CN108445461A - 一种多径条件下雷达目标检测方法 - Google Patents

Abstract

一种多径条件下雷达目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：第一步，选取天线个数和架设高度；第二步，计算检验统计量；第三步，计算检测门限；第四步，判断目标是否存在；本发明利用了多个不同高度的天线来接收信号，通过多个天线接收信号功率的最大值来判断目标是否存在。无需目标距离与高度先验信息。将多个不同高度的接收天线接收信号功率的最大值作为检验统计量，能够克服多径散射对雷达接收目标信号的衰减效应，同时利用了多径散射对雷达接收目标信号的增强作用，从而可以保证雷达对各种高度、各种距离的低空目标均具有较高的检测概率。本发明实现步骤少、计算量小，对现有雷达系统软、硬件改动较少，易于实现、工程适用性强。

Description

一种多径条件下雷达目标检测方法

技术领域

本发明涉及雷达检测方法，尤其是雷达低空目标检测方法，更具体地是涉及一种多径条件下雷达目标检测方法。

背景技术

雷达探测低空目标时除了面临强杂波干扰外，还面临着多径散射干扰。对于高信杂比目标而言，影响雷达低空目标检测性能的主要因素是多径散射。多径散射包括镜反射和漫反射。当地/海面较平坦时，多径散射以镜反射为主，漫反射可忽略。经地/海面反射的多路目标回波与目标直达波几乎同时到达雷达接收天线，两者相互叠加产生干涉效应，导致雷达接收到的目标回波时而增强、时而衰减，这给雷达低空目标检测造成了不利影响。

为了克服多径散射对雷达低空目标检测带来的不利影响、提高多径条件下雷达目标检测性能，国内外雷达工作者的解决思路可分为两大类：1、针对传统固定载频、单天线、单极化体制的雷达，改进雷达信号处理方法；2、改变雷达工作体制，采用频率分集、空间分集、极化分集等体制，提出新的雷达目标检测方法。在改进传统体制雷达信号处理方法方面，有的雷达工作者利用雷达工作环境、目标位置先验信息来预测多径信号到达时间，然后再利用预测信息来设计雷达接收机，从而提高多径条件下雷达目标检测性能；但是，当目标位置未知时，该方法将失效。在新体制雷达低空目标检测方法方面，有的雷达工作者基于频率分集思想提出了频率捷变雷达双门限检测、频率分集雷达有序统计恒虚警率检测器，以提高雷达低空目标检测性能；有的雷达工作者基于空间分集思想提出用MIMO雷达来提高多径条件下雷达目标检测性能。此外，有的学者将极化分集与空间分集理论相结合，提出采用三极化MIMO系统来提高多径条件下的雷达检测性能。对于频率分集、MIMO、极化MIMO雷达系统，其实现需对现有雷达系统做较大改动，成本较高。为此，申请人曾申请了《单发三收天线雷达抗多径散射检测方法》国家发明专利，该专利利用单天线发射三天线接收方式获取多径条件下的观测信号，然后利用两两接收天线回波功率差值的绝对值的最大值作为检验统计量来实现目标检测，以提高多径条件下雷达目标检测性能。该专利由于仅采用了三个天线接收信号，因此，雷达获得的空间分集增益有限，特别是对某些距离段、某些高度的目标，单发三收天线雷达的检测概率仍然较低。为了使雷达在多径条件下对任何距离段、任何高度的低空目标均具有较好的检测性能，需要增加接收天线数目，进一步提高雷达空间分集增益。另外，上述专利在计算检验统计量时需要计算两两接收天线回波功率的绝对值，并对这些值进行比较、取最大值，当天线数逐渐增多时，计算量会增大。其实，检验统计量可以进一步简化。为此，本专利申请将提出一种增加天线数并简化检验统计量的多径条件下雷达目标检测方法，这种检测方法性能更好、工程适用性更强。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：利用空间分集理论，在垂直方向上假设多个天线，选取其中一个天线发射，利用多天线同时接收信号以获取多径条件下不同高度天线的观测信号，然后选取多个接收天线接收信号功率的最大值作为检验统计量来判断目标是否存在。本发明能够是雷达对任意高度、任意距离段的低空目标均具有较高的检测概率，本发明仅需要在垂直方向上增设多个接收天线和多路接收通道，无需对雷达发射机做任何改动，本发明易于实现，工程适用性强。特别地，本发明与申请人曾经申请的发明专利《单发三收天线雷达抗多径散射检测方法》在检验统计量选取和天线数选取上不同，本发明检验统计量实现更加简单，天线数更多，此外，本发明在多径条件下的目标检测性能较上述专利性能更好。

