CN106342239B - 一种脉冲多普勒雷达目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于脉冲多普勒雷达领域，涉及对脉冲多普勒雷达目标检测方法的改进。目标检测的步骤如下：信号发射与接收；采样处理；傅立叶变换；恒虚警检测；设置检测区；特征分析；判决。本发明可大幅度提升对低可观测目标的检测能力，同时又能很好地抑制检测虚警，从而提高了雷达的探测性能。

Description

一种脉冲多普勒雷达目标检测方法

技术领域

本发明属于脉冲多普勒雷达领域，涉及对脉冲多普勒雷达目标检测方法的改进。

背景技术

脉冲多普勒雷达广泛应用于机载等平台中，用于探测强杂波背景下的运动目标。传统的脉冲多普勒雷达探测目标通常是对采样的雷达回波进行傅立叶变换，然后根据检测概率和虚警概率等设置一个固定的检测门限，进行恒虚警检测，通过检测门限的信号即作为目标送出。其缺点是：第一，难以实现对低可观测目标的探测。传统检测信噪比门限较高，低可观测目标的回波信噪比一般都低于这个门限。第二，雷达探测性能受限，作用距离难以提升。传统提升雷达探测性能的方法一般是通过增大天线口径和功率等，而这往往受限于平台条件。第三，不能进一步抑制虚警。传统检测方法虽然保证了较低的虚警概率，但是一旦有虚警超过检测门限，将不做任何判决就作为目标送出，对雷达搜索和跟踪目标造成影响。

发明内容

本发明的目的是：提出一种可提升对低可观测目标的探测性能、同时又能很好地抑制检测虚警的脉冲多普勒雷达目标检测方法。

本发明的技术方案是：一种脉冲多普勒雷达目标检测方法，其特征在于，目标检测的步骤如下：

1、信号发射与接收：雷达向探测空域发射一串单载频脉冲信号，脉冲宽度为T秒，每个脉冲的保护时间为t秒，脉冲间隔为PRI秒，脉冲重复频率为PRF赫兹，脉冲个数为N，N＝2^a，a为4～20的自然数，N个脉冲称为一帧，帧长为PRI×N秒，发射脉冲的间隙期间接收雷达回波；

2、采样处理：接收机对接收到的脉冲回波进行采样处理，采样率为Sam赫兹/秒，形成回波矩阵s＝(s₁，s₂，…，s_n，…，s_N)^τ，式中s₁，s₂，...，s_n，...，s_N为列向量，n为脉冲间隔的序号，每个列向量由M个元素组成，即s_n＝(S_n，1，S_n，2，...，S_n，m，...，S_n，M)，m为每个脉冲间隔内脉冲回波的序号，该回波矩阵可记为：

m＝1，2，…M，M＝(PRI-T-t)·Sam取整数；

3、傅立叶变换：对回波矩阵s的每一列进行傅立叶变换，得到距离-多普勒矩阵：

距离-多普勒矩阵中的每个距离-多普勒单元表示经过傅立叶变换后每一个距离-多普勒单元功率值，每一个距离-多普勒单元下标的第一位表示多普勒单元号，下标的第二位表示距离门号；

4、恒虚警检测：设置检测门限G，用CFAR方法对傅立叶变换后的距离-多普勒矩阵进行恒虚警检测，得到过门限单元的点集C＝(…，c_iq，…)，i∈M，q∈N，c_i，q表示第i个距离单元第q个多普勒单元的单元功率超过检测门限；检测门限G的取值范围是：2～30倍；

5、设置检测区：在距离-多普勒矩阵中，设置检测区域起始位置和结束位置，根据预期雷达目标的相对速度范围计算得到多普勒单元检测起始位置和结束位置，计算方法是：多普勒单元检测起始位置B1按下式计算：

