CN105891800B - 单发三收天线雷达抗多径散射检测方法 - Google Patents

单发三收天线雷达抗多径散射检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明一种单发三收天线雷达抗多径散射检测方法，该方法共包含四个步骤：第一步：选取三个天线的架设高度；第二步：根据三个接收天线接收信号计算检验统计量；第三步：计算检测门限；第四步：判断目标是否存在。本发明利用空间分集理论，雷达采用单天线发射三天线接收方式获取多径条件下的观测信号，然后利用两两接收天线回波功率差值的绝对值的最大值作为检验统计量来实现目标检测，以提高多径条件下雷达目标检测性能。本发明大大提高了多径条件下雷达目标检测性能，且本发明无需对雷达发射机做任何改动，仅需要增设两个接收天线和两路接收通道，易于实现，工程适用性强。

Description

单发三收天线雷达抗多径散射检测方法
【技术领域】
本发明涉及雷达检测技术，尤其是雷达抗多径散射检测方法，更具体地是涉及单发三收天线雷达抗多径散射检测方法。
【背景技术】
雷达在探测低空目标时存在多径散射现象。多径散射条件下，经地海面反射回来的目标回波与目标直达波处于同一雷达距离分辨单元，多路信号相互叠加，产生干涉效应，导致雷达接收到的目标回波时而增强、时而衰减，从而给雷达目标检测造成了严重影响。因此，研究雷达抗多径散射检测方法、提高雷达低空目标检测性能具有重要的军事应用价值。
目前，国内外专家学者们普遍认为：通过改变传统固定载频、单天线、单极化雷达的工作体制来克服多径散射对雷达目标检测的不利影响是一种行之有效的方法。例如：频率捷变体制、多输入多输出(MIMO)体制、极化分集体制等。频率捷变体制雷达通过合理选取多个工作频率，能够有效提高了多径条件下雷达目标检测性能。但是，多个频率的选取需要通过算法设计实现自适应选取，这意味着雷达工作频率要随着工作场景的变化而变化，这对雷达发射机要求较高，工程实现难度大、成本高。MIMO雷达利用空间分集理论，可消除多径散射对雷达目标检测带来的不利影响，但MIMO雷达现在还处于研制试验阶段，离工程实用还有一段距离。此外，极化分集体制雷达也能够改善多径条件下雷达目标检测性能，但其改善效果有限，且雷达工程实现成本太高。综上可见，新体制雷达能够提高多径条件下雷达目标检测性能，但大大提高了成本，且技术尚不成熟，当前尚没有一种切实可用的雷达抗多径散射检测方法。
【发明内容】
本发明要解决的技术问题是：利用空间分集理论，雷达采用单天线发射三天线接收方式获取多径条件下的观测信号，然后利用两两接收天线回波功率差值的绝对值的最大值作为检验统计量来实现目标检测，以提高多径条件下雷达目标检测性能。本发明大大提高了多径条件下雷达目标检测性能，且本发明无需对雷达发射机做任何改动，仅需要增设两个接收天线和两路接收通道，易于实现，工程适用性强。
本发明的技术方案是：一种单发三收天线雷达抗多径散射检测方法，包括以下步骤：
第一步，选取三天线架设高度
选取发射/接收天线A的高度为200m，发射/接收天线A兼具发射与接收功能，发射与接收分时进行。另选取接收天线B和接收天线C，高度分别为206m和212m。发射/接收天线A、接收天线B和接收天线C都在同一垂直平面内，天线架设示意图如图1所示。
第二步，计算检验统计量
雷达第i个接收天线接收到的信号可分别表示为
其中，si、ci、ni分别为第i个接收天线接收到的目标回波、杂波以及接收机热噪声，H0分别表示无目标存在，H1表示目标存在。
雷达三个接收天线接收信号经平方律检波后的输出信号可表示为
zi＝|xi|2，i＝1,2,3 (2)
两两接收天线接收信号之间的功率差的绝对值可表示为
z12＝|z1-z2|,z13＝|z1-z3|,z23＝|z2-z3| (3)
检验统计量取为
L＝max(z12,z13,z23) (4)
其中，max表示取最大值。
第三步，计算检测门限
假定雷达第i个接收天线接收到的杂波幅度服从瑞利分布，雷达接收机第i个接收通道热噪声幅度也服从瑞利分布。经推导，可得雷达虚警概率为
其中，Pn、Pc分别为热噪声和杂波平均功率。根据式(5)，在热噪声和杂波平均功率已知情况下，给定虚警概率后，检测门限可通过插值得到。
第四步，判断目标是否存在
将检验统计量与检测门限进行比较，当L＞η时，判断目标存在；当L＜η时，判断目标不存在，即
假定目标雷达散射截面积服从Swerling I起伏模型，经推导，可得雷达检测概率为
其中，Ps为目标功率， ρs为镜反射系数幅度，φ为镜反射一次反射导致的相位差，φ＝φs+φl，φs为镜反射系数相位，φl为镜反射一次反射路径差导致的相位差。
本发明的有益效果：
一、无需目标距离与飞行高度先验信息。本发明由于利用了三个不同高度的天线来接收目标回波，通过三个天线接收信号的差异性来判断目标是否存在。因此，无需目标距离与飞行高度先验信息。
二、多径条件下雷达检测性能好。本发明将三个不同高度的接收天线两两接收信号之间的功率差的绝对值的最大值作为检验统计量，能够克服多径散射对雷达检测的不利影响，保证雷达对各种高度、各种距离的目标均具有较高的检测概率。
