CN109164421B - 一种基于二维重构算法的目标检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明属于雷达信号处理技术领域，公开了一种基于二维重构算法的目标检测方法，包括：步骤1，建立频率捷变雷达的发射信号模型和频率捷变雷达的回波信号模型；步骤2，计算频率捷变雷达的回波信号模型对应的二维联合字典矩阵；步骤3，获取压缩感知模型，根据所述频率捷变雷达的回波信号模型对应的二维联合字典矩阵计算得到目标的距离和速度，作为目标检测结果；通过探索目标场景的稀疏特性，采用二维重构的方法能够直接重构出目标的速度与距离。

Description

一种基于二维重构算法的目标检测方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于二维重构算法的目标检测方法，可用于捷变频雷达的设计，以及雷达实时信号处理系统设计和电子侦察、对抗、导弹等领域。
背景技术
脉间频率捷变雷达发射的脉冲载频频率在一定范围内快速变化，各载频可按一定规律变化，也可随机跳变；频率捷变雷达具有一系列优势：1)可提高抗干扰性能，2)增加雷达探测距离，3)有效抑制海浪杂波以及其他分布杂波的干扰，4)提高追踪精度，等等；在现代战场日益复杂的电磁环境中，频率捷变雷达具有广阔的应用前景。
由于雷达载频在一定范围内捷变，导致目标回波相位非线性变化，影响目标高分辨距离像合成与多普勒信息提取，信噪比降低，可靠性也不强。
发明内容
针对上述技术问题，本发明的目的在于提供一种基于二维重构算法的目标检测方法，通过探索目标场景的稀疏特性，采用二维重构的方法能够直接重构出目标的速度与距离。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案予以实现。
一种基于二维重构算法的目标检测方法，所述方法包括如下步骤：
步骤1，建立频率捷变雷达的发射信号模型和频率捷变雷达的回波信号模型；
步骤2，计算频率捷变雷达的回波信号模型对应的二维联合字典矩阵；
步骤3，获取压缩感知模型，根据所述频率捷变雷达的回波信号模型对应的二维联合字典矩阵计算得到目标的距离和速度，作为目标检测结果。
本发明的有益效果：(1)本雷达模型选用的是捷变频雷达，相对于传统脉冲雷达，具有合成宽带宽，探测距离远，抗电子对抗，抗干扰等诸多优点，具有更强的在复杂环境中生存的能力；(2)相对于其他频率捷变雷达信号处理方法，本发明所用方法简便，物理概念清晰，所用步骤少，对应的计算基本均为并行运算，具有运算速度的优势；
(3)由于本发明所用步骤少，减少了运算过程中噪声的引入，最大限度的保留了信噪比，增加了捷变频雷达压缩感知模型重构信号的可靠性。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明的一种基于二维重构算法的目标检测方法流程图；
图2是本发明实施例仿真实验中稀疏恢复后的信号示意图；
图3是本发明实施例仿真实验中稀疏恢复后的距离-速度二维图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明实施例提供一种基于二维重构算法的目标检测方法，如图1所示，所述方法包括如下步骤：
步骤1，建立频率捷变雷达的发射信号模型和频率捷变雷达的回波信号模型；
步骤1中建立频率捷变雷达的发射信号模型具体为：
(1a)设定一个相干处理间隔内雷达发射M个脉冲，每个脉冲为线性调频率为γ的线性调频信号，则M个脉冲的载频频率所组成的向量f＝{f1，f2，…，fm，…，fM}，其中，fm表示在一个相干处理间隔内频率捷变雷达发射的第m个脉冲的载频频率；
(1b)频率捷变雷达发射的第m个脉冲信号sm(t)为：
Figure BDA0001812411780000031
其中，
Figure BDA0001812411780000032
为矩形窗函数，Tp为每一个脉冲宽度，t为快时间，fm表示在一个相干处理间隔内频率捷变雷达发射的第m个脉冲的载频频率，fm＝f0+dr(m)Δf，m∈{1，2，3，…，M}，f0为频率捷变雷达发射信号波长的初始频率，/>
Figure BDA0001812411780000033
为跳频间隔，Bs为跳频带宽，K＝2M，为频率跳变区间的频率点数，dr(m)为第m个脉冲的载频频率随机跳变序列号码，且dr(m)∈{0，1，…，K-1}。
步骤1中建立频率捷变雷达的回波信号模型具体为：
(1c)频率捷变雷达发射的第m个脉冲的回波信号模型rm(t)为：
Figure BDA0001812411780000034
其中，τm表示第m个脉冲的目标回波时延，
Figure BDA0001812411780000035
R为频率捷变雷达与目标的初始相对距离，v为频率捷变雷达与目标的相对速度，Tr为脉冲重复时间；
(1d)频率捷变雷达接收M个脉冲的回波信号，进行混频与脉冲压缩处理，得到混频与脉冲压缩处理后M个脉冲的回波信号r(t)，作为频率捷变雷达的回波信号模型：
Figure BDA0001812411780000041
其中，sinc(·)为每一个脉冲内的线性调频信号经过匹配滤波后的辛克函数，n(t)表示噪声，c表示光速。
步骤2，计算频率捷变雷达的回波信号模型对应的二维联合字典矩阵；
步骤2具体为：
(2a)构造一个M行K×L列的空二维联合字典矩阵Ψ1，其中，M为脉冲数，K为频率跳变区间的频率点数，且L＝M；
(2b)混频与脉冲压缩处理后M个脉冲的回波信号r(t)生成距离相位矢量Dk与速度相位矢量Vl：
Dk＝exp(-jαk⊙d)，Vl＝exp(-jβl⊙η)
其中，
Figure BDA0001812411780000042
Figure BDA0001812411780000043
⊙代表Hadamard乘积；
(2c)根据所述距离相位矢量Dk和所述速度相位矢量Vl生成字典矩阵向量ek，l＝Dk⊙Vl，并生成二维联合字典矩阵
Figure BDA0001812411780000051
作为频率捷变雷达的回波信号模型对应的二维联合字典矩阵。
步骤3，获取压缩感知模型，根据所述频率捷变雷达的回波信号模型对应的二维联合字典矩阵计算得到目标的距离和速度，作为目标检测结果。
步骤3具体为：
(3a)获取压缩感知模型：y＝Ψx，其中，y为观测到的信号数据，Ψ为映射字典矩阵，x为真实信号；
(3b)将所述频率捷变雷达的回波信号模型改写为以下矩阵形式：r(t)＝Ψ1x1+nn(t)，其中x1为包含目标幅度响应、目标距离和目标速度信息的稀疏信息矩阵，求解r(t)＝Ψ1x1+n(t)，得到目标的距离和速度。
具体的，采用OMP算法(orthogonal matching pursuit，正交匹配追踪算法)计算得到目标的高分辨距离与速度信息。
将Ψ1与r(t)利用压缩感知模型进行求解x1信号的高分辨距离与速度信息。
当运动目标场景为：雷达检测目标为运动的点目标，与雷达相对速度约为6m/s，距离雷达相对距离为1.5千米，雷达发射波形为线性调频信号，信号带宽为30MHz，载频中心为10GHz，载频抖动范围为2.2GHz，64个脉冲为一个脉冲积累周期；将Ψ1与r(t)利用压缩感知模型进行求解x1信号的高分辨距离与速度信息，得到稀疏恢复后的信号如图2所示，稀疏恢复后的距离-速度二维图如图3所示。
本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (2)

