CN106371087B - 一种基于极值搜索的空间栅格多通道量测信息配准方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于极值搜索的空间栅格多通道量测信息配准方法，首先对空间监测区域进行空间栅格划分，利用空间栅格与各雷达几何关系，计算空间栅格包含的量测信息对应各雷达收发通道的方位‑距离索引，确定波束的扫描照射模式，得到二维栅格信息‑照射模式检索矩阵；然后依次对各通道根据栅格信息‑照射模式检索矩阵提取各栅格包含的量测，选择极大值量测作为该通道检测统计量；最后联合所有通道的检测统计量对空间栅格区域进行检测，遍历所有空间栅格得到需要检测的区域的检测结果；解决了传统方法空间难以规则划分，检测性能随栅格尺寸增加而下降的问题，极大的降低了计算量的同时，在空间栅格尺寸较大的条件下仍然保持优异的检测性能。

Description

一种基于极值搜索的空间栅格多通道量测信息配准方法
技术领域
本发明属于雷达目标检测技术领域，特别涉及多站点分布式网络雷达信号级联合目标检测技术。
背景技术
伴随着越来越复杂的电磁环境和越来越精确的硬摧毁能力，常规雷达系统难于应对日益迫近的空间目标和隐身目标。增加发射机功率和加大天线口径可以探测这类目标。但庞大的天线和难于移动的固定阵地,面对精确制导武器的打击，生存能力受到严重威胁。分布式多节点的网络雷达系统，通过在不同维度上采用空间分集、频率分集、极化分集等技术可以有效的克服基于后向散射特性的隐身目标探测难的问题。现阶段采用分布式网络雷达技术探测隐身等目标仍停留在理论探索阶段，对于如何在实际应用中实现该技术仍是一个难题。多源多维信号联合处理技术是分布式网络雷达探测系统中的一项关键技术，在理论研究阶段，很多学者对多站点雷达信号级联合检测技术做了大量研究，然而这些研究大多建立在很多假设之上，如多站点雷达的各通道检测单元理想配准、不考虑各站点雷达波束参数对目标检测的影响等。这些理想假设在难以在实际工程中得到应用，因此，需要充分考虑实际情况研究分布式网络雷达信号处理技术，降低信号处理计算量代价，对于多通道雷达监测技术的工程实现具有重要意义。
传统关于信号级雷达检测的研究并没有考虑检测单元选取的问题，而是在选定的距离单元(检测单元)上来进行信号级检测，然后依次遍历距离单元，实现对空间检测区域的信号级检测。多站点雷达信号级联合检测技术需首先考虑对于各通道而言，应选择其中哪一个距离单元应作为和其他通道联合检测的检测单元，即对多通道检测单元进行配准就成为需要解决的问题。传统的信号级检测方法如停留在理论分析阶段，普遍没有考虑实际应用中存在的如何对多通道检测单元进行配准的问题，参见文献(Janatian N,Modarres-Hashemi M,Sheikhi A.“Cfar detectors for mimo radars”,Circuits,Systems,andSignal Processing,Vol.32,No.3,pp.1389-1418,Jun.2013.)。传统解决该问题的方法是遍历各个波束交叠区域的物理分辨单元存在计算量随雷达个数指数增长问题，工程实现难度较大。因此，受多站点信号级定位技术启发，采用空间栅格技术实现多路通道的目标检测单元的配准，该方法简化了计算步骤，降低了计算复杂度，便于工程实现。
发明内容
本发明为解决上述技术问题，提出了一种基于极值搜索的空间栅格多通道量测信息配准方法，通过空间规则划分解决了传统方法空间难以规则划分的问题，解决了检测性能随栅格尺寸增加而下降的问题，在空间栅格尺寸较大的条件下仍然保持优异的检测性能，极大的降低了计算量。
