CN1046608A - 基于最大熵谱估计的自适应动目标检测器 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达信号处理和检测技术，本发明提供了一种基于最大熵谱估计的自适应动目标检测的新技术方案及装置。本发明既能抑制固定杂波又能抑制活动杂波(包括多于一个活动杂波或活动杂波有多个谱峰)，并且在抑制活动杂波的同时检测出活动目标信号，可以在各种非高斯杂波幅度分布时保持恒虚警，并能在雷达自身运动时保持上述功能，若采用权系数时间平均方法，则可以抑制点状杂波或杂波边缘。

Description

本发明属于雷达信号处理和检测技术领域。

在雷达接收的回波中除了有用目标反射回波外，还有大量无关目标（如地物、海浪、飞鸟等）反射的回波。这类无关目标可分两大类，一类是静止不动的（如地物），另一类则是活动的（如云雨、海浪、飞鸟等），前者的多普勒频移为零，后者则有多普勒频移。这些无关目标形成的回波通常称之为杂波，它们的幅度往往很强，影响雷达对有用目标的检测，因此如何抑制这些杂波，提高雷达对有用目标检测的能力，是本技术领域科技人员所关注的重要课题之一。普通的雷达动目标显示器是利用目标回波具有多普勒频移而地物杂波无多普勒频移这一特点来抑制地杂波而显示活动目标的，显而易见这种动目标显示器是不能抑制具有多普勒频移的活动杂波（也包括雷达本身运动时从地物反射的回波）的。为了解决这个问题，通常是在普通的动目标显示器后级联多普勒波器组来改善目标的检测能力，即动目标检测器。其原理框图如附图1所示。1-1是模/数变换器、1-2是乒乓数据存贮器、1-3是零速滤波器、1-4是普通动目标显示器、1-5是多普勒滤波器组、1-6是加权求幅、1-7是门限、1-8是杂波地图、1-9是递归滤波器。这种动目标检测器的不足之处是滤波器加权系数固定，对于变化的实际杂波，特别是对活动杂波无法自适应抑制，当杂波为非高斯过程时，无法保持恒虚警。针对这一问题本领域的技术人员研制成了各种类型的自适应动目标显示器（或称为杂波滤波器），其中较先进的是美国专利“自适应多普勒滤波器”专利号为US    6569685。它是运用Gram-Schmidt正交化方法，采用去相关对消电路抑制杂波，使杂波输出最小值。但该项发明仍存在下列不足之处：1.由于采用正交化算法，它的运算量大，需用器件多;2.由于未考虑采用自适应动目标显示器时如何进行检测判决，不能保持各种情况下的虚警概率恒定;3.由于只考虑了对回波的去相关，而没有考虑当回波信号中含有有用目标时，由于去相关会把目标也被抑制的问题，所以此项技术实用的可能性不大。

本发明的目的是为克服上述技术存在之不足，提出一种新的设计方法，构成一种新的自适应动目标检测器，以提高雷达在各种杂波条件下对有用目标的检测能力，防止目标被“白化”，保持在非高斯杂波情况下的恒虚警特性，使其具有实用性及较好性能价格比。

本发明的技术要点是：

本发明采用最大熵谱估计的修正的上、下三角矩阵分解法计算各个空间单元杂波滤波器加权系数，减小运算量;采用协方差方法求输入数据的相关元素，以充分反映杂波特性;采用加权系数存贮和时间、空间平均的方法计算排除目标的实际杂波滤波器系数，解决了目标与杂波同时被抑制因而不能检测出目标的难题;采用非线性的检测方法保持在非高斯杂波情况下的恒虚警;采用可编程方法，以改变处理的数据点数，加权系数个数及估计系数的方法。

附图2是本发明的电路框图，它由模/数变换器2-1、兵乓数据存贮器2-2、普通动目标显示器2-3、相关矩阵元素估计器2-4、功率谱系数估计电路2-5、自适应动目标显示器2-6、非线性检测电路2-7、滤波器系数存贮、平均及目标检测电路2-8、多普勒滤波器组2-9构成。

