CN104459665B - 基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达目标检测技术领域，特别涉及基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法。其具体步骤为：利用雷达发射信号，利用雷达接收回波信号，然后将回波信号和参考信号进行混频，得到混频后信号r；得出混频后信号r的离散多项式相位函数DCPF|_r(n)(n,m)，n为离散时间变量，m为离散调频率变量；将混频后信号r的离散多项式相位函数沿其时间轴等距分割为多个不重叠的片段，每个片段共有N_S个时间采样点；根据每个片段的离散多项式相位函数，构建混频后信号的混合多项式相位函数H(m)；利用构建混频后信号的混合多项式相位函数H(m)，得出检验统计量u；设置检测门限η，如果u≥η，则认为有目标存在，如果u<η，则认为不存在目标。

Description

基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达目标检测技术领域，特别涉及基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法。

背景技术

目标的回波信号与两个雷达常数有关：发射信号的波长和距离分辨率。如果目标沿雷达视线方向的尺寸大于雷达发射波的波长，那么目标可以看成是一系列分散的物理反射中心的组合，而回波信号可以看成被多个单独散射中心反射的回波的叠加。

近年来高分辨雷达取得了重大进展并在成像方面得到了广泛的应用。在高分辨雷达系统中，距离分辨率比目标在雷达视线方向的尺寸要小。因此散射中心分布在不同的距离单元内，目标就被看作距离扩展目标。由于高分辨雷达收集的回波提供了散射中心的更精确的信息，其中包括位置、分布、长度。因此目标回波就可以用来做目标的检测、识别和分类。

在低分辨雷达的检测系统中目标定位在一个单一的距离单元中，相比之下高分辨雷达的检测有两方面的优势。第一，高分辨雷达单元内包含更少的噪声，这就提供了一个更高的信噪比。第二，由于高分辨雷达的一个回波距离单元包含更少的物理散射中心，距离扩展目标的回波将更加稳定。

为了检测一个距离扩展目标，通常假设目标模型是已知的。然而距离扩展目标的模型对于目标的姿态是高度敏感的。通常距离扩展目标的检测是通过最大似然比法或二阶最大似然比法实现的。这些基于广义似然比检测(GLRT，generalized likelihood ratiotest)的检测器依赖大量的间接数据，他们或是和原始数据具有相同的相关矩阵，或是具有相同形式的相关矩阵。一个特殊例子那就是高斯白噪声。他的协方差矩阵具有仅决定于协方差的相同结构。在这种情况下，间接数据并不总是必要的。最近甚至在相关高斯噪声或非高斯噪声环境中，一些不需要间接数据的检测器被提出。除此之外基于广义似然比检测的检测器需要目标导向矢量的精确知识。近年，导向矢量的失配问题在一定约束下被减少了。

为了在高斯白噪声中检测距离扩展目标，一种经典的检测器在被提出，即特殊散射密度检测(SSD-GLRT，spatial scattering density GLRT)。它通过用于减少噪声并在一维高分辨距离向上积分的非线性映射来实现。最近，两组用于检测高斯白噪声中有机动航行的距离扩展飞行器的检测器被提出。一种检测器由多个连续的高分辨距离像(HRRP，highresolution range profile)的数学均值的波形熵产生。另一个在单独的高分辨距离向的熵进行一个非线性缩减映射，用于减少噪声，之后再将滤波后的高分辨距离向的调制过的互相关矩阵进行加权积分。

这两种检测器能非结合地积分目标的多个高分辨距离像，从而改善检测性能。然而他们都受到目标移动的严重影响，包括目标的平动和转动。此外，利用两个相邻的混频器输出来检测距离扩展目标也被提出。这样的检测是建立在假设两个相邻的高分辨距离像是高度相关的基础上的。因此这种情况只适用于低速度、并且没有高速转动的目标。

为了分析高阶多项式信号，多项式相位函数(CPF,cubic phase function)被提出。它是信号的时间—调频率的二维表示。在CPF域，一个线形调频信号表现为一条与时间轴平行的直线。为了估计线形调频信号的参数，人们提出了乘积多项式相位函数(PCPF,product cubic phase function)，它是通过求在一些时间按常数下的CPF的乘积而得到的。之后又有文献提出了积分多项式相位函数(ICPF，integrated cubic phasefunction)，它是将信号的CPF沿时间轴上求积分。经过去斜混频后的距离扩展目标雷达回波由一系列有着小调频率(FR，frequency rate)的线形调频信号分量构成。这意味着混频输出的CPF集中在0FR区域。因此PCPF和ICPF能用来分析距离扩展目标的混频输出。但是二者都有着不足,其中PCPF对CPF的起伏较为敏感，而ICPF省略了较小值的影响。

