CN103364770A - 基于矩阵填充的雷达目标检测系统及其检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及基于矩阵填充的雷达目标检测系统及其检测方法，主要解决现有技术成本高，数据存储量大，系统实现方式有限制的问题。其包括：采样模块(1)、数据存储波形重构模块(2)和目标检测模块(3)；采样模块(1)对雷达回波信号S进行降速率采样，并将采样数据和采样参数传输给数据存储波形重构模块(2)；数据存储波形重构模块(2)根据采样数据和采样参数，通过矩阵填充算法，获取重构的雷达回波信号X，并将其传输给目标检测模块(3)；目标检测模块(3)对重构的雷达回波信号X进行脉冲压缩，再对脉冲压缩结果X_MF进行动目标检测和恒虚警检测。本发明降低了系统成本，缩小了数据存储空间，提高了系统实现的灵活性，可用于雷达目标检测。

Description

基于矩阵填充的雷达目标检测系统及其检测方法

技术领域

本发明属于雷达信号处理技术领域，更进一步涉及雷达信号降采样重构系统，可用于目标检测。

背景技术

现代雷达信号处理在高精度和高分辨的要求下，极大增大了采样数据量，对数据的存储和传输提出了严峻的挑战。现有雷达信号降采样系统主要包括低速并行多通道降采样系统，基于压缩感知的模拟信息转换器的降采样系统等。其中：

低速并行多通道AD降采样系统，主要通过多个通道并行采样，通道数目等于降采样率，每个通道的采样时钟相位相差奈奎斯特采样时间间隔。该系统通过多通道并行采样获取全部数据，其存在的问题为多个通道增加了硬件复杂度，且降采样率与通道数目有关，对硬件结构具有依赖性。

基于压缩感知的模拟信息转换器的降采样系统，主要包括随机解调器，模拟滤波器和低速AD。其中，随机解调器需要产生高速伪随机序列，该序列的变化速率至少要满足奈奎斯特速率，而要产生满足奈奎斯特速率的高速伪随机序列，则必须增加系统成本。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的不足，提出一种基于矩阵填充的雷达目标检测系统及其检测方法，以降低系统成本，降低数据存储空间，增加系统实现的灵活性。

本发明是这样实现的：

一．技术原理

本发明以矩阵填充理论为依据，该矩阵填充理论的数学模型是一个低秩矩阵并且矩阵的奇异向量满足一定的不相关条件，随机选取矩阵中的一部分元素作为重构矩阵的优化约束，通过求解重构矩阵的最小核范数可以精确地恢复出原始矩阵。对于脉冲多普勒雷达，将不同脉冲的回波信号近似为一个满足矩阵填充理论数学模型的低秩矩阵。因此，在采样过程中可以通过设计合适的采样方案选择矩阵中的部分元素，以实现减少数据量，降低采样速率，再通过矩阵填充算法可以重构雷达回波信号。

二．雷达目标检测系统

本发明的基于矩阵填充的雷达目标检测系统包括：

采样模块1，用于对雷达回波信号S进行降速率采样，将采样数据和采样参数传输给数据存储波形重构模块2，其中雷达回波信号

为复数的n₁×n₂维矩阵，n₁代表脉冲数，n₂代表单个脉冲重复周期内的奈奎斯特采样点数；

数据存储波形重构模块2，用于根据采样数据和采样参数，通过矩阵填充算法，获取重构的雷达回波信号X，并将重构的雷达回波信号X传输给目标检测模块3，其中重构的雷达回波信号

