CN105403875A - 双极化接收雷达的目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种针对双极化接收雷达的雷达目标检测方法。技术方案包括以下四个步骤：第一步，双极化接收。雷达采用正交双极化方式接收目标回波信号；第二步，匹配滤波。计算H极化通道、V极化通道的匹配滤波输出信号；第三步，低门限初检测。对H极化通道和V极化通道的匹配滤波输出信号逐个点进行CFAR检测，检测门限系数采用低门限；第四步，高门限确认检测。对低门限检出点集合按不同情形分别进行处理，筛选低门限的检出点。本发明检测性能稳健、简单实用。

Description

双极化接收雷达的目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达探测技术领域，具体是涉及极化雷达的目标检测问题。

背景技术

双极化接收雷达的目标检测方法，主要可以分为两类，第一类是有先验信息的情况，即目标极化散射特性已知的情况，主要方法包括最优极化检测器等；第二类是无先验信息的情况，即目标极化散射特性未知的情况，包括极化白化滤波器、极化恒虚警检测器等，这些方法主要是通过对杂波信号极化协方差矩阵的估计来确定极化通道间的加权系数，以对背景杂波的最大抑制为准则。

对于第一类方法，实际中由于目标极化散射特性难以预知且动态起伏变化，因此在应用中较有难度。第二类方法虽然可以通过对背景数据的极化估计，实现信杂比(Signal-ClutterPowerRatio，信号杂波功率比，简称SCR)的优化，但其对目标检测性能的改善受制于目标极化散射特性。此外，这两类方法都是立足于通过提高信噪比(Signal-NoisePowerRatio，信号噪声功率比，简称SNR)或信杂比来改善目标检测性能，而对检测方法本身的优化设计则涉及很少。

本发明针对目标极化散射特性等先验信息未知的情况，提出了一种针对双极化接收雷达的检测方法，通过低门限选择“疑似目标”，进而通过高门限“确认目标”，充分发挥了双极化通道联合接收的优势，可以更为稳健地检测目标。这种针对双极化接收雷达的双门限检测方法，还未见有文献报道。

发明内容

本发明的目的是提出一种针对双极化接收雷达的雷达目标检测方法。雷达采用正交双极化接收通道同时接收信号，通过对两个通道接收信号先后进行低门限、高门限的检测判决与处理，实现更为稳健的检测性能。

本发明的技术方案具体包括以下四个步骤：

第一步，双极化接收

雷达采用正交双极化方式接收目标回波信号，不失一般性，设为H(Horizontal，水平)极化方式、V(Vertical，垂直)极化方式，两种极化方式分别对应H极化通道和V极化通道。

H极化通道、V极化通道的中频信号经过同步采样、数字正交化后，分别得到两个复信号数据序列x_H,m(n)、x_V,m(n)，m为脉冲周期序号，n＝1,…,N，N为一个脉冲周期内的采样点数。

特别地，上述同步采样应使用同一时钟信号源为两个极化通道提供采样时钟信号。

第二步，匹配滤波

依据下式计算H极化通道、V极化通道的匹配滤波输出信号：

y_H,m(n)＝IFFT[[FFT[[x_H,m(n)]]·U(ω)]]

y_V,m(n)＝IFFT[[FFT[[x_V,m(n)[]·U(ω)]]

(1)

上式中，FFT[]表示信号的傅里叶变换，IFFT[]表示信号的傅里叶反变换；U(ω)为雷达匹配滤波参考波形的频谱，参考波形采用与雷达发射信号相同的波形；y_H,m(n)表示H极化通道第m个脉冲周期的匹配滤波输出信号，y_V,m(n)表示V极化通道第m个脉冲周期的匹配滤波输出信号。

第三步，低门限初检测

本发明将检测过程分为两步，即低门限初检测、高门限确认检测，分别对应不同的检测门限系数，即η_L、η_H。需说明的是，η_L、η_H是以CA-CFAR(Cellaveraging-Constantfalsealarmrate，单元平均恒虚警率)检测器的检测门限系数η为参考、以检测概率/虚警概率要求为约束，通过蒙特卡洛仿真实验来确定的，一般有η_L＜η＜η_H。

以第m个脉冲周期为例，对H极化通道和V极化通道的匹配滤波输出信号逐个点进行CFAR检测，检测门限系数采用η_L，记录CFAR检测检出点(简称检出点)的位置。设H极化通道共有a个检出点，V通道有b个检出点，将它们的并集作为检出点集合{p₁,p₂,…,p_K}，则K≤a+b。

其中，上述CFAR检测处理过程如下(如图2)：设待检测点为y_H,m(n)(不失一般性，以H极化通道为例)，在其两侧各取N个采样点作为“保护单元”，在“保护单元”外各取M/2个点(共计M个点)作为参考单元，M一般根据采样率、距离分辨率等参数确定，对该M个点的信号幅度取均值(记为Z)并乘以检测门限系数η_L后得到检测门限值V_T，即V_T＝Z·η_L，利用V_T进行检测：

