CN107132513A - 基于相关距离的距离扩展目标检测方法 - Google Patents

基于相关距离的距离扩展目标检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了高斯白噪声背景下基于相关距离的距离扩展目标检测方法，主要解决现有技术低信噪比下检测概率低的问题，其技术方案是：1)利用雷达发射机发射P个窄带脉冲串X(t)，利用雷达接收机接收回波数据2)利用导弹惯导系统数据作为先验信息进行运动补偿，利用补偿后的回波数据计算得到目标的高分辨距离像Z；3)对P个高分辨距离像利用滑动互相关进行距离对齐；4)计算P个高分辨距离像中两两之间的相关距离，得到多个相关距离dn；5)对这些相关距离dn求平均得到检测统计量D；6)比较检测统计量D和检测门限T的大小判决检测目标。本发明提高了低信噪比下距离扩展目标的检测概率，可用于弹载步进频雷达。

Description

基于相关距离的距离扩展目标检测方法
技术领域
本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种距离扩展目标检测方法，可用于弹载步进频雷达。
背景技术
在宽带雷达系统中，目标尺寸远大于距离单元，目标被分辨为多个独立的散射单元，因此称之为距离扩展目标。低分辨雷达下传统的点目标检测方法不再适用于距离扩展目标检测，这使得距离扩展目标检测成为近年来备受关注的一个问题。
宽带雷达系统可以通过雷达发射机发射一系列载频渐变的窄带脉冲来实现。高分辨雷达接收到的目标回波信号包含着大量的目标信息，因此可以用于目标成像、识别以及分类等领域。而基于目标高分辨距离像的目标检测方法也应运而生。应用目标的高分辨距离像进行距离扩展目标检测的难点在于：目标与雷达之间的相对高速运动会导致目标高分辨距离像失真，包括距离走动、能量色散以及信噪比损失等，从而导致检测性能的下降。因此，利用高分辨距离像检测目标的首要任务是解决目标高分辨距离像的失真，然后设计合适的检测统计量做出检测判决。
近年来，很多研究者对距离扩展目标检测进行了深入的研究，提出了一些基于目标高分辨距离像的距离扩展目标检测方法。文献“S.Xu,P.Shui,and X.Yan,CFARdetection of range-spread target in white Gaussian noise using waveformentropy,"Electronics Letters,vol.46,pp.647-649,2010.”提出了一种基于波形熵的距离扩展目标检测方法，该方法使用波形熵作为检测统计量，取得了优于SSD-GLRT的检测性能，但是未做距离对齐以及运动补偿，而且在信噪比较低时，目标存在和纯噪声的情况区分度不明显。文献“X.Yang,G.Wen,C.Ma,B.Hui,B.Ding,and Y.Zhang,"CFAR Detection ofMoving Range-Spread Target in White Gaussian Noise Using Waveform Contrast,"IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters,vol.13,pp.282-286,2016.”提出了一种基于波形对比度的距离扩展目标检测方法，该方法基于波形对比度做了运动补偿，仅使用单个目标高分辨距离像、以波形对比度为检测统计量，取得了优于基于波形熵检测器的性能，但是在检测概率要求更高的系统中，该方法未能充分利用目标高分辨距离像的信息，从而不能达到更高的检测概率。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于相关距离的距离扩展目标检测方法，以提高在弹载步进频雷达体制下对高速距离扩展目标的检测概率。
为实现上述技术目的，本发明的技术方案包括如下：
(1)利用雷达发射机发射P个窄带脉冲串X(t)，利用雷达接收机接收经过目标散射形成的回波信号并对其混频后得到模拟基带信号
(2)对模拟基带信号依次进行采样和运动补偿，利用补偿后的回波数据计算得到目标的P个高分辨距离像Z；
(3)对P个高分辨距离像利用滑动互相关进行距离对齐：
(3a)将P个高分辨距离像Z中的第一个距离像作为基准，记为其中m＝1,2,…,M，为Z的第一行，M为逆傅里叶变换点数；
(3b)定义距离滑动数为：
其中corr(·,·)表示计算两序列的互相关系数，表示第ξ个高分辨距离像的km次循环移位，km为正时表示向右移，km为负时表示向左移；
(3c)按照(3b)中的定义计算出距离滑动数γi，记对齐后的第ξ个高分辨距离像为
(3d)重复(3c)直至所有高分辨距离像全部对齐；
(4)定义两个随机序列X,Y之间的相关距离为dXY＝1-ρXY，其中ρXY是相关系数，计算(3)中P个对齐后的高分辨距离像中两两之间的相关距离，得到个相关距离dn，其中
(5)对(4)中得到的个相关距离dn求算术平均，得到检测统计量：
(6)利用蒙特卡洛实验得到检测门限T，将检测统计量D与检测门限T进行比较：若D小于T，则接受目标存在时的假设H1，判决为目标存在，若D大于T，则接受目标不存在时的假设H0，判决为目标不存在。
本发明与现有技术相比具有以下优点：
1)本发明由于通过一系列窄带脉冲串实现高分辨雷达中的宽带信号，为工程实现提供了便利；
2)本发明在对齐目标高分辨距离像时，使用了滑动互相关，不仅起到了距离对齐的作用，同时进一步弥补了运动补偿时速度估计带来的误差；
3)本发明在做目标检测判决时，鉴于目标连续高分辨距离像之间的高度相关性，使用相关距离作为检测统计量，有效地提高了低信噪比下距离扩展目标的检测概率。
附图说明
图1为本发明的实现流程图；
图2为采用本发明和现有方法检测距离扩展目标的性能曲线图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步说明：
参照图1，本发明的实现步骤如下：