为复数的n₁×n₂维矩阵，n₁代表脉冲数，n₂代表单个脉冲重复周期内的奈奎斯特采样点数；

目标检测模块3，用于对重构的雷达回波信号X进行脉冲压缩，得到脉冲压缩结果X_MF，并将脉冲压缩结果X_MF进行动目标检测和恒虚警检测；

所述的数据存储波形重构模块2，包括：

数据存储子模块21，用于存储采样数据和采样参数；

波形重构子模块22，根据数据存储子模块21的存储内容，通过矩阵填充算法，重构雷达回波信号，并将重构的雷达回波信号X传输给目标检测模块3。

三．本发明基于矩阵填充的雷达目标检测系统的目标检测方法，包括如下步骤：

1）通过采样模块确定初始时刻及采样参数，并对雷达回波信号S进行降速率采样，得到采样数据；

2）通过数据存储波形重构模块，对采样数据和采样参数进行存储；

3）数据存储波形重构模块根据存储内容，通过矩阵填充算法，获取重构的雷达回波信号X；

4）目标检测模块对重构的雷达回波信号X进行脉冲压缩，即将重构的雷达回波信号X的每一行分别与雷达发射波形的反转共轭进行卷积，得到脉冲压缩结果X_MF；

5）目标检测模块对脉冲压缩结果X_MF的每一列进行快速傅里叶计算，得到动目标检测结果X_MTD；

6）目标检测模块对脉冲压缩结果X_MF进行恒虚警检测，判断是否存在目标，即将脉冲压缩结果X_MF的每一列进行累加得到向量y，将向量y中的第j元素y_j与门限值V_T进行比较，如果y_j＞V_T，则判断第j个距离单元处存在目标，反之不存在目标，其中，门限值

σ²为噪声的估计，P_fa为恒虚警概率，取值为P_fa＝10^-6。

本发明与现有技术相比具有以下优点：

第一，本发明由于采样模块1确定初始时刻及采样参数，并对雷达回波信号S进行降速率采样，因而不需要应用模拟信息转换器，降低了系统成本。

第二，由于本发明的采样模块1通过改变降采样率N的取值改变采样频率，克服了低速并行多通道AD降采样系统对硬件结构具有依赖性的缺点，提高了本发明的实现灵活性。

第三，由于本发明的数据存储波形重构模块2通过存储采样数据和采样参数，获取重构的雷达回波信号X，克服了低速并行多通道AD降采样系统存储大量数据的缺点，降低了数据存储空间。

附图说明

图1为本发明的系统结构图；

图2为本发明中的随机相位采样模块结构图；

图3为本发明中的随机时钟采样模块结构图；

图4为本发明中的数据存储波形重构模块结构图；

图5为本发明中的目标检测模块结构图；

图6为本发明目标检测方法第一实施例流程图；

图7为本发明目标检测方法第二实施例流程图。

具体实施方式

下面参照图1对本发明的系统结构做进一步描述。

本发明基于矩阵填充的雷达目标检测系统，包括：采样模块1，数据存储波形重构模块2和目标检测模块3，其中：

采样模块1，采用随机相位采样模块或随机时钟采样模块实现，用于确定初始时刻和采样参数，对雷达回波信号S进行降速率采样，将采样数据和采样参数传输给数据存储波形重构模块2；

数据存储波形重构模块2，用于存储采样数据和采样参数，根据存储内容，通过矩阵填充算法，重构雷达回波信号，并将重构的雷达回波信号X传输给目标检测模块3；

目标检测模块3，用于对重构的雷达回波信号X进行脉冲压缩，得到脉冲压缩结果X_MF，并对脉冲压缩结果X_MF进行动目标检测和恒虚警检测。

参照图2，所述的随机相位采样模块，包括：可编程的控制时延输出子模块11，时延可控的时钟管理子模块12和AD数据采样子模块13，其中：

可编程的控制时延输出子模块11，用于确定初始时刻，并在初始时刻后，按间隔时长L产生随机相位ΔT_k作为采样参数，再将该随机相位ΔT_k传输给时延可控的时钟管理子模块12，将采样参数传输给数据存储波形重构模块2，其中ΔT_k=nT_s，T_s为奈奎斯特采样时间，即T_s＝1/f_s，f_s为奈奎斯特采样频率，N为降采样率，nT_s为n个奈奎斯特采样时间，0≤n≤N-1；

时延可控的时钟管理子模块12，用于根据随机相位ΔT_k产生采样时钟，并将该采样时钟传输给AD数据采样子模块13，采样时钟频率为f_s/N；

AD数据采样子模块13，用于根据采样时钟进行雷达回波信号S的降速率采样，并将采样数据传输给数据存储波形重构模块2。

参照图3，所述的随机时钟采样，包括：多路时钟子模块1a，时钟选择子模块1b和AD数据采样子模块1c，其中：

多路时钟子模块1a，用于产生N路频率为f_s/N的时钟，第p路时钟的初始相位为(p-1)T_s，并将N路时钟输出给时钟选择模块1b，其中1≤p≤N；

时钟选择子模块1b，用于确定初始时刻，并在初始时刻后，按间隔时长L随机选择N路时钟中第p路时钟作为采样参数，并将选择的时钟输出给AD数据采样子模块1c，将采样参数传输给数据存储波形重构模块2；

