CN104502905B - 基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于目标检测技术领域，特别涉及一种宽带雷达体制下的基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法。该基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法包括以下步骤：雷达接收的回波信号包含N个脉冲；利用第M+1距离单元至第L+M距离单元组成检测窗，L表示检测窗长度，M为设定的自然数；得出检测窗内第l个距离单元的回波信号向量的模值的积累值y_l,N；将检测窗内每个距离单元的回波信号向量的模值的积累值进行降序排列，将降序排列后位于第l位的数值表示为y_(l,N)；设置终止判决长度K和Q个检测通道；得出每个检测通道的检测统计量；确定每个检测通道的检测门限；如果每个检测通道的检测统计量大于等于对应检测通道的检测门限，则判定目标存在；反之，则判定目标不存在。

Description

基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法

技术领域

本发明属于目标检测技术领域，特别涉及一种宽带雷达体制下的基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法。

背景技术

雷达发射波形的带宽决定了其距离分辨能力。由于宽带雷达所发射波形的带宽较宽，所以其拥有较强的距离分辨能力。宽带雷达可以分辨的距离单元尺寸小于目标的尺寸，这样它就将一个目标分辨为多个独立的散射点，目标在宽带雷达体制下的表现形式为距离扩展目标。目标散射点的个数与目标在雷达径向距离上的扩展尺寸和雷达的距离分辨能力有关，通常目标不同散射点的强度存在差别，一个目标仅包含若干个较强的散射点。由于宽带雷达的回波包含许多目标的结构信息，所以其常应用于目标的识别、分类和成像等领域。

由于目标的外形、尺寸以及姿态的变化等因素，目标不同散射点在回波中的强度往往存在较大差别，通常目标的回波仅仅包含若干个较强的散射点，并且随着目标姿态以及目标相对雷达的位置变化，散射点的相对位置以及强度也会发生变化。在实际的宽带雷达目标检测过程中，目标强散射点的数目和位置往往是先验未知的，这对传统的能量积累检测方法的性能产生了一定的影响。

目前宽带雷达检测技术存在的主要不足是：传统的能量检测方法仅运用了检测窗内距离单元的能量信息，并没有将目标强散射点的数目以及位置等相关的信息考虑在内。因此，对于强散射点相对较少的强稀疏目标，传统的能量积累检测方法的检测性能不甚理想。

发明内容

本发明的目的在于克服已有技术的不足，提出一种基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法，以解决检测过程中包含强散射中心的数目和位置等先验信息未知的问题，提高检测性能。

为实现上述技术目的，本发明采用如下技术方案予以实现。

基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法包括以下步骤：

步骤1，利用雷达发收信号，利用雷达接收回波信号；雷达接收的回波信号包括目标回波信号以及杂波信号，雷达接收的回波信号包含N个脉冲；利用第M+1距离单元至第L+M距离单元组成检测窗，L表示检测窗长度，M为设定的自然数；得出检测窗内第l个距离单元的回波信号向量的模值的积累值y_l，Nl取1至L，z_l(n)表示检测窗内第l个距离单元第n个脉冲接收的数据，n取1至N；将检测窗内每个距离单元的回波信号向量的模值的积累值进行降序排列，将降序排列后位于第l位的数值表示为y_(l，N)；

步骤2，设置终止判决长度K，确定检测通道的总数Q，使Q满足2^Q≤K；将第i(q)距离单元设为第q检测通道，i(q)＝2^q，q＝1，2...，Q；

步骤3，得出每个检测通道的检测统计量；

步骤4，确定每个检测通道的检测门限；

步骤5，比较每个检测通道的检测统计量和对应检测通道的检测门限的大小，如果每个检测通道的检测统计量大于等于对应检测通道的检测门限，则判定目标存在；反之，则判定目标不存在。

本发明的有益效果为：

1)本发明采用了将距离单元幅度降序排列的方法，使得包含强散射点的距离单元位置不确定的问题得到了解决。

2)本发明采用了将检测通道进行采样的方法，在多个检测通道之间选取了若干个检测通道进行目标检测，减少了计算复杂度。

3)本发明将目标的强散射点的相关信息考虑在内，通过各个检测通道进行检测，针对强稀疏目标，具有更好的检测效果。

附图说明

图1为本发明的一种基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法的流程图；

图2a为仿真实验1中在目标仅含有一个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图；

图2b为仿真实验1中在目标含有两个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图；

图2c为仿真实验1中在目标含有32个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图；

图3a为仿真实验2中在目标仅含有一个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图；

图3b为仿真实验2中在目标含有两个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图；

图3c为仿真实验2中在目标含有32个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图。

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，为本发明的一种基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法的流程图。该基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法包括以下步骤：