本发明的技术方案是：一种多径条件下雷达目标检测方法，包括以下步骤：

第一步，选取天线个数和架设高度。

在垂直方向上架设多个天线，最下面的一个天线进行发射，发射天线距离地表面高度为100m，发射天线兼具发射与接收功能，其他天线进行接收，接收天线设置在发射天线的上面，发射天线与接收天线在同一垂直面。第二个接收天线高度为103m，第三个接收天线高度为106m，第四个接收天线高度为111m，第N个接收天线高度为111+3(N-4)m，天线架设示意图如图1所示。

第二步，计算检验统计量。

雷达第i个接收天线接收到的信号可表示为

其中，s_i、c_i、n_i分别为第i个接收天线接收到的目标回波、杂波以及接收机热噪声，H₀表示无目标存在，H₁表示目标存在。

雷达多个接收天线接收信号经平方律检波后的输出信号可表示为

z_i＝|x_i|²，i＝1,2,…,N (2)

检验统计量取为

L＝max(z₁,z₂,…,z_N) (3)

其中，max表示取最大值。

第三步，计算检测门限。

假定雷达第i个接收天线接收到的杂波幅度和接收机热噪声均服从瑞利分布，杂波与热噪声相互独立，且各天线接收信号之间相互独立，可得雷达虚警概率为

其中，η为检测门限，N为天线数，ξ_i为H₀下第i个天线接收信号平均功率，ξ_i＝P_ci+P_n，P_ci为第i个天线接收的杂波功率，P_n为i个天线对应的接收通道热噪声功率，P_n＝kTBF_n，k＝1.38×10^-23为玻尔兹曼常数，T＝290°，B为接收机带宽，F_n为噪声系数。

本专利假定多个天线对应的接收通道热噪声功率相等。给定雷达虚警概率，在获得H₀下雷达接收信号平均功率后，检测门限可根据式(4)通过插值得到。

第四步，判断目标是否存在。

将检验统计量与检测门限进行比较，当L＞η时，判断目标存在；当L＜η时，判断目标不存在，即

假定目标雷达截面积服从Swerling I模型，多个天线观测目标信号之间相互独立，可得雷达检测概率为

其中，β_i为H₁下第i个天线接收信号平均功率，β_i＝P_si+P_ci+P_n，P_si为多径条件下雷达第i个天线接收目标回波功率。

本发明的有益效果：

一、无需目标距离与高度先验信息。本发明利用了多个不同高度的天线来接收信号，通过多个天线接收信号功率的最大值来判断目标是否存在。本发明无需目标距离与高度先验信息。

二、多径条件下雷达目标检测性能好。本发明将多个不同高度的接收天线接收信号功率的最大值作为检验统计量，能够克服多径散射对雷达接收目标信号的衰减效应，同时利用了多径散射对雷达接收目标信号的增强作用，从而可以保证雷达对各种高度、各种距离的低空目标均具有较高的检测概率。

三、适于工程实现。由本发明的技术方案可见，本发明涉及的实现步骤少、计算量小，对现有雷达系统软、硬件改动较少，因此，本发明易于实现、工程适用性强。

附图说明

图1为天线架设示意图。

图2为本发明提出的多径条件下雷达目标检测方法流程图。

图3为本发明涉及的多天线情况下检测门限与虚警概率之间的关系图。

图4为利用本发明进行分析得到的单天线雷达对不同位置目标的检测性能。

图5为利用本发明进行分析得到的单发三收天线雷达对不同位置目标的检测性能。

图6为利用本发明进行分析得到的单发二十收天线雷达对不同位置目标的检测性能。

图7为利用本发明进行分析得到的单发四十收天线雷达对不同位置目标的检测性能。

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。

本发明是一种多径条件下雷达目标检测方法，包括以下步骤：

第一步，选取天线个数和架设高度。

在垂直方向上架设多个天线，最下面的一个天线进行发射，发射天线距离地表面高度为100m，发射天线兼具发射与接收功能，其他天线进行接收，各天线间距3m，接收天线设置在发射天线的上面，接收天线与发射天线在同一垂直平面内。

