CN104391288A - 拟合干涉相位的虚警剔除方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达虚警检测技术领域，涉及拟合干涉相位的虚警剔除方法，其具体步骤为：利用机载广域扫描GMTI雷达系统接收回波信号，得出机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)；对x(r,f_d)依次进行杂波抑制和单元平均恒虚警检测处理，得出N个运动目标的多普勒域回波信号，得出第n个疑似运动目标的干涉相位得出第n个疑似运动目标对应的干涉相位拟合值设置虚警门限δ，判断与虚警门限δ的大小关系，|·|表示绝对值；若则认定第n个疑似运动目标为虚警；否则，认定第n个疑似运动目标为目标。

Description

拟合干涉相位的虚警剔除方法

技术领域

本发明属于雷达虚警检测技术领域，涉及机载广域扫描GMTI(GroundMoving Target Indication,地面动目标检测)雷达系统虚警剔除方法，具体的说是一种基于知识辅助的拟合干涉相位的虚警剔除方法，用于提高动目标的检测性能。

背景技术

机载广域扫描GMTI雷达系统不仅可以完成对大场景的观测，获得较高质量的DBS(Doppler Beam Sharpening,多普勒波束锐化)图像，寻找有价值的静止目标，而且还具备优秀的动目标检测和定位能力。

通常情况下，DBS成像的是利用地面固定场景的回波信息，在运动目标检测过程中地杂波是需要抑制掉的，使得动目标信息得到保留。载机的运动使不同方向的地面杂波径向速度不同，因而在回波数据中地面杂波占有一定的频谱宽度。而且，地面杂波的能量很强，部分动目标特别是慢速目标会淹没在地杂波中，使其很难被检测到。因此，在杂波得到有效抑制之后，再进行动目标检测，是目前动目标检测雷达最常使用的工作方式，所以杂波抑制，即虚警剔除方法有必要进行深入的研究。

传统的CFAR(Constant False Alarm Rate，恒虚警检测)方法是一种动目标检测方法。它通过计算检测背景的功率，自适应地调整检测门限，使得动目标检测的虚警概率不变。恒虚警检测方法不可避免的会受到杂波的影响，除了主瓣杂波对动目标检测产生的干扰外，雷达天线副瓣照射区的杂波和旁瓣孤立点杂波都会对恒虚警检测造成一定程度的干扰。恒虚警动目标检测方法主要是以输出功率的高低来判定是否是目标，这种单一的判定准则在地面非均匀性较强，天线旁瓣较高等情况下，会产生很多虚警。由于机载雷达在飞行过程中来自不同方位角(扫描角)的地面杂波有着特定的多普勒频率，杂波所处的方位角与其在回波数据中的多普勒频率是一一对应的，即杂波呈现空时二维耦合性；而动目标和杂波最显而易见的差异就是动目标存在多普勒频移，这使得动目标的多普勒频率不能与其真实所处的方位角存在对应关系。

发明内容

本发明的主要目的在于针对上述CFAR(Constant False Alarm Rate，恒虚警检测)的不足，提出了一种基于拟合干涉相位的虚警剔除方法。本发明在在CFAR基础上能再剔除部分虚警，提高动目标的检测性能。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

拟合干涉相位的虚警剔除方法包括以下步骤

步骤1，利用机载广域扫描GMTI雷达系统接收回波信号，机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号表示为x；

步骤2，将机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号x着方位向进行傅里叶变换，得出机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)；对机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)依次进行杂波抑制和单元平均恒虚警检测处理，得出N个运动目标的多普勒域回波信号，其中，第n个疑似运动目标的多普勒域回波信号表示为x_n(r_n,f_dn)，r_n表示第n个疑似运动目标的距离单元序号，f_dn表示第n个疑似运动目标的多普勒通道序号，n取1至N，N表示经单元平均恒虚警检测处理得出的疑似运动目标个数；

