CN109444820B - 杂波和干扰共存时多通道雷达先干扰抑制后目标检测方法 - Google Patents

杂波和干扰共存时多通道雷达先干扰抑制后目标检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了杂波和干扰共存时多通道雷达先干扰抑制后目标检测方法。该方法基于多通道自适应检测思想，实现了干扰抑制、杂波抑制和目标恒虚警(CFAR)检测。本发明首先在雷达休止期利用侦察脉冲获得干扰个数及方向，通过对干扰导向矩阵进行奇异值分解，构造干扰抑制矩阵；再用干扰抑制矩阵对待检测数据和训练样本进行干扰抑制，同时降低数据的维数，减轻后续自适应检测对训练样本数目的需求；根据广义似然比准则，利用干扰抑制后的待检测数据和训练样本数据联合检测检测器设计；最后根据检测器的统计特性及系统设定的虚警概率确定检测门限，并与检测器的检测统计量进行比较，若检测统计量高于门限，则判决目标存在，反之则判决不存在目标。该方法能同时实现干扰抑制、杂波抑制和目标CFAR检测，且当训练样本数小于系统通道数时，仍可正常工作。

Description

杂波和干扰共存时多通道雷达先干扰抑制后目标检测方法
技术领域
本发明涉及一种杂波和干扰共存时多通道雷达先干扰抑制后目标检测方法，特别适用于有源相控阵雷达。
背景技术
雷达接收数据中除了可能存在的目标信号和不可避免的噪声外，一般还存在杂波。杂波主要由于地物杂波、植被、高大孤立建筑物等物体的雷达回波造成。相比于微弱的雷达信号回波，杂波的回波强度要大得多，可达到比雷达回波强100万倍的量级(即杂噪比60分贝)。因此，杂波的存在导致了雷达检测目标的困难。此外，雷达回波中还可能存在敌方有意释放的干扰或友邻单位的通信电台等无意干扰。干扰对雷达的主要影响之一是增加雷达的虚警率，严重时可使雷达接收机饱和，从而导致雷达无法正常工作甚至瘫痪；另一种影响是降低了雷达对感兴趣目标的检测概率，导致雷达漏警。
早期的雷达一般只有一个通道，例如以抛物面天线为代表的机械扫描雷达。单通道雷达获取到的目标信息比较有限，导致雷达作战效能的发挥有限。相控阵雷达通过多个阵元独立发射并独立接收数据，获取到了多通道数据，可提供更多的信息。此外，多通道模型能够提供不同通道之间信号的相关特性，为雷达系统的性能提升提供了保证。
现有的雷达杂波抑制方法及干扰抑制方法均较多，但同时考虑抑制杂波及干扰并同时完成目标检测的方法较少。
发明内容
本发明的目的在于解决同时存在杂波及干扰时的多通道有源相控阵雷达目标检测难题。
为了实现上述的发明目的，本发明提供了一种杂波和干扰共存时多通道雷达先干扰抑制后目标检测方法，包括以下技术步骤：
(1)在雷达休止期，利用侦察脉冲获得干扰数量及相应的方向信息；
(2)根据干扰来向设计干扰抑制矩阵，对待检测数据及训练样本数据进行干扰抑制；
(3)利用干扰抑制后的数据构造自适应检测器；
(4)根据检测器及系统所设定的虚警概率，选取检测门限，并与检测器的检测统计量进行比较，若检测统计量高于门限，则判决目标存在，反之则判决目标不存在。
本发明的优点在于：
(1)本发明所设计的检测方法能够在杂波和干扰共存的环境中实现目标检测；
(2)本发明设计的检测方法具有恒虚警(CFAR)特性，不需要后续独立的CFAR处理过程；
(3)本发明所设计的检测方法能够工作在小训练样本环境，即当训练样本比系统通道数少时所发明的检测器仍可正常工作。
附图说明
图1是本发明的实施例结构框图。图中的干扰抑制和自适应检测器等处理过程均可在通用可编程信号处理板上编程实现。
具体实施方式
本发明的详细步骤如下：
(1)在雷达休止期增加侦察脉冲，利用多重信号分量等方法获得干扰的个数及对应的方位信息。假设存在q个干扰，且干扰相对于雷达阵列法线方向的角度分别为θ1，θ2，…，θq。
(2)利用侦测到的干扰个数及方位信息，构造干扰导向矩阵
J＝[j1,j2,…,jq] (1)
其中，干扰导向矩阵J的维数为N×q，N为雷达的系统通道数，jm为第m个干扰(m＝1,2,…,q)的导向矢量，其表达式为
Figure GDA0003727714610000021
其中，d为雷达阵元间距，λ为雷达发射信号对应的波长，j为虚数单位，上标(·)T为转置运算符。
令待检测数据为x，其维数为N×1。当待检测数据包含真实信号时，待检测数据表示为
Figure GDA0003727714610000022
其中，at为目标未知幅度，st为信号导向矢量，具有如下形式
Figure GDA0003727714610000023
θt为目标相对于雷达阵列法线方向的角度，φ＝[a1,a2,…,aq]为q×1维干扰未知幅度向量，nn和nc分别为热噪声和杂波，且n＝nn+nc。
对式(1)中的干扰导向矩阵进行奇异值分解得
J＝U∑V (5)
其中，U和V分别为N×N维和q×q维酉矩阵，∑为对角矩阵，且∑的倒数(N-q)行元素全为零。根据酉矩阵U构造N×(N-q)维干扰抑制矩阵
J⊥＝U(:,q+1:N) (6)
其中，U(:,q+1:N)表示U的后(N-q)列。
用干扰抑制矩阵对待检测数据进行变换得到
Figure GDA0003727714610000031
其中，
Figure GDA0003727714610000032
二者的维数均为(N-q)×1，上标(·)H表示共轭转置。从式(7)可以看出，干扰已经被抑制掉，这是由于
Figure GDA0003727714610000033
其中0(N-q)×q为(N-q)×q维零矩阵。
杂波的统计特性通常是未知的，假设杂波加噪声分量n服从均值为零、协方差矩阵为R的复高斯分布。为估计R，需要一定数量的训练样本，假设存在L个独立同分布的训练样本，第l个训练样本记作xl，l＝1,2,…,L。xl包含杂波、热噪声和干扰，即xl可表示为
xl＝Jφl+nl (8)
其中，φl为第l个训练样本中干扰的未知幅度向量，nl为杂波与噪声分量之和。
用干扰抑制矩阵对训练样本数据进行变换得到
Figure GDA0003727714610000034
其中，
Figure GDA0003727714610000035
其维数为(N-q)×1。从式(9)可以看出，训练样本中的干扰也被抑制掉。
(3)利用干扰抑制后的待检测数据y和干扰抑制后的训练样本数据yl，根据GLRT准则设计如下的自适应检测器
Figure GDA0003727714610000036
其中，符号|·|表示绝对值，S为干扰抑制后的采样协方差矩阵(SCM)，其表达式为
Figure GDA0003727714610000041
(4)根据下式计算检测器的检测门限
Figure GDA0003727714610000042
其中，
Figure GDA0003727714610000043
为系统所设定的虚警概率。比较检测统计量式(10)的输出与式(12)中检测门限的大小，若前者大于后者，则判定存在目标，否则判定不存在目标。
虽然结合附图描述了本发明的实施方式，但是本领域普通技术人员可以在所附权利要求的范围内做出各种变形或修改。