第二步，计算检验统计量。

雷达第i个接收天线接收到的信号可表示为

其中，s_i、c_i、n_i分别为第i个接收天线接收到的目标回波、杂波以及接收机热噪声，H₀表示无目标存在，H₁表示目标存在。

雷达多个接收天线接收信号经平方律检波后的输出信号可表示为

z_i＝|x_i|²，i＝1,2,…,N (8)

检验统计量取为

L＝max(z₁,z₂,…,z_N) (9)

其中，max表示取最大值。

第三步，计算检测门限。

假定雷达第i个接收天线接收到的杂波幅度和接收机热噪声均服从瑞利分布，杂波与热噪声相互独立，且各天线接收信号之间相互独立，可得雷达虚警概率为

其中，η为检测门限，N为天线数，ξ_i为H₀下第i个天线接收信号平均功率，ξ_i＝P_ci+P_n，P_ci为第i个天线接收的杂波功率，P_n为i个天线对应的接收通道热噪声功率，P_n＝kTBF_n，k＝1.38×10^-23为玻尔兹曼常数，T＝290°，B为接收机带宽，F_n为噪声系数。本专利假定多个天线对应的接收通道热噪声功率相等。给定雷达虚警概率，在获得H₀下雷达接收信号平均功率后，检测门限可根据式(4)通过插值得到。

第四步，判断目标是否存在。

将检验统计量与检测门限进行比较，当L＞η时，判断目标存在；当L＜η时，判断目标不存在，即

假定目标雷达截面积服从Swerling I模型，多个天线观测目标信号之间相互独立，可得雷达检测概率为

其中，β_i为H₁下第i个天线接收信号平均功率，β_i＝P_si+P_ci+P_n，P_si为多径条件下雷达第i个天线接收目标回波功率。

下面详细对附图中的内容及参数作出说明：

图1为雷达多个天线架设示意图。

图2是本发明提出的多径条件下雷达目标检测方法流程图，该方法共包含四个步骤：第一步：选取天线个数和架设高度；第二步：选取多个接收天线接收信号功率的最大值作为检验统计量；第三步：计算检测门限；第四步：判断目标是否存在。

图3至图7是采用本发明进行仿真实验的结果图。仿真实验基于通用计算机，采用Matlab仿真平台实现。仿真场景如下：目标以20m的恒定高度从距离雷达20km的位置以300m/s的速度朝雷达相向运动，目标雷达截面积为1m²，雷达发射峰值功率为50kW，雷达发射天线与接收天线最大增益均为43dB，雷达发射天线高度为100m，雷达接收天线之间间距为3m，雷达波长0.03m，雷达带宽10MHz，雷达噪声系数为5dB，雷达综合损耗为6dB，雷达虚警概率为10^-3。结合上述参数，首先根据目标、雷达天线几何关系，先计算镜反射点位置，然后计算多径条件下雷达多个天线接收目标信号、杂波以及热噪声。将杂波与热噪声叠加以获得无目标时雷达接收信号，将目标信号与杂波、热噪声叠加以获得有目标时雷达接收信号。接着根据无目标时雷达接收信号功率和虚警概率计算雷达检测门限。然后根据有目标时雷达多天线接收信号获得雷达检验统计量，将检验统计量与雷达检测门限进行比较以判断目标是否存在。

图3是本发明检测门限与虚警概率之间的关系图，横坐标表示检测门限，纵坐标表示虚警概率。实线表示单天线发射与接收时雷达检测门限与虚警概率之间的关系，虚线表示单天线发射三天线接收时雷达检测门限与虚警概率之间的关系，点滑线表示单天线发射二十天线接收时雷达检测门限与虚警概率之间的关系，点线表示单天线发射四十天线接收时雷达检测门限与虚警概率之间的关系。由图3可见，虚警概率随着检测门限的增大而降低；相同虚警概率下，不同天线数对应的雷达检测门限不同。在图3的基础上，可根据设定的虚警概率，通过插值获得检测门限。

