达脉冲信号的重复频率；

⑥判断船用雷达发射的雷达脉冲信号的重复频率是否发生改变，如果是，则更新雷达回波信号的累积个数n，然后返回步骤①继续执行；否则，执行步骤⑦；

⑦根据n个雷达回波信号对应的样本数据{C_l(k)|l=1,2,…,n;k=1,2,…,N}，计算得到一条雷达扫描线的数据，假设得到的是第x条雷达扫描线的数据，则记为

其中，x的初始值为1；

⑧返回步骤①继续执行，连续获取后续的雷达扫描线的数据。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

1）本发明方法先利用信号处理单元中的现场可编程门阵列对模数转换器采样得到的多个采样数据进行抑制噪声处理，然后再通过雷达扫描线数据的计算即脉冲累加以进一步抑制噪声，这样就使得脉冲积累信噪比不再受限于雷达的天线参数，有效地提高了脉冲积累的信噪比，改善了船用雷达的接收机的目标检测性能。

2）本发明方法可根据船用雷达的量程、船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度以及船用雷达发射的雷达脉冲信号的重复频率的改变实时更新脉冲积累的参数，使得船用雷达的接收机在处理不同的状况下都能有效地抑制噪声，提高检测目标的性能。

3）本发明方法中对采样数据的抑制噪声处理以及雷达扫描线数据的计算过程均易于在现场可编程门阵列中实现，且消耗资源少，成本低。

附图说明

图1为在MATLAB中模拟ADC采样后的N=1157个采样数据；

图2为在MATLAB中对图1所示的N=1157个采样数据抑制噪声处理后得到的样本数据；

图3为在MATLAB中得到的一条雷达扫描线的数据。

具体实施方式

以下结合附图实施例对本发明作进一步详细描述。

本发明提出的一种用于改善船用雷达目标检测性能的脉冲积累方法，其包括以下步骤：

①船用雷达的天线接收一个雷达回波信号，并传输雷达回波信号给船用雷达的接收机中的信号处理单元。

②信号处理单元中的模数转换器对接收到的雷达回波信号进行采样，采样点的个数设为N，得到N个采样数据，分别记为D(1),D(2),…,D(i),…,D(N-1),D(N)，然后传输N个采样数据给信号处理单元中的现场可编程门阵列，其中，i∈[1,N]，N=f_s×t，f_s表示信号处理单元中的模数转换器的采样频率，f_s=125MHz，t表示一个雷达回波信号的往返时间。

在此具体实施例中，假设船用雷达第一次发射雷达脉冲信号时选取的雷达的量程R为0.75nm，船用雷达发射的雷达脉冲信号的传播速度c为3.0×10⁸m/s，则根据

可计算出第一个雷达回波信号的往返时间t=9.26μs，再根据N=f_s×t和f_s=125MHz，可计算出对第一个雷达回波信号进行采样时需设定的采样点的个数N=1157。图1所示波形为在MATLAB R2010a中模拟产生的N=1157个采样数据，从图1中可以看到雷达回波信号中的目标脉冲信号已经不可分辨。

③信号处理单元中的现场可编程门阵列接收N个采样数据，并对N个采样数据进行抑制噪声处理，得到雷达回波信号对应的样本数据，记为{C(k)|k=1,2,…,N}， $C\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{M}\underset{j=k-M+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}D\left(j\right)& k=M,M+1,...,N\\ D\left(k\right)& k=\mathrm{1,2},...,M-1\end{array}\right.,$ 其中，C(k)表示雷达回波信号对应的样本数据{C(k)|k=1,2,…,N}中的第k个样本点，D(j)表示第j个采样数据，D(k)表示第k个采样数据。

在此，假设船用雷达第一次发射的雷达脉冲信号的宽度τ为0.08μs，则根据f_s=125MHz和M=τ×f_s可计算出第一个雷达回波信号中的N=1157个采样点中每次累加的采样点的个数M为10，这里M取整数。图2所示波形为在MATLABR2010a中对图1所示的N=1157个采样数据抑制噪声处理后得到的样本数据，从图2中可以看到噪声已经被有效抑制，目标脉冲信号基本可以识别。此处M的数值须按照M=τ×f_s计算，不可随意取值。因为M的值过大会抑制掉雷达回波信号中的目标脉冲信号，过小则达不到抑制噪声的效果。

④判断船用雷达的量程或船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度是否发生改变，如果船用雷达的量程发生改变，则更新一个雷达回波信号的往返时间t，

然后返回步骤①继续执行；如果船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度发生改变，则更新一个雷达回波信号中的N个采样点中每次累加的采样点的个数M，M=τ×f_s，然后返回步骤①继续执行；否则，即船用雷达的量程或船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度没有发生改变，执行步骤⑤；其中，t、M的初始值均为0，R表示船用雷达的量程，c表示船用雷达发射的雷达脉冲信号的传播速度，τ表示船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度。