步骤3，得出第n个疑似运动目标的干涉相位

步骤4，得出第n个疑似运动目标对应的干涉相位值得出第n个疑似运动目标对应的干涉相位拟合值

步骤5，设置虚警门限δ，判断与虚警门限δ的大小关系，|·|表示绝对值；若则认定第n个疑似运动目标为虚警；否则，认定第n个疑似运动目标为目标。

本发明的有益效果为：

1)本发明以方位角为媒介，将干涉相位和多普勒频率之间建立起对应关系，简化了确定方位角的值就需要对干涉相位进行解模糊，实现简便；

2)本发明对CFAR检测到的目标进行二次过滤，剔除在杂波非均匀性较强或者天线旁瓣较高情况下造成的虚警，提高动目标的检测性能；

3)本发明进一步降低虚警率，效率非常高，适用性广。

附图说明

图1为本发明的拟合干涉相位的虚警剔除方法的流程图；

图2a为仿真实验1中机载广域扫描GMTI雷达系统的第一个接收通道的多普勒域回波信号的示意图；

图2b为仿真实验1中机载广域扫描GMTI雷达系统的第二个接收通道的多普勒域回波信号的示意图；

图3a为仿真实验2中得出的干涉相位值图；

图3b为仿真实验2中沿距离向取中值得出的干涉相位图；

图4为仿真实验3中得出的拟合干涉相位曲线和数据干涉相位曲线的示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，为本发明的拟合干涉相位的虚警剔除方法的流程图。该拟合干涉相位的虚警剔除方法包括以下步骤：

步骤1，利用机载广域扫描GMTI雷达系统接收回波信号，机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号表示为x。

其具体步骤为：

利用机载广域扫描GMTI雷达系统向外发射信号，利用机载广域扫描GMTI雷达系统接收回波信号；机载广域扫描GMTI雷达系统具有两个接收通道，机载广域扫描GMTI雷达系统的第一个接收通道Rx1接收的回波信号表示为x₁，机载广域扫描GMTI雷达系统的第二个接收通道Rx2接收的回波信号表示为x₂；则机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号x为：

x＝[x₁,x₂]^T＝[x₁,x₁e^{j2πdsinθcosφ/λ}]^T

其中，[·]^T表示转置，x₂＝x₁e^{j2πdsinθcosφ/λ}，d表示两个接收通道之间的间距，λ为机载广域扫描GMTI雷达系统接收信号的载波波长，θ为机载广域扫描GMTI雷达系统的方位角，φ为机载广域扫描GMTI雷达系统的俯仰角。

利用多普勒频率与扫描角之间的关系，有：

$f_d=\frac{2v_p}{\mathrm{\λ}}\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}$

其中，ν_p表示目标相对于机载广域扫描GMTI雷达系统的径向速度。则机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号x为：

$x={[x_1,x_1{e}^{\mathrm{j\π}{\mathrm{df}}_d/v_p}]}^T.$

步骤2，将机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号沿着方位向进行傅里叶变换，得出机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)；对机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)依次进行杂波抑制和单元平均恒虚警检测处理，得出N个运动目标的多普勒域回波信号，其中，第n个疑似运动目标的多普勒域回波信号表示为x_n(r_n,f_dn)，r_n表示第n个疑似运动目标的距离单元序号，f_dn表示第n个疑似运动目标的多普勒通道序号，n取1至N，N表示经单元平均恒虚警检测处理得出的疑似运动目标个数。

其具体步骤为：

将机载广域扫描GMTI雷达系统的每个接收通道接收的回波信号沿着方位向进行傅里叶变换(FFT处理)，得出机载广域扫描GMTI雷达系统的每个接收通道的多普勒域回波信号。此时，机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)为：

x(r,f_d)＝[x₁(r,f_d),x₁(r,f_d)e^{j2πdsinθcosφ/λ}]^T

其中，r表示距离单元，f_d表示多普勒频率，x₁(r,f_d)表示机载广域扫描GMTI雷达系统的第一个接收通道的多普勒域回波信号，[·]^T表示转置。

对机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)依次进行杂波抑制和单元平均恒虚警检测处理，得出N个运动目标的多普勒域回波信号，N为自然数，N表示经单元平均恒虚警检测处理得出的疑似运动目标个数。杂波抑制和单元平均恒虚警检测处理为本领域技术人员所公知的技术，在此不再详述。

