CN104330780B

CN104330780B - 一种基于自适应频域非相干积累的目标检测方法及装置

Info

Publication number: CN104330780B
Application number: CN201410498421.1A
Authority: CN
Inventors: 薛伟; 童蓬; 荣霞; 陈振兴
Original assignee: China University of Geosciences
Current assignee: China University of Geosciences
Priority date: 2014-09-25
Filing date: 2014-09-25
Publication date: 2016-06-22
Anticipated expiration: 2034-09-25
Also published as: CN104330780A

Abstract

一种基于自适应频域非相干积累的目标检测方法及装置，方法首先对一帧N点的输入信号进行FFT变换并运算后得到频域数据；然后计算频域数据积累前的输入信噪比SNR1；将SNR1与第一级门限比较，判断是否对频域数据进行积累，得到输出数据：如果大于第一级门限，不需要积累；如果小于第一级门限，由SNR1确定第二级门限，利用改进的频域非相干方式进行积累，当输出信噪比达到第二级门限时停止积累；然后对输出数据进行自相关运算得到目标数据；最后对目标数据进行峰值检测，取最大谱值对应的频点为目标频点。本发明通过对积累前后信噪比判断来自适应调节非相干积累次数，实现简单，可克服传统方法中积累次数固定的缺点，有效降低计算量，提高实时检测性能。

Description

一种基于自适应频域非相干积累的目标检测方法及装置

技术领域

本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及信噪比较低且噪声背景分布均匀的情况下的单目标检测与处理领域，具体涉及一种基于自适应频域非相干积累的目标检测方法及装置。

背景技术

积累方法是雷达信号检测和处理的经典方法，适用于低信噪比下微弱信号的检测。通过一段时间的信号积累，在时间允许条件下，理论上周期信号可以不断提高信噪比，准周期信号也可根据自身的特点，通过一定的补偿后进行信号积累处理。对于时域积累，信号处理技术的关键在于时间包络的对齐，即周期对准；对于频域积累，则利用变换域的方法将需要处理的时域信号变换到频域中，在频域里按照频点对齐完成信号的积累。

常用的积累方法有相干积累和非相干积累两种。相干积累是对相邻周期的信号直接相加，利用积分时间内信号的相关性，将信号能量累加起来，由于噪声在积分时间内没有相干性，因此可显著提高信噪比SNR(SignaltoNoiseRatio)。非相干积累是将信号求模的平方(检波)后再进行累加，与相干积累相比，去除了相位信息，仅保留了幅度信息，对SNR的改善要差一些。对于M次积累，相干积累可以使SNR提高为原来的M倍，非相干积累SNR的改善在M和之间，当M很大时趋近于

对于频域积累，一般对信号进行FFT(FastFourierTransform)运算得到频域数据，然后进行非相干积累。文献“倪安胜等，基于FFT频域积累的非接触生命参数信号检测，第四军医大学学报，2003，24(2):172-175”中利用基于FFT的频域积累方法提高系统的信噪比，可检测出强噪声背景下的生命参数信号。申请号为201210538841.9的专利申请介绍了一种FFT非相干积累的硬件实现方法，可用较少的硬件资源来实现整个频域累加过程。

上述文献和专利中对于频域非相干积累的分析都是针对积累次数固定的情况，由于实际信号功率事先未知，因此一般按照信号功率最差的情况来估算积累次数，导致积累次数比较高。在实际的信号检测中，有时候信号的回波功率较大，只需积累几次甚至不需积累即可满足检测要求，因此如何根据信号功率自适应调节积累次数，降低计算量，对于提升雷达系统的实时检测性能具有重要意义。

发明内容

本发明要解决的技术问题是，针对现有频域非相干积累方法中积累次数固定的缺点，提供一种基于自适应频域非相干积累的目标检测方法及装置，利用积累前后的信噪比自适应调节积累次数，降低积累过程的计算量，提高实时检测性能。

本发明为解决上述技术问题所采用的技术方案是：

一种基于自适应频域非相干积累的目标检测方法，包括以下步骤：

(1)对一帧N点的输入信号进行FFT变换后得到N点数据，取N点数据的前N/2点并求模的平方作为输入信号的频域数据，N为2的整数次幂；

(2)计算步骤(1)中频域数据积累前的输入信噪比SNR1；

(3)设定第一级门限的两个门限值T11和T12、第二级门限的两个门限值T21和T22(T11、T12、T21、T22根据输入信噪比的大小视实际情况而定)，将步骤(2)中计算得到的输入信噪比SNR1与第一级门限的两个门限值T11和T12比较，判断是否对频域数据进行积累，得到输出数据：