AD数据采样子模块1c，用于根据采样时钟进行雷达回波信号S的降速率采样，并将采样数据传输给数据存储波形重构模块2。

参照图4，所述的数据存储波形重构模块2，包括：数据存储子模块21和波形重构子模块22，其中：

数据存储子模块21，用于存储采样模块1传输的采样数据和采样参数；

波形重构子模块22，根据数据存储子模块21的存储内容，通过矩阵填充算法，重构雷达回波信号，并将重构的雷达回波信号X传输给目标检测模块3；

参照图5，所述的目标检测模块3，包括：脉冲压缩子模块31，动目标检测子模块32和恒虚警检测子模块33，其中：

脉冲压缩子模块31，用于对数据存储波形重构模块2传输的重构的雷达回波信号X进行脉冲压缩，得到脉冲压缩结果X_MF，并将脉冲压缩结果X_MF传输给动目标检测子模块32和恒虚警检测子模块33；

动目标检测子模块32，用于对脉冲压缩结果X_MF进行动目标检测；

恒虚警检测子模块33，用于对脉冲压缩结果X_MF进行恒虚警检测。

本发明基于矩阵填充的雷达目标检测系统的目标检测方法，给出如下两种实施例：

实施例1

参照图6，本实例的实现步骤如下：

步骤1，以开始接收每个脉冲回波的时刻作为参考时间点，以1/2的概率将参考时间点作为初始时刻T₀，记作T₀=0。

步骤2，在初始时刻后，按间隔时长L产生随机相位ΔT_k，根据随机相位ΔT_k产生频率为f_s/N的采样时钟。

步骤3，采样模块按照产生的采样时钟对雷达回波信号S进行降速率采样，得到采样数据。

步骤4，将上述采样数据和随机相位ΔT_k，通过数据存储波形重构模块进行存储。

步骤5，数据存储波形重构模块根据存储采样数据和随机相位ΔT_k，通过矩阵填充算法，获取重构的雷达回波信号X：

5a)根据采样数据和随机相位ΔT_k确定采样数据在雷达回波信号S中的位置，位置的集合用Ω表示；

5b)通过求解下式，获取重构的雷达回波信号X：

min||X||_*

其中，s.t.表示约束条件，||X||_*为X的核范数，

且σ₁,…,σ_r≥0为矩阵X的奇异值，

表示当限定(i,j)∈Ω时，X_ij＝S_ij，X_ij表示位于重构的雷达回波信号X的第i行第j列的元素，S_ij表示位于原始雷达回波信号S的第i行第j列的元素。

步骤6，目标检测模块将重构的雷达回波信号X的每一行分别与雷达发射波形的反转共轭进行卷积，得到脉冲压缩结果X_MF。

步骤7，目标检测模块将脉冲压缩结果X_MF的每一列进行快速傅里叶计算，得到动目标检测结果X_MTD。

步骤8，目标检测模块将脉冲压缩结果X_MF的每一列进行累加得到向量y，将向量y中的第j个元素y_j与门限值V_T进行比较，如果y_j＞V_T，则判断第j个距离单元处存在目标，反之不存在目标，其中，门限值σ²为噪声的估计，P_fa为恒虚警概率，取值为P_fa＝10^-6。

实施例2

参照图7，本实例的实现步骤如下：

步骤一，以开始接收每个脉冲回波的时刻作为参考时间点，以1/2的概率将参考时间点经过L/2时间作为初始时刻T'₀，记作T'₀=L/2，L=mT_s，m为正偶数。

步骤二，产生N路频率为f_s/N的时钟，在初始时刻后，按间隔时长L随机选择N路时钟中的第p路时钟。

步骤三，采样模块按照选择的第p路时钟，对雷达回波信号S进行降速率采样，得到采样数据。

步骤四，将上述采样数据和选择的时钟通路p，通过数据存储波形重构模块进行存储。

步骤五，数据存储波形重构模块根据采样数据和选择的时钟通路p，通过矩阵填充算法，获取重构的雷达回波信号X'；

5.1)根据采样数据和选择的时钟通路p确定采样数据在雷达回波信号S中的位置，位置的集合用Ω'表示；

5.2)通过求解下式，获取重构的雷达回波信号X'：

min||X'||_*

其中，s.t.表示约束条件，||X'||_*为X'的核范数，

且σ'₁，…，σ'_r≥0为矩阵X'的奇异值，

表示当限定(i,j)∈Ω'时，X'_ij＝S_ij，X'_ij表示位于重构的雷达回波信号X'的第i行第j列的元素，S_ij表示位于原始雷达回波信号S的第i行第j列的元素。

