CN107678008A - 一种复数杂波图恒虚警检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种复数杂波图恒虚警检测方法，首先对同一个距离角度杂波单元统计多帧实部虚部的联合概率密度函数，建立复数杂波图；然后结合虚警率，通过复数杂波图检测模型，实现对强地物杂波抑制及弱目标检测。保证杂波虚警率恒定的同时，大大提高了杂波可见度，存储量与运算量适中，特别适合于相控阵雷达体制。

Description

一种复数杂波图恒虚警检测方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种复数杂波图恒虚警检测方法。

背景技术

动目标显示(MTI)和动目标检测(MTD)是相参体制雷达通常采用的基本方法， 通过MTI或MTD，实现对地物杂波的有效抑制，同时提高动目标的信杂噪比与检测 概率，适合于动目标处理过程。当存在切向飞行目标及盲速目标时，这时由于目标在 多普勒频率上与地物杂波几乎重合，其检测性能会急剧下降。为了提高零速滤波器的 检测能力，人们提出了杂波图检测技术。杂波图实际上是恒虚警(CFAR)的一种类型， 其采样间隔为帧，数据率更低，比较适合于切向及盲速目标检测。杂波图通常按距离- 角度单元存储，用当前帧的雷达回波与上一帧的参数滤波值进行计算比较，实现零速 滤波器通道动目标检测，同时杂波图单元的统计参数根据当前帧的雷达回波与上一帧 的滤波统计值进行递归更新。该技术通常用于地基机扫或者电扫描雷达中。

针对杂波图建立与检测问题，目前通常有两种方法：

方法1：单参数杂波图法。对于每一个杂波图单元，通过单极点滤波的方式统计 此单元的杂波平均功率，结合虚警率确定的门限因子，将当前回波功率与杂波统计平 均功率和门限因子的积进行对比，从而实现零速滤波器通道动目标检测。当目标的雷 达截面积(RCS)相对杂波较高时，此类杂波图技术是有效的，当目标RCS较小，此 类杂波图的检测能力将会降低。

方法2：双参数杂波图法。对于每一个杂波图单元，在通过单极点滤波的方式统 计此杂波单元的平均功率以及杂波功率均方根的基础上，首先将当前回波功率与杂波 统计平均功率相减，然后结合虚警率确定的门限因子，与门限因子和杂波功率均方根 的积进行对比，实现零速滤波器通道动目标检测。此方法属于双参数检测方法，与方 法1相比，具有更好的杂波抑制能力与更高的杂波可见度。但是由于没有考虑杂波在 复平面上的分布，其弱目标的检测性能仍然较差。

本发明在方法1和方法2的基础上，提出了新的杂波统计方法与检测模型，通过 统计复数杂波的二维概率密度函数，在保证杂波虚警率恒定的同时，进一步提高了弱 目标的检测能力，存储量与运算量适中，具有良好的推广能力，便于工程实现。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种复数杂波图恒虚警检测方法。

技术方案

一种复数杂波图恒虚警检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对当前帧CPI的原始回波数据进行动目标检测MTD处理，即对当前帧杂 波距离单元不同脉冲的回波进行快速傅里叶变换FFT，选取零号滤波器，得到当前帧 CPI的杂波复数数据；

步骤2：求取均值对杂波复数数据的实部x₁进行单极点滤波，获得实部的统计平均值μ₁(n)＝K₁μ₁(n-1)+(1-K₁)x₁(n)；对杂波复数数据的虚部x₂进行单极点滤波，获得虚部的统计平均值μ₂(n)＝K₁μ₂(n-1)+(1-K₁)x₂(n)；其中，K₁是滤波系数，n 表示第n帧数据，是离散时间序列；