$B1=\frac{2\×v_1\×N}{\mathrm{\λ}\×PRF}\mathrm{...}\[3\]$

v₁表示预期雷达目标的最小相对速度，λ是雷达的工作波长；

多普勒单元检测结束位置B2按下式计算：

$B2=\frac{2\×v_2\×N}{\mathrm{\λ}\×PRF}\mathrm{...}\[4\]$

v₂表示预期雷达目标的最大相对速度；

6、特征分析：对上述通过检测区的点集C进行距离-多普勒点数统计，统计每个多普勒单元行中的距离单元数，将每个多普勒单元行中的距离单元数作为一个点群，把点群中距离单元的个数记为Num_c，c为点群序号；在一个多普勒单元行中，当两个相邻过门限单元的距离超过T×Sam的50％时，作为两个点群处理；

7、判决：将所有点群中距离单元的个数Num_c分别与T×Sam做比较，若Num_c大于T×Sam的X％时，即视为目标输出，X的确定方法是：当检测门限2倍≤G＜4倍时，X＝100；当检测门限4倍≤G＜6倍时，X＝75；当检测门限6倍≤G＜9倍时，X＝50；当检测门限9倍≤G＜12倍时，X＝25；当检测门限12倍≤G时，不做判决，将所有点群视为目标输出。

本发明的优点是：可大幅度提升对低可观测目标的检测能力，同时又能很好地抑制检测虚警，从而提高了雷达的探测性能。

附图说明

图1是实施例1设置检测区后的检测结果，横坐标是多普勒单元号，纵坐标是距离单元号，图中可以看出，以采样点计算，目标和虚警数目超过50个。

图2是实施例1经特征分析和判决后的检测结果，横坐标是多普勒单元号，纵坐标是距离单元号，图中可以看出，以点群计算，虚警均被抑制，只有1个目标点群。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。一种脉冲多普勒雷达目标检测方法，其特征在于，目标检测的步骤如下：

1、信号发射与接收：雷达向探测空域发射一串单载频脉冲信号，脉冲宽度为T秒，每个脉冲的保护时间为t秒，脉冲间隔为PRI秒，脉冲重复频率为PRF赫兹，脉冲个数为N，N＝2^a，a为4～20的自然数，N个脉冲称为一帧，帧长为PRI×N秒，发射脉冲的间隙期间接收雷达回波；

2、采样处理：接收机对接收到的脉冲回波进行采样处理，采样率为Sam赫兹/秒，形成回波矩阵s＝(s₁，s₂，…，s_n，…，s_N)^τ，式中s₁，s₂，...，s_n，...，s_N为列向量，n为脉冲间隔的序号，每个列向量由M个元素组成，即s_n＝(S_n，1，S_n，2，...，S_n，m，…，S_n，M)，m为每个脉冲间隔内脉冲回波的序号，该回波矩阵可记为：

m＝1，2，…M，M＝(PRI-T-t)·Sam取整数；

3、傅立叶变换：对回波矩阵s的每一列进行傅立叶变换，得到距离-多普勒矩阵：

距离-多普勒矩阵中的每个距离-多普勒单元表示经过傅立叶变换后每一个距离-多普勒单元功率值，每一个距离-多普勒单元下标的第一位表示多普勒单元号，下标的第二位表示距离门号；

4、恒虚警检测：设置检测门限G，用CFAR方法对傅立叶变换后的距离-多普勒矩阵进行恒虚警检测，得到过门限单元的点集C＝(…，c_iq，…)，i∈M，q∈N，c_i，q表示第i个距离单元第q个多普勒单元的单元功率超过检测门限；检测门限G的取值范围是：2～30倍；

5、设置检测区：在距离-多普勒矩阵中，设置检测区域起始位置和结束位置，根据预期雷达目标的相对速度范围计算得到多普勒单元检测起始位置和结束位置，计算方法是：多普勒单元检测起始位置B1按下式计算：

