CN108375761B - 针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法 - Google Patents

针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开一种针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法，应用于雷达技术领域，针对现有多站雷达在窄发模式下协同工作时无法处理异步信号，从而无法对运动目标进行检测的问题，本发明利用多通道异步信号的能量聚集来进行检测，保证了在雷达异步工作以及目标高速运动的情况下仍能进行信息的对准，从而可以利用GLRT检测器来判断出此刻在监视区域中目标的有无以及在有目标情况时目标的运动状态。本发明的优点是提出的异步信号能量聚集方法可以应用于多站雷达异步信号的协同检测，实现过程简单，精度高，且相对于检测器直接进行整个平面的检测来说检测过程所需的计算量极小。

Description

针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，特别涉及一种地基多发多收雷达系统协同检测与异步信号 的能量聚集技术。
背景技术
多雷达协同工作因为其对高速高机动目标和隐身目标探测性能优越以及抗摧毁能力 强等特点，在近些年得到快速发展和广泛的应用，并成为时下雷达领域的研究热点之一， 它能获取目标的各向散射信息，具有作用距离远、隐身目标探测性能优越和抗干扰性强等 特点。由于协同工作的多个雷达均可使用非高精度的单个雷达组成，造价较低，且能方便 的更换或增减其中的雷达，维护成本较低。同时，多雷达协同工作能成倍的扩大监视区域， 从而可以更早的发现目标，得到宝贵的时间资源。总之，多雷达的协同组网工作有着单个 雷达无可比拟的优势，在现代军事应用中有着广阔的发展空间。
对于多基地雷达协同组网系统，典型场景下采用窄发宽收工作机制，在多个通道的距 离单元交叉处的幅值即为该位置经由多个通道的能量积累，如果某一位置的能量明显高于 周围的回波能量，那么即可认为该位置处存在潜在目标，可带入检测器计算出该位置的检 测统计量进行最终的判断，但是由于雷达精度的影响，对同一位置不同通道对应的距离单 元选取会存在很大的问题，所以在文献“Chao S,Chen B,Li C.Grid cell baseddetection strategy for MIMO radar with widely separated subarrays[J].AEUE-International Journal of Electronics and Communications,2012,66(9):741-751.”和“Chen L,Zhou T,Yi W,et al.Grid space searching based two-steps detectionprocedure for MIMO radar with widely separated antennas[C].InternationalConference on Information Fusion.2017:1-5.”中，作者提出了利用空 间栅格划分的方式来遍历整个监视区域并进行每个栅格对应位置的检测，然后对检测平面 进行镜像目标的判定及消除，该方法主要基于MIMO(多输入多输出)雷达进行设计的， 经过一定的修改之后能够适用于任意的多雷达工作模式，但是该方法只能处理同步信号， 亦即只能工作在宽发宽收工作模式或对静止的目标进行检测。在实际工程应用时，由于现 有多雷达系统中多个工作在窄发宽收模式下的雷达在扫描期间，对共视区域内的同一个位 置照射到的时间不同，对于运动目标，其被不同通道的雷达照射的时间可能不同，因此导 致多通道信号中目标的回波对应空间不同位置，造成接收信号的异步，从而使信号能量无 法正常聚集，降低检测率。
发明内容
为解决现有多站雷达在窄发模式下协同工作时无法处理异步信号，从而无法对运动目 标进行检测的问题，本发明提供一种针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法， 能将多雷达系统的异步信号中包含目标的能量有效聚集起来，同时可以去除大量的虚警， 得到目标所在的真实位置，提高信噪比。