下面对方法和装置分别进行详细描述：

一.方法：

1.采用最大熵功率谱估计的修正的上、下三角矩阵分解方法来估计各个空间单元杂波滤波器的加权系数。由于天线波束宽度的限制，雷达接收到的目标回波数通常较少，而实际环境是随时变化的，要抑制时变的活动杂波，必须实时地估计出杂波的功率谱，根据杂波功率谱计算出抑制杂波滤波器（即自适应动目标显示器）的加权系数，采用最大熵方法特别适合于对雷达回波信号这种短时序列的谱估计。最大熵方法估计的加权系数是一组线性方程组的解，它等效于修正的维纳-霍甫（Wiener-Hopf）矩阵方程的求解，为使系统完成高速实时处理要求，减少所用器件，本发明采用了一种新的称为MLUD的快速算法，即修正的上、下三角矩阵分解法，利用矩阵求逆的方法计算方程组的解保证了估计性能的良好，而在具体计算中又避免了直接矩阵求逆。利用矩阵元素的共轭对称性、中心对称性及递归性估计矩阵中各项元素，利用维纳格莱德（Winograd）原理减少了计算各项元素所需的乘法次数，同时在求复数方程组解时将复数矩阵变换成实数矩阵，减少了运算量;利用平方根法把实数矩阵分解成上、下三角矩阵乘积通过回代计算出方程组的解。消除了开方运算并减少了除法。

2.采用协方差方法求输入数据的相关矩阵各项元素，现有的杂波滤波器在计算滤波器加权系数时杂波相关矩阵采用的是自相关矩阵，它基于输入数据足够多，且是平稳过程的假设，而雷达接收到的输入回波数据是较短的，并且是非平稳的，因此采用自相关矩阵不能充分反映杂波特性。协方差矩阵适用于有限长的数据序列，且数据可以是非平稳的。协方差矩阵是用最小二乘方法估计杂波相关阵的元素来实现的。

3.采用加权系数存贮和时间、空间平均的方法：为了解决实现杂波抑制而又不致消除目标这一难题，本发明采用了权系数存贮和平均的构思与方法，利用活动杂波（如云雨、箔条等），在一定区域内和一定时间内其功率谱变化缓慢的特点，首先用海量存贮器将各个空间单元抑制杂波滤波器的权系数贮存起来，根据邻近单元和待测单元杂波特性相似，可以用邻近单元各系数的加权平均值来作为待测单元杂波滤波器的权系数，由于目标占据的空间单元很小（通常视为单个单元），在平均中所占地位就小，所以减小了对目标的抑制;还采用了同一空间单元不同扫描周期所得加权系数平均的方法来防止目标被抑制。

4.采用非线性的检测方法，保持在非高斯杂波干扰下具有良好的恒虚警率。由于雷达杂波不仅是时变的，通常还是非高斯的，最佳的线性匹配滤波器处理也无法保持恒虚警率。本发明采用了两种非线性检测方法，一种方法是剔除“野值”的方法，即在匹配滤波前将数据排序，去除幅度最大的几个数据点，设置其为零，再作匹配处理;另一种方法是“软限幅”法，它在排序完毕后不是单纯地将幅度最大的点去除，而是将它们的幅度限定为剩余数据点中幅度最大的值，保留原来的相位信息，然后再作匹配处理。

5.采用可编程方式，以改变处理的数据点数、滤波器的阶数及估计系数的方法。

二.装置，结合附图2对本发明进行详细描述：正交双通道I、Q信号经12位模/数变换器2-1后，存入乒乓数据存贮器2-2，将两个相参单元数据经过普通动目标显示器2-3消除无多普勒频移的地物杂波（也可以不经过而直通），输出数据（A）一路送到自适应动目标显示器2-6;另一路送到相关阵元素估计器2-4估计杂波协方差矩阵各元素（B），再由功率谱系数估计电路2-5实现协方差矩阵求解估计功率谱的权系数，估计出的系数（C）送入滤波器系数存贮、系数平均及目标检测电路2-8中，同时将2-8中经过时间或空间平均的系数（E）送到自适应动目标显示器2-6。经过自适应动目标显示器2-6滤波后的数据（D）在非线性检测电路2-7中进行排序及剔“野值”或“软限幅”（G），再送多普勒滤波器组2-9作修正匹配滤波。匹配后数据（F）送目标检测电路2-8鉴别是目标还是杂波边缘，减少虚警。全机由微处理器作控制器，通过键盘完成各种操作功能。

本发明的优点是：

1.不仅可以抑制固定地物杂波而且还可以抑制活动杂波，如云雨、海浪、箔条等;

2.可以在多于一个活动杂波时或活动杂波有多个谱峰时正常工作，即在此情况下仍能够抑制掉活动杂波;