①如果SNR1>T11，不对步骤(1)中的频域数据进行积累，输出数据即频域数据；

②如果T12≤SNR1≤T11，采用改进的频域非相干积累方式对步骤(1)中的频域数据进行非相干积累，直到积累后的输出数据的输出信噪比SNR2>T21时停止积累；

③如果SNR1<T12，采用改进的频域非相干积累方式对步骤(1)中的频域数据进行非相干积累，直到积累后的输出数据的输出信噪比SNR2>T22时停止积累；

上述四个门限值满足：T11>T12，T21>T22；

(4)对步骤(3)中的输出数据进行自相关运算，得到目标数据；

(5)对步骤(4)计算得到的目标数据进行峰值检测，取目标数据的最大谱值对应的频点为目标频点。

按上述方案，所述步骤(2)中计算输入信噪比SNR1时，取N/2点频域数据中最大值作为信号功率P_S，取其它N/2-1点频域数据均值作为噪声功率P_N，P_S与P_N的比值作为输入信噪比SNR1。

按上述方案，所述步骤(3)中改进的频域非相干积累方式，具体如下：

A)首先，将输入的连续M帧N/2点频域数据按频点对齐进行M次累加，得到累加后的N/2点累加频域数据；

B)其次，取除最大值外的N/2-1点累加频域数据的均值作为噪声积累量(累加噪声功率)，然后将所有N/2点累加频域数据都减去噪声积累量并取模，作为积累后的输出数据。

按上述方案，所述步骤(3)中输出信噪比SNR2取N/2点输出数据中最大值与其它N/2-1点输出数据均值的比值。

按上述方案，所述步骤(4)中自相关运算是对输出数据进行平方运算。

本发明还提供了一种基于自适应频域非相干积累的目标检测装置，包括：

频域数据获取模块，用于对一帧N点的输入信号进行FFT变换后得到N点数据，取N点数据的前N/2点并求模的平方作为输入信号的频域数据，N为2的整数次幂；

输入信噪比计算模块，用于计算频域数据积累前的输入信噪比SNR1；

非相干积累模块，用于设定第一级门限的两个门限值T11和T12、第二级门限的两个门限值T21和T22后，将输入信噪比SNR1与第一级门限的两个门限值T11和T12比较，判断是否对频域数据进行积累，得到输出数据：

①如果SNR1>T11，不对频域数据进行积累，输出数据即频域数据；

②如果T12≤SNR1≤T11，采用改进的频域非相干积累方式对频域数据进行非相干积累，直到积累后的输出数据的输出信噪比SNR2>T21时停止积累；

③如果SNR1<T12，采用改进的频域非相干积累方式对频域数据进行非相干积累，直到积累后的输出数据的输出信噪比SNR2>T22时停止积累；

上述四个门限值满足：T11>T12，T21>T22；

自相关运算模块，用于对输出数据进行自相关运算，得到目标数据；

峰值检测模块，用于对目标数据进行峰值检测，取目标数据的最大谱值对应的频点为目标频点。

按上述方案，所述输入信噪比计算模块计算输入信噪比SNR1时，取N/2点频域数据中最大值作为信号功率P_S，取其它N/2-1点频域数据均值作为噪声功率P_N，P_S与P_N的比值作为输入信噪比SNR1。

按上述方案，所述非相干积累模块计算输出信噪比SNR2时，取N/2点输出数据中最大值与其它N/2-1点输出数据均值的比值。

按上述方案，所述自相关运算模块对输出数据进行自相关运算是指对输出数据进行平方运算。

本发明相比现有技术的有益效果：

1、利用信号积累前的信噪比来判断是否需要积累以及积累后需要达到的信噪比，利用积累前后的信噪比来自适应调节积累次数，方法实现简单，性能稳定，可克服传统积累方法中积累次数固定的缺陷，有效降低积累次数，提高实时检测性能，在雷达目标检测领域有较高的应用价值；