步骤3：求取协方差矩阵分别对(x₁-μ₁)²与(x₂-μ₂)²分别进行单极点滤波，获得协方差矩阵Σ的对角元素σ₁₁和σ₂₂，即 σ₁₁(n)＝K₂σ₁₁(n-1)+(1-K₂)σ₁₁(n)，σ₂₂(n)＝K₂σ₂₂(n-1)+(1-K₂)σ₂₂(n)；对(x₁-μ₁)(x₂-μ₂) 进行单极点滤波，获得协方差矩阵Σ的对角元素σ₂₁和σ₁₂，这两个元素相等，即 σ₁₂(n)＝K₂σ₁₂(n-1)+(1-K₂)σ₁₂(n)；其中，K₂是滤波系数；

步骤4：计算门限T＝-2lnP_fa，其中P_fa为虚警率；

步骤5：计算y＝(x(n+1)-μ(n))^T∑(n)^-1(x(n+1)-μ(n))，其中x(n+1)为下一帧待检测的 杂波复数值实部虚部组成的列向量，如果y＞T则认为存在目标，否则认为没有目标。

有益效果

本发明提出了一种新的复数杂波图统计方法与检测模型，该方法针对距离角度杂波单元，统计多帧实部虚部的二维联合概率密度函数，建立复数杂波图；通过复数杂 波图检测模型，结合虚警率确定检测门限，实现对强地物杂波抑制及弱目标检测。与 传统的单参数杂波图与双参数杂波图相比，本发明在保证杂波虚警率恒定的同时，大 大提高了弱目标的检测能力，特别适合于相控阵雷达体制。

附图说明

图1是地物杂波频谱与零速通道运动目标频谱重叠示意图；

图2(a)是地物杂波复数平面概率分布示意图；(b)是复数杂波图均值矩阵与 协方差矩阵的统计框图；

图3是给定虚警率下的杂波图检测框图；

图4是本发明流程图

具体实施方式

实现本发明的技术思路是：首先对杂波图单元帧间多次复数杂波回波进行均值与协方差矩阵统计，获得杂波实部虚部的联合概率密度函数，接下来结合复数杂波图检 测模型，以及虚警率确定的检测门限，对当前杂波复数单元进行杂波图恒虚警检测， 最后获得检测结果。

本发明实现步骤如下：

1)当前帧相参处理区间(CPI)的杂波数据

对当前CPI的原始回波数据进行动目标检测(MTD)处理，即对当前杂波距离单 元不同脉冲的回波进行快速傅里叶变换(FFT)，选取零号滤波器，得到当前CPI的杂 波复数数据。

2)复数杂波单元实部虚部联合概率密度统计

复数杂波单元实部虚部的联合概率密度函数可以用二元正态分布N(μ,Σ)来表示，μ为均值，Σ为协方差矩阵，其中对其概率密度函数统 计实际上分为均值μ统计与协方差矩阵∑统计两个过程，考虑到协方差矩阵∑的斜对 角线元素相等，故联合概率密度函数总共有5个参数需要统计，即：μ₁,μ₂,σ₁₁,σ₁₂,σ₂₂。

2a)均值统计

对N个复数数据的实部与虚部求平均，获得杂波的均值矩阵μ，为了简化设备量，通常用单极点滤波替代N点滑窗平均。

2c)协方差矩阵统计

对N个复数数据的实部与虚部求协方差矩阵，获得复数杂波的协方差矩阵∑，为了简化设备量，通常用单极点滤波替代N点滑窗平均。

3)检测模型

3a)在杂波统计模型参数μ和∑的基础上根据虚警率P_fa，求取门限T，T＝-2lnP_fa。

3b)设当前杂波复数值实部虚部组成的列向量为x，计算y＝(x-μ)^T∑^-1(x-μ)，如果y＞T则认为存在目标，否则认为没有目标。

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明的具体实现步骤如下：

步骤1，预处理，参照图1

预处理的目的是通过相参积累，获得零速地物杂波的复数回波信息。复数回波既包含了地物杂波的强度信息，又包含了地物杂波的相位信息。

1a)参考图1

对当前CPI杂波距离单元的回波数据进行FFT，取出零号滤波器的复数值，用于 步骤2的概率密度函数参数估计，为了降低多普勒副瓣，对原始数据进行加窗FFT处 理。

步骤2，复数杂波概率密度函数估计，参照图2。

通常情况下，多帧间的复数杂波的实部虚部联合概率密度函数服从二维正态分布。 经过下列处理，可以获得二维正态分布的相关参数，为了简化实现设备，这里采用单极点积累的方法，替代滑窗式的帧间积累。