步骤1，利用雷达发收信号，利用雷达接收回波信号；雷达接收的回波信号包括目标回波信号以及杂波信号，雷达接收的回波信号包含N个脉冲；利用第M+1距离单元至第L+M距离单元组成检测窗，L表示检测窗长度，M为设定的自然数；得出检测窗内第l个距离单元的回波信号向量的模值的积累值y_l，N，l取1至L，z_l(n)表示检测窗内第l个距离单元第n个脉冲接收的数据(雷达的第l+M距离单元第n个脉冲接收的数据)，n取1至N；将检测窗内每个距离单元的回波信号向量的模值的积累值进行降序排列，将降序排列后位于第l位的数值表示为y_(l，N)。

其具体子步骤为：

(1.1)在利用本发明进行距离扩展目标检测时，通过宽带雷达发收信号，利用雷达接收回波信号；雷达接收的回波信号包括目标回波信号以及杂波信号，雷达接收的回波信号包含N个脉冲。在雷达接收的包含N个脉冲的回波信号中，利用L+2M个连续的距离单元的回波信号来检测目标是否存在，L、M分别为设定的自然数，可知观测窗长度为L+2M；L+2M个连续的距离单元分别为第1距离单元至第L+2M距离单元，其中，第M+1距离单元至第L+M距离单元构成检测窗，第1距离单元至第M距离单元以及第L+M+I距离单元至第L+2M距离单元组成参考窗。

本发明实施例中，距离扩展目标检测过程可以用下面的二元假设检验问题进行描述：

其中，H₀表示检测结果为目标不存在，H₁表示检测结果为目标存在，L表示检测窗长度，M表示单侧参考窗长度，N表示雷达接收的脉冲个数，z_l′表示雷达的第l′距离单元接收的回波信号向量，c_l′表示雷达的第l′距离单元接收的杂波信号向量，s_l′表示雷达的第l′距离单元接收的目标回波信号向量。z_l′、c_l′和s_l′的展开形式分别为：

z_l′＝[z_l′(1)，z_l′(2)，...z_l′(n)，...z_l′(N)]^T

c_l′＝[c_l′(1)，c_l′(2)，...，c_l′(n)，...c_l′(N)]^T

s_l′＝[s_l′(1)，s_l′(2)，...，s_l′(n)，...，s_l′(N)]^T

其中，上标T表示矩阵或向量的转置，z_l′(n)表示雷达的第l′距离单元第n个脉冲接收的回波信号，c_l′(n)表示雷达的第l′距离单元第n个脉冲接收的杂波信号向量，s_l′(n)表示雷达的第l′距离单元第n个脉冲接收的目标回波信号向量，n取1至N。

(1.2)在距离分布式目标的检测中，强散射中心的位置往往是不确定的，因此会增加检测的难度，影响检测性能。而将检测窗内距离单元的平方包络进行降序排列之后，包含强散射中心的距离单元则会排列在靠前的位置，则包含强散射距离单元的位置不确定的问题得到了解决。

将检测窗内每个距离单元的回波信号向量的模值的积累值进行降序排列，将降序排列后位于第l位的数值表示为y_(l，N)，显然有：

y_(1，N)≥y_(2，N)…≥y_(L，N)

步骤2，由于观测数据(雷达的第l′距离单元接收的回波信号向量z_l′)在目标存在即H₁假设下的概率密度函数未知，因此本发明所述的目标检测方法无法根据虚警和漏警概率设置两个门限来判断目标是否存在，而只能根据虚警概率在每次检测时设置一个门限，通过这些设定的门限只能作出H₁假设成立，即目标存在的判决。因此我们需要通过其它判决策略来作出H₀假设成立，即目标不存在的判决。我们可以设置H₀假设成立的判决条件为：积累的距离单元已达到K个，还未作出H₁假设成立的判决。