(2)

第四步，高门限确认检测

进一步进行高门限确认检测。对检出点集合{p₁,p₂,…,p_K}中每一个位置点p_k(k＝1,2,…,K)对应的H通道、V通道信号值，按下述三种情形进行处理：

1)如果H通道或V通道信号值的幅度超过高门限Z·η_H，则确认该位置检出信号。

2)如果H通道和V通道信号值的幅度均低于高门限Z·η_H，并且均超过低门限Z·η_L，则确认该位置检出信号。

3)如果H通道和V通道信号值的幅度均低于高门限Z·η_H，并且有一个通道信号值的幅度超过低门限Z·η_L，则对两通道信号值进行相位分集加权叠加并取最大值s_m(p_k)，若s_m(p_k)的幅度超过高门限Z·η_H，则确认该位置检出信号，否则判为未检出。

其中，相位分集加权叠加并取最大值的过程描述如下：以相位集i＝1,2,…I，采用均匀分集方式，相位间隔越小越有利，具体需根据雷达信号处理运算及存储能力来确定分集数I)中的相位作为V极化通道信号值的附加相位，对H通道、V通道信号值进行加权相加。设加权相加后信号最大值为s_m(p_k)，其计算方法如下式所示：

$s_m\left(p_k\right)=\underset{i=1,...I}{max}\left\{\right|y_{H,m}\left(p_k\right)+y_{V,m}\left(p_k\right)\·e^{j\·{\mathrm{\φ}}_i}\left|\right\}---\left(1\right)$

本发明的技术效果：

一、检测性能稳健。本发明所提方法同时利用了正交双极化接收通道的信号，有效地消除了雷达目标极化散射特性未知以及动态起伏给检测带来的不利影响，对各类极化散射特性的目标均具有稳定的检测性能。

二、简单实用。本发明所提方法不需要目标极化散射特性等先验信息，也无需进行复杂的极化估计运算，仅需要对两个极化通道信号先后进行“低门限初检测”和“高门限确认检测”，即可充分发挥双极化接收对雷达目标检测带来的潜力，因此本方法计算量少、简单实用。

附图说明

图1为本发明所提方法的信号检测处理流程示意图；

图2为本发明所提方法中高门限确认检测处理的流程图；

图3为利用本发明所提出的检测方法与常规CFAR检测性能对比。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施方式作进一步说明。

图1为本发明所提方法的信号处理流程示意图。主要包括下述步骤：1)利用同一时钟信号源提供的同步采样时钟对H、V两个极化通道的中频信号进行同步采样、数字正交化，形成两路复信号数据序列；2)对两路复信号数据序列分别进行匹配滤波；3)对两路复信号数据序列分别进行低门限初检测；4)对初检测结果进行高门限确认检测。

图2为本发明所提方法中高门限确认检测处理的流程图，具体流程是：对检出点集合中每一个位置点对应的H通道、V通道信号值，按下述步骤进行处理：如果H通道或V通道信号值的幅度有超过高门限的，则直接判断该位置检出信号，否则进入下一步；如果H通道和V通道信号值的幅度均低于高门限，并且均超过低门限，则判断该位置检出信号，否则进入下一步；如果H通道和V通道信号值的幅度均不存在超过低门限的情况，则判该位置为未检出，如果存在任意一个通道的信号值幅度超过低门限，则对两通道的信号值进行相位分集加权叠加并取最大值，若该最大值幅度超过高门限，则确认检出信号。

图3为利用本发明所提出的检测方法与常规检测方法的性能对比。两个仿真所采用的参数分别设置如下：

a).本发明所提出的检测方法：利用双极化接收雷达发射线性调频信号，发射总功率为200kw，信号带宽为1MHz，脉宽为160μs，脉冲重复周期为2.5ms；H、V正交双极化同时接收；不计极化因素，天线增益均为30dB、综合损耗为8dB；接收通道噪声独立同分布，功率均为P_n；CFAR检测处理过程中左右保护单元各20个采样点(对应5个分辨单元)，左右参考单元各32个采样点(对应8个分辨单元)，即M/2＝32，高门限系数设为η_H＝5.5、低门限系数设为η_L＝3.5。

b).常规检测方法：发射H极化，接收H极化，发射总功率为200kw；不计极化因素，天线增益均为30dB、综合损耗为8dB；检测门限系数设为η＝4.8；发射信号波形、接收通道噪声功率等均与本发明所提检测方法仿真中采用完全相同的参数。