本发明采用的技术方案是：一种基于极值搜索的空间栅格多通道量测信息配准方法，包括：
S1、对空间监视区域进行空间栅格划分，将空间监视区域均匀划分为经度、纬度、高度分别为ΔLo×ΔLa×ΔH大小的共Gmax个矩形空间栅格，依次对每个空间栅格编号为NG1,NG2,…,NGmax；
S2、确定各空间栅格四个顶点各自所对应各雷达站点的方位θ，距离rs信息，从而建立各栅格位置信息集；
S3、记录所有被照射的空间栅格的编号，构建栅格检索矩阵；
S4、确定雷达照射模式，将步骤S3中的栅格检索矩阵与确定的雷达照射模式一一对应，得到二维栅格-模式检索矩阵；所述雷达照射模式具体为：任意时刻，空间中任意栅格被N部雷达中的部分雷达照射，照射情况共有种，每个时刻确定一种照射模式标号；
S5、根据栅格位置信息集提供的栅格四个顶点所对应各雷达的方向角θ信息，建立基于模式标号的空间栅格各顶点对应各通道经过预处理后的雷达回波信号的方向角检索信息，所述方向角检索信息包括发射方向角索引以及接收方向角索引
S6、根据栅格位置信息集提供的栅格四个顶点所对应各雷达的距离信息，建立基于模式标号的空间栅格各顶点对应各通道经过预处理后的雷达回波信号的距离单元索引
S7、确定各通道被空间栅格包含的距离单元；
S8、每个距离单元对应雷达回波信号的一个量测，将通道被包含的距离单元所对应的最大能量量测作为该通道在该空间栅格的检测统计量，依次遍历所有通道，得到各通道对应空间栅格的检测统计量。
进一步地，步骤S5所述空间栅格四个顶点中的其中一个顶点对应发射方向角索引的过程为：
A1、通过步骤S2得到空间栅格该顶点到对应编号为i的雷达的发射方位角θit；
A2、确定该雷达的各个发射波束方向角；
A3、计算各发射波束方向角与θit的夹角，若是夹角大于发射波束的方向角最大覆盖角度，则空间栅格该顶点对应发射波束方向角索引为空；否则，找出使得夹角最小的发射波束方向角作为空间栅格该顶点对应发射波束方向角索引。
进一步地，步骤S5所述空间栅格四个顶点中的其中一个顶点对应接收方向角索引的过程为：
B1、通过步骤S2得到空间栅格该顶点到对应编号为i的雷达的接收方位角θir；
B2、确定该雷达的各个接收波束方向角；
B3、计算各接收波束方向角与θir的夹角，若是夹角大于接收波束的方向角最大覆盖角度，则空间栅格该顶点对应接收波束方向角索引为空；否则，找出使得夹角最小的接收波束方向角作为空间栅格该顶点对应接收波束方向角索引。
进一步地，步骤S6所述空间栅格四个顶点中其中一个顶点对应距离单元索引的过程为：
A`1、根据步骤S2得到空间栅格该顶点到发射雷达与接收雷达的距离之和r；
A`2、每个距离单元的宽度为
A`3、根据下式确定空间栅格该顶点对应的距离单元编号；并以该编号的距离单元作为空间栅格该顶点对应距离单元索引
其中，表示向上取整运算。
更进一步地，步骤A`2所述距离单元的宽度为根据采样时间间隔Ts确定，表达式如下：
其中，c表示光速。
本发明的有益效果：本发明首先对空间监测区域进行空间栅格划分，利用空间栅格与各雷达几何关系，计算空间栅格包含的量测信息对应各雷达收发通道的方位-距离索引，确定波束的扫描照射模式，得到二维栅格信息-照射模式检索矩阵；然后依次对各通道根据栅格信息-照射模式检索矩阵提取各栅格包含的量测，选择极大值量测作为该通道检测统计量；最后联合所有通道的检测统计量对空间栅格区域进行检测，遍历所有空间栅格得到需要检测的区域的检测结果。该方法充分利用了各检测后点的多波束中有价值的目标回波信息，实现了基于空间栅格信号级联合检测。本发明的优点在于通过空间规则划分解决了传统方法空间难以规则划分的问题，解决了检测性能随栅格尺寸增加而下降的问题，在空间栅格尺寸较大的条件下仍然保持优异的检测性能，极大的降低了计算量。