本发明实施例中，第n个疑似运动目标的多普勒域回波信号表示为x_n(r_n,f_dn)：

$\begin{array}{c}{x}_n(r_n,f_{\mathrm{dn}})={[x_{1n}(r_n,f_{\mathrm{dn}}),x_{2n}(r_n,f_{\mathrm{dn}})]}^T\\ ={[x_{1n}(r_n,f_{\mathrm{dn}}),x_{1n}(r_n,f_{\mathrm{dn}})e^{j2\mathrm{\π}d\sin {\mathrm{\θ}}_n\cos {\mathrm{\φ}}_n/\mathrm{\λ}}]}^T\end{array}$

其中，n取1至N，r_n表示第n个疑似运动目标的距离单元序号，f_dn表示第n个疑似运动目标的多普勒通道序号，θ_n表示机载广域扫描GMTI雷达系统在距离多普勒单元(r_n,f_dn)处的方位角，φ_n表示机载广域扫描GMTI雷达系统在距离多普勒单元(r_n,f_dn)处的俯仰角。[·]^T表示转置，x_1n(r_n,f_dn)表示机载广域扫描GMTI雷达系统的第一个接收通道在距离多普勒单元(r_n,f_dn)处的多普勒域回波信号，x_2n(r_n,f_dn)表示机载广域扫描GMTI雷达系统的第二个接收通道在距离多普勒单元(r_n,f_dn)处的多普勒域回波信号。

步骤3，利用机载广域扫描GMTI雷达系统的两接收通道中检测到的目标所在距离-多普勒单元的回波数据做干涉处理，得出第n个疑似运动目标的干涉相位K_n＝πd/v_pn，d表示两个接收通道之间的间距，v_pn表示第n个疑似运动目标相对于雷达的径向速度。

其具体步骤为：

将机载广域扫描GMTI雷达系统的两个接收通道在距离多普勒单元(r_n,f_dn)处的多普勒域回波信号共轭相乘，得出机载广域扫描GMTI雷达系统的两个接收通道在距离多普勒单元(r_n,f_dn)处的共轭相乘后数据X：

$X=x_{1n}^{*}(r_n,f_{\mathrm{dn}})\×x_{2n}(r_n,f_{\mathrm{dn}})$

对共轭相乘后数据X取相位运算，即获得第n个疑似运动目标的干涉相位

其中，v_pn表示第n个疑似运动目标相对于雷达的径向速度，设K_n＝πd/v_pn，则第n个疑似运动目标的干涉相位为：

步骤4，得出第n个疑似运动目标对应的干涉相位值得出第n个疑似运动目标对应的干涉相位拟合值

其具体子步骤为：

(4.1)在机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)中，选取多普勒中心f_dc处的距离多普勒域信号x_m(r_m,f_dc)，f_dc表示多普勒中心频率，m表示机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)中多普勒中心f_dc对应的距离单元数目。

计算出多普勒中心f_dc处的距离多普勒域信号x_m(r_m,f_dc)的相位统计均值

其中，机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)在多普勒中心f_dc处第i个距离单元的相位，v_pi表示多普勒中心f_dc处第i个距离单元的散射点相对于雷达的径向速度。

(4.2)针对机载广域扫描GMTI雷达系统的两个接收通道在距离多普勒单元(r_n,f_dn)处的多普勒域回波信号，得出第n个疑似运动目标对应的干涉相位值以补偿由于参数等因素影响导致的干涉相位值产生的误差，

(4.3)得出第n个疑似运动目标对应的干涉相位拟合值

步骤5，设置虚警门限δ，判断与虚警门限δ的大小关系，|·|表示绝对值；若则认定第n个疑似运动目标为虚警；否则，认定第n个疑似运动目标为目标。

具体地说，在步骤5中，设置虚警门限δ，该虚警门限由系统参数、检测环境以及目标的功率强度等多方面的因素综合决定。一般情况下δ应选择为多普勒分辨率的一半所对应的干涉相位值，即

