CN106383343B - 一种基于滑窗移相的多通道相参检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于滑窗移相的多通道相参检测方法。该方法首先建立了各通道雷达回波信号与空间栅格的距离、波束方位角映射关系，形成空间栅格对应发射接收通道的雷达回波信号量测的检索信息集；然后依据栅格信息‑照射模式检索矩阵提取各通道被空间栅格包含的所有回波信号量测，通过等步长滑窗移相的方法将其余通道与收发通道1相位配准，最后采用配准后的信号对空间栅格进行多通道相参检测，遍历所有空间栅格实现对监视平面进行检测。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相位信息，实现了多通道相参联合检测。解决了传统方法无法利用回波信号相位信息的问题，降低了计算量，提升了回波信号积累后的信噪比，提高了多通道检测的检测性能。

Description

一种基于滑窗移相的多通道相参检测方法

技术领域

本发明属于雷达目标检测技术领域，它特别涉多站点分布式网络雷达信号级联合目标检测技术领域。

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。随着材料技术和制造工艺的发展，巡航导弹、隐身无人机、隐身飞机等隐身目标层出不穷，其后项散射截面小极大挑战了现代防空网系统。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,在未来有限的时间段内,我国只具备局部相对制空权的情况下,常规雷达将难于保障对上述目标的有效探测。分布式网络雷达探测系统带来了另一种思路。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，其中多站点雷达信号级联合检测技术是实现分布式网络雷达有效探测隐身目标的重要关键技术。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。在多通道信号联合检测在理论研究阶段，很多学者对理想条件下检测技术做了大量研究，但是缺乏对于适合在工程实践中运用的多通道信号相参联合检测方法的研究。因此充分考虑实际情况研究分布式网络雷达信号相参处理技术具有重要的工程实现价值和实际意义。

由于目标到各接收站的距离不同、表面材料散射强度的不同、表面材料散射的相位不同以及目标相对各接收站径向速度不同导致的多普勒频率偏移不同，从而导致各接收站的回波信号存在接收时刻、幅度、相位差异。传统关于多通道相参检测的研究普遍采用在空间、速度等维度进行搜索的方法对多通道信号相位进行配准。这些方法的计算量随着信号带宽和通道数量增大而急剧增加，产生在工程实现中计算资源无法承受的计算负载，参见文献(刘炳奇，肖文书.一种多基雷达接收信号相参处理的方法[J].现代雷达.2009，31(5):30－34.)。为了减小计算量，采用基于滑窗移相的多通道相参检测方法实现对多通道信号的相位配准与检测。该发方法计算结构简单、计算复杂度低、便于实际应用。

发明内容

本发明公开了一种基于滑窗移相的多通道相参检测方法。由于在多通道联合检测中，接收雷达的空间位置差距极大，难以通过位置补偿的方式对各接收通道回波信号进行相位补偿配准，且由于目标不同位置的表面材料对回波信号的相位改变不同，因而传统多通道联合检测方法难以在工程实践中利用回波中的相位信息对多通道的接收信号进行相参积累。相位信息的缺失，降低了积累后回波信号的信噪比，造成检测性能下降。针对传统多通道非相参检测中存在的相位信息难以利用的缺点，本发明采用了一种基于滑窗移相的多通道相参检测方法。该方法首先建立了各通道雷达回波信号与空间栅格的距离、波束方位角映射关系，形成空间栅格对应发射接收通道的雷达回波信号量测的检索信息集；然后依据栅格信息-照射模式检索矩阵提取各通道被空间栅格包含的所有回波信号量测，通过等步长滑窗移相的方法将其余通道与收发通道1相位配准，最后采用配准后的信号对空间栅格进行多通道相参检测，遍历所有空间栅格实现对监视平面进行检测。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相位信息，实现了多通道相参联合检测。