(2.1)设置终止判决长度K。

考虑到包含强散射中心的距离单元的个数不会多于检测窗中包含的距离单元，将终止判决长度K设为不超过检测窗长度L的自然数，即1≤K≤L。

在实际应用中，我们可以直接将终止判决长度K设定为检测窗的长度L，即K＝L；也可以根据先验信息，即待检测目标的强散射中心不会超过M个，将K值设定为M。

(2b)选取检测通道：

在实际操作中，为了减少计算复杂度和避免多重积分的计算，没有必要将顺序统计检测通道设定为从1到终止判决长度K，而是将通道数进行采样，选取部分通道进行检测。

具体地说，确定检测通道的总数Q，使Q满足2^Q≤K；将第i(q)距离单元设为第q检测通道，i(q)＝2^q，q＝1，2...，Q。

步骤3，得出每个检测通道的检测统计量。第q检测通道的检测统计量ξ_i(q)为：

其中，y_(l，N)表示检测窗内每个距离单元的回波信号向量的模值的积累值进行降序排列后位于第l(q)位的数值，l(q)取1至i(q)。

步骤4，确定每个检测通道的检测门限，第q检测通道的检测门限表示为η_q。

其具体子步骤为：

(4.1)设每个检测通道的虚警概率相等，设定总虚警概率P_FA；根据单检测通道虚警概率和总虚警概率的关系，得到每个检测通道的虚警概率P_sfa，i：

P_sfa，i＝(1-P_FA)^1/Q

其中，P_FA表示设定的总虚警概率，Q表示检测通道的总数。

(4.2)利用仿真获取纯杂波数据，将雷达的第l′距离单元接收的回波信号向量z_l′替换为仿真得出的纯杂波数据，重复执行步骤1至步骤3多次，得出T×Q个检测统计量，T表示重复执行步骤1至步骤3的次数；第t次重复执行步骤1至步骤3后得出的第q检测通道的检测统计量表示为λ_t，q，其中，t＝1，2...，T，q＝1，2...，Q；可以看出，T次重复执行步骤1至步骤3后每个检测通道的检测统计量共有T个。

(4.3)将T次重复执行步骤1至步骤3后得出的每个通道的T个检测统计量进行降序排列，将每个检测通道的T个检测统计量进行降序排列后的<P_sfa，i×T>个检测统计量作为对应检测通道的检测门限，<·>表示进行向上取整、向下取整或四舍五入取整。本发明实施例中，第q检测通道的检测门限表示为η_q。

步骤5，比较每个检测通道的检测统计量和对应检测通道的检测门限的大小，如果每个检测通道的检测统计量大于等于对应检测通道的检测门限，则判定目标存在；反之，对于所有的检测通道，只要其中一个检测通道的检测统计量小于对应检测通道的检测门限，则判定目标不存在。

本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明：

1)仿真实验条件：

仿真实验中所使用的雷达回波为仿真高分辨距离像，包含目标回波以及杂波。仿真实验中所采用的杂波模型为对数正态模型，其概率密度函数为：

其中μ和σ是分别对数正态分布的两个参数，x为自变量。

对数正态分布的均值m和标准差v分别为：

m＝exp(μ+σ²/2)

v＝exp(2μ+σ²)(σ²-1)

仿真实验中，将检测窗内的信杂比(SCR)定义为目标回波的总能量和所有距离单元中的杂波功率的均值之比。

其中，P是杂波的平均功率，L为检测窗长度，N为脉冲个数，s_l表示雷达的第l距离单元接收的目标回波信号向量，上标H表示矩阵的共轭转置。

仿真实验中，检测概率是通过10⁶次独立实验得到的，将检测概率P_id定义为：

P_id＝Num_true/Num，

其中，Num_true为能够做出正确判决的独立实验次数，Num为独立实验的总次数，即Num＝10⁶。

2)仿真实验内容

仿真实验1，分别采用本发明及现有的能量积累检测方法对目标进行检测。在使用本发明对目标进行检测时，检测通道个数Q设定为6，检测通道的距离单元编号分别为1、2、4、8、16和32。能量积累检测方法的检测窗长度设置为32。服从对数正态分布的杂波的均值m＝0，标准差v＝0.5。总虚警概率设置为P_FA＝10^-6。

参照图2a，为仿真实验1中在目标仅含有一个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图。参照图2b，为仿真实验1中在目标含有两个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图。参照图2c，为仿真实验1中在目标含有32个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图。图2a至图2c中，横轴表示检测窗内的信杂比，单位为dB，纵轴表示目标检测概率，能量积累检测器代表现有的能量积累检测方法，顺序统计检测器代表本发明。