本发明采用的技术方案为：针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法，对整 个监视区域进行栅格划分，采用动态规划的思想，利用雷达所能探测的目标速度范围以及 每个栅格数据平面之间的照射时间差来确定相邻两个栅格数据平面的搜索范围，采用维特 比搜索的方式来确定所有栅格数据平面相对于第一个栅格数据平面的偏移量，然后依据此 偏移量进行数据对齐，以完成能量的聚集。
具体采用以下技术：
1、空间栅格信息配准
对划分好的栅格，通过信息配准以便建立离线表和后续的计算；所需配准的信息包括 距离、方位角、俯仰角和点亮时间；比如第l个通道和第c个栅格，配准形式如下：
Figure BDA0001573553820000021
其中，θcl表示方位角，
Figure BDA0001573553820000022
表示俯仰角，Rcl表示距离，tcl表示点亮时间。
2、非同步信号能量聚集
将要处理的栅格所在的区域按照发射雷达对每个区域的点亮时间顺序对每个栅格数 据平面进行编号；对第一栅格数据平面中的每一个栅格进行信号能量累积；具体包括以下分 步骤：
B1、对第一栅格数据平面的某栅格，提取该栅格的信号能量，并找到除第一栅格数据 平面外的各栅格数据平面中相对于前一个栅格数据平面特定栅格的栅格范围内能量最大 值所在栅格；
寻找除第一栅格数据平面外的各栅格数据平面中能量最大值所在栅格，具体为：找到 当前栅格数据平面中相同顺序位的栅格；根据相邻栅格数据平面中的相同位置栅格的点亮 时间差以及目标速度范围确定在当前栅格数据平面中目标到达区域；并找到该区域内能量 最大值及其所在的栅格；
比如，找到编号为1的栅格数据平面的第一个(编号为
Figure BDA0001573553820000031
)栅格，提取其信号能量
Figure BDA0001573553820000032
然后找到第2个栅格数据平面的对应编号栅格
Figure BDA0001573553820000033
根据这两个栅格数据平面中对应栅格的点亮时间差以及整个系统可探测的目标速度范围来确定目标可能到达的区域
Figure BDA0001573553820000034
找 到区域内的能量最大值
Figure BDA0001573553820000035
及其所在的栅格
Figure BDA0001573553820000036
Figure BDA0001573553820000037
Figure BDA0001573553820000038
B2、将除第一栅格数据平面外的各栅格数据平面中能量最大值所在栅格的信号能量累 积到第一栅格平面的对应栅格处；
以编号为
Figure BDA0001573553820000039
的栅格为例，根据步骤B1中找到的各个栅格数据平面中能量最大值所在 的栅格，记录成轨迹，并将该轨迹经过的所有栅格数据平面中栅格处的信号能量积累在第 一个栅格数据平面的第一个栅格处；以步骤B1中确定的
Figure BDA00015735538200000310
为起点，采用类似的方式找到 剩余所有Kt-2个栅格数据平面对应于第一个栅格数据平面第一个栅格的最可能目标运动 轨迹，记录此轨迹，并将该轨迹经过的所有栅格数据平面栅格处的信号能量积累在第一个 栅格数据平面的第一个栅格处；
B3、重复步骤B1至步骤B2，直至第一栅格数据平面中的所有栅格均完成信号能量累 积，得到信号能量积累之后的第一栅格数据平面。
3、目标能量扩散消除
C1、将第一栅格数据平面的能量最大处所在栅格作为最有可能的潜在目标点；然后执 行步骤C2；
C2、按照栅格
Figure BDA00015735538200000311
的信号能量积累路径进行目标能量的消除(即置零操作)；将所有经 过置零操作的栅格数据平面按照步骤S3重新进行异步信号的信号能量聚集，并重复C1，直到聚集后的第一栅格数据平面的所有栅格中能量最大值小于预先设置的门限；这里的门限值根据虚警概率进行设定；然后执行步骤C3；
C3、根据C1中得到的信号能量积累路径对第一栅格数据平面中的各栅格进行信号能 量积累，得到多个只包含一个潜在目标回波能量的栅格数据平面。
结合上述技术，本发明的针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法的流程为：