步骤六，目标检测模块将重构的雷达回波信号X'的每一行分别与雷达发射波形的反转共轭进行卷积，得到脉冲压缩结果X'_MF。

步骤七，目标检测模块将脉冲压缩结果X'_MF的每一列进行快速傅里叶计算，得到动目标检测结果X'_MTD。

步骤八，目标检测模块将脉冲压缩结果X'_MF的每一列进行累加得到向量y'，将向量y'中的第j个元素y'_j与门限值V_T进行比较，如果y'_j＞V_T，则判断第j个距离单元处存在目标，反之不存在目标，其中，门限值

σ²为噪声的估计，P_fa为恒虚警概率，取值为P_fa＝10^-6。

以上描述仅是本发明的具体实例，未构成对本发明的任何限制，显然对于本领域的专业人员来说，在了解了本发明内容和原理后，都可能在不背离本发明原理、结构的情况下，进行形式和细节上的各种修正和改变，但是这些基于本发明思想的修正和改变仍在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于矩阵填充的雷达目标检测系统，包括：

采样模块（1），用于对雷达回波信号S进行降速率采样，将采样数据和采样参数传输给数据存储波形重构模块（2），其中雷达回波信号

为复数的n₁×n₂维矩阵，n₁代表脉冲数，n₂代表单个脉冲重复周期内的奈奎斯特采样点数；

数据存储波形重构模块（2），用于根据采样数据和采样参数，通过矩阵填充算法，获取重构的雷达回波信号X，并将重构的雷达回波信号X传输给目标检测模块（3），其中重构的雷达回波信号

为复数的n₁×n₂维矩阵，n₁代表脉冲数，n₂代表单个脉冲重复周期内的奈奎斯特采样点数；

目标检测模块（3），用于对重构的雷达回波信号X进行脉冲压缩，得到脉冲压缩结果X_MF，并将脉冲压缩结果X_MF进行动目标检测和恒虚警检测；

所述的数据存储波形重构模块（2），包括：

数据存储子模块（21），用于存储采样数据和采样参数；

波形重构子模块（22），根据数据存储子模块（21）的存储内容，通过矩阵填充算法，重构雷达回波信号，并将重构的雷达回波信号X传输给目标检测模块（3）。

2.根据权利要求1所述的基于矩阵填充的雷达目标检测系统，其特征在于

采样模块（1），采用随机相位采样模块，它包括：

可编程的控制时延输出子模块（11），用于在初始时刻后，按间隔时长L产生随机相位ΔT_k，并将该随机相位传输给时钟管理模块（12），将采样参数传输给数据存储波形重构模块（2），采样参数即随机相位ΔT_k，其中随机相位ΔT_k=nT_s，T_s为奈奎斯特采样时间，即T_s＝1/f_s，f_s为奈奎斯特采样频率，N为降采样率，nT_s为n个奈奎斯特采样时间，0≤n≤N-1；

时延可控的时钟管理子模块（12），用于根据随机相位ΔT_k产生采样时钟，并将该采样时钟传输给AD数据采样子模块（13），采样时钟频率为f_s/N，f_s为奈奎斯特采样频率，N为降采样率；

AD数据采样子模块（13），用于根据采样时钟进行雷达回波信号S的降速率采样，并将采样数据传输给数据存储波形重构模块（2）。

3.根据权利要求1所述的基于矩阵填充的雷达目标检测系统，其特征在于

采样模块（1），采用随机时钟采样模块，它包括：

多路时钟子模块（1a），用于产生N路频率为f_s/N的时钟，第p路时钟的初始相位为(p-1)T_s，并将N路时钟输出给时钟选择模块（1b），N为降采样率，f_s为奈奎斯特采样频率，T_s为奈奎斯特采样时间，1≤p≤N；