本发明提供了一种基于滑窗移相的多通道相参检测方法，它包括以下步骤：

步骤1、对区域进行空间栅格划分，将空间监视区域均匀划分为ΔLo×ΔLa大小的矩形栅格，其中ΔLo，ΔLa为空间栅格矩形边长；

步骤2、确定各栅格对应各雷达站点的方位θ，距离r信息，建立栅格位置信息集；

步骤3、确定被照射栅格的索引：

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，其中表示对N部雷达在T时刻的波束的角度覆盖范围取并集，表示对N部雷达在T时刻的距离限制范围取并集，记录这些栅格的标号，构建栅格检索矩阵；

步骤4、确定波束的扫描照射模式；

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1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；

步骤5、根据栅格位置信息集提供的栅格对应各雷达的方向角信息，建立基于模式标号的栅格对应各通道雷达回波信号的方向角检索信息

C_i模式标号对应的雷达T发射的N_θt个发射波束方向角构成的向量为θ_t，θ_t＝{θ₁,θ₂,...,θ_Nθt}，θ₁,θ₂,...,θ_Nθt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,…,N_θt，波束只能覆盖(θ_tmin,θ_tmax)之间的角度；待检测空间栅格应与合适的波束方向角进行配准；向量a₀为以发射雷达位置为原点，经过空间栅格几何中心的有向线段；向量为以发射雷达位置为原点，指向编号1,2,…,N_θt发射波束方向角方向的有向线段；配准规则为：空间栅格对应编号为i的发射雷达的发射波束方向角索引其中i为使向量a_i(i＝1,2,…,N_θt)与向量a₀的夹角最小的发射雷达方向角编号，若夹角超过最大覆盖角度，则索引为空；

C_i模式标号对应的雷达R接收的N_θr个接收波束方向角构成的向量为θ_r，θ_r＝{θ₁,θ₂,...,θ_Nθr}，θ₁,θ₂,...,θ_Nθr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,…,N_θr，波束只能覆盖(θ_rmin,θ_rmax)之间的角度；待检测空间栅格应与合适的波束方向角进行配准；向量a₀为以接收雷达位置为原点，经过空间栅格几何中心的有向线段；向量为以接收雷达位置为原点，指向编号1,2,…,N_θr接收波束方向角方向的有向线段；配准规则为：空间栅格对应编号为i的接收雷达的接收波束方向角索引其中i为使向量a_i(i＝1,2,…,N_θr)与向量a₀的夹角最小的接收雷达方向角编号，若夹角超过最大覆盖角度，则索引为空；

步骤6、根据空间栅格各顶点对应各雷达的距离信息，计算得到基于模式标号的栅格对应各通道雷达回波信号的距离检索信息

雷达照射范围内一点到发射雷达与接收雷达的距离之和为r，该点在此发射雷达与接收雷达组成的通道内的距离单元编号由下式得出

其中为与采样时间间隔T_s对应的空间中离散距离单元宽度；

其中c为光速；对于任一通道，计算该通道位于空间栅格内的距离单元，记录这些距离单元编号，得到基于模式标号的空间栅格对应各通道雷达回波信号的距离检索信息

通过以上计算建立了各通道雷达回波信号与空间栅格的距离、波束方位角映射关系，形成空间栅格对应发射接收通道的雷达回波信号量测的检索信息集；

步骤7、根据雷达回波信号检索信息集，计算得到栅格包含的收发通道数Q，每个通道在空间栅格内包含的L个距离单元作为该通道的检测单元；

步骤8、选择第一部发射雷达和第一部接收雷达构成的收发通道1作为基准通道，提取基准通道被空间栅格包含的L个距离单元的接收信号量测集合K_q0；

步骤9、用q表示下一需要与基准通道进行相位配准的通道编号，提取该通道被空间栅格包含的L个距离单元的接收信号量测集合K_qd；

步骤10、通过滑窗移相对各通道回波信号量测的相位进行配准；将0到2π的相位等分为D份，则每次滑窗相位移动步长为2π/D；对K_qd的每个回波信号量测在原始相位上增加相位偏移得到K_qd'，其中d＝0,1,…,D；将K_q0与K_qd'能量进行叠加，得到通道q的信号量测K_qd相位偏移后与基准通道的能量积累值E_qd；