$\mathrm{\δ}=\frac{\mathrm{\πd}}{2v}\·\mathrm{\Δf}$

其中，Δf为机载广域扫描GMTI雷达系统的多普勒分辨率，ν为机载广域扫描GMTI雷达系统相对于检测区域的径向速度。

然后判断与虚警门限δ的大小关系，|·|表示绝对值；若则认定第n个疑似运动目标为虚警，将第n个疑似运动目标予以剔除；否则，若则认定第n个疑似运动目标为目标。

本发明的效果通过以下仿真实验进一步说明：

仿真实验1，两通道PD(Pulse Doppler,脉冲多普勒)处理结果。

仿真实验1中，仿真参数如表1所示。在仿真实验1中，得出机载广域扫描GMTI雷达系统的两个接收通道的多普勒域回波信号，参照图2a，为仿真实验1中机载广域扫描GMTI雷达系统的第一个接收通道的多普勒域回波信号的示意图，参照图2b，为仿真实验1中机载广域扫描GMTI雷达系统的第二个接收通道的多普勒域回波信号的示意图。图2a和图2b中，横轴表示多普勒通道序号，纵轴表示距离单元(距离门)序号。图2a和图2b中，64号多普勒通道附近为机载广域扫描GMTI雷达系统主波束对应的回波数据，该部分的功率较高，图中显示的颜色较深。另外，在旁瓣杂波区标注出了加入的目标，其中，“□”标识的位置表示的是偏移到旁瓣区的主瓣目标，“○”标识的位置表示的是旁瓣孤立点强杂波。

表1 仿真参数

仿真实验2，本仿真实验中的参数设置与仿真实验1相同，在仿真实验2中，对机载广域扫描GMTI雷达系统的两个接收通道的多普勒域回波信号作干涉处理，得到对应的干涉相位特性图。参照图3a，为仿真实验2中得出的干涉相位值图，图3a中，横轴表示多普勒通道序号，纵轴表示距离单元(距离门)序号。参照图3b，为仿真实验2中沿距离向取中值得出的干涉相位图。图3b中，横轴表示多普勒通道序号，纵轴表示干涉相位值。

仿真实验3，本仿真实验中的参数设置与仿真实验1相同，在仿真实验3中，利用本发明对仿真实验2得出的干涉相位值进行拟合，得出拟合干涉相位曲线和数据干涉相位曲线。参照图4，为仿真实验3中得出的拟合干涉相位曲线和数据干涉相位曲线的示意图。图4中，横轴表示多普勒通道序号，纵轴表示距离单元(距离门)序号。由图4粗略的可以看到拟合干涉相位曲线和数据干涉相位曲线的差异。

仿真实验4，目标的干涉相位值仿真结果。

本仿真实验中的参数设置与仿真实验1相同，在仿真实验5中，应用本发明剔除虚警，这里虚警门限值为多普勒分辨率对应的干涉相位值的一半，即不超过一个多普勒分辨单元造成的干涉相位跨度值。在这里计算得到的门限值为0.2，将误差小于此门限的目标全部剔除。参照表2，为仿真实验5中得出的仿真结果。对表2中的差值进行观察可以得出以下结论：拟合干涉相位动目标虚警剔除方法能有效的剔除虚警，提高动目标的检测性能。

表2 仿真结果

综上所述，如何更多的利用目标与杂波的先验特性差异，从多个角度来检测目标是提高目标检测概率的有效方法。本发明提出了一种基于知识辅助的拟合干涉相位的虚警剔除方法。本发明从传统CFAR检测方法中存在的不足出发，充分利用动目标与检测背景杂波之间干涉相位不同这一特性，对CFAR检测到的目标进行二次过滤，剔除了在杂波非均匀性较强或者天线旁瓣较高情况下造成的虚警，使得目标的检测性能得到改善。本发明的实现简单，免除了解模糊的复杂过程，效率非常高，进一步的降低了虚警率，提高了动目标的检测性能。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。