2、积累中采用去除噪声均值的改进频域非相干积累方式，以降低噪声积累量，提高输出信噪比，最后通过自相关运算进一步提高信噪比，尤其适用于均匀噪声背景下的单目标检测。

附图说明

图1是本发明基于自适应频域非相干积累的目标检测方法的工作原理框图；

图2是本发明基于自适应频域非相干积累的目标检测方法的处理流程图；

图3是本发明实施例输入信号信噪比较高(SNR1>T11)时的频谱图；

图4是本发明实施例输入信号信噪比较低(T12≤SNR1≤T11)时的频谱图；

图5是图4中信号经过自适应频域非相干积累后的频谱图；

图6是本发明实施例输入信号信噪比很低(SNR1<T12)时的频谱图；

图7是图6中信号经过自适应频域非相干积累后的频谱图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。

参照图1～图2所示，本发明实施例所述的基于自适应频域非相干积累的目标检测方法，包括以下步骤：

(1)设定第一级门限的两个门限值T11＝16dB、T12＝12dB，设定第二级门限的两个门限值T21＝16dB、T22＝13dB，初始化第二级门限T2＝0；

(2)计算输入信号的频域数据，具体如下：

对一帧N点(N为2的整数次幂)的输入信号x(n)，进行FFT变换后得到N点数据X(k)：

X (k) = Σ_{n = 0}^{N - 1} x (n) e^{- j \frac{2 πnk}{N}} = Σ_{n = 0}^{N - 1} x (n) W_{N}^{nk}, k = 0,1, . . . N - 1

式中

W_{N} = e^{- j \frac{2 π}{N}},

取N点数据X(k)的前N/2点并求模的平方作为输入信号x(n)的频域数据P(k)：

P(k)＝|X(k)|²k＝0,1,…N/2-1

(3)对第二级门限T2进行判断：

如果T2不为0，跳转至步骤(5)；

如果T2为0，通过信号功率P_S与噪声功率P_N的比值计算步骤(2)中频域数据P(k)积累前的输入信噪比SNR1，具体如下：

SNR 1 = \frac{P_{S}}{P_{N}} = \frac{\max (P (k))}{mean (P (k)) - \max (P (k)) / (N / 2)}, k = 0,1, . . ., N / 2 - 1

式中，max(P(k))表示频域数据P(k)的最大值，mean(P(k))表示频域数据P(k)的均值，P_S取N/2点频域数据P(k)中最大值，P_N取其它N/2-1点频域数据P(k)的均值；

(4)将输入信噪比SNR1与第一级门限的两个门限值T11和T12进行比较，判断如下：

①如果SNR1(18.163dB)>T11(16dB)，如图3所示，则不对频域数据P(k)进行积累，跳转至步骤(8)；

②如果T12(12dB)≤SNR1(12.145)≤T11(16dB)，如图4所示，则第二级门限T2＝T21；

③如果SNR1<T12，如图6所示，则第二级门限T2＝T22；

(5)针对步骤(4)中②、③情形下对频域数据P(k)进行改进的频域非相干积累，具体如下：

A)首先，将输入的连续M帧N/2点频域数据按频点对齐进行M次累加，得到累加后的N/2点累加频域数据P_sum(k)：

P_{sum} (k) = Σ_{i = 1}^{M} P_{i} (k), k = 0,1, . . . N / 2 - 1; i = 1,2, . . ., M

式中M为积累次数，P_i(k)为第i帧N/2点频域数据；

B)其次，取除最大值外的N/2-1点累加频域数据的均值作为噪声积累量PN_sum(k)(累加噪声功率)，然后将所有N/2点累加频域数据P_sum(k)都减去噪声积累量PN_sum(k)并取模，作为积累后的输出数据P1_sum(k)：

噪声积累量(累加噪声功率)PN_sum(k)的计算公式如下：

PN_sum(k)＝mean(P_sum(k))-max(P_sum(k))/(N/2),k＝0,1,…N/2-1

去除噪声积累量的积累后的输出数据P1_sum(k)为：

P1_sum(k)＝|P_sum(k)-PN_sum(k)|,k＝0,1,…N/2-1；

(6)根据N/2点输出数据P1_sum(k)中最大值与其它N/2-1点输出数据均值的比值计算积累后的输出数据的输出信噪比SNR2，具体如下：

SNR 2 = \frac{\max ({P 1}_{sum} (k))}{mean ({P 1}_{sum} (k)) - \max ({P 1}_{sum} (k)) / (N / 2)}, k = 0,1, . . ., N / 2 - 1;

(7)将输出信噪比SNR2与第二级门限T2进行比较，进行如下判断：

如果SNR2<T2，跳转至步骤(2)，重复执行积累过程；

如果SNR2>T2，顺序执行；

图5显示了图4中信号采用改进的频域非相干积累方式积累13次后SNR2>T21的频谱图；图7显示了图6中信号采用改进的频域非相干积累方式积累31次后SNR2>T22的频谱图；