S1、对监视区域进行栅格划分并进行编号；
S2、对步骤S1划分好的栅格进行信息配准；
S3、对第一栅格数据平面中的各栅格进行异步信号能量聚集；
S4、对异步信号能量聚集后的第一栅格数据平面进行能量扩散消除；
S5、对能量消除后的第一栅格数据平面进行GLRT检测，得到目标所在的位置。
本发明的有益效果：本发明的针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法，利 用多通道异步信号的能量聚集来进行检测，保证了在雷达异步工作以及目标高速运动的情 况下仍能进行信息的对准，从而可以利用GLRT检测器来判断出此刻在监视区域中目标的 有无以及在有目标情况时目标的运动状态。本发明的优点是提出的异步信号能量聚集方法 可以应用于多站雷达异步信号的协同检测，实现过程简单，精度高，且相对于检测器直接 进行整个平面的检测来说检测过程所需的计算量极小。本发明还可以应用于任意多传感器 协同工作，如多摄像头协同捕捉成像等领域。
附图说明
图1是本发明实施例提供的多雷达系统工作场景分布示意图。
图2是本发明实施例提供的监视区域确定以及发射波束扫描示意图。
图3是本发明实施例提供的基于栅格划分的多雷达系统异步信号检测方法流程图。
图4是本发明实施例提供的空间栅格划分及栅格编号示意图。
图5是本发明实施例提供的非同步信号能量聚集示意图。
图6是本发明实施例提供的目标被雷达照射示意图及每个栅格数据平面示意图。
图7是本发明实施例提供的多个栅格数据平面直接积累示意图
图8是本发明实施例提供的多个栅格数据平面异步信号能量聚集图。
图9是本发明实施例提供的目标能量扩散消除图。
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。
为了方便描述本发明的内容，首先对以下术语进行解释：
术语1：监视区域
监视区域是指在任意场景下雷达所能监测的空间范围与我们感兴趣的空间范围的交 集，本说明中为一个二维平面。
术语2：通道
通道是指由一个发射雷达和一个接收雷达形成的共同监视区域。
术语3：距离单元
距离单元指的是在通道中以雷达距离分辨率为参考的一片椭圆环区域，该区域对应于 每一个通道的同一个接收信号。
术语4：栅格数据平面
栅格数据平面是指由任意一个发射雷达工作一个周期与全部接收雷达形成的所有通 道的回波数据能量积累并映射到栅格平面组成一个栅格数据平面。
术语5：点亮
点亮是指某一区域被雷达发射波束照射到，则称该区域被此波束点亮。
本发明的技术方案为：针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法，针对多发 多收雷达系统的单目标异步信号检测方法，对整个监视区域进行栅格划分，采用动态规划 的思想，利用雷达所能探测的目标速度范围以及每个栅格数据平面之间的照射时间差来确 定相邻两个栅格数据平面的搜索范围，采用维特比搜索的方式来确定所有栅格数据平面相 对于第一个栅格数据平面的偏移量，然后依据此偏移量进行数据对齐，以完成能量的聚集。
如图1所示为本发明实施例中的多雷达系统工作场景分布示意图，如图2所示为监视区 域确定以及发射波束扫描示意图；本实施例中设置场景分布为：确定监视区域范围为X×Y:(-150～150km)×(-150～150km)，栅格大小为Δx×Δy:300m×300m，雷达个数为5，分辨率为300m，发射波束宽度为8°，波束驻留时间为1s，工作周期为12s，载波频率为500MHz，目标从(-3,-2.2)km处开始运动，速度为(1000,1000)m/s(以X轴和Y轴正方 向为对应速度分量的正方向)，且量测误差满足均值为0、方差为100m/s的高斯分布，回波 信噪比设置为20dB，雷达可探测的最大速度为(vxmax,vymax)＝(2000,2000)m/s，可探测的 最小速度为(vxmax,vymax)＝(-2000,-2000)m/s。
如图3所示为本发明的方案流程图；本发明的技术方案为：针对多发多收雷达系统的 单目标异步信号检测方法，具体包括以下步骤：
S1、对监视区域进行栅格划分并进行编号；