三、适于工程实现。由本发明的技术方案可见，本发明涉及的实现步骤少、计算量小，对现有雷达系统软、硬件改动较少，因此，本发明易于实现、工程适用性强。
【附图说明】
图1为本发明天线架设示意图。
图2为本发明提出的单发三收天线雷达抗多径散射检测方法流程图。
图3为本发明涉及的检测门限与虚警概率之间的关系图。
图4为利用本发明进行理论分析和蒙特卡洛仿真实验得到的雷达检测性能。
图5为利用本发明进行理论分析得到的雷达对不同位置目标的检测性能。
图中标号说明如下：
A-发射/接收天线；B-接收天线；C-接收天线；
【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。
本发明一种单发三收天线雷达抗多径散射检测方法，包括以下步骤：
第一步，选取三天线架设高度
选取发射/接收天线A的高度为200m，发射/接收天线A兼具发射与接收功能，发射与接收分时进行。另选取接收天线B和接收天线C，高度分别为206m和212m。发射/接收天线A、接收天线B和接收天线C都在同一垂直平面内。
第二步，计算检验统计量
雷达第i个接收天线接收到的信号可分别表示为
其中，si、ci、ni分别为第i个接收天线接收到的目标回波、杂波以及接收机热噪声，H0分别表示无目标存在，H1表示目标存在。
雷达三个接收天线接收信号经平方律检波后的输出信号可表示为
zi＝|xi|2，i＝1,2,3 (9)
两两接收天线接收信号之间的功率差的绝对值可表示为
z12＝|z1-z2|,z13＝|z1-z3|,z23＝|z2-z3| (10)
检验统计量取为
L＝max(z12,z13,z23) (11)
其中，max表示取最大值。
第三步，计算检测门限
假定雷达第i个接收天线接收到的杂波幅度服从瑞利分布，雷达接收机第i个接收通道热噪声幅度也服从瑞利分布。经推导，可得雷达虚警概率为
其中，Pn、Pc分别为热噪声和杂波平均功率。根据式(5)，在热噪声和杂波平均功率已知情况下，给定虚警概率后，检测门限可通过插值得到。
第四步，判断目标是否存在
将检验统计量与检测门限进行比较，当L＞η时，判断目标存在；当L＜η时，判断目标不存在，即
假定目标雷达散射截面积服从Swerling I起伏模型，经推导，可得雷达检测概率为
其中，Ps为目标功率， ρs为镜反射系数幅度，φ为镜反射一次反射导致的相位差，φ＝φs+φl，φs为镜反射系数相位，φl为镜反射一次反射路径差导致的相位差。
下面详细对附图中的内容及参数作出说明：
图1为天线架设示意图。
图2是本发明提出的单发三收天线雷达抗多径散射检测方法流程图，该方法共包含四个步骤：第一步：选取三个天线的架设高度；第二步：根据三个接收天线接收信号计算检验统计量；第三步：计算检测门限；第四步：判断目标是否存在。
图3至图4是采用本发明进行仿真实验的结果图。仿真实验基于通用计算机，采用Matlab仿真平台实现。仿真参数设置为：杂波功率Pc＝10，噪声功率Pn＝1，镜反射系数幅度ρs＝0.9，镜反射系数相位φs＝π。
图3是本发明中检测门限与虚警概率之间的关系图，横坐标表示检测门限，纵坐标表示虚警概率。由图3可见，虚警概率随着检测门限的增大而降低。在图3的基础上，可根据设定的虚警概率，通过插值获得检测门限。
图4是本发明中通过理论推导和仿真实验得到的多径条件下单发三收天线雷达的检测概率与目标信杂噪比之间的关系图，横坐标表示目标信杂噪比单位为分贝(dB)，纵坐标表示检测概率。计算过程中，虚警概率设为10-3，检测门限通过图3插值获得，一次反射路径差导致的相位差φl＝π。为了体现本发明的优势，图4中还给出了多径条件下单发单收天线雷达的检测概率与目标信杂噪比之间的关系曲线。单发单收天线雷达的虚警概率为
检测概率为
图4中，实线表示通过理论推导得到的单发三收天线雷达检测概率随目标信杂噪比的变化曲线，虚线表示通过理论推导得到的单发单收天线雷达检测概率随目标信杂噪比的变化曲线，圆圈表示仿真得到的单发三收天线雷达检测概率随目标信杂噪比的变化曲线，加号表示仿真得到的单发单收天线雷达检测概率随目标信杂噪比的变化曲线。图4表明，仿真得到的雷达检测概率与理论推导得到的检测概率相吻合，从而证明了理论推导的正确性。同时，图4表明，多径条件下单发三收天线雷达的检测概率明显高于单发单收天线雷达的检测概率。
不同位置的目标，镜反射路径差导致的相位差往往不同，从而导致雷达检测概率不同。
图5是本发明中不同φl下单发三收天线雷达检测概率与目标信杂噪比的关系图，横坐标表示目标信杂噪比，单位为分贝(dB)，纵坐标表示检测概率。为了对比起见，图5还给出了不同φl下单发单收天线雷达检测概率随目标信杂噪比的变化曲线。图5中，实线、虚线、点划线分别表示φl＝π、π/2、π/4时单发三收天线雷达检测概率，带圆圈、加号、正方形的实线分别表示φl＝π、π/2、π/4时单发单收天线雷达检测概率。图5说明，对于不同位置的目标，单发三收天线雷达的检测概率均高于单发单收天线雷达。