步骤11、d遍历所有可能取值，搜索得到使得E_qd最大的K_qd记为K_q；依次对所有被空间栅格包含的通道进行步骤10中的处理，得到所有待配准通道与基准通道相位配准后的回波信号K_q，q＝1,2,…,Q-1；

步骤12、使用配准后的相参信号K_q，q＝1,2,…,Q-1与K_q0进行多通道相参检测，得到该空间栅格的检测结果；

步骤13、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。

通过上面的步骤，就可以实现基于滑窗移相的多通道相参检测。

本发明的创新点在于首先建立了各通道雷达回波信号与空间栅格的距离、波束方位角映射关系，形成空间栅格对应发射接收通道的雷达回波信号量测的检索信息集；然后依据栅格信息-照射模式检索矩阵提取各通道被空间栅格包含的所有回波信号量测，通过等步长滑窗移相的方法将其余通道与收发通道1相位配准，最后采用配准后的信号对空间栅格进行多通道相参检测，遍历所有空间栅格实现对监视平面进行检测。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。

本发明的优点在于充分利用了多通道回波信号的相位信息，降低了计算量，实现了基于滑窗移相的多通道相参检测，相较非相参检测算法提高了积累后回波信噪比，提升了检测性能。

附图说明

图1为本发明的流程图。

图2为基于滑窗移相的多通道相参检测方法与非相参检测方法在不同信噪比下的检测概率仿真结果对比。

具体实施方式

本发明主要采用计算机仿真的方法进行验证，所有步骤、结论都在MATLAB-R2010b上验证正确。具体实施步骤如下：

步骤1、对区域进行空间栅格划分，将空间监视区域均匀划分为ΔLo×ΔLa大小的矩形栅格，其中ΔLo，ΔLa为空间栅格矩形边长。

步骤2、确定各栅格对应各雷达站点的方位θ，距离r信息，建立栅格位置信息集。

步骤3、确定被照射栅格的索引。

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。

步骤4、确定波束的扫描照射模式。

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。将步骤一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

步骤5、根据栅格位置信息集提供的栅格对应各雷达的方向角信息，建立基于模式标号的栅格对应各通道雷达回波信号的方向角检索信息

C_i模式标号对应的雷达T发射的N_θt个发射波束方向角构成的向量为θ_t，θ_t＝{θ₁,θ₂,...,θ_Nθt}，θ₁,θ₂,...,θ_Nθt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,…,N_θt，波束只能覆盖(θ_tmin,θ_tmax)之间的角度。待检测空间栅格应与合适的波束方向角进行配准。向量a₀为以发射雷达位置为原点，经过空间栅格几何中心的有向线段。向量为以发射雷达位置为原点，指向编号1,2,…,N_θt发射波束方向角方向的有向线段。配准规则为：空间栅格对应编号为i的发射雷达的发射波束方向角索引其中i为使向量a_i(i＝1,2,…,N_θt)与向量a₀的夹角最小的发射雷达方向角编号，若夹角超过最大覆盖角度，则索引为空。

C_i模式标号对应的雷达R接收的N_θr个接收波束方向角构成的向量为θ_r，θ_r＝{θ₁,θ₂,...,θ_Nθr}，θ₁,θ₂,...,θ_Nθr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,…,N_θr，波束只能覆盖(θ_rmin,θ_rmax)之间的角度。待检测空间栅格应与合适的波束方向角进行配准。向量a₀为以接收雷达位置为原点，经过空间栅格几何中心的有向线段。向量为以接收雷达位置为原点，指向编号1,2,…,N_θr接收波束方向角方向的有向线段。配准规则为：空间栅格对应编号为i的接收雷达的接收波束方向角索引其中i为使向量a_i(i＝1,2,…,N_θr)与向量a₀的夹角最小的接收雷达方向角编号，若夹角超过最大覆盖角度，则索引为空。