$B1=\frac{2\×v_1\×N}{\mathrm{\λ}\×PRF}\mathrm{...}\[3\]$

v₁表示预期雷达目标的最小相对速度，λ是雷达的工作波长；

多普勒单元检测结束位置B2按下式计算：

$B2=\frac{2\×v_2\×N}{\mathrm{\λ}\×PRF}\mathrm{...}\[4\]$

v₂表示预期雷达目标的最大相对速度；

6、特征分析：对上述通过检测区的点集C进行距离-多普勒点数统计，统计每个多普勒单元行中的距离单元数，将每个多普勒单元行中的距离单元数作为一个点群，把点群中距离单元的个数记为Num_c，c为点群序号；在一个多普勒单元行中，当两个相邻过门限单元的距离超过T×Sam的50％时，作为两个点群处理；

7、判决：将所有点群中距离单元的个数Num_c分别与T×Sam做比较，若Num_c大于T×Sam的X％时，即视为目标输出，X的确定方法是：当检测门限2倍≤G＜4倍时，X＝100；当检测门限4倍≤G＜6倍时，X＝75；当检测门限6倍≤G＜9倍时，X＝50；当检测门限9倍≤G＜12倍时，X＝25；当检测门限12倍≤G时，不做判决，将所有点群视为目标输出。

本发明的工作原理是：单载频雷达回波信号具有一定的时间宽度，被采样后形成多个距离单元聚集的点群，在距离上具有分布特征，且这种特征随着检测门限的不同而不同。检测门限越低，点群的距离单元数越多，直至覆盖整个回波脉冲宽度；检测门限越高，点群的距离单元数越少。脉冲多普勒雷达的虚警多为随机噪声，不具有上述分布特征。通过调整CFAR检测门限，使得特征分布更为明显，提升了对低可观测目标的检测能力。同时，又利用这种分布特征很好地抑制了检测虚警。

实施例1

1、信号发射与接收：雷达向探测空域发射一串单载频频脉冲信号，脉冲宽度为2微秒，每个脉冲的保护时间为0.5微秒，脉冲间隔为10微秒，脉冲重复频率为100千赫兹，脉冲个数为1024，，a为10的自然数；

2、采样处理：接收机对接收到的脉冲回波进行采样处理，采样率为4兆赫兹/秒，形成回波矩阵s＝(s₁，s₂，…，s_n，…，s_N)^τ，式中s₁，s₂，...，s_n，...，s₁₀₂₄为列向量，n为脉冲间隔的序号，每个列向量由30个元素组成，即s_n＝(S_n，1，S_n，2，...，S_n，m，...，S_n，30)，m为每个脉冲间隔内脉冲回波的序号，该回波矩阵可记为：

3、傅立叶变换：对回波矩阵s的每一列进行傅立叶变换，得到距离-多普勒矩阵：

距离-多普勒矩阵中的每个距离-多普勒单元表示经过傅立叶变换后每一个距离-多普勒单元功率值，每一个距离-多普勒单元下标的第一位表示多普勒单元号，下标的第二位表示距离门号；

4、恒虚警检测：设置检测门限为8倍，用CFAR方法对傅立叶变换后的距离-多普勒矩阵进行恒虚警检测，得到过门限单元的点集C＝(…，c_i，q，…)，i∈30，q∈1024，c_i，q表示第i个距离单元第q个多普勒单元的单元功率超过检测门限；

5、设置检测区：在距离-多普勒矩阵中，设置检测区域起始位置和结束位置，根据预期雷达目标的相对速度范围计算得到多普勒单元检测起始位置和结束位置，多普勒单元检测起始位置B1为180，多普勒单元检测结束位置B2为420；

6、特征分析：对上述通过检测区的点集C进行距离-多普勒点数统计，统计每个多普勒单元行中的距离单元数，将每个多普勒单元行中的距离单元数作为一个点群，把点群中距离单元的个数记为Num_c，c为点群序号；在一个多普勒单元行中，当两个相邻过门限单元的距离超过T×Sam的50％时，作为两个点群处理；

7、判决：将所有点群中距离单元的个数Num_c分别与T×Sam做比较，若Num_c大于T×Sam的X％时，即视为目标输出，X的确定方法是：当检测门限6≤G＜9时，X＝50。