Claims (3)

1.一种单发三收天线雷达抗多径散射检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：选取三天线架设高度
选取发射/接收天线A的高度为200m，发射/接收天线A兼具发射与接收功能，发射与接收分时进行；另选取接收天线B和接收天线C，高度分别为206m和212m；所述发射/接收天线A、接收天线B和接收天线C都在同一垂直平面内；
步骤二：计算检验统计量
雷达第i个接收天线接收到的信号分别表示为
<mrow> <msub> <mi>x</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>c</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <msub> <mi>H</mi> <mn>0</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <msub> <mi>s</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>c</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>n</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>,</mo> </mrow> </mtd> <mtd> <msub> <mi>H</mi> <mn>1</mn> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>,</mo> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>,</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>1</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，si、ci、ni分别为第i个接收天线接收到的目标回波、杂波以及接收机热噪声，H0表示无目标存在，H1表示目标存在；
雷达三个接收天线接收信号经平方律检波后的输出信号表示为
zi＝|xi|2，i＝1,2,3 (2)
两两接收天线接收信号之间的功率差的绝对值表示为
z12＝|z1-z2|,z13＝|z1-z3|,z23＝|z2-z3| (3)
检验统计量取为
L＝max(z12,z13,z23) (4)
其中，max表示取最大值；
步骤三：计算检测门限
雷达第i个接收天线接收到的杂波幅度服从瑞利分布，雷达接收机第i个接收通道热噪声幅度也服从瑞利分布；经推导，得到雷达虚警概率为
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>f</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <mi>&amp;eta;</mi> </mrow> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>&amp;eta;</mi> <mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>n</mi> </msub> <mo>+</mo> <msub> <mi>P</mi> <mi>c</mi> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mn>3</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>5</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Pn、Pc分别为热噪声和杂波平均功率；根据式(5)，在热噪声和杂波平均功率已知情况下，给定虚警概率后，检测门限通过插值得到；
步骤四：判断目标是否存在
将检验统计量与检测门限进行比较，当L＞η时，判断目标存在；当L＜η时，判断目标不存在，即
目标雷达散射截面积服从Swerling I起伏模型，经推导，得到雷达检测概率为
<mrow> <msub> <mi>P</mi> <mi>d</mi> </msub> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>Pr</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>12</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>13</mn> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>z</mi> <mn>23</mn> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&lt;</mo> <mi>&amp;eta;</mi> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>-</mo> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>3</mn> <mi>&amp;eta;</mi> </mrow> <mi>&amp;xi;</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <msup> <mrow> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mi>&amp;eta;</mi> <mi>&amp;xi;</mi> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> <mo>-</mo> <mn>1</mn> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow> <mn>3</mn> </msup> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mo>-</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mn>7</mn> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中，Ps为目标功率， ρs为镜反射系数幅度，φ为镜反射一次反射导致的相位差，φ＝φs+φl，φs为镜反射系数相位，φl为镜反射一次反射路径差导致的相位差。
2.根据权利要求1所述的一种单发三收天线雷达抗多径散射检测方法，其特征在于：所述单发三收天线雷达抗多径散射检测方法，采用Matlab仿真平台实现；参数设置为：Pc＝10，Pn＝1，ρs＝0.9，φs＝π。
3.根据权利要求1所述的一种单发三收天线雷达抗多径散射检测方法，其特征在于：所述虚警概率随着检测门限的增大而降低。
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