1.一种基于二维重构算法的目标检测方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：
步骤1，建立频率捷变雷达的发射信号模型和频率捷变雷达的回波信号模型；
步骤1中建立频率捷变雷达的发射信号模型具体为：
(1a)设定一个相干处理间隔内雷达发射M个脉冲，每个脉冲为线性调频率为γ的线性调频信号，则M个脉冲的载频频率所组成的向量为f＝{f1,f2,…,fm,…,fM}，其中，fm表示在一个相干处理间隔内频率捷变雷达发射的第m个脉冲的载频频率；
(1b)频率捷变雷达发射的第m个脉冲信号sm(t)为：
Figure FDA0004102833370000011
其中，
Figure FDA0004102833370000012
为矩形窗函数，Tp为每一个脉冲宽度，t为快时间，fm表示在一个相干处理间隔内频率捷变雷达发射的第m个脉冲的载频频率，fm＝f0+dr(m)Δf，m∈{1,2,3,…,M}，f0为频率捷变雷达发射信号波长的初始频率，/>
Figure FDA0004102833370000013
为跳频间隔，Bs为跳频带宽，K＝2M，为频率跳变区间的频率点数，dr(m)为第m个脉冲的载频频率随机跳变序列号码，且dr(m)∈{0,1,…,K-1}；
步骤1中建立频率捷变雷达的回波信号模型具体为：
(1c)频率捷变雷达发射的第m个脉冲的回波信号模型rm(t)为：
Figure FDA0004102833370000014
其中，τm表示第m个脉冲的目标回波时延，
Figure FDA0004102833370000015
R为频率捷变雷达与目标的初始相对距离，v为频率捷变雷达与目标的相对速度，Tr为脉冲重复时间；
(1d)频率捷变雷达接收M个脉冲的回波信号，进行混频与脉冲压缩处理，得到混频与脉冲压缩处理后M个脉冲的回波信号r(t)，作为频率捷变雷达的回波信号模型：
Figure FDA0004102833370000021
其中，sinc(·)为每一个脉冲内的线性调频信号经过匹配滤波后的辛克函数，n(t)表示噪声，c表示光速；
步骤2，计算频率捷变雷达的回波信号模型对应的二维联合字典矩阵；
步骤2具体为：
(2a)构造一个M行K×L列的空二维联合字典矩阵Ψ1，其中，M为脉冲数，K为频率跳变区间的频率点数，且L＝M；
(2b)混频与脉冲压缩处理后M个脉冲的回波信号r(t)生成距离相位矢量Dk与速度相位矢量Vl：
Dk＝exp(-jαk⊙d)，Vl＝exp(-jβl⊙η)
其中，
Figure FDA0004102833370000022
Figure FDA0004102833370000023
⊙代表Hadamard乘积；
(2c)根据所述距离相位矢量Dk和所述速度相位矢量Vl生成字典矩阵向量ek,l＝Dk⊙Vl，并生成二维联合字典矩阵
Figure FDA0004102833370000031
作为频率捷变雷达的回波信号模型对应的二维联合字典矩阵；
步骤3，获取压缩感知模型，根据所述频率捷变雷达的回波信号模型对应的二维联合字典矩阵计算得到目标的距离和速度，作为目标检测结果。
2.根据权利要求1所述的一种基于二维重构算法的目标检测方法，其特征在于，步骤3具体为：
(3a)获取压缩感知模型：y＝Ψx，其中，y为观测到的信号数据，Ψ为映射字典矩阵，x为真实信号；
(3b)将所述频率捷变雷达的回波信号模型改写为以下矩阵形式：r(t)＝Ψ1x1+n(t)，其中x1为包含目标幅度响应、目标距离和目标速度信息的稀疏信息矩阵，求解r(t)＝Ψ1x1+n(t)得到目标的距离和速度。
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