2a)均值μ估计，参考图2(a)，图2(b)

对实部x₁进行单极点滤波，获得实部的统计平均值μ₁，即 μ₁(n)＝K₁μ₁(n-1)+(1-K₁)x₁(n)；虚部x₂的处理方式与实部处理方式相同，即 μ₂(n)＝K₁μ₂(n-1)+(1-K₁)x₂(n)。

2b)协方差矩阵Σ估计，参考图2(b)

x的协方差矩阵Σ实际上是求x-μ的自相关矩阵。也就是对(x₁-μ₁)²与(x₂-μ₂)²进行单极点滤波，获得协方差矩阵Σ的对角元素σ₁₁和σ₂₂， σ₁₁(n)＝K₂σ₁₁(n-1)+(1-K₂)σ₁₁(n)，σ₂₂(n)＝K₂σ₂₂(n-1)+(1-K₂)σ₂₂(n)；对(x₁-μ₁)(x₂-μ₂) 进行单极点滤波，获得协方差矩阵的σ₂₁和σ₁₂，这两个元素相等， σ₁₂(n)＝K₂σ₁₂(n-1)+(1-K₂)σ₁₂(n)。

步骤3，杂波图检测，参考图3

3a)计算门限T

设定系统的虚警率为P_fa，则门限为T＝-2lnP_fa。

3b)计算参数y

利用上帧滤波值μ、Σ和当前帧x，计算参数y＝(x-μ)^TΣ^-1(x-μ)。

3c)门限比较

如果y＞T，则认为存在目标，否则没有目标。

Claims (1)

1.一种复数杂波图恒虚警检测方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对当前帧CPI的原始回波数据进行动目标检测MTD处理，即对当前帧杂波距离单元不同脉冲的回波进行快速傅里叶变换FFT，选取零号滤波器，得到当前帧CPI的杂波复数数据；

步骤2：求取均值对杂波复数数据的实部x₁进行单极点滤波，获得实部的统计平均值μ₁(n)＝K₁μ₁(n-1)+(1-K₁)x₁(n)；对杂波复数数据的虚部x₂进行单极点滤波，获得虚部的统计平均值μ₂(n)＝K₁μ₂(n-1)+(1-K₁)x₂(n)；其中，K₁是滤波系数，n表示第n帧数据，是离散时间序列；

步骤3：求取协方差矩阵分别对(x₁-μ₁)²与(x₂-μ₂)²分别进行单极点滤波，获得协方差矩阵Σ的对角元素σ₁₁和σ₂₂，即σ₁₁(n)＝K₂σ₁₁(n-1)+(1-K₂)σ₁₁(n)，σ₂₂(n)＝K₂σ₂₂(n-1)+(1-K₂)σ₂₂(n)；对(x₁-μ₁)(x₂-μ₂)进行单极点滤波，获得协方差矩阵Σ的对角元素σ₂₁和σ₁₂，这两个元素相等，即σ₁₂(n)＝K₂σ₁₂(n-1)+(1-K₂)σ₁₂(n)；其中，K₂是滤波系数；

步骤4：计算门限T＝-2lnP_fa，其中P_fa为虚警率；

步骤5：计算y＝(x(n+1)-μ(n))^T∑(n)^-1(x(n+1)-μ(n))，其中x(n+1)为下一帧待检测的杂波复数值实部虚部组成的列向量，如果y＞T则认为存在目标，否则认为没有目标。