本实施例中假定监视区域的范围为(xmin～xmax)和(ymin～ymax)，根据雷达的分辨能力 以及计算性能的要求，将整个监视区域按照X轴和Y轴均分的方式划分为Cx×Cy个栅格，并对其按照图4所示进行编号；实际应用中对栅格进行编号的方式不仅限于图4所示的 方式，编号的目的在于方便后续步骤寻找目标运动轨迹实现栅格信号能量积累过程中，能 在各个栅格数据平面中找到对应的栅格，以确定各栅格数据平面中目标可能到达的区域。
S2、对步骤S1划分好的栅格进行信息配准；
对于划分好的栅格，需要对其进行信息配准以方便建立离线表和后续的计算，需配准 的信息包括距离、方位角、俯仰角和点亮时间，对于第l个通道和第c个栅格，配准形式如下：
Figure BDA0001573553820000061
由于监视区域采用的是二维平面，俯仰角失去约束作用，本实施例中暂不配置，均假 定为空，下面介绍其余信息的具体计算方法。
假定第c个栅格位于(xc,yc)处，第m个发射站位于(xtm,ytm)处，第n个接收站位于(xrn,yrn)处，且0＜c≤Cxy、0＜m≤M、0＜n≤N，Cxy为栅格的总个数，M为发射站的总 个数，N为接收站的总个数，此时通道序号为l,l＝(m-1)×N+n，利用椭圆方程和雷达工 作状态即可计算得到方位角和距离信息以及点亮时间：
Figure BDA0001573553820000062
Figure BDA0001573553820000063
Figure BDA0001573553820000064
其中，ceil()函数代表向上取整函数，ref为雷达的距离分辨率，wb为发射波束的宽度， tb为相邻发射波束的扫描时间间隔；
S3、采用异步信号能量聚集对第一栅格数据平面中的各栅格进行信号能量积累；具体 的信号能量积累过程如图5所示，具体过程为：
如图6所示，将每个栅格数据平面按照发射雷达对每个区域的点亮时间顺序进行编号； 然后进行如下的非同步信息处理：
B1、找到第一个栅格数据平面的第一个(编号为
Figure BDA0001573553820000071
)栅格，提取其信号能量
Figure BDA0001573553820000072
然后找到第二个栅格数据平面的对应编号栅格
Figure BDA0001573553820000073
(栅格
Figure BDA0001573553820000074
与
Figure BDA0001573553820000075
为相邻两个栅格数据平面中相同编号位置的栅格)，根据相邻两个栅格数据平面中对应编号栅格的点亮时间差以及整个系统工作系统可探测的目标速度范围来确定目标可能到达的区域
Figure BDA0001573553820000076
找到区域内的能量最大值及其所在的栅格：
Figure BDA0001573553820000077
Figure BDA0001573553820000078
B2、以B1中确定的
Figure BDA0001573553820000079
为起点，采用类似的方式找到剩余所有Kt-2个栅格数据平面对应于第一个栅格数据平面第一个栅格的最可能目标运动轨迹，记录此轨迹，并将该轨迹经过的所有栅格数据平面栅格处的信号能量积累在第一个栅格数据平面的第一个栅格处：
Figure BDA00015735538200000710
Figure BDA00015735538200000711
其中，Kt表示栅格数据平面个数；
B3、对于第一个栅格数据平面剩余的所有栅格按照B1、B2进行同样的操作，得到进行能量积累之后的第一个栅格数据平面如图7所示；相比于如图8所示的直接积累，本发 明的方法精度更高。
S4、对能量积累后的栅格数据平面进行能量扩散消除；
C1、对第一栅格数据平面中的各栅格信号能量积累过程中除去第一栅格数据平面外的 各栅格数据平面中的能量最大处
Figure BDA00015735538200000712
所在栅格
Figure BDA00015735538200000713
作为最有可能的潜在目标点，以下以编 号为
Figure BDA00015735538200000714
的栅格为例进行说明；
Figure BDA00015735538200000715
Figure BDA00015735538200000716
Figure BDA00015735538200000717
其中，δ为保护单元的长度；
C2、得到第一栅格数据平面中的栅格