发明内容

本发明的目的在于提出基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法,适用于检测机动高速目标。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法包括以下步骤

步骤1，利用雷达发射信号，利用雷达接收回波信号，然后将回波信号和参考信号进行混频，得到混频后信号r；得出混频后信号r的离散多项式相位函数DCPF|_r(n)(n,m)，n为离散时间变量，m为离散调频率变量；

步骤2，将混频后信号r的离散多项式相位函数沿其时间轴等距分割为多个不重叠的片段，每个片段共有N_S个时间采样点；

步骤3，根据步骤2得出的每个片段的离散多项式相位函数，构建混频后信号的混合多项式相位函数H(m)；

步骤4，利用构建混频后信号的混合多项式相位函数H(m)，得出检验统计量u；

步骤5，设置检测门限η，如果u≥η，则认为有目标存在，如果u<η，则认为不存在目标。

本发明的有益效果为：本发明的检测结果仅仅依赖于混频器的一次输出(仅利用一次混频后信号)，因此可以用于检测高速运动或转动的目标。在相同的信噪比下，本发明的目标检测概率优于现有其他目标检测方法。

附图说明

图1为本发明的基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法的流程图；

图2为仿真实验中针对An-26飞行器的雷达实测回波数据分别应用几种检测器得出的目标检测概率与信噪比的关系曲线示意图；

图3为仿真实验中针对Cessna Citation S/II飞行器的雷达实测回波数据分别应用几种检测器得出的目标检测概率与信噪比的关系曲线示意图；

图4为仿真实验中针对Yark-42飞行器的雷达实测回波数据分别应用几种检测器得出的目标检测概率与信噪比的关系曲线示意图。

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，为本发明的基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法的流程图。该基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法包括以下步骤：

步骤1，利用雷达发射信号，利用雷达接收回波信号，然后将回波信号和参考信号进行混频，得到混频后信号r(对回波信号进行去斜处理，从而实现信号的下变频，得到混频后信号r)；得出混频后信号r的离散多项式相位函数DCPF|_r(n)(n,m)：

其中，N为混频后信号r的长度，l为引入的离散延时变量，n为离散时间变量，n＝0,1,...,N-1；m为离散调频率变量，m的取值范围表示为集合Ω，集合Ω为：Ω＝{0,1,2,...,N-1}。

步骤2，将混频后信号r的离散多项式相位函数沿其时间轴(对应的自变量为n)等距分割为多个不重叠的片段，每个片段共有N_S个时间采样点；在所有不重叠的片段中，第k个片段的离散多项式相位函数表示为Q_k(n,m)，对于第k个片段的离散多项式相位函数Q_k(n,m)，n取kN_S+1至(k+1)N_S。即Q_k(n,m)可以表示为：

Q_k(n,m)＝DCPF|_r(n)(kN_S+1:(k+1)N_S,m)

步骤3，根据步骤2得出的每个片段的离散多项式相位函数，构建混频后信号的混合多项式相位函数H(m)。

本发明实施例中，混频后信号的混合多项式相位函数H(m)为：

其中，n取kN_S+1至(k+1)N_S，|·|表示取模。

步骤4，利用构建混频后信号的混合多项式相位函数H(m)，得出检验统计量u。

本发明实施例中，所述检验统计量u为：

其中，N/2-m₀是混频后信号的混合多项式相位函数H(m)的峰值沿左侧曲线下降到10dB时对应的频率值，N/2+m₀是混频后信号的混合多项式相位函数H(m)的峰值沿右侧曲线下降到10dB时对应的频率值；N为混频后信号r的长度；m1∈Ω且N/2-m₀≤m1≤N/2+m₀，m2∈Ω且N-N₀+1≤m2≤N/2-m₀-5，m3∈Ω且N/2+m₀+5≤m3≤N₀。N₀是推算出的某一离散调频率，它的值取决于m₀，N₀使得分子分母的累加个数相等。

步骤5，设置检测门限η(例如，通过进行100000次蒙特卡洛实验得到检测门限η)，判断检验统计量u和检测门限η的大小关系，如果u≥η，则认为有目标存在，如果u<η，则认为不存在目标。