实施例2

1、信号发射与接收：雷达向探测空域发射一串单载频频脉冲信号，脉冲宽度为1微秒，每个脉冲的保护时间为0.5微秒，脉冲间隔为10微秒，脉冲重复频率为100千赫兹，脉冲个数为512，，a为8的自然数；

2、采样处理：接收机对接收到的脉冲回波进行采样处理，采样率为8兆赫兹/秒，形成回波矩阵s＝(s₁，s₂，…，s_n，…，s_N)^τ，式中s₁，s₂，...，s_n，...，s₅₁₂为列向量，n为脉冲间隔的序号，每个列向量由68个元素组成，即s_n＝(S_n，1，S_n，2，...，S_n，m，...，S_n，68)，m为每个脉冲间隔内脉冲回波的序号，该回波矩阵可记为：

3、傅立叶变换：对回波矩阵s的每一列进行傅立叶变换，得到距离-多普勒矩阵：

距离-多普勒矩阵中的每个距离-多普勒单元表示经过傅立叶变换后每一个距离-多普勒单元功率值，每一个距离-多普勒单元下标的第一位表示多普勒单元号，下标的第二位表示距离门号；

4、恒虚警检测：设置检测门限为5倍，用CFAR方法对傅立叶变换后的距离-多普勒矩阵进行恒虚警检测，得到过门限单元的点集C＝(…，c_i，q，…)，i∈68，q∈512，c_i，q表示第i个距离单元第q个多普勒单元的单元功率超过检测门限；

5、设置检测区：在距离-多普勒矩阵中，设置检测区域起始位置和结束位置，根据预期雷达目标的相对速度范围计算得到多普勒单元检测起始位置和结束位置，多普勒单元检测起始位置B1为90，多普勒单元检测结束位置B2为210；

6、特征分析：对上述通过检测区的点集C进行距离-多普勒点数统计，统计每个多普勒单元行中的距离单元数，将每个多普勒单元行中的距离单元数作为一个点群，把点群中距离单元的个数记为Num_c，c为点群序号，在一个多普勒单元行中，当两个相邻过门限单元的距离超过T×Sam的50％时，作为两个点群处理；

7、判决：将所有点群中距离单元的个数Num_c分别与T×Sam做比较，若Num_c大于T×Sam的X％时，即视为目标输出，X的确定方法是：当检测门限4≤G＜6时，X＝75。

实施例3

1、信号发射与接收：雷达向探测空域发射一串单载频频脉冲信号，脉冲宽度为2微秒，每个脉冲的保护时间为0.5微秒，脉冲间隔为10微秒，脉冲重复频率为100千赫兹，脉冲个数为512，，a为8的自然数；

2、采样处理：接收机对接收到的脉冲回波进行采样处理，采样率为4兆赫兹/秒，形成回波矩阵s＝(s₁，s₂，…，s_n，…，s_N)^τ，式中s₁，s₂，...，s_n，...，s₅₁₂为列向量，n为脉冲间隔的序号，每个列向量由30个元素组成，即s_n＝(S_n，1，S_n，2，...，S_n，m，...，S_n，30)，m为每个脉冲间隔内脉冲回波的序号，该回波矩阵可记为：

3、傅立叶变换：对回波矩阵s的每一列进行傅立叶变换，得到距离-多普勒矩阵：

距离-多普勒矩阵中的每个距离-多普勒单元表示经过傅立叶变换后每一个距离-多普勒单元功率值，每一个距离-多普勒单元下标的第一位表示多普勒单元号，下标的第二位表示距离门号；

4、恒虚警检测：设置检测门限为13倍，用CFAR方法对傅立叶变换后的距离-多普勒矩阵进行恒虚警检测，得到过门限单元的点集C＝(…，c_i，q，…)，i∈30，q∈512，c_i，q表示第i个距离单元第q个多普勒单元的单元功率超过检测门限；

5、设置检测区：在距离-多普勒矩阵中，设置检测区域起始位置和结束位置，根据预期雷达目标的相对速度范围计算得到多普勒单元检测起始位置和结束位置，多普勒单元检测起始位置B1为90，多普勒单元检测结束位置B2为210；