附图说明
图1为本发明提供的方案流程图。
图2为空间栅格各顶点对应雷达站点的方位θ，距离rs信息示意图。
图3为本发明提供的被空间栅格包含的距离单元示意图。
图4为本发明提供的雷达收发通道示意图。
具体实施方式
为便于本领域技术人员理解本发明的技术内容，下面结合附图对本发明内容进一步阐释。
如图1所示，本发明的方案为：一种基于极值搜索的空间栅格多通道量测信息配准方法，包括：
S1、对空间监视区域进行空间栅格划分，将空间监视区域均匀划分为经度、纬度、高度分别为ΔLo×ΔLa×ΔH大小的共Gmax个矩形空间栅格，即每个空间栅格的经度为ΔLo，纬度为ΔLa，高度为ΔH，依次对每个空间栅格编号为NG1,NG2,…,NGmax；
S2、确定各空间栅格四个顶点各自所对应各雷达站点的方位θ，距离rs信息，从而建立各栅格位置信息集；如图2所示为空间栅格对应雷达站点的方位θ，距离rs信息示意图，本示例中以逆时针为方向，从空间栅格左下方的几何顶点开始，依次编号为顶点V1、V2、V3、V4，分别确定V1、V2、V3、V4对应各雷达站点的方位θ，距离rs信息，建立栅格位置信息集，则方位θ为雷达到空间栅格顶点V1或V2或V3或V4的连线与正北方向的夹角，包含各空间栅格四个顶点所对应的各雷达站点的方位角，所述雷达站点包括接收雷达与发射雷达，即方位角包含接收方位角θr与发射方位角θt；距离rs包括栅格各顶点到发射雷达的距离rt和栅格各顶点到接收雷达的距离rr。
S3、记录所有被照射的空间栅格的编号，构建栅格检索矩阵；
有N部收发一体雷达，t时刻，雷达s发射的波束的角度覆盖范围为最大作用距离为则区域内到雷达的角度与距离满足范围限制集合的所有栅格被照射，记录这些栅格的标号，构建栅格检索矩阵。
S4、确定雷达照射模式，将步骤S3中的栅格检索矩阵与确定的雷达照射模式一一对应，得到二维栅格-模式检索矩阵；
任意时刻，空间中任意栅格可能被N部雷达中的部分雷达照射，可能的照射情况共有种，每个时刻确定一种照射模式标号。将步骤S3中的栅格检索矩阵与照射模式一一对应，得到二维栅格-模式检索矩阵。
S5、根据栅格位置信息集提供的栅格四个顶点所对应各雷达的方向角θ信息，建立基于模式标号的空间栅格各顶点对应各通道经过预处理后的雷达回波信号的方向角检索信息，所述方向角检索信息包括发射方向角索引以及接收方向角索引
雷达照射模式Ci对应的雷达T发射的Nθt个发射波束方向角构成的向量为θt，θt＝{θ1t,θ2t,...,θNθt}，θ1t,θ2t,...,θNθt为发射波束中心指向的方向与正北方向的夹角，方向角编号依次为1,2,…,Nθt，波束只能覆盖(θtmin,θtmax)之间的角度，(θtmin,θtmax)是由雷达的硬件系统参数决定的。待检测空间栅格顶点应与合适的波束方向角进行配准。以所述空间栅格四个顶点中的其中一个顶点对应发射方向角索引的过程为例，具体包括以下步骤：
A1、通过步骤S2得到空间栅格该顶点到对应编号为i的雷达的发射方位角θit；
A2、确定该雷达的各个发射波束方向角θ1t,θ2t,...,θNθt；
A3、计算各发射波束方向角与θit的夹角，若是夹角大于发射波束的方向角最大覆盖角度，发射波束的方向角最大覆盖角度由(θtmin,θtmax)确定，则空间栅格该顶点对应发射波束方向角索引为空；否则，找出使得夹角最小的发射波束方向角作为空间栅格该顶点对应发射波束方向角索引。