步骤1，利用雷达发射机发射P个窄带脉冲串X(t)，利用雷达接收机接收经过目标散射形成的回波信号并对其混频后得到模拟基带信号
(1.1)发射的窄带脉冲串信号表达式为：
其中i为每个脉冲串中的子脉冲序号，j为虚数单位，Ai为第i个子脉冲的幅度，g(t)表示子脉冲包络，Tr为子脉冲重复周期，fi＝f0+iΔf为第i个子脉冲的载频，f0表示基础载频，Δf表示频率步进量，θi表示第i个子脉冲的初相，N表示子脉冲个数。本发明实例中脉冲串中的子脉冲个数取N＝128；
(1.2)将回波信号与本振信号混频，得到回波的模拟基带信号：
经过目标散射形成的回波信号如下：
iTr+τ(t)≤t≤iTr+T+τ(t)
本振信号如下：
zi(t)＝Aiexp(j2πfit+θi)
iTr≤t≤(i+1)Tr
将回波信号与本振信号的共轭信号相乘，得到的混频后的模拟基带信号如下：
iTr+τ(t)≤t≤iTr+T+τ(t)
其中，*表示共轭，A'为第i个子脉冲的回波幅度，A”为第i个子脉冲混频后模拟基带信
i i
号的幅度，为回波延时，式中R0为目标到雷达的起始距离，v为目标与雷达之间的相对速度，c为光速，T为子脉冲宽度；
步骤2，根据混频后的模拟基带信号，计算得到目标的高分辨距离像Z。
(2.1)对混频后的模拟基带信号进行A/D采样得到离散的回波数据，为保证A/D采样时获得最大的信号幅度，采样时间选择回波信号中心处，即第i个子脉冲的采样时刻为：
在上述时刻对模拟基带信号采样，得到一个脉冲串中连续N个子脉冲回波的复采样序列为：
其中ξ为脉冲串序号，i为每个脉冲串中的子脉冲序号，为第i个子脉冲混频后模拟基带信号的采样幅度；
(2.2)引入速度加权因子：
其中是目标与雷达之间相对速度的估计值；
(2.3)使用速度加权因子进行运动补偿，将(2.1)得到的复采样序列mξ(i)与速度加权因子Wi相乘，得到补偿后的回波信号：
(2.4)对P组补偿后的回波信号分别做M点逆傅里叶变换，得到目标补偿后的高分辨距离像Z，其中Z为一个P×M矩阵，Z的每一行对应一个脉冲串形成的高分辨距离像。
步骤3，对P个高分辨距离像利用滑动互相关进行距离对齐。
(3.1)将P个高分辨距离像中的第一个距离像作为基准，记为：
其中m＝1,2,…,M，为Z的第一行，M为逆傅里叶变换点数；
(3.2)定义距离滑动数为：
其中corr(·,·)表示计算两序列的互相关系数，表示第ξ个高分辨距离像的km次循环移位，km为正时表示向右移，km为负时表示向左移；
(3.3)按照(3.2)中的定义计算出距离滑动数γi，记对齐后的第ξ个高分辨距离像为即
(3.4)重复步骤(3.3)直至所有高分辨距离像全部对齐。
步骤4，计算P个高分辨距离像中两两之间的相关距离。
(4.1)定义相关距离如下：
设X,Y是两个维数相同的向量，则它们之间的相关距离为：
d＝1-ρXY，
其中ρXY是相关系数；
(4.2)按照(4.1)中的定义计算P个高分辨距离像中两两之间的相关距离，得到个相关距离dn，其中n＝1,2,…,表示组合数，“！”表示阶乘，P是脉冲串个数。
步骤5，对步骤4中得到的个相关距离dn求平均得到检测统计量D。
步骤6，利用蒙特卡洛仿真得到检测门限T，比较检测统计量D和检测门限T的大小，根据比较结果对目标检测判决：
如果D≤T，则认为有目标；
如果D＞T，则认为无目标。
基于上述步骤1到步骤6，完成基于相关距离的距离扩展目标检测。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
1.仿真参数
雷达参数
信噪比从-15dB到0dB，每个信噪比水平下进行5000次独立重复蒙特卡洛实验。
2.仿真实验内容
仿真实验，对上述仿真参数，分别采用本发明方法和基于单脉冲串使用波形对比度的方法得到距离扩展目标检测结果，结果对比如图2所示，图2中横轴表示信噪比，纵轴均表示检测概率。
从图2中可以看出，采用本发明方法得到的检测概率曲线明显优于现有方法得到的检测概率曲线。
综上所述，本发明提出的基于相关距离的距离扩展目标检测方法，充分利用了雷达工作平台的先验信息，解决了由目标与雷达之间的相对高速运动导致的目标高分辨距离像失真，有效地提高了低信噪比下距离扩展目标的检测概率。

Claims (5)

1.一种基于相关距离的距离扩展目标检测方法，其特征在于，包括：
(1)利用雷达发射机发射P个窄带脉冲串X(t)，利用雷达接收机接收经过目标散射形成的回波信号并对其混频后得到模拟基带信号
(2)对模拟基带信号依次进行采样和运动补偿，利用补偿后的回波数据计算得到目标的P个高分辨距离像Z；
(3)对P个高分辨距离像利用滑动互相关进行距离对齐：
(3a)将P个高分辨距离像Z中的第一个距离像作为基准，记为其中m＝1,2,…,M，为Z的第一行，M为逆傅里叶变换点数；
(3b)定义距离滑动数为：
<mrow> <msub> <mi>&amp;gamma;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>=</mo> <mi>arg</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <munder> <mrow> <mi>m</mi> <mi>a</mi> <mi>x</mi> </mrow> <msub> <mi>k</mi> <mi>m</mi> </msub> </munder> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>r</mi> <mi>r</mi> <mrow> <mo>(</mo> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mn>1</mn> </msub> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> <mo>,</mo> <msub> <mover> <mi>z</mi> <mo>~</mo> </mover> <mi>&amp;xi;</mi> </msub> <msub> <mrow> <mo>(</mo> <mrow> <mo>(</mo> <mi>m</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>)</mo> </mrow> <msub> <mi>k</mi> <mi>m</mi> </msub> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> <mo>,</mo> <mi>&amp;xi;</mi> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <mo>,</mo> <mn>3</mn> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <mi>P</mi> </mrow>
其中corr(·,·)表示计算两序列的互相关系数，表示第ξ个高分辨距离像的km次循环移位，km为正时表示向右移，km为负时表示向左移；
(3c)按照(3b)中的定义计算出距离滑动数γi，记对齐后的第ξ个高分辨距离像为
(3d)重复(3c)直至所有高分辨距离像全部对齐；
(4)定义两个随机序列X,Y之间的相关距离为dXY＝1-ρXY，其中ρXY是相关系数，计算(3)中P个对齐后的高分辨距离像中两两之间的相关距离，得到个相关距离dn，其中 表示组合数，“！”表示阶乘，P是脉冲串个数；
(5)对(4)中得到的个相关距离dn求算术平均，得到检测统计量：
(6)利用蒙特卡洛实验得到检测门限T，将检测统计量D与检测门限T进行比较：若D小于T，则接受目标存在时的假设H1，判决为目标存在，若D大于T，则接受目标不存在时的假设H0，判决为目标不存在。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中雷达发射机发射的P个窄带脉冲串X(t)，表示如下：
<mrow> <mi>X</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <munderover> <mo>&amp;Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>0</mn> </mrow> <mrow> <mi>N</mi> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </munderover> <msub> <mi>A</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>g</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>iT</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>(</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <msub> <mi>iT</mi> <mi>r</mi> </msub> </mrow> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中i为每个脉冲串中的子脉冲序号，j为虚数单位，Ai为第i个子脉冲的幅度，g(t)表示子脉冲包络，Tr为子脉冲重复周期，fi＝f0+iΔf为第i个子脉冲的载频，f0表示基础载频，Δf表示频率步进量，θi表示第i个子脉冲的初相，N表示子脉冲个数。
3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中经过目标散射形成的第i个子脉冲的回波信号表示如下：
<mrow> <msub> <mi>s</mi> <msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>A</mi> <mi>i</mi> <mo>&amp;prime;</mo> </msubsup> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>(</mo> <mrow> <mi>t</mi> <mo>-</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> <mo>)</mo> <mo>+</mo> <msub> <mi>&amp;theta;</mi> <mi>i</mi> </msub> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> </mrow> 1
iTr+τ(t)≤t≤iTr+T+τ(t)
其中i为每个脉冲串中的子脉冲序号，A′i为第i个子脉冲的回波幅度，j为虚数单位，fi＝f0+iΔf为第i个子脉冲的载频，f0表示基础载频，Δf表示频率步进量，为回波延时，式中R0为目标到雷达的起始距离，v为目标与雷达之间的相对速度，c为光速，θi表示第i个子脉冲的初相，Tr为子脉冲重复周期，T为子脉冲宽度。
4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对步骤(1)中的回波信号进行混频，是将回波信号与本振信号的共轭信号相乘，得到的模拟基带信号表示如下：