6、特征分析：对上述通过检测区的点集C进行距离-多普勒点数统计，统计每个多普勒单元行中的距离单元数，将每个多普勒单元行中的距离单元数作为一个点群，把点群中距离单元的个数记为Num_c，c为点群序号；在一个多普勒单元行中，当两个相邻过门限单元的距离超过T×Sam的50％时，作为两个点群处理；

7、判决：将所有点群中距离单元的个数Num_c分别与T×Sam做比较，若Num_c大于T×Sam的X％时，即视为目标输出，X的确定方法是：当检测门限12倍≤G时，不做判决，所有点群视为目标输出。

Claims (1)

1.一种脉冲多普勒雷达目标检测方法，其特征在于，目标检测的步骤如下：

1.1、信号发射与接收：雷达向探测空域发射一串单载频脉冲信号，脉冲宽度为T秒，每个脉冲的保护时间为t秒，脉冲间隔为PRI秒，脉冲重复频率为PRF赫兹，脉冲个数为N，N＝2^a，a为4～20的自然数，N个脉冲称为一帧，帧长为PRI×N秒，发射脉冲的间隙期间接收雷达回波；

1.2、采样处理：接收机对接收到的脉冲回波进行采样处理，采样率为Sam赫兹/秒，形成回波矩阵s＝(s₁，s₂，…，s_n，…，s_N)^τ，式中s₁，s₂，…，s_n，…，s_N为列向量，n为脉冲间隔的序号，每个列向量由M个元素组成，即s_n＝(S_n，1，S_n，2，…，S_n，m，…，S_n，M)，m为每个脉冲间隔内脉冲回波的序号，该回波矩阵可记为：

m＝1，2，…M，M＝(PRI-T-t)·Sam取整数；

1.3、傅立叶变换：对回波矩阵s的每一列进行傅立叶变换，得到距离-多普勒矩阵：

距离-多普勒矩阵中的每个距离-多普勒单元表示经过傅立叶变换后每一个距离-多普勒单元功率值，每一个距离-多普勒单元下标的第一位表示多普勒单元号，下标的第二位表示距离门号；

1.4、恒虚警检测：设置检测门限G，用CFAR方法对傅立叶变换后的距离-多普勒矩阵进行恒虚警检测，得到过门限单元的点集C＝(…，c_iq，…)，i∈M，q∈N，c_i，q表示第i个距离单元第q个多普勒单元的单元功率超过检测门限；检测门限G的取值范围是：2～30倍；

1.5、设置检测区：在距离-多普勒矩阵中，设置检测区域起始位置和结束位置，根据预期雷达目标的相对速度范围计算得到多普勒单元检测起始位置和结束位置，计算方法是：多普勒单元检测起始位置B1按下式计算：

$B1=\frac{2\×v_1\×N}{\mathrm{\λ}\×PRF}...\[3\]$

v₁表示预期雷达目标的最小相对速度，λ是雷达的工作波长；

多普勒单元检测结束位置B2按下式计算：

$B2=\frac{2\×v_2\×N}{\mathrm{\λ}\×PRF}...\[4\]$

v₂表示预期雷达目标的最大相对速度；

1.6、特征分析：对上述通过检测区的点集C进行距离-多普勒点数统计，统计每个多普勒单元行中的距离单元数，将每个多普勒单元行中的距离单元数作为一个点群，把点群中距离单元的个数记为Num_c，c为点群序号；在一个多普勒单元行中，当两个相邻过门限单元的距离超过T×Sam的50％时，作为两个点群处理；

1.7、判决：将所有点群中距离单元的个数Num_c分别与T×Sam做比较，若Num_c大于T×Sam的X％时，即视为目标输出，X的确定方法是：当检测门限2倍≤G＜4倍时，X＝100；当检测门限4倍≤G＜6倍时，X＝75；当检测门限6倍≤G＜9倍时，X＝50；当检测门限9倍≤G＜12倍时，X＝25；当检测门限12倍≤G时，不做判决，将所有点群视为目标输出。