Claims (1)

1.杂波和干扰共存时多通道雷达先干扰抑制后目标检测方法，包括以下技术步骤：
(1)在雷达休止期，利用侦察脉冲获得干扰数量及相应的方向信息；
(2)根据干扰来向设计干扰抑制矩阵，对待检测数据及训练样本数据进行干扰抑制；
(3)利用干扰抑制后的数据构造自适应检测器；
(4)根据检测器及系统所设定的虚警概率，选取检测门限，并与检测器的检测统计量进行比较，若检测统计量高于门限，则判决目标存在，反之则判决目标不存在；
步骤(1)在雷达休止期利用多重信号分类法获得干扰个数及相应的方位信息；
步骤(2)中的对检测数据进行干扰抑制，输出为
Figure FDA0003727714600000011
其中，上标(·)H表示共轭转置，x为N×1维待检测数据，
Figure FDA0003727714600000014
N×(N-q)为维干扰抑制矩阵，U(：，q+1：N)为N×N维酉矩阵U的后(N-q)列，酉矩阵U为N×q维干扰导向矩阵J奇异值分解的左酉矩阵，q为干扰的个数；N为雷达的系统通道数；
即J的奇异值分解为
J＝U∑V
V为q×q维右酉矩阵，∑为对角矩阵，且∑的倒数(N-q)行元素全为零；对第l个训练样本xl，l＝1，2，…，L，L为独立同分布的训练样本的个数，
进行干扰抑制为
Figure FDA0003727714600000012
步骤(3)中设计的检测器对应的检测统计量为
Figure FDA0003727714600000013
其中，
Figure FDA0003727714600000021
为系统对应的信号导向矢量，d为雷达阵元间距，λ为雷达发射信号对应的波长，j为虚数单位，θt为目标相对于雷达阵列法线方向的角度，上标(·)T为转置运算符，符号|·|-1表示绝对值，S为干扰抑制后的采样协方差矩阵，
步骤(4)中的检测门限为
Figure FDA0003727714600000022
其中，
Figure FDA0003727714600000023
为系统所设定的虚警概率。
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