3.可以在抑制活动杂波的同时，检测出活动目标信号，且具有优良的检测性能;

4.可以在各种非高斯杂波幅度分布时（实测杂波经常如此），仍能保持良好的恒虚警特性;

5.在雷达本身运动时仍能保持上述功能;

6.如采用权系数时间平均的方法，可以抑制点状杂波或杂波边缘。

实施例：

附图3是本发明按装在S波段机场控制航管雷达所构成的系统框图，3-1是天线，3-2是雷达头，3-3是正交双通道相位检波器、3-4是基于最大熵谱估计的自适应动目标检测器、3-5是数据处理计算机。航管雷达可以是国产的797雷达，用本发明可取代其经典的普通MT1，航管雷达也可以是美国西屋电气公司的ASR-9雷达，用本发明取代较为先进的动目标检测器（MTD）。其输入接口为正交双通道相位检波器的输出，其输出则可以直接加到数据处理计算机。

附图4是相关矩阵元素估计器框图，它包括数据存贮器4-1、乘法累加器4-2、定点一浮点转换电路查表及逻辑组合4-3和位片序列器4-4。它是将输入的12位数据在位片序列器控制下分别完成Xi、Xj的乘积及乘积项的加、减，计算出相关矩阵中的各元素 ${\mathrm{［r}}_{\mathrm{i\; ,\; j}}=\underset{\mathrm{R\; =\; 1}}{\overset{\mathrm{N\; -\; M}}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{(X}}_{\mathrm{M\; +\; R\; -\; i}}X{}_{\mathrm{M\; +\; R\; -\; j}}\mathrm{+\; X}{}_{\mathrm{R+\; i}}X{}_{\mathrm{R\; +\; j}})$ 式中N为输入数据点数，M为加权系数的个数]，由于采用快速算法，以最短时间完成相关矩阵元素估计，然后将估计出定点的元素值经查表和逻辑组合电路转换成浮点数据，以提高计算精度。

附图5是功率谱估计电路框图，它包括数据存贮器5-1、系数存贮器5-2、信号处理器片5-3、指令存贮器5-4、倒数表5-5。相关阵元素送入信号处理片后，在指令控制下完成矩阵求解（包括将复数阵转换为实数阵，将矩阵分解为上、下三角矩阵及求出权系数的实、虚部），在计算除法时，利用查表直接求出除数的倒数，加快运算速度，计算出的系数送存贮器5-2存贮。

附图6是自适应动目标显示器框图，它由数据存贮器6-1、输出存贮器6-2、乘法累加器6-3、指令控制电路6-4、自适应变系数存贮器6-5构成，它将滤除了固定杂波的回波信号通过时实更新的加权系数组成的FIR滤波器，滤除活动杂波。滤波器由指令控制分别作乘法累加（滤波），然后输出。

附图7是非线性检测电路框图，它包括数据存贮器7-1、数据排序7-2、选择7-3、剔除“野值”7-4、软限幅7-5、输出存贮器7-6。它将滤除了活动杂波的回波数据（即已经自适应动目标显示器滤波），先按幅度大小排序，然后选择或剔除最大值（野值），或采用软限幅对数据作非线性处理，结果送输出存贮器。

附图8是系数存贮平均及目标检测电路框图，它包括系数存贮器8-1、海量存贮器8-2、新估计的系数存贮器8-3、选择器8-4，乘法累加器8-5、权系数存贮器8-6、位片序列器8-7、比较判决8-8。它将各个单元估计出来的时变权系数存入海量存贮器，根据需要作空间平均，即将待测单元周围系数经乘法累加的加权平均，作为待测单元的滤波系数，经系数存贮器输出;或者作时间平均，即将新估计的系数与原存贮的系数加权平均后送回海量存贮器，经多普勒滤波器组修正匹配滤波后的数据送比较判决电路判决后，送至显示器，整个工作由位片序列器作时序控制。