⑤重复执行步骤①至步骤③n-1次，共得到n个雷达回波信号对应的样本数据，记为{C_l(k)|l=1,2,…,n;k=1,2,…,N}，然后执行步骤⑥，其中，C_l(k)表示第l个雷达回波信号对应的样本数据中的第k个样本点，

θ表示方位向天线波束宽度，T表示船用雷达的天线扫描一周的时间，F表示船用雷达发射的雷达脉冲信号的重复频率。

在此，雷达方位向天线波束宽度θ为3°，即船用雷达的天线扫描一周的时间T为2.5s，并假设当前船用雷达发射的雷达脉冲信号的重复频率F为1000Hz，这样根据

可计算出雷达回波信号的累积个数n为20，这里n取整数。

⑥判断船用雷达发射的雷达脉冲信号的重复频率是否发生改变，如果是，则更新雷达回波信号的累积个数n，然后返回步骤①继续执行；否则，执行步骤⑦。

⑦根据n个雷达回波信号对应的样本数据{C_l(k)|l=1,2,…,n;k=1,2,…,N}，计算得到一条雷达扫描线的数据，假设得到的是第x条雷达扫描线的数据，则记为

其中，x的初始值为1。

在此，n取值为20。在此，假设步骤④中船用雷达的量程或船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度没有再发生改变，同时假设船用雷达发射的雷达脉冲信号的重复频率没有再发生改变，则步骤⑦计算得到的一条雷达扫描线的数据如图3所示的波形，从图3中可以看到，目标脉冲信号已经清晰可变，设定适当的阈值就可以提出目标脉冲参数进行后续处理。

⑧返回步骤①继续执行，连续获取后续的雷达扫描线的数据。

通过本发明方法就可以在信噪比较低的情况下增加从雷达回波信号中提取目标脉冲的准确性，从而方便了船用雷达的信号处理单元对目标参数进行正确的提取和进一步处理。

Claims (1)

1.一种用于改善船用雷达目标检测性能的脉冲积累方法，其特征在于包括以下步骤：

①船用雷达的天线接收一个雷达回波信号，并传输雷达回波信号给船用雷达的接收机中的信号处理单元；

②信号处理单元中的模数转换器对接收到的雷达回波信号进行采样，采样点的个数设为N，得到N个采样数据，分别记为D(1)，D(2)，…，D(i)，…，D(N-1)，D(N)，然后传输N个采样数据给信号处理单元中的现场可编程门阵列，其中，i∈[1，N]，N＝f_s×t，f_s表示信号处理单元中的模数转换器的采样频率，t表示一个雷达回波信号的往返时间；

③信号处理单元中的现场可编程门阵列接收N个采样数据，并对N个采样数据进行抑制噪声处理，得到雷达回波信号对应的样本数据，记为{C(k)|k＝1，2，…，N}， $C\left(k\right)=\left\{\begin{array}{cc}\frac{1}{M}\underset{j=k-M+1}{\overset{k}{\mathrm{\Σ}}}D\left(j\right)& k=M,M+1,...,N\\ D\left(k\right)& k=\mathrm{1,2},...,M-1\end{array}\right.,$ 其中，C(k)表示雷达回波信号对应的样本数据{C(k)|k＝1，2，…，N}中的第k个样本点，D(j)表示第j个采样数据，D(k)表示第k个采样数据；

④判断船用雷达的量程或船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度是否发生改变，如果船用雷达的量程发生改变，则更新一个雷达回波信号的往返时间t，

然后返回步骤①继续执行；如果船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度发生改变，则更新一个雷达回波信号中的N个采样点中每次累加的采样点的个数M，M＝τ×f_s，然后返回步骤①继续执行；否则，执行步骤⑤；其中，t、M的初始值均为0，R表示船用雷达的量程，c表示船用雷达发射的雷达脉冲信号的传播速度，τ表示船用雷达发射的雷达脉冲信号的宽度；

⑤重复执行步骤①至步骤③n-1次，共得到n个雷达回波信号对应的样本数据，记为{C_l(k)|l＝1，2，…，n；k＝1，2，…，N}，然后执行步骤⑥，其中，C_l(k)表示第l个雷达回波信号对应的样本数据中的第k个样本点，

θ表示方位向天线波束宽度，T表示船用雷达的天线扫描一周的时间，F表示船用雷达发射的雷达脉冲信号的重复频率；

⑥判断船用雷达发射的雷达脉冲信号的重复频率是否发生改变，如果是，则更新雷达回波信号的累积个数n，然后返回步骤①继续执行；否则，执行步骤⑦；

⑦根据n个雷达回波信号对应的样本数据{C_l(k)|l＝1，2，…，n；k＝1，2，…，N}，计算得到一条雷达扫描线的数据，假设得到的是第x条雷达扫描线的数据，则记为

$D_{\mathrm{scan}}^x=\frac{1}{n}\underset{k=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}\underset{l=1}{\overset{n}{\mathrm{\Σ}}}{C}_l\left(k\right),$ 其中，x的初始值为1；

⑧返回步骤①继续执行，连续获取后续的雷达扫描线的数据。

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