图4是本发明中通过分析和仿真实验得到的单天线雷达低空目标检测概率与目标距离之间的关系图，x坐标表示目标距离，单位为千米，y坐标表示目标高度，单位为米，z坐标表示检测概率，为了显示效果，z坐标是由大到小反向标注。图4表明，多径条件下单天线雷达在很多距离段和高度段对目标的检测概率均较低。

不同位置的目标，多径散射导致的路径差对应的相位差往往不同，从而导致雷达低空目标检测性能不同。图5是本发明中单天线三收天线雷达对不同高度、不同距离低空目标的检测概率图，图6是本发明中单发二十收天线雷达对不同高度、不同距离低空目标的检测概率图，图7是本发明中单发四十收天线雷达对不同高度、不同距离低空目标的检测概率图，图5、图6、图7的x坐标表示目标距离，单位为千米，y坐标表示目标高度，单位为米，z坐标表示检测概率，为了显示效果，z坐标是由大到小反向标注。图5表明，单发三收天线雷达虽然在某些距离段和高度段具有较高的检测概率，但仍然存在一些距离段和高度段，单发三收天线雷达的检测概率较低。图6、图7说明，单发多收天线雷达在任何距离段和高度段均具有很高的检测性能，且天线数越多，雷达检测性能越好，当天线数为四十时，雷达的检测概率始终为1。

Claims (2)

1.一种多径条件下雷达目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

第一步，选取天线个数和架设高度；

在垂直方向上架设多个天线，最下面的一个天线进行发射，发射天线距离地表面高度为100m，发射天线兼具发射与接收功能，其他天线进行接收，接收天线设置在发射天线的上面，发射天线与接收天线在同一垂直面；第二个接收天线高度为103m，第三个接收天线高度为106m，以此类推，之后每个接收天线高度增加3m；

第二步，计算检验统计量；

雷达第i个接收天线接收到的信号表示为：

其中，s_i、c_i、n_i分别为第i个接收天线接收到的目标回波、杂波以及接收机热噪声，H₀表示无目标存在，H₁表示目标存在；

雷达多个接收天线接收信号经平方律检波后的输出信号表示为

z_i＝|x_i|²，i＝1,2,…,N (2)

检验统计量取为

L＝max(z₁,z₂,…,z_N) (3)

其中，max表示取最大值；

第三步，计算检测门限；

假定雷达第i个接收天线接收到的杂波幅度和接收机热噪声均服从瑞利分布，杂波与热噪声相互独立，且各天线接收信号之间相互独立，得到雷达虚警概率为

其中，η为检测门限，N为天线数，ξ_i为H₀下第i个天线接收信号平均功率，ξ_i＝P_ci+P_n，P_ci为第i个天线接收的杂波功率，P_n为i个天线对应的接收通道热噪声功率，P_n＝kTBF_n，k＝1.38×10^-23为玻尔兹曼常数，T＝290°，B为接收机带宽，F_n为噪声系数；

假定多个天线对应的接收通道热噪声功率相等；给定雷达虚警概率，在获得H₀下雷达接收信号平均功率后，检测门限根据式(4)通过插值得到；

第四步，判断目标是否存在；

将检验统计量与检测门限进行比较，当L＞η时，判断目标存在；当L＜η时，判断目标不存在，即

假定目标雷达截面积服从Swerling I模型，多个天线观测目标信号之间相互独立，得到雷达检测概率为

其中，β_i为H₁下第i个天线接收信号平均功率，β_i＝P_si+P_ci+P_n，P_si为多径条件下雷达第i个天线接收目标回波功率。

2.根据权利要求1所述的一种多径条件下雷达目标检测方法，其特征在于：

目标检测方法的仿真实验基于通用计算机，采用Matlab仿真平台实现；仿真场景如下：目标以20m的恒定高度从距离雷达20km的位置以300m/s的速度朝雷达相向运动，目标雷达截面积为1m²，雷达发射峰值功率为50kW，雷达发射天线与接收天线最大增益均为43dB，雷达发射天线高度为100m，雷达接收天线之间间距为3m，雷达波长0.03m，雷达带宽10MHz，雷达噪声系数为5dB，雷达综合损耗为6dB，雷达虚警概率为10^-3。