Ci模式标号对应的雷达R接收的Nθr个接收波束方向角构成的向量为θr，θr＝{θ1r,θ2r,...,θNθr}，为接收波束中心指向的方向与正北方向的夹角，方向角编号依次为1,2,…,Nθr，波束只能覆盖(θrmin,θrmax)之间的角度，(θrmin,θrmax)由雷达的硬件系统参数决定。待检测空间栅格顶点应与合适的波束方向角进行配准。
以所述空间栅格四个顶点中的其中一个顶点对应接收方向角索引的过程为例，具体包括以下步骤：
B1、通过步骤S2得到空间栅格该顶点到对应编号为i的雷达的接收方位角θir；
B2、确定该雷达的各个接收波束方向角；
B3、计算各接收波束方向角与θir的夹角，若是夹角大于接收波束的方向角最大覆盖角度，接收波束的方向角最大覆盖角度由(θrmin,θrmax)确定，则空间栅格该顶点对应接收波束方向角索引为空；否则，找出使得夹角最小的接收波束方向角作为空间栅格该顶点对应接收波束方向角索引。
栅格的其他顶点对应各通道经过预处理后的雷达回波信号的方向角检索信息的确定参考步骤A1-A3以及步骤B1-B3。
S6、根据栅格位置信息集提供的栅格四个顶点所对应各雷达的距离信息，建立基于模式标号的空间栅格各顶点对应各通道经过预处理后的雷达回波信号的距离单元索引
以所述空间栅格四个顶点中其中一个顶点对应距离单元索引的过程为例，具体包括以下步骤：
A`1、根据步骤S2得到空间栅格该顶点到发射雷达与接收雷达的距离之和r；
A`2、每个距离单元的宽度为
A`3、根据下式确定空间栅格该顶点对应的距离单元编号；并以该编号的距离单元作为空间栅格该顶点对应距离单元索引
其中，表示向上取整运算。
步骤A`2所述距离单元的宽度为根据采样时间间隔Ts确定，表达式如下：
其中，c表示光速。
空间栅格其他顶点对应距离单元索引的过程参考步骤A`1-A`3。
如图4所示为雷达收发通道示意图，每个发射雷达会在不同时刻发射不同波束，每个发射波束如果照射区域被接收雷达的接收波束覆盖，那么这两个雷达就构成一个收发通道，例如图4中列举了时刻1虚线表示的发射雷达发射的波束的照射区域正好被时刻1虚线表示的接收雷达的接收的波束覆盖，此时发射雷达与接收雷达就构成一个收发通道；同理时刻2实线表示的发射雷达发射的波束的照射区域正好被时刻2实线表示的接收雷达的接收的波束覆盖，此时发射雷达与接收雷达就构成一个收发通道；每个收发通道在不同时刻发射和接收的波束可能是不一样的，因此本申请首先是通过步骤S5确定了发射波束跟接收波束，对于任一时刻收发通道，计算空间栅格几何顶点对应该通道的距离单元编号并记录，得到基于模式标号的空间栅格几何顶点对应各通道雷达回波信号的距离单元检索信息
通过以上计算建立了各通道雷达回波信号与空间栅格几何顶点的距离、波束方位角映射关系，构建了空间栅格几何顶点对应各发射接收通道的雷达回波信号检索信息集。
S7、确定各通道被空间栅格包含的距离单元；如图3所示为被空间栅格包含的距离单元示意图，栅格1中包含了距离单元1、2、3、4的部分区域，则该通道被栅格1包含的距离单元为距离单元1、2、3、4。在对空间栅格的一次检测过程中，根据步骤S4、S5、S6得到的二维栅格-模式检索矩阵和空间栅格几何顶点对应各发射接收通道的雷达回波信号检索信息集，可检索得到空间栅格几何顶点所对应的距离单元编号。根据空间栅格几何顶点所对应的距离单元编号，确定各通道被空间栅格包含的距离单元。
S8、每个距离单元对应雷达回波信号的一个量测，将通道被包含的距离单元所对应的最大能量量测作为该通道在该空间栅格的检测统计量，依次遍历所有通道，得到各通道对应空间栅格的检测统计量。
根据步骤S1-S8的配准结果，得到各通道对应空间栅格的检测统计量，将各通道对应空间栅格的检测统计量进行多通道联合检测，得到该空间栅格的检测结果；依次遍历所有空间栅格，得到需要检测的空间区域的检测结果。
