CN107102307A - 基于均匀相位分集体制的极化雷达目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于均匀相位分集体制的极化雷达目标检测方法。技术方案是，雷达采用正交双极化阵列接收天线和均匀相位分集的发射极化分集体制，对每一个脉冲重复周期的接收信号生成极化‑空间联合谱；然后将所有极化‑空间联合谱叠加形成合成谱。对合成谱取模后，采用四维单元平均恒虚警检测和点迹合并方法得到疑似目标点。对合成谱在方位‑俯仰空间中进行方位‑俯仰网格划分，计算每个方位‑俯仰网格内所有疑似目标点的极化状态距离标准差特征量，并与检测门限进行比较，判定疑似目标是否为雷达目标。本发明能够显著提升主瓣同时存在多个紧邻干扰或主瓣存在变极化干扰情况下的雷达目标检测能力。

Description

基于均匀相位分集体制的极化雷达目标检测方法

技术领域

本发明属于极化雷达探测技术领域，主要涉及雷达天线主瓣内同时存在多个射频干扰或主瓣内存在变极化射频干扰情况下的极化雷达目标检测问题。

背景技术

极化雷达一般指的是具有双极化或多极化天线，并能够快速改变发射、接收极化状态的雷达。由于极化雷达能够通过使其接收极化匹配于雷达目标回波极化或正交于干扰信号极化，从而提升信干噪比(信号与干扰、噪声的功率比)，因此，极化雷达具有更好的目标检测能力。

极化雷达的目标检测性能优势在单个主瓣干扰情况下表现的尤为突出，其基本原理是通过极化对消抑制主瓣干扰从而显著提升检测前的信干噪比。然而，当主瓣同时存在多个干扰时其检测性能迅速下降。

随着民用射频环境的日益复杂和雷达工作频段的不断延伸，雷达受到同频段民用射频干扰的威胁越来越大，其中与雷达目标方向临近的射频干扰会在雷达天线主瓣内形成多个极化不同、相关性较弱的干扰，使得合成干扰信号的极化度迅速降低，导致极化雷达干扰抑制和目标检测能力严重下降。特别是当主瓣内存在多个空间紧邻的干扰或主瓣内存在极化状态随机变化的干扰(称为变极化干扰)时，现有方法很难有效检测目标。

主瓣同时存在多个空间紧邻干扰或变极化干扰背景下的雷达目标检测问题，是雷达界当前面临的难点问题，还未有公开文献报道过相关技术。

发明内容

本发明提出了一种极化雷达目标检测方法，这种方法采用均匀相位分集的雷达发射极化分集体制，并基于极化状态分布特征差异，能够在主瓣内同时存在多个空间紧邻干扰或变极化干扰背景下有效检测雷达目标。

本发明的技术方案是，雷达采用正交双极化阵列接收天线和均匀相位分集的发射极化分集体制，对每一个PRI(Pulse Repeated Interval，脉冲重复周期)的接收信号生成极化-空间联合谱；然后将所有极化-空间联合谱叠加形成合成谱。对合成谱取模后，采用四维单元平均恒虚警检测(Cell-Average Constant False Alarm Rate，CA-CFAR)和点迹合并方法得到疑似目标点。对合成谱在方位-俯仰空间中进行方位-俯仰网格划分，计算每个方位-俯仰网格内所有疑似目标点的极化状态距离标准差特征量，并与检测门限进行比较，判定疑似目标是否为雷达目标。

本发明的技术效果：

本发明采用均匀相位分集的方式实现雷达发射极化分集，进而利用目标极化状态随发射极化有规律变化而干扰极化状态不服从该规律的差异，通过计算合成谱，并且利用合成谱的极化分布特征，有效地判别目标的“存在”，因此本发明能够显著提升主瓣同时存在多个紧邻干扰或主瓣存在变极化干扰情况下的雷达目标检测能力。

附图说明

图1为本发明所提方法的信号处理流程示意图；

图2为利用本发明所提方法计算得到的目标、主瓣多个紧邻干扰、主瓣变极化干扰的“极化状态距离标准差”检测特征量与检测门限对比图。

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。

本发明的技术方案是，一种基于均匀相位分集体制的极化雷达目标检测方法，极化雷达采用正交双极化阵列接收天线，不失一般性，设为H(Horizontal，水平)极化、V(Vertical，垂直)极化，设H极化阵列和V极化阵列的阵元数均为K，阵元间距不大于极化雷达发射信号半波长；极化雷达采用均匀相位分集的发射极化分集体制，每个PRI发射极化的相位描述子为(γ_n,η_n)，其中 n＝1,…,N，N为发射极化分集数，其特征在于，包括以下三个步骤：

第一步，形成合成谱。

首先，对第n个PRI对应的双极化阵列接收信号进行极化-空间联合谱估计，可以利用现有的任意一种方法进行极化-空间联合谱估计。优先使用极化-空间MUSIC谱估计方法，参见文献：徐有根,刘志文,龚晓峰，极化敏感阵列信号处理[M]，北京:北京理工大学出版社，2013。设得到的极化-空间联合谱P_n(θ,φ,γ,η)，其中θ为俯仰角，φ为方位角，极化角γ表示相对幅度信息，极化角η表示相对相位信息，极化角γ和极化角η一起构成极化矢量相位描述子。

将N个PRI对应的极化-空间联合谱叠加，得到合成谱P(θ,φ,γ,η)：

第二步，提取疑似目标。

本步骤包括两个主要环节，一是进行恒虚警检测，二是进行点迹合并。具体处理过程如下：

对合成谱的幅度谱|P(θ,φ,γ,η)|(“| |”表示取模)利用四维CA-CFAR进行检测，保护单元长度和检测门限值根据具体情况确定。四维CA-CFAR检测方法是一维CA-CFAR检测方法的简单拓展，即在(θ,φ,γ,η)构成的四维空间中，在待检测点周围选择与其在四个坐标轴上均相距保护单元长度的点。在四维空间中，存在16个点，与待检测点的距离在每个坐标轴上均相距保护单元长度。将16个点的幅度值进行平均作为背景参考电平。