附图说明：

附图1    带有多普勒滤波器的动目标检测器原理框图

1-1模/数变换器

1-2乒乓数据存贮器

1-3零速滤波器

1-4普通动目标显示器

1-5多普勒滤波器组

1-6加权求幅

1-7门限

1-8杂波地图

1-9递归滤波器

M    输出

附图2    基于最大熵谱估计的自适应动目标检测器电路框图

2-1模/数变换器

2-2乒乓数据存贮器

2-3普通动目标显示器

2-4相关矩阵元素估计器

2-5功率谱系数估计电路

2-6自适应动目标显示器

2-7非线性检测电路

2-8滤波器系数存贮、系数平均及目标检测电路

2-9多普勒滤波器组

H    输出

附图3    本发明安装在航管雷达上所构成的系统框图

3-1天线

3-2雷达头

3-3正交双通道相位检波器

3-4基于最大熵谱估计的自适应动目标检测器

3-5数据处理计算机

附图4    相关矩阵元素估计器框图

4-1数据存贮器

4-2乘法累加器

4-3定点-浮点转换电路

4-4位片序列器

A    已滤除固定杂波的回波数据

B    浮点数

附图5    功率谱系数估计电路框图

5-1数据存贮器

5-2系数存贮器

5-3信号处理器片

5-4指令存贮器

5-5倒数表

附图6    自适应动目标显示器框图

6-1数据存贮器

6-2输出存贮器

6-3乘法累加器

6-4指令控制电路

6-5自适应变系数存贮器

附图7    非线性检测电路框图

7-1数据存贮器

7-2数据排序

7-3选择

7-4剔除“野值”

7-5软限幅

7-6输出存贮器

附图8    系数平均与存贮电路框图

8-1系数存贮器

8-2海量存贮器

8-3新估计的系数存贮器

8-4选择器

8-5乘法累加器

8-6权系数存贮器

8-7位片序列器

8-8比较判决电路

E    送自适应动目标显示器

F    来自多普勒滤波器组输出

H    判决结果输出送显示器

Claims (6)

1、一种基于最大熵谱估计的自适应动目标检测方法，其特征在于采用最大熵谱估计的修正的上、下三角矩阵分解法计算各个空间单元杂波滤波器加权系数；采用协方差方法求输入数据的相关元素；采用加权系数存贮和时间、空间平均的方法计算排除目标的实际杂波滤波器系数；采用非线性检测方法保持在非高斯杂波情况下的恒虚警；采用可编程方法改变处理数据点数、加权系数个数及估计方法。

2、按照权利要求1说的基于最大熵谱估计的自适应动目标检测方法，其特征在于所说的最大熵谱估计的修正上、下三角矩阵分解法是利用矩阵的特性，通过计算一些基本项，并将这些基本项组合成矩阵的各项元素;用维纳格莱德原理进一步减少计算基本项的乘法次数。求复数方程组解时，先将复矩阵简化为实对称阵，再利用平方根法将实矩阵分解为上、下三角矩阵乘积，通过回代计算出方程组的解。

3、按照权利要求1说的基于最大熵谱估计的自适应动目标检测方法，其特征在于所说的协方差方法求输入数据的相关元素，是采用最小二乘方法估计杂波相关阵的元素来实现的。

4、按照权利要求1说的基于最大熵谱估计的自适应动目标检测方法，其特征在于所说的加权系数存贮和时间、空间平均的方法是首先用海量存贮器将各个空间单元抑制杂波滤波器的权系数贮存起来，根据各类杂波特性可以将邻近单元各系数的加权平均值来作为待测单元的权系数，也可用同一空间单元不同扫描周期所得的时间加权平均值来作为待测单元的权系数。

5、按照权利要求1说的基于最大熵谱估计的自适应动目标检测方法，其特征在于所说的非线性检测方法可以采用剔除“野值”的方法，即在匹配滤波器前将数据排序，去除幅度最大的几个数据点，设置为零，再做匹配处理;也可以采用软限幅法，即在排序后，不是单纯地将幅度最大的点去除，而是将他们的幅度限定为剩余数据点中幅度最大的值，保留其原来的相位信息，然后再做匹配处理。

6、一种基于最大熵谱估计的自适应动目标检测器，由模/数变换器，乒、乓数据存贮器，普通动目标显示器，多普勒滤波器组构成，其特征在于采用相关阵元素估计器估计杂波协方差矩阵各项元素，用功率谱系数估计器实现协方差矩阵求解，给出估计的功率谱系数，再由滤波器系数存贮、系数平均及目标检测电路估计待测单元杂波滤波器系数，由自适应动目标显示器自适应地滤除活动杂波，并通过非线性检测电路进行剔除“野值”和“软限幅”的非线性处理，保持在非高斯杂波情况下的恒虚警。

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