由图2a和图2b可知，当目标的散射中心没有均匀分布在目标回波支撑区所有距离单元，即目标含有的强散射单元个数小于检测窗长时，运用本发明时目标检测概率优于能量积累检测方法。由图2c可知，当目标的散射中心均匀分布在目标回波支撑区的所有距离单元时，本发明与能量积累检测方法的检测性能(目标检测概率)相当。

仿真实验2，别采用本发明及现有的能量积累检测方法对目标进行检测。在使用本发明对目标进行检测时，检测通道个数Q设定为6，检测通道的距离单元编号分别为1、2、4、8、16和32。能量积累检测方法的检测窗长度设置为32。服从对数正态分布的杂波的均值m＝4.5，标准差v＝0.7。总虚警概率设置为P_FA＝10^-6。

参照图3a，为仿真实验2中在目标仅含有一个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图。参照图3b，为仿真实验2中在目标含有两个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图。参照图3c，为仿真实验2中在目标含有32个强散射点时分别采用本发明及现有的能量积累检测方法得出的检测窗内的信杂比和目标检测概率的关系曲线的对比示意图。图3a至图3c中，横轴表示检测窗内的信杂比，单位为dB，纵轴表示目标检测概率，能量积累检测器代表现有的能量积累检测方法，顺序统计检测器代表本发明。

由图3a和图3b可知，当目标的散射中心没有均匀分布在目标回波支撑区所有距离单元，即目标含有的强散射单元个数小于检测窗长时，运用本发明时目标检测概率优于能量积累检测方法。由图3c可知，当目标的散射中心均匀分布在目标回波支撑区的所有距离单元时，本发明与能量积累检测方法的检测性能(目标检测概率)相当。

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 (3)

1.基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1，利用雷达发收信号，利用雷达接收回波信号；雷达接收的回波信号包括目标回波信号以及杂波信号，雷达接收的回波信号包含N个脉冲；利用第M+1距离单元至第L+M距离单元组成检测窗，L表示检测窗长度，M为设定的自然数；得出检测窗内第l个距离单元的回波信号向量的模值的积累值y_l，N，l取1至L，z_l(n)表示检测窗内第l个距离单元第n个脉冲接收的数据，n取1至N；将检测窗内每个距离单元的回波信号向量的模值的积累值进行降序排列，将降序排列后位于第l位的数值表示为y_(l，N)；

步骤2，设置终止判决长度K，确定检测通道的总数Q，使Q满足2^Q≤K；将第i(q)距离单元设为第q检测通道，i(q)＝2^q，q＝1，2...，Q；

步骤3，得出每个检测通道的检测统计量；

步骤4，确定每个检测通道的检测门限；

所述步骤4的具体子步骤为：

(4.1)得到每个检测通道的虚警概率P_sfa，i：

Ps_fa，i＝(1-P_FA)^1/Q

其中，P_FA表示设定的总虚警概率，Q表示检测通道的总数；

(4.2)利用仿真获取纯杂波数据，将雷达的第l′距离单元接收的回波信号向量z_l′替换为仿真得出的纯杂波数据，重复执行步骤1至步骤3多次，得出T×Q个检测统计量，T表示重复执行步骤1至步骤3的次数；第t次重复执行步骤1至步骤3后得出的第q检测通道的检测统计量表示为λ_t，q，其中，t＝1，2...，T，q＝1，2...，Q；

(4.3)将T次重复执行步骤1至步骤3后得出的每个检测通道的T个检测统计量进行降序排列，将每个检测通道的T个检测统计量进行降序排列后的第<P_sfa，i×T>个检测统计量作为对应检测通道的检测门限，<·>表示进行取整；

步骤5，比较每个检测通道的检测统计量和对应检测通道的检测门限的大小，如果每个检测通道的检测统计量大于等于对应检测通道的检测门限，则判定目标存在；反之，则判定目标不存在。

2.如权利要求1所述的基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法，其特征在于，在步骤2中，将终止判决长度K设定为检测窗的长度L，或者将终止判决长度K设定为M。

3.如权利要求1所述的基于多通道顺序统计的距离扩展目标检测方法，其特征在于，在步骤3中，第q检测通道的检测统计量ξ_i(q)为：

${\mathrm{\&xi;}}_{i\left(q\right)}=\underset{l\left(q\right)=1}{\overset{i\left(q\right)}{\&Sigma;}}{y}_{\left(l\right(q),N)}$

其中，y_(l，N)表示检测窗内每个距离单元的回波信号向量的模值的积累值进行降序排列后位于第l(q)位的数值，l(q)取1至i(q)。