时钟选择子模块（1b），用于在初始时刻后，按间隔时长L随机选择其中第p路时钟，并将选择的时钟输出给AD数据采样子模块（1c），将采样参数传输给数据存储波形重构模块（2），采样参数即随机选择的时钟通路p；

AD数据采样子模块（1c），用于根据采样时钟对进行雷达回波信号S进行降速率采样，并将采样数据传输给数据存储波形重构模块（2）。

4.根据权利要求1所述的基于矩阵填充的雷达目标检测系统，其特征在于所述的目标检测模块（3），包括：

脉冲压缩子模块（31），用于对重构的雷达回波信号X进行脉冲压缩，得到脉冲压缩结果X_MF，并将脉冲压缩结果X_MF传输给动目标检测子模块（32）和恒虚警检测子模块（33）；

动目标检测子模块（32），用于对脉冲压缩结果X_MF进行动目标检测；

恒虚警检测子模块（33），用于对脉冲压缩结果X_MF进行恒虚警检测。

5.一种基于矩阵填充的雷达目标检测系统的目标检测方法，包括如下步骤：

1）通过采样模块确定初始时刻及采样参数，并对雷达回波信号S进行降速率采样，得到采样数据；

2）通过数据存储波形重构模块，对采样数据和采样参数进行存储；

3）数据存储波形重构模块根据存储内容，通过矩阵填充算法，获取重构的雷达回波信号X；

4）目标检测模块对重构的雷达回波信号X进行脉冲压缩，即将重构的雷达回波信号X的每一行分别与雷达发射波形的反转共轭进行卷积，得到脉冲压缩结果X_MF；

5）目标检测模块对脉冲压缩结果X_MF的每一列进行快速傅里叶计算，得到动目标检测结果X_MTD；

6）目标检测模块对脉冲压缩结果X_MF进行恒虚警检测，判断是否存在目标，即将脉冲压缩结果X_MF的每一列进行累加得到向量y，将向量y中的第j元素y_j与门限值V_T进行比较，如果y_j＞V_T，则判断第j个距离单元处存在目标，反之不存在目标，其中，门限值

σ²为噪声的估计，P_fa为恒虚警概率，取值为P_fa＝10^-6。

6.根据权利要求5所述的基于矩阵填充的雷达目标检测系统的目标检测方法，其特征在于，所述步骤1）中的确定初始时刻，是以开始接收每个脉冲回波的时刻作为参考时间点，并以1/2的概率将参考时间点作为初始时刻T₀，记作T₀=0。

7.根据权利要求5所述的基于矩阵填充的雷达目标检测系统的目标检测方法，其特征在于，所述步骤1）中的确定初始时刻，是以开始接收每个脉冲回波的时刻作为参考时间点，并以1/2的概率将参考时间点经过L/2时间作为初始时刻T'₀，记作T'₀=L/2。

8.根据权利要求5所述的目标检测方法，其特征在于，所述步骤1）中确定采样参数，是确定随机相位ΔT_k，即通过采样模块（1）在确定初始时刻后，按间隔时长L产生随机相位ΔT_k。

9.根据权利要求5所述的目标检测方法，其特征在于，所述步骤1）中确定采样参数，是确定随机选择的时钟通路p，即通过采样模块（1）在确定初始时刻后，按间隔时长L随机选择N路时钟中的第p路时钟。

10.根据权利要求5所述的基于矩阵填充的雷达目标检测系统的目标检测方法，其特征在于，步骤3）所述的数据存储波形重构模块（2）根据存储内容，通过矩阵填充算法，获取重构的雷达回波信号X，按如下步骤进行：

3a)根据存储内容确定采样数据在雷达回波信号S中的位置，位置的集合用Ω表示；

3b)通过求解下式，获取重构的雷达回波信号X：

min||X||_*

其中，s.t.表示约束条件，||X||_*为X的核范数，

且σ₁,…,σ_r≥0为矩阵X的奇异值，

表示当限定(i,j)∈Ω时，X_ij＝S_ij，X_ij表示位于重构的雷达回波信号X的第i行第j列的元素，S_ij表示位于原始雷达回波信号S的第i行第j列的元素。

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