CN105891817B - 一种无直达波条件下分布式无源雷达目标检测的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种无直达波条件下分布式无源雷达目标检测的方法，该方法属于分布式无源雷达目标检测技术领域。现有的无源雷达目标检测方法是基于经典匹配滤波理论，前提是其可以实时地获取信噪比比较高的直达波，可利用参考通道接收到的直达波信号高质量地估计出发射信号，才能获得近似最优的检测性能。为解决实际中接收不到直达波信号时的目标检测问题，本发明提出了一种无直达波条件下分布式无源雷达目标检测的方法，构造了无直达波条件下的集中式目标检测器，可用于多发多收几何架构中直达波信号信噪比比较低或根本接收不到直达波信号时开展目标检测，同时还间接避免了分布式无源雷达不同接收站间很难解决的目标匹配问题。

Description

一种无直达波条件下分布式无源雷达目标检测的方法

技术领域

本发明属于分布式无源雷达目标检测技术领域，特别涉及一种无直达波条件下分布式无源雷达目标检测的方法。

背景技术

国内外许多实验已证明，基于第三方非合作辐射源的无源雷达具有很好的探测潜力，能够实现对空中小目标和低空飞行目标的探测和定位。为进一步提高目标探测稳定性和跟踪连续性，欧洲和美国许多研究机构已开展了基于FM、DAB、DVB-T、GPS信号的多发多收体制的分布式无源雷达技术研究。

目前，分布式无源雷达的目标检测方法是基于经典的匹配滤波理论，即利用每个发射机-目标-接收机双基地对，无源雷达接收机将直达波和目标回波分开接收，分别对应参考通道和目标监视通道，然后通过使天线定向指向发射机和预计目标出现的区域来获取目标回波信号。在监视通道利用自适应滤波技术来抑制直达波和其他杂波的干扰，而在参考通道利用均衡技术进一步分离直达波信号，然后计算参考通道和监视通道接收信号间的互模糊函数或广义互相关。若互模糊函数图中有信号过门限则认为检测到目标，而利用对应的目标双基地距离、双基地多普勒和到达角信息实现对目标的定位与跟踪。由于目标检测是在每个双基地发射接收对内分别进行的，因此是分布式目标检测，检测结果在后续进行融合处理。由于这与有源雷达采用的匹配滤波处理过程基本类似，因此这种处理方法在实际无源雷达目标检测中常用。计算参考通道和监视通道接收信号间的互模糊函数的过程与有源雷达中进行的匹配滤波处理近似，参考通道的信号就是对先验未知的发射信号的一种估计。

事实上，有源雷达中的匹配滤波是一种在奈曼-皮尔逊准则下，对发射信号准确已知时的最优滤波器，而分布式无源雷达系统采用经典的匹配滤波理论进行目标检测的前提是其能够实时地获取直达波，且直达波信噪比比较高，能够利用参考通道接收到的直达波信号高质量地估计出发射信号，从而获得近似最优的检测性能。

然而，在分布式无源雷达中，如果直达波信号信噪比比较低，无法高质量地估计出发射信号，则导致与真实的发射信号失配，检测性能将下降，甚至无法检测到目标。虽然通过通道均衡处理在某种程度上减轻失配影响，但不可能完全消除失配。此外，在实际中由于复杂地形环境的影响，如果在非合作辐射源和接收机间的视距传播路径中还存在物理遮挡，无源雷达将接收不到来自非合作辐射源的直达波信号，采用经典的匹配滤波理论无法完成目标检测。因此，通过计算参考通道和监视通道接收信号间的互模糊函数或广义互相关的目标检测方法不适合于直达波信噪比很低或根本接收不到直达波信号的情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种无直达波条件下分布式无源雷达目标检测的方法，能够用于解决多发多收几何架构下，分布式无源雷达接收不到直达波信号情况下的目标检测问题，其中要解决的技术问题包括：

(1)给出多发多收几何架构下，建立无直达波条件下分布式无源雷达目标回波信号分量的实施步骤；

(2)在多发多收几何架构下，构建无直达波条件下分布式无源雷达集中式目标检测统计量和目标检测的实施步骤。

本发明所述的一种无直达波条件下分布式无源雷达目标检测的方法，包括以下步骤：

(1)建立多发多收几何架构下目标回波信号分量的实施步骤，具体包括如下子步骤：

A1.构建目标运动时，分布式无源雷达系统中第i个辐射源发射的信号经目标反射后被第j个接收机阵列的第n阵元接收到并经基带处理后的目标回波信号分量

A2.对第ij个双基地对中，第j个接收机的第n个阵元接收到的由目标回波和接收机噪声组成的信号进行量化采样，采用时延多普勒算子表示其离散形式，并给出波束形成后的目标回波信号