<mrow> <msub> <mover> <mi>s</mi> <mo>~</mo> </mover> <msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>s</mi> <msub> <mi>r</mi> <mi>i</mi> </msub> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;times;</mo> <msubsup> <mi>z</mi> <mi>i</mi> <mo>*</mo> </msubsup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msubsup> <mi>A</mi> <mi>i</mi> <mrow> <mo>&amp;prime;</mo> <mo>&amp;prime;</mo> </mrow> </msubsup> <mi>exp</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mi>i</mi> </msub> <mi>&amp;tau;</mi> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>,</mo> <msub> <mi>iT</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;le;</mo> <mi>t</mi> <mo>&amp;le;</mo> <msub> <mi>iT</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>+</mo> <mi>T</mi> <mo>+</mo> <mi>&amp;tau;</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mi>t</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>
其中i为每个脉冲串中的子脉冲序号，*表示共轭，A″i为第i个子脉冲混频后模拟基带信号的幅度，j为虚数单位，fi＝f0+iΔf为第i个子脉冲的载频，f0表示基础载频，Δf表示频率步进量，为回波延时，式中R0为目标到雷达的起始距离，v为目标与雷达之间的相对速度，c为光速，Tr为子脉冲重复周期，T为子脉冲宽度，zi(t)为本振信号，表示如下：
zi(t)＝Aiexp(j2πfit+θi)， iTr≤t≤(i+1)Tr
其中Ai为第i个子脉冲的幅度。
5.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(2)所述的对模拟基带信号依次进行采样和运动补偿，利用补偿后的回波数据计算得到目标的P个高分辨距离像Z，按照如下步骤进行：
2a)对混频后的模拟基带信号，在时刻进行A/D采样，得到离散的回波数据，表示如下：
<mrow> <msub> <mi>m</mi> <mi>&amp;xi;</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mover> <mi>A</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>i</mi> </msub> <mi>exp</mi> <mo>&amp;lsqb;</mo> <mo>-</mo> <mi>j</mi> <mn>2</mn> <msub> <mi>&amp;pi;f</mi> <mi>i</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>R</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mi>c</mi> </mfrac> <mo>-</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>v</mi> </mrow> <mi>c</mi> </mfrac> <mo>(</mo> <mrow> <msub> <mi>iT</mi> <mi>r</mi> </msub> <mo>+</mo> <mfrac> <mi>T</mi> <mn>2</mn> </mfrac> <mo>+</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <msub> <mi>R</mi> <mn>0</mn> </msub> </mrow> <mi>c</mi> </mfrac> </mrow> <mo>)</mo> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;rsqb;</mo> </mrow>
ξ＝1,2,…,P
其中ξ为脉冲串序号，i为每个脉冲串中的子脉冲序号，为第i个子脉冲混频后模拟基带信号的采样幅度，j为虚数单位，fi＝f0+iΔf为第i个子脉冲的载频，f0表示基础载频，Δf表示频率步进量，R0为目标到雷达的起始距离，c为光速，v为目标与雷达之间的相对速度，Tr为子脉冲重复周期，T为子脉冲宽度；
2b)使用速度加权因子Wi进行运动补偿，补偿后的回波复采样序列表示如下：
<mrow> <msub> <mover> <mi>m</mi> <mo>&amp;OverBar;</mo> </mover> <mi>&amp;xi;</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <msub> <mi>m</mi> <mi>&amp;xi;</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>i</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&amp;CenterDot;</mo> <msub> <mi>W</mi> <mi>i</mi> </msub> </mrow>
其中 为目标与雷达之间相对速度的估计值；
2c)对P组补偿后的回波复采样序列分别做M点逆傅里叶变换，得到P个补偿后的高分辨距离像Z，其中Z为P×M的矩阵，Z的每一行对应一个高分辨距离像。
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