步骤6、根据空间栅格各顶点对应各雷达的距离信息，计算得到基于模式标号的栅格对应各通道雷达回波信号的距离检索信息

雷达照射范围内一点到发射雷达与接收雷达的距离之和为r，该点在此发射雷达与接收雷达组成的通道内的距离单元编号可以由下式得出

其中为与采样时间间隔T_s对应的空间中离散距离单元宽度

其中c为光速。

对于任一通道，计算该通道位于空间栅格内的距离单元，记录这些距离单元编号，得到基于模式标号的空间栅格对应各通道雷达回波信号的距离检索信息

通过以上计算建立了各通道雷达回波信号与空间栅格的距离、波束方位角映射关系，形成空间栅格对应发射接收通道的雷达回波信号量测的检索信息集。

步骤7、根据雷达回波信号检索信息集，计算得到栅格包含的收发通道数Q，每个通道在空间栅格内包含的L个距离单元作为该通道的检测单元。

步骤8、选择第一部发射雷达和第一部接收雷达构成的收发通道1作为基准通道，提取基准通道被空间栅格包含的L个距离单元的接收信号量测集合K_q0。

步骤9、用q表示下一需要与基准通道进行相位配准的通道编号，提取该通道被空间栅格包含的L个距离单元的接收信号量测集合K_qd。

步骤10、通过滑窗移相对各通道回波信号量测的相位进行配准。将0到2π的相位等分为D份，则每次滑窗相位移动步长为2π/D。对K_qd的每个回波信号量测在原始相位上增加相位偏移得到K_qd'，其中d＝0,1,…,D。将K_q0与K_qd'能量进行叠加，得到通道q的信号量测K_qd相位偏移后与基准通道的能量积累值E_qd。

步骤11、d遍历所有可能取值，搜索得到使得E_qd最大的K_qd记为K_q。依次对所有被空间栅格包含的通道进行步骤10中的处理，得到所有待配准通道与基准通道相位配准后的回波信号K_q，q＝1,2,…,Q-1。

步骤12、使用配准后的相参信号K_q，q＝1,2,…,Q-1与K_q0进行多通道相参检测，得到该空间栅格的检测结果。

步骤13、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。

通过上面的步骤，就可以实现基于滑窗移相的多通道相参检测。

在上述仿真中，基于滑窗移相的多通道相参检测方法与非相参检测方法在不同信噪比下的检测概率仿真对比结果如图2所示。由图2可知，在检测概率达到80％的条件下，基于滑窗移相的多通道相参检测方法相较非相参检测方法性能提升了0.6dB，提升了检测性能。

通过本发明的具体实施可以看出，基于滑窗移相的多通道相参检测方法解决了传统方法无法利用回波信号相位信息的问题，降低了计算量，提升了回波信号积累后的信噪比，提高了多通道检测的检测性能。

Claims (1)

1.一种基于滑窗移相的多通道相参检测方法，它包括以下步骤：

步骤1、对区域进行空间栅格划分，将空间监视区域均匀划分为ΔLo×ΔLa大小的矩形栅格，其中ΔLo，ΔLa为空间栅格矩形边长；

步骤2、确定各栅格对应各雷达站点的方位θ，距离r信息，建立栅格位置信息集；

步骤3、确定被照射栅格的索引：

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，其中表示对N部雷达在T时刻的波束的角度覆盖范围取并集，表示对N部雷达在T时刻的距离限制范围取并集，记录这些栅格的标号，构建栅格检索矩阵；

步骤4、确定波束的扫描照射模式；

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3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；