A3.利用分布式无源雷达系统中N_r个接收机阵列接收到的与N_t个非合作雷达辐射源对应的所有目标回波信号采样，构造回波信号矩阵s；

(2)构建无直达波条件下分布式无源雷达集中式目标检测统计量，开展目标检测，具体包括如下子步骤；

B1.利用回波信号矩阵s构建二元备择假设检验；

B2.利用已构建的假设检验，推导其广义对数似然比，得到无直达波条件下分布式无源雷达目标检测的集中式检测统计量ξ_ss；

B3.根据分布式无源雷达系统中所有目标回波信号的实际采样，计算出目标检测统计量ξ_ss，通过比较检测统计量ξ_ss与门限κ的大小，然后判定目标是否存在，完成目标检测。

优选的，步骤(2)中构造无直达波条件下分布式无源雷达目标检测统计量ξ_ss时，引入目标位置矢量和速度矢量，作为开展二元备择假设检验时的目标检测单元；

优选的，步骤(2)中无直达波条件包括根本接收不到直达波信号的情况和直达波信噪比非常低无法估计出非合作辐射源发射信号波形的情况。

与目前分布式无源雷达中基于经典匹配滤波理论的分布式目标检测方法相比，本发明提供的分布式无源雷达目标检测的方法能够在无直达波或者直达波信噪比非常低的情况下实现目标检测。此外，在无直达波条件下构造集中式目标检测器时，引入了目标位置矢量和速度矢量，使得在实现目标检测的同时，间接解决了目标的定位问题，避免了多发多收几何架构中存在的不同接收机阵列间很难解决的定位模糊问题和目标匹配问题。

附图说明

附图1是本发明的无直达波条件下分布式无源雷达的拓扑结构示意图。

附图2是本发明的分布式无源雷达第ij对非合作辐射源-目标-接收机阵列的几何关系图。

附图3是本发明的第ij个双基地对对应目标回波信号的波束形成示意图。

附图4是本发明的分布式无源雷达目标检测方法实施流程图。

附图5是本发明实施例的计算机仿真结果示意图。

具体实施方式

以下结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。

如图1所示，分布式无源雷达系统包括N_t个发射机，发射机在无源雷达领域中也称为非合作辐射源，N_r个接收机阵列，1个目标，其中N_t≥2，N_r≥2。

如图2所示，第ij个双基地对的几何关系和信号环境，第i个发射机的位置和速度分别记为dⁱ和i＝1,…,N_t，第j个接收机阵列的位置和速度分别记为r^j和j＝1,…,N_r，而目标的位置和速度分别记为t和其中dⁱ、r^j、t、都是时间的函数。一般情况下，发射机和接收机、目标都是运动的。第i个发射机到第j个接收机的距离为类似地，和分别表示第i个发射机到目标的距离和目标到第j个接收机的距离。第j个接收天线是有个阵元的阵列，1≤j≤N_r，第n个阵元的位置为其中是参考阵元的位置，是第n个阵元相对参考阵元的指向偏移矢量，而接收天线阵列的阵元数都相同，即j＝1,…,N_r。第j个接收机的第n个阵元到位置x的单位指向矢量为即在远场，对于给定的x，即从阵列阵元到远场某一位置的单位指向矢量近似相等。

如图3所示，多发多收几何架构下分布式无源雷达系统中，所有无源接收机均采用阵列天线，通过波束形成的方法形成目标监视通道，从而实现目标回波信号的接收。

第i个辐射源发射信号表示为

其中，表示载频，T表示信号持续时间，表示第i个发射机对应的信号，uⁱ(t)为对应的复包络，频域表示为Uⁱ(ω)，带宽为Bⁱ，且当|ω|＞πBⁱ时，Uⁱ(ω)≈0，在频域没有重叠。

信号沿着目标路径通道传播到第j个接收机，第j个接收机阵列的第n个阵元接收到的信号是来自所有在接收机带内目标回波与接收机噪声之和，即

其中，为目标路径通道的幅度系数，α^ij为与第ij个双基地对对应目标的复双基地反射系数，为目标路径通道的传播时延，是功率谱密度为 的广义平稳高斯白噪声，带宽为B^j，载频为通道系数考虑了发射、传播以及目标路径通道的影响，定义为其中为第i个发射机指向x的有效辐射功率，为第i个发射机发射信号的波长，c为光速，在[0,T]内，和都不会有显著变化，则信号经下变频和频域信道化处理后，提取每个发射信号的复基带信号。记第i个通道的复基带信号为利用式(1)和(2)，第j个接收机的第n个阵元接收到的信号表示为

其中，θ^j为第j个接收机下变频处理时本振的未知相位，表明接收机阵列间是非相参的。

如图4所示，本发明提供一种无直达波条件下实现分布式无源雷达目标检测方法的实施流程图，具体实施方式包括以下子步骤：

A1.构建多发多收几何架构下目标运动时，分布式无源雷达系统中第i个辐射源发射的信号经目标反射后被第j个接收机阵列的第n阵元接收到并经基带处理后的目标回波信号分量具体过程如下：