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：

1)仿真实验环境和内容

实验环境：MATLAB 7.5.0,Intel(R)Pentium(R)2CPU 3.0GHz，Window XPProfessional。

仿真实验内容：应用了An-26,Cessna Citation S/II(CC-S/II),和Yark-42三种飞行器的雷达实测回波数据，数据包含4000个混频器输出。将本发明检测器与几种已提出的检测器进行性能比较。画出各自在特定信噪比下的检测概率图。参照图2，为仿真实验中针对An-26飞行器的雷达实测回波数据分别应用几种检测器得出的目标检测概率与信噪比的关系曲线示意图。参照图3，为仿真实验中针对Cessna Citation S/II飞行器的雷达实测回波数据分别应用几种检测器得出的目标检测概率与信噪比的关系曲线示意图。参照图4，为仿真实验中针对Yark-42飞行器的雷达实测回波数据分别应用几种检测器得出的目标检测概率与信噪比的关系曲线示意图。图2、图3和图4中，横轴皆为信噪比，其单位为dB；纵轴为取值范围为0到1的目标检测概率。图2、图3和图4中，其中ID表示能量积分检测器，SSD-GLRT表示广义似然比检测器，HCPF表示本发明。

2)实验结果：

结果如图2、图3和图4，可以看到本发明提出的检测方法在相同的信噪比下，目标检测概率高于其他的检测器，性能更好。另外本发明由于仅仅依赖于一次混频输出，因此对于高速机动目标适用性更好。

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 (4)

1.基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤

步骤1，利用雷达发射信号，利用雷达接收回波信号，然后将回波信号和参考信号进行混频，得到混频后信号r；得出混频后信号r的离散多项式相位函数DCPF|_r(n)(n,m)，n为离散时间变量，m为离散调频率变量；

步骤2，将混频后信号r的离散多项式相位函数沿其时间轴等距分割为多个不重叠的片段，每个片段共有N_S个时间采样点；

步骤3，根据步骤2得出的每个片段的离散多项式相位函数，构建混频后信号的混合多项式相位函数H(m)；

步骤4，利用构建混频后信号的混合多项式相位函数H(m)，得出检验统计量u；

步骤5，设置检测门限η，如果u≥η，则认为有目标存在，如果u<η，则认为不存在目标。

2.如权利要求1所述的基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法，其特征在于，在步骤1中，所述混频后信号r的离散多项式相位函数DCPF|_r(n)(n,m)为：

${\mathrm{DCPF}|}_{r\left(n\right)}(n,m)=\underset{l=0}{\overset{(N-1/2)}{\mathrm{\&Sigma;}}}r(n+l)r(n-l)e^{-j\frac{2\mathrm{\&pi;}}{N(N-1)}(m-\frac{N-1}{2})l^2}$

其中，N为混频后信号r的长度，l为引入的离散延时变量，n为离散时间变量，n＝0,1,...,N-1；m为离散调频率变量，m的取值范围表示为集合Ω，集合Ω为：Ω＝{0,1,2,...,N-1}。

3.如权利要求1所述的基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法，其特征在于，在步骤3中，所述混频后信号的混合多项式相位函数H(m)为：

$H\left(m\right)=\underset{k=1}{\overset{N/N_S}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Q}_k\left(m\right)$

$Q_k\left(m\right)=\left|\underset{n=k{N}_S+1}{\overset{(k+1)N_S}{\mathrm{\&Pi;}}}{Q}_k(n,m)\right|$

其中，N为混频后信号r的长度，n取kN_S+1至(k+1)N_S，|·|表示取模。

4.如权利要求1所述的基于混合多项式相位函数的机动距离扩展目标检测方法，其特征在于，在步骤4中，所述检验统计量u为：

$u=\frac{\underset{m1=(N-1)/2-m_0}{\overset{(N-1)/2+m_0}{\mathrm{\&Sigma;}}}H\left(m1\right)}{\underset{m2=N-N_0}{\overset{N/2-m_0-5}{\mathrm{\&Sigma;}}}H\left(m2\right)+\underset{m3=N/2+m_0+5}{\overset{N_0}{\mathrm{\&Sigma;}}}H\left(m3\right)}$

$N_0=2m_0+\frac{9+N}{2}$

其中，N/2-m₀是混频后信号的混合多项式相位函数H(m)的峰值下降到10dB时对应的频率值的最小值，N/2+m₀是混频后信号的混合多项式相位函数H(m)的峰值下降到10dB时对应的频率值的最大值；N为混频后信号r的长度；m1∈Ω且N/2-m₀≤m1≤N/2+m₀，m2∈Ω且N-N₀+1≤m2≤N/2-m₀-5，m3∈Ω且N/2+m₀+5≤m3≤N₀。