除了上述参数，两个仿真中其他参数的设置完全相同：

a).雷达目标：目标距离雷达100km，径向速度为100m/s；目标极化散射矩阵为 $s=\left[\begin{array}{cc}{s}_{hh}& s_{hv}\\ s_{vh}& s_{vv}\end{array}\right],$ 其中s_hh为HH极化分量，s_vv为目标VV极化分量，s_hv、s_vh为交叉极化分量。

b).仿真中，固定(P_hh、P_vv分别是雷达接收到的目标HH极化分量、VV极化分量对应的信号功率)，而s_vv与s_hh的比值分别设置为-5、-4、-3、-2、-1、0、1、2、3、4、5(单位：dB)；令s_vv＝e^j*θ，即幅度固定为1，相位θ在[0,2π]内均匀分布随机取值；令s_hh按比值的变化取实数值；s_hv、s_vh设为0。

c).仿真采样率4MHz，蒙特卡洛仿真次数为1000次。

图3(a)图为两种检测方法检测概率比较，(b)图为虚警概率比较。两图中坐标轴定义均相同，横轴为单位为dB，纵轴为概率值，取值范围为[0,1]。图中带“△*”的折线表示采用常规检测方法的仿真结果、带“○”的折线表示采用本发明所提方法的仿真结果。由图可见，常规检测方法在目标VV分量与HH分量的比值变化时，检测概率起伏很大，而本发明所提方法的检测概率较为稳定，虚警概率仅略有增加，表明该方法在目标极化散射特性变化的情况下检测性能更为稳健。

Claims (2)

1.一种双极化接收雷达的目标检测方法，其特征在于，包括下述步骤：

第一步，双极化接收：

雷达采用正交双极化方式接收目标回波信号，设为H极化方式为水平极化方式，V极化方式为垂直极化方式，两种极化方式分别对应H极化通道和V极化通道；

H极化通道、V极化通道的中频信号经过同步采样、数字正交化后，分别得到两个复信号数据序列x_H,m(n)、x_V,m(n)，m为脉冲周期序号，n＝1,…,N，N为一个脉冲周期内的采样点数；

第二步，匹配滤波：

依据下式计算H极化通道、V极化通道的匹配滤波输出信号：

y_H,m(n)＝IFFT[FFT[x_H,m(n)]·U(ω)]

y_V,m(n)＝IFFT[FFT[x_V,m(n)]·U(ω)]

(1)

上式中，FFT[]表示信号的傅里叶变换，IFFT[]表示信号的傅里叶反变换；U(ω)为雷达匹配滤波参考波形的频谱，参考波形采用与雷达发射信号相同的波形；y_H,m(n)表示H极化通道第m个脉冲周期的匹配滤波输出信号，y_V,m(n)表示V极化通道第m个脉冲周期的匹配滤波输出信号；

第三步，低门限初检测

对H极化通道和V极化通道的匹配滤波输出信号逐个点进行CFAR检测，检测门限系数为η_L，记录CFAR检测检出点的位置；设H极化通道共有a个检出点，V通道有b个检出点，将它们的并集作为检出点集合{p₁,p₂,…,p_K}，则K≤a+b；

其中，上述CFAR检测处理过程如下：以H极化通道的第m个脉冲周期为例，设待检测点为y_H,m(n)，在其两侧各取N个采样点作为保护单元，在保护单元外各取M/2个点作为参考单元，M根据采样率、距离分辨率参数确定，对该M个点的信号幅度取均值Z并乘以检测门限系数η_L后得到检测门限值V_T，利用V_T进行检测：

第四步，高门限确认检测

对检出点集合{p₁,p₂,…,p_K}中每一个位置点p_k对应的H通道、V通道信号值，按下述三种情形进行处理，其中k＝1,2,…,K：

①如果H通道或V通道信号值的幅度超过高门限Z·η_H，则确认该位置检出信号；

②如果H通道和V通道信号值的幅度均低于高门限Z·η_H，并且均超过低门限Z·η_L，则确认该位置检出信号；

③如果H通道和V通道信号值的幅度均低于高门限Z·η_H，并且有一个通道信号值的幅度超过低门限Z·η_L，则对两通道信号值进行相位分集加权叠加并取最大值s_m(p_k)；若s_m(p_k)的幅度超过高门限Z·η_H，则确认该位置检出信号，否则判为未检出；

其中，相位分集加权叠加并取最大值的过程描述如下：以相位集中的相位作为V极化通道信号值的附加相位，其中i＝1,2,…I，采用均匀分集方式，相位间隔越小越有利，具体需根据雷达信号处理运算及存储能力来确定分集数；对H通道、V通道信号值进行加权相加；设加权相加后信号最大值为s_m(p_k)，其计算方法如下式所示：

$s_m\left(p_k\right)=\underset{i=1,...I}{max}\left\{\right|y_{H,m}\left(p_k\right)+y_{V,m}\left(p_k\right)\·e^{j\·{\mathrm{\φ}}_i}\left|\right\}.$

2.根据权利要求1所述的双极化接收雷达的目标检测方法，其特征在于，上述同步采样应使用同一时钟信号源为两个极化通道提供采样时钟信号。