本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的权利要求范围之内。

Claims (5)

1.一种基于极值搜索的空间栅格多通道量测信息配准方法，其特征在于，包括：
S1、对空间监视区域进行空间栅格划分，将空间监视区域均匀划分为经度、纬度、高度分别为ΔLo×ΔLa×ΔH大小的共Gmax个矩形空间栅格，依次对每个空间栅格编号为NG1,NG2,…,NGmax；
S2、确定各空间栅格四个顶点各自所对应各雷达站点的方位θ，距离rs信息，从而建立各栅格位置信息集；
S3、记录所有被照射的空间栅格的编号，构建栅格检索矩阵；
S4、确定雷达照射模式，将步骤S3中的栅格检索矩阵与确定的雷达照射模式一一对应，得到二维栅格-模式检索矩阵；所述雷达照射模式具体为：任意时刻，空间中任意栅格被N部雷达中的部分雷达照射，照射情况共有种，每个时刻确定一种照射模式标号；
S5、根据栅格位置信息集提供的栅格四个顶点所对应各雷达的方向角θ信息，建立基于模式标号的空间栅格各顶点对应各通道经过预处理后的雷达回波信号的方向角检索信息，所述方向角检索信息包括发射方向角索引以及接收方向角索引
S6、根据栅格位置信息集提供的栅格四个顶点所对应各雷达的距离信息，建立基于模式标号的空间栅格各顶点对应各通道经过预处理后的雷达回波信号的距离单元索引
S7、确定各通道被空间栅格包含的距离单元；
S8、每个距离单元对应雷达回波信号的一个量测，将通道被包含的距离单元所对应的最大能量量测作为该通道在该空间栅格的检测统计量，依次遍历所有通道，得到各通道对应空间栅格的检测统计量。
2.根据权利要求1所述的一种基于极值搜索的空间栅格多通道量测信息配准方法，其特征在于，步骤S5所述空间栅格四个顶点中的其中一个顶点对应发射方向角索引的过程为：
A1、通过步骤S2得到空间栅格该顶点到对应编号为i的雷达的发射方位角θit；
A2、确定该雷达的各个发射波束方向角；
A3、计算各发射波束方向角与θit的夹角，若是夹角大于发射波束的方向角最大覆盖角度，则空间栅格该顶点对应发射波束方向角索引为空；否则，找出使得夹角最小的发射波束方向角作为空间栅格该顶点对应发射波束方向角索引。
3.根据权利要求1所述的一种基于极值搜索的空间栅格多通道量测信息配准方法，其特征在于，步骤S5所述空间栅格四个顶点中的其中一个顶点对应接收方向角索引的过程为：
B1、通过步骤S2得到空间栅格该顶点到对应编号为i的雷达的接收方位角θir；
B2、确定该雷达的各个接收波束方向角；
B3、计算各接收波束方向角与θir的夹角，若是夹角大于接收波束的方向角最大覆盖角度，则空间栅格该顶点对应接收波束方向角索引为空；否则，找出使得夹角最小的接收波束方向角作为空间栅格该顶点对应接收波束方向角索引。
4.根据权利要求1所述的一种基于极值搜索的空间栅格多通道量测信息配准方法，其特征在于，步骤S6所述空间栅格四个顶点中其中一个顶点对应距离单元索引的过程为：
A`1、根据步骤S2得到空间栅格该顶点到发射雷达与接收雷达的距离之和r；
A`2、每个距离单元的宽度为▽R；
A`3、根据下式确定空间栅格该顶点对应的距离单元编号；并以该编号的距离单元作为空间栅格该顶点对应距离单元索引
其中，表示向上取整运算。
5.根据权利要求4所述的一种基于极值搜索的空间栅格多通道量测信息配准方法，其特征在于，步骤A`2所述距离单元的宽度为▽R根据采样时间间隔Ts确定，表达式如下：
其中，c表示光速。
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