Claims (5)

1.拟合干涉相位的虚警剔除方法，其特征在于，包括以下步骤 

步骤1，利用机载广域扫描GMTI雷达系统接收回波信号，机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号表示为x； 

步骤2，将机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号x着方位向进行傅里叶变换，得出机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)；对机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)依次进行杂波抑制和单元平均恒虚警检测处理，得出N个运动目标的多普勒域回波信号，其中，第n个疑似运动目标的多普勒域回波信号表示为x_n(r_n,f_dn)，r_n表示第n个疑似运动目标的距离单元序号，f_dn表示第n个疑似运动目标的多普勒通道序号，n取1至N，N表示经单元平均恒虚警检测处理得出的疑似运动目标个数； 

步骤3，得出第n个疑似运动目标的干涉相位

步骤4，得出第n个疑似运动目标对应的干涉相位值得出第n个疑似运动目标对应的干涉相位拟合值

步骤5，设置虚警门限δ，判断与虚警门限δ的大小关系，|·|表示绝对值；若则认定第n个疑似运动目标为虚警；否则，认定第n个疑似运动目标为目标。 

2.如权利要求1所述的拟合干涉相位的虚警剔除方法，其特征在于，所述机载广域扫描GMTI雷达系统具有两个接收通道； 

在步骤1中，机载广域扫描GMTI雷达系统的第一个接收通道Rx1接收的回波信号表示为x₁，机载广域扫描GMTI雷达系统的第二个接收通道Rx2接收的回波信号表示为x₂；则机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号x为： 

x＝[x₁,x₂]^T

其中，[·]^T表示转置。 

3.如权利要求1所述的拟合干涉相位的虚警剔除方法，其特征在于，所述机载广域扫描GMTI雷达系统具有两个接收通道；在步骤3中，首先得出机载广域扫描GMTI雷达系统的两个接收通道在距离多普勒单元(r_n,f_dn)处的共轭相乘后数据X： 

其中，上标*表示取共轭，x_1n(r_n,f_dn)表示机载广域扫描GMTI雷达系统的第一个接收通道在距离多普勒单元(r_n,f_dn)处的多普勒域回波信号，x_2n(r_n,f_dn)表示机载广域扫描GMTI雷达系统的第二个接收通道在距离多普勒单元(r_n,f_dn)处的多普勒域回波信号； 

然后计算得出第n个疑似运动目标的干涉相位

其中，v_pn表示第n个疑似运动目标相对于雷达的径向速度，d表示两个接收通道之间的间距，设K_n＝πd/v_pn，则第n个疑似运动目标的干涉相位为： 。

4.如权利要求3所述的拟合干涉相位的虚警剔除方法，其特征在于，所述步骤4的具体子步骤为： 

(4.1)在机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)中，选取多普勒中心f_dc处的距离多普勒域信号x_m(r_m,f_dc)，f_dc表示多普勒中心频率，m表示机载广域扫描GMTI雷达系统接收的回波信号对应的距离多普勒域上的信号x(r,f_d)中多普勒中心f_dc对应的距离单元数目； 

计算出多普勒中心f_dc处的距离多普勒域信号x_m(r_m,f_dc)的相位统计均值 

其中，d表示两个接收通道之间的间距，v_pi表示多普勒中心f_dc处第i个距离单元的散射点相对于雷达的径向速度； 

(4.2)得出第n个疑似运动目标对应的干涉相位值

(4.3)得出第n个疑似运动目标对应的干涉相位拟合值

5.如权利要求1所述的拟合干涉相位的虚警剔除方法，其特征在于，在步骤5中，虚警门限δ为： 

其中，d表示两个接收通道之间的间距，Δf为机载广域扫描GMTI雷达系统的多普勒分辨率，ν为机载广域扫描GMTI雷达系统相对于检测区域的径向速度。