Figure BDA00015735538200000718
对应的信号能量积累路径，按照栅格
Figure BDA00015735538200000719
的 信号能量积累路径进行目标能量的消除(即置零操作)；将所有经过置零操作的栅格数据 平面按照步骤S3重新进行异步信号的信号能量聚集，并重复C1，直到聚集后的第一栅格数据平面的所有栅格中能量最大值小于预先设置的门限；这里的门限值根据虚警概率进行设定。
C3、根据C1中得到的信号能量积累路径对第一栅格数据平面中的各栅格进行信号能 量积累，得到多个只包含一个潜在目标回波能量的栅格数据平面，如图9所示。
上述多个栅格数据平面均只包含一个潜在目标，所以只会在对应潜在目标处出现很大 的积累能量，从而消除能量扩散的影响。
S5、对能量消除后的数据平面进行GLRT检测，得到目标所在的位置。
经过步骤S4处理之后的多个包含可能目标的数据平面需要进行检测来判断目标的有 无，本发明采用基于二元假设检验的极大似然比(GLRT)检测器进行最大能量处目标的 检测。
GLRT检测器的形式为：
Figure BDA0001573553820000081
其中，
Figure BDA0001573553820000082
为协方差矩阵，η'为此时恒虚警概率下设置的门限值，ol,0为第 l个通道对应此栅格的检测单元的量测，sl,g为第l个通道对应的参考单元的量测， vl＝[1,exp(jπcos(θn)),...,exp(jπ(Kr-1)cos(θn))]T是第l个通道目标接收导向矢量，θn为 第l个通道对于栅格中心的接收角，n为第l个通道对应的接收雷达的序数，符号H代表矩 阵的共轭转置运算。
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 (4)

1.针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法，其特征在于，包括：
S1、对监视区域进行栅格划分并进行编号；
S2、对步骤S1划分好的栅格进行信息配准；
S3、对第一栅格数据平面中的各栅格进行异步信号能量聚集；
S4、对异步信号能量聚集后的第一栅格数据平面进行能量扩散消除；
S5、对能量消除后的第一栅格数据平面进行GLRT检测，得到目标所在的位置。
2.根据权利要求1所述的针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法，其特征在于，步骤S3具体包括以下分步骤：
B1、对第一栅格数据平面的某栅格，提取该栅格的信号能量，并找到除第一栅格数据平面外的各栅格数据平面中相对于前一个栅格数据平面特定栅格的栅格范围内能量最大值所在栅格；
B2、将除第一栅格数据平面外的各栅格数据平面中能量最大值所在栅格的信号能量累积到第一栅格平面的对应栅格处；
B3、重复步骤B1至步骤B2，直至第一栅格数据平面中的所有栅格均完成信号能量累积，得到信号能量积累之后的第一栅格数据平面。
3.根据权利要求2所述的针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法，其特征在于，步骤B1中所述找到除第一栅格数据平面外的各栅格数据平面中相对于前一个栅格数据平面特定栅格的栅格范围内能量最大值所在栅格，具体为：找到当前栅格数据平面中相同顺序位的栅格；根据相邻栅格数据平面中的相同位置栅格的点亮时间差以及目标速度范围确定在当前栅格数据平面中目标到达区域；并找到该区域内能量最大值及其所在的栅格。
4.根据权利要求1所述的针对多发多收雷达系统的单目标异步信号检测方法，其特征在于，步骤S4具体包括以下分步骤：
C1、将第一栅格数据平面的能量最大处所在栅格作为最有可能的潜在目标点；然后执行步骤C2；
C2、根据步骤C1中所确定栅格的信号能量积累路径对其他栅格数据平面进行置零操作，将所有经过置零操作的栅格数据平面重新进行异步信号能量聚集，并重复C1，直到聚集后的第一栅格数据平面的所有栅格中的能量最大值小于预先设置的门限；然后执行步骤C3；
C3、根据C1中得到的信号能量积累路径对第一栅格数据平面中的各栅格进行信号能量积累。
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