将四维CA-CFAR检测的过门限点在四维空间进一步进行点迹合并处理，得到疑似目标点。四维空间的点迹合并处理是一维空间点迹合并处理的简单拓展，一维空间点迹合并处理主要方法是雷达从一维坐标轴上对连续多个过门限点进行选择并只输出其中一个过门限点，一般选择的是连续过门限点中的最大值点，本发明中，四维空间点迹合并处理是对方位角φ、俯仰角θ、极化角γ、极化角η构成四维空间上的连续过门限点选择最大值点进行输出。

设经过上述点迹合并处理后得到的疑似目标共有I个，设第i个疑似目标在合成谱P(θ,φ,γ,η)上的坐标位置(θ_i,φ_i,γ_i,η_i)，i＝1,…,I。

第三步，确认检测。

确认检测通过计算“极化状态距离标准差”检测特征量并与检测门限进行比较，判定疑似目标是否为极化雷达目标。具体处理过程如下：

在(θ,φ,γ,η)四维空间的俯仰角θ轴和方位角φ轴上，以一定的角度间隔划分方位-俯仰网格(该角度间隔根据角估计精度、系统可忍受计算量共同决定，如果角估计精度较高、可忍受计算量较大，则角度间隔可以取得更小)。

计算落入每个方位-俯仰网格内的疑似目标点数目，对数目大于或等于N的网格进一步进行如下的确认检测处理：

设落入方位-俯仰网格(θ_j,φ_l)中的疑似目标点集合为C_j,l，计算集合C_j,l中所有疑似目标点在极化角η轴上的极化状态距离标准差STD_j,l，求取公式如下：

其中Δη_i＝η_i+1-η_i(i＝1,…,I_j,l-1)，η_i为疑似目标点极化角η的值，为集合C_j,l中所有Δη_i的均值，I_j,l为集合C_j,l中疑似目标点的数目。

STD_j,l表征了在网格(θ_j,φ_l)中疑似目标点极化状态距离的起伏情况，即当接收信号来自于雷达目标回波时，极化角η具有接近于等间距变化的特点，对STD_j,l而言，则表现为取值较小，而当接收信号来自于多个紧邻干扰或变极化干扰信号时，极化角η不具有等间距变化的特点，对STD_j,l而言，则表现为取值较大。

因此，将STD_j,l作为检测统计量：当STD_j,l小于检测门限L_std时，判为目标；当STD_j,l超过检测门限L_std时，判为干扰。

其中，检测门限L_std的设置主要由极化雷达所关心目标的极化散射矩阵特性、分集数目决定，随目标极化散射矩阵的两个共极化分量之间相对差异增大而增大、随交叉极化分量增大而增大。检测门限L_std通过数值仿真得到：设目标散射矩阵为根据关心目标类型，设定目标散射矩阵两个共极化分量幅值比和交叉极化分量相对值的取值范围，在给定发射极化分集数目N的情况下，在和的取值范围中通过数值仿真计算极化状态距离标准差STD_j,l，找到STD_j,l的最大值作为检测门限L_std。

采用本发明进行仿真实验，参数设置如下：极化雷达发射极化分集数目N＝4，相对相位分别取值为对应的发射极化相位描述子分别为(45°,0°)，(45°,30°)，(45°,60°)，(45°,90°)；目标散射矩阵的取值范围为根据数值仿真可得检测门限为L_std＝8.955；方位-俯仰网格的角度间隔均设为1度。

仿真中，共设置一个目标、三个紧邻干扰(干扰1、干扰2、干扰3)和一个变极化干扰(干扰4)，目标和所有干扰的俯仰角均为0度，方位角和极化状态分别为：目标方位角40度；干扰1方位角为37.5度，极化状态为(90°,30°)；干扰2方位角为38度，极化状态为(45°,60°)；干扰3方位角为38.5度，极化状态为(45°,30°)；干扰4方位角为42度，极化状态为随机变极化。所有干扰信号波形为相互独立的噪声压制干扰，每个干扰信号的干信比(即单个噪声压制干扰源的功率与目标回波功率的比值)均为30dB。

图2为利用本发明所提方法计算得到的目标、主瓣多个紧邻干扰、主瓣变极化干扰的“极化状态距离标准差”检测特征量与检测门限对比图。图中，横轴为蒙特卡洛仿真序号(总次数为1000)，纵轴为“极化状态距离标准差”检测特征量，图中，“△”表示目标、“+”表示紧邻干扰、“*”表示变极化干扰、“-”表示判决门限。由图2可以看出，目标明显位于判决门限(图中所示纵坐标为8.955的黑实线)以下，而紧邻干扰、变极化干扰则位于判决门限以上，这表明该方法能够较好地区分目标与主瓣内的紧邻干扰、变极化干扰，且检测门限设置较为合理。

Claims (1)

1.一种极化雷达目标检测方法，其特征在于，雷达采用正交双极化阵列接收天线和均匀相位分集的发射极化分集体制，对每一个脉冲重复周期的接收信号生成极化-空间联合谱；然后将所有极化-空间联合谱叠加形成合成谱；对合成谱取模后，采用四维单元平均恒虚警检测和点迹合并方法得到疑似目标点；对合成谱在方位-俯仰空间中进行方位-俯仰网格划分，计算每个方位-俯仰网格内所有疑似目标点的极化状态距离标准差特征量，并与检测门限进行比较，判定疑似目标是否为雷达目标。