进一步表示为

式中(a)为幅度尺度因子，(b)为未知本振相位，(c)为第n个阵元接收目标回波信号相对参考阵元的相位差，(d)参考载频相位因子，(e)时延后复基带信号，(f)多普勒频率因子，而为从第i个发射机到目标到第j个接收机的双基地时间延迟，即

为第n个阵元接收目标回波信号相对参考阵元的相位差，即

为目标的双基地多普勒频移

因此，第i个辐射源发射的信号经目标反射后被第j个接收机阵列的第n阵元接收到，并经基带处理后的目标回波信号分量构建为

其中，是第ij个双基地对对应的目标路径通道系数，

A2.对第ij个双基地对中，第j个接收机的第n个阵元接收到的由目标回波和接收机噪声的和组成的信号进行量化采样，采用时延多普勒算子表示其离散形式，并给出波束形成后的目标回波信号具体过程如下：

以的采样频率进行量化采样，则得离散信号形式为

其中，为总采样点数，目标回波的量化形式为

其中，分别为每个样本的归一化多普勒频率，单位为弧度，分别为每个样本的归一化时延。记l＝0,…,Lⁱ-1。噪声采样序列σ²＝N₀Bⁱ为平均噪声功率，δ_n为Kronecker符号。为发射波形，第l个元素为

定义D_L(x)＝diag([e^j(0)x,e^j(1)x,…,e^j(L-1)x])，其中diag(x)中对角线元素是L×L的方阵，因此[diag(x)]_n,n＝[x]_n。最后，令为酉离散傅里叶变换矩阵，其第(m,n)个元素为

其中，m＝0,…,L-1,n＝0,…,L-1.，则

引入时延多普勒算子，定义为由于因此时延多普勒算子为酉算子，即其中是Lⁱ×Lⁱ的单位矩阵。

因此，目标回波信号分量的离散形式为

第j个接收机阵列第n阵元接收到信号的离散形式为

其中， 是长度为Lⁱ的零矢量。通过波束形成而获得的目标回波信号为

为目标监视通道的波束形成器。

A3.利用分布式无源雷达系统中N_r个接收机阵列接收到的与N_t个非合作雷达辐射源对应的所有目标回波信号采样，构造回波信号矩阵s，具体过程如下：

记表示在t方向的空间指向矢量则第j个接收机阵列所有N_e个阵元接收到的与第i个辐射源对应的信号矢量为

其中，方差为σ²，矩阵 表示Kronecker积，时延多普勒算子为

因此，所有N_r个接收机阵列收到的与第i个辐射源对应的采样sⁱ为而与所有N_t个非合作辐射源和N_r个接收机阵列对应的所有采样组成的矩阵为

即s为与所有N_t个非合作辐射源对应的sⁱ组成的矩阵。

B1.引入待检测目标的位置矢量和速度矢量，作为目标检测单元，利用回波信号矩阵s构建二元备择假设检验，具体过程如下：

令待检测目标的位置和速度对应在单元，即检测单元，其中p,分别表示目标的位置和速度。构建二元备择假设检验，即

其中，i＝1,…,N_t，j＝1,…,N_r，表示在p方向的空间指向矢量而为目标位置为P时对应目标路径通道的系数，为目标状态为对应的时延多普勒算子。

B2.利用已构建的假设检验，推导其广义对数似然比，得到分布式无源雷达目标检测的集中式检测统计量ξ_ss，具体过程如下；

由于接收机噪声与发射机通道无关，所以在假设下的条件概率密度p₁(s|γ_p,u)为

其中，而在假设下的条件概率密度p₀(s)为

其中，发射信号u和通道系数γ_p是确定性的未知参量。因此，是复合假设，因为p₁(s|γ_p,u)是以发射信号u和通道系数γ_p为参数的。因此，将在似然比检验中的未知参数用其最大似然估计替换即可得到广义似然比。令l₁(γ_p,u|s)＝logp₁(s|γ_p,u)，l₀(s)＝logp₀(s)，则广义对数似然比为

其中，κ由分布式无源雷达系统的虚警概率决定。分别推导得到l₁(γ_p,u｜s)和l₀(s)的解析式后，得到集中式目标检测统计量ξ_ss为

其中，λ₁(·)为矩阵参量的最大特征值，为Gram矩阵，(·)^H表示厄米特转置，而 是时延多普勒补偿后的目标回波信号 即时延和多普勒频移补偿后的监视通道目标回波信号。由于矩阵的元素是由监视通道的目标回波信号的内积构成，所以ξ_ss能够用于接收不到直达波或者直达波参考信噪比非常低的情况下的目标检测。