步骤5、根据栅格位置信息集提供的栅格对应各雷达的方向角信息，建立基于模式标号的栅格对应各通道雷达回波信号的方向角检索信息

C_i模式标号对应的雷达T发射的N_θt个发射波束方向角构成的向量为θ_t，θ_t＝{θ₁,θ₂,...,θ_Nθt}，θ₁,θ₂,...,θ_Nθt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,…,N_θt，波束只能覆盖(θ_tmin,θ_tmax)之间的角度；待检测空间栅格应与波束方向角进行配准；向量a₀为以发射雷达位置为原点，经过空间栅格几何中心的有向线段；向量为以发射雷达位置为原点，指向编号1,2,…,N_θt发射波束方向角方向的有向线段；配准规则为：空间栅格对应编号为i的发射雷达的发射波束方向角索引其中i为使向量a_i与向量a₀的夹角最小的发射雷达方向角编号，其中i＝1,2,…,N_θt，若夹角超过最大覆盖角度，则索引为空；

C_i模式标号对应的雷达R接收的N_θr个接收波束方向角构成的向量为θ_r，θ_r＝{θ₁,θ₂,...,θ_Nθr}，θ₁,θ₂,...,θ_Nθr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,…,N_θr，波束只能覆盖(θ_rmin,θ_rmax)之间的角度；待检测空间栅格应与合适的波束方向角进行配准；向量a₀为以接收雷达位置为原点，经过空间栅格几何中心的有向线段；向量为以接收雷达位置为原点，指向编号1,2,…,N_θr接收波束方向角方向的有向线段；配准规则为：空间栅格对应编号为i的接收雷达的接收波束方向角索引其中i为使向量a_i与向量a₀的夹角最小的接收雷达方向角编号，其中i＝1,2,…,N_θt，若夹角超过最大覆盖角度，则索引为空；

步骤6、根据空间栅格各顶点对应各雷达的距离信息，计算得到基于模式标号的栅格对应各通道雷达回波信号的距离检索信息

雷达照射范围内一点到发射雷达与接收雷达的距离之和为r₁，该点在此发射雷达与接收雷达组成的通道内的距离单元编号由下式得出

其中为与采样时间间隔T_s对应的空间中离散距离单元宽度；

其中c为光速；对于任一通道，计算该通道位于空间栅格内的距离单元，记录这些距离单元编号，得到基于模式标号的空间栅格对应各通道雷达回波信号的距离检索信息

通过以上计算建立了各通道雷达回波信号与空间栅格的距离、波束方位角映射关系，形成空间栅格对应发射接收通道的雷达回波信号量测的检索信息集；

步骤7、根据雷达回波信号检索信息集，计算得到栅格包含的收发通道数Q，每个通道在空间栅格内包含的L个距离单元作为该通道的检测单元；

步骤8、选择第一部发射雷达和第一部接收雷达构成的收发通道1作为基准通道，提取基准通道被空间栅格包含的L个距离单元的接收信号量测集合K_q0；

步骤9、用q表示下一需要与基准通道进行相位配准的通道编号，提取该通道被空间栅格包含的L个距离单元的接收信号量测集合K_qd；

步骤10、通过滑窗移相对各通道回波信号量测的相位进行配准；将0到2π的相位等分为D份，则每次滑窗相位移动步长为2π/D；对K_qd的每个回波信号量测在原始相位上增加相位偏移得到K_qd'，其中将K_q0与K_qd'能量进行叠加，得到通道q的信号量测K_qd相位偏移后与基准通道的能量积累值E_qd；

步骤11、d遍历所有可能取值，搜索得到使得E_qd最大的K_qd记为K_q；依次对所有被空间栅格包含的通道进行步骤10中的处理，得到所有待配准通道与基准通道相位配准后的回波信号K_q，q＝1,2,…,Q-1；

步骤12、使用配准后的相参信号K_q，q＝1,2,…,Q-1与K_q0进行多通道相参检测，得到该空间栅格的检测结果；

步骤13、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。