(8)当频域数据P(k)未进行积累的情况下(直接通过步骤(4)的①跳转至步骤(8)，输出数据即频域数据P(k)，对输出数据进行自相关运算，得到目标数据P2(k)：

P2(k)＝|P(k)|²,k＝0,1,…N/2-1

当频域数据P(k)经过非相干积累后的情况下，输出数据为P1_sum(k)，对输出数据P1_sum(k)进行自相关运算，得到目标数据P2(k)：

P2(k)＝|P1_sum(k)|²,k＝0,1,…N/2-1；

(9)对步骤(8)中自相关运算后的目标数据P2(k)进行峰值检测，取最大谱值对应的频点为目标频点。

另外，本发明还提供了一种基于自适应频域非相干积累的目标检测装置，包括：

上述四个门限值满足：T11>T12，T21>T22；

自相关运算模块，用于对输出数据进行自相关运算；

峰值检测模块，用于对自相关运算后的目标数据进行峰值检测，取最大谱值对应的频点为目标频点。

以上所述的仅为本发明的较佳实施例而已，当然不能以此来限定本发明之权利范围，因此依本发明申请专利范围所作的等效变化，仍属本发明的保护范围。

Claims

1.一种基于自适应频域非相干积累的目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

（1）对一帧N点的输入信号进行FFT变换后得到N点数据，取N点数据的前N/2点并求模的平方作为输入信号的频域数据，N为2的整数次幂；

（2）计算步骤（1）中频域数据积累前的输入信噪比SNR1；

（3）设定第一级门限的两个门限值T11和T12、第二级门限的两个门限值T21和T22，将步骤（2）中计算得到的输入信噪比SNR1与第一级门限的两个门限值T11和T12比较，判断是否对频域数据进行积累，得到输出数据：

①如果SNR1>T11，不对步骤（1）中的频域数据进行积累，输出数据即频域数据；

②如果T12≤SNR1≤T11，采用改进的频域非相干积累方式对步骤（1）中的频域数据进行非相干积累，直到积累后的输出数据的输出信噪比SNR2>T21时停止积累；

③如果SNR1<T12，采用改进的频域非相干积累方式对步骤（1）中的频域数据进行非相干积累，直到积累后的输出数据的输出信噪比SNR2>T22时停止积累；

上述四个门限值满足：T11>T12，T21>T22；

改进的频域非相干积累方式，具体如下：

A）首先，将输入的连续M帧N/2点频域数据按频点对齐进行M次累加，得到累加后的N/2点累加频域数据；

B）其次，取除最大值外的N/2-1点累加频域数据的均值作为噪声积累量，然后将所有N/2点累加频域数据都减去噪声积累量并取模，作为积累后的输出数据；

（4）对步骤（3）中的输出数据进行自相关运算，得到目标数据；

（5）对步骤（4）计算得到的目标数据进行峰值检测，取目标数据的最大谱值对应的频点为目标频点。

2.根据权利要求1所述的基于自适应频域非相干积累的目标检测方法，其特征在于，所述步骤（2）中计算输入信噪比SNR1时，取N/2点频域数据中最大值作为信号功率P_S，取其它N/2-1点频域数据均值作为噪声功率P_N，P_S与P_N的比值作为输入信噪比SNR1。

3.根据权利要求1所述的基于自适应频域非相干积累的目标检测方法，其特征在于，所述步骤（3）中输出信噪比SNR2取N/2点输出数据中最大值与其它N/2-1点输出数据均值的比值。

4.根据权利要求1所述的基于自适应频域非相干积累的目标检测方法，其特征在于，所述步骤（4）中自相关运算是对输出数据进行平方运算。

5.一种基于自适应频域非相干积累的目标检测装置，其特征在于，包括：

上述四个门限值满足：T11>T12，T21>T22；

改进的频域非相干积累方式，具体如下：

6.根据权利要求5所述的基于自适应频域非相干积累的目标检测装置，其特征在于，所述输入信噪比计算模块计算输入信噪比SNR1时，取N/2点频域数据中最大值作为信号功率P_S，取其它N/2-1点频域数据均值作为噪声功率P_N，P_S与P_N的比值作为输入信噪比SNR1。

7.根据权利要求5所述的基于自适应频域非相干积累的目标检测装置，其特征在于，所述非相干积累模块计算输出信噪比SNR2时，取N/2点输出数据中最大值与其它N/2-1点输出数据均值的比值。

8.根据权利要求5所述的基于自适应频域非相干积累的目标检测装置，其特征在于，所述自相关运算模块对输出数据进行自相关运算是指对输出数据进行平方运算。