B3.根据实际分布式无源雷达系统中所有目标回波信号的采样，计算出目标检测统计量ξ_ss，通过比较检测统计量ξ_ss与门限κ的大小，然后判定目标是否存在，完成目标检测，具体过程如下：

利用分布式无源雷达系统中N_r个接收机阵列对应N_t个非合作雷达辐射源的所有采样构造回波信号矩阵，计算目标检测统计量ξ_ss，当ξ_ss≥κ时，则判断目标存在，且目标位置和速度状态为而当ξ_ss＜κ时，则判断目标不存在。

如图5所示，本发明实施例的计算机仿真结果示意图，图中BRng等值线表示双基地距离等值线，BDop等值线表示双基地多普勒等值线，目标出现在真实目标位置附近，同时还实现了对目标的定位。在仿真环境背景中，两个发射机的位置分别为d¹＝[0.5,4]km和d²＝[-0.5,-4]km，三个接收机的位置分别为r¹＝[-4,2]，r²＝[-4,0.5]和r³＝[-4,-2.5]km，目标在t＝[4,0]km，目标运动速度为发射机信号载频分别为8.0GHz和8.1GHz，全向辐射功率均为均匀线性阵列由6个阵元组成，所有接收机天线都是阵元间隔为1.875cm的均匀线性阵列，指向+p_x方向，各阵元的波瓣图为复基带信号采样率f_s＝500kHz，积累时间为T＝2ms，uⁱ＝exp{jθⁱ}，是相互独立的随机相位矢量，在[0,2π]间服从均匀分布，L＝f_sT＝1000，目标截面积为10dBsm。接收机间没有相位同步，目标回波的平均信噪比为SNR_avg＝-15dB。

Claims (3)

1.一种无直达波条件下分布式无源雷达目标检测的方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)建立多发多收几何架构下目标回波信号分量的实施步骤，具体包括如下子步骤：

A1.构建目标运动时，分布式无源雷达系统中第i个辐射源发射的信号经目标反射后被第j个接收机阵列的第n阵元接收到并经基带处理后的目标回波信号分量

A2.对第ij个双基地对中，第j个接收机的第n个阵元接收到的由目标回波和接收机噪声组成的信号进行量化采样，采用时延多普勒算子表示其离散形式，并给出波束形成后的目标回波信号

A3.利用分布式无源雷达系统中N_r个接收机阵列接收到的与N_t个非合作雷达辐射源对应的所有目标回波信号采样，构造回波信号矩阵s；

(2)构建无直达波条件下分布式无源雷达集中式目标检测统计量并开展目标检测的实施步骤，具体包括如下子步骤：

B1.利用目标回波信号矩阵s构建二元备择假设检验，即假设为 假设为s^ij＝n^ij，其中s^ij为第j个接收机阵列所有N_e个阵元接收到的与第i个辐射源对应的信号矢量，uⁱ为发射波形，而 表示在p方向的空间指向矢量，表示Kronecker积，为目标位置为p时对应目标路径通道的系数，为目标状态为对应的时延多普勒算子，分别表示目标的位置和速度，n＝1,...,N_e，σ²为方差，是长度为Lⁱ的零矢量，是Lⁱ×Lⁱ的单位矩阵；

B2.利用已构建的假设检验，分别推导在假设下的条件概率密度p₁(s|γ_p,u)和假设下的条件概率密度p₀(s)，发射信号u和通道系数γ_p用其最大似然估计替换，然后推导得到其广义对数似然比其中l₁(γ_p,u|s)＝logp₁(s|γ_p,u)，l₀(s)＝logp₀(s)，κ由分布式无源雷达系统的虚警概率决定；再推导得到l₁(γ_p,u|s)和l₀(s)的解析式，进一步构造得到无直达波条件下分布式无源雷达目标检测统计量ξ_ss为其中，λ₁(·)为矩阵参量的最大特征值，为Gram矩阵，(·)^H表示厄米特转置，是时延和多普勒频移补偿后的监视通道目标回波信号，矩阵的元素是由监视通道的目标回波信号的内积构成；

B3.根据分布式无源雷达系统中所有目标回波信号的实际采样，计算出目标检测统计量ξ_ss，通过比较检测统计量ξ_ss与门限κ的大小，然后判定目标是否存在，完成目标检测。

2.如权利要求1所述的一种无直达波条件下分布式无源雷达目标检测的方法，其特征在于，所述步骤(2)中构造无直达波条件下分布式无源雷达目标检测统计量ξ_ss时，引入目标位置矢量和速度矢量，作为开展二元备择假设检验时的目标检测单元。

3.如权利要求1所述的一种无直达波条件下分布式无源雷达目标检测的方法，其特征在于，所述步骤(2)中无直达波条件包括根本接收不到直达波信号的情况和直达波信噪比非常低无法估计出非合作辐射源发射信号波形的情况。