CN109471093A - 单脉冲雷达和差相关目标检测方法及系统 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种单脉冲雷达和差相关目标检测方法及系统，其中检测方法包括步骤：利用N帧非相干积累或二进制检测器对和通道信号作一级检测；采用和差相关方法对过门限单元作复角估计，复角估计值为：式中，x、y分别为和、差通道待检测单元的信号复矢量，x与y的长度均等于非相干帧个数N；构造待检测单元的和差相关检验统计量s：将s与设定的二级检测的门限值τ2比较，若s大于τ2，则判定待检测单元为目标信号。本发明将差通道的信号有效用于目标检测中，改善单脉冲雷达对弱小目标的捕获跟踪性能，增强其对波束内弱小目标的捕获能力，可有效提升波束非中心区域的检测性能，波束中心区域的检测能力高，灵敏度高。
Description
技术领域
本发明属于雷达信号处理领域，特别涉及一种单脉冲雷达和差相关目标检测方法及系统。
背景技术
单脉冲体制是一种广泛采用的雷达自动测角技术，相比于以时分方式工作的单波瓣测角系统(如圆锥扫描或顺序波束转换)，其具有测角精度高且受目标回波幅度起伏影响小等优点，因而广泛用于火控、精确跟踪与导引等雷达系统中，如火控雷达、雷达导引头等[见“雷达手册(第2版)”，北京：电子工业出版社，2003，第705-716页]。
在当前所用的单脉冲雷达系统中，目标检测与角度估计为两个分开进行的过程，信号检测主要基于和通道信号，而差通道信号则用于对过检测门限的那些单元进行测角之用[见“Overview of Generalized Monopulse Estimation”，IEEE Aerospace andElectronics Systems Magazine,Part 2:Tutorials.2006,21(6):第27–55页]。
事实上，当单脉冲雷达波束内存在目标时，差通道中也含有目标的能量信息，尤其是当误差角较大时。例如，当目标位于和波束的半功率点附近时，差通道的信号幅度接近于和通道。如果能够将差通道的信号有效用于信号检测估计中，则单脉冲雷达对弱小目标的捕获跟踪性能将获得明显的改善，见Armstrong等人[见“Use of difference channelinformation for detection in monopulse radars”，IEE Proc.-F.，1991，138(3):第199-210页]和Chaumette等人的工作[见“Joint Detection Estimation Problem ofMonopulse Angle Measurement”，IEEE Transactions on Aerospace and ElectronicSystems，2010,46(1):第397-413页]。根据Armstrong所提供的两种方案，一是用和差波束的某种线性组合作为检验统计量，可有效提升波束非中心区的检测性能，而波束中心处的检测性能则较原和通道检测方案会有较大的损失；一是利用单脉冲复角作为检验统计量，可在不使用邻近单元的条件下达到恒虚警效果，但存在较高的CFAR(恒虚警检测器)损失。Chaumette等人的检测方法将单脉冲雷达信号检测估计视作一个复合假设检验问题，但其所得到的广义似然比(GLRT)检测器在检验统计量构造上仍采用与Armstrong等人类似的和差信号线性组合方法，故提升波束非中心区检测性能的同时依旧面临波束中心检测性能损失较大的缺陷，这直接限制了其在实际系统中的应用。
发明内容
本发明的目的在于，针对上述现有技术的不足，提供一种单脉冲雷达和差相关目标检测方法及系统，将差通道的信号有效用于目标检测中，改善单脉冲雷达对弱小目标的捕获跟踪性能，增强其对波束内弱小目标的捕获能力，可有效提升波束非中心区域的检测性能，同时波束中心区域的检测能力高，灵敏度高。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：
一种单脉冲雷达和差相关目标检测方法，其特点是包括以下步骤：
步骤A.利用N帧非相干积累或二进制检测器对和通道信号作一级检测，其中一级检测的门限值为τ1；
步骤B.采用和差相关方法对过门限单元作复角估计，其中复角估计值为：
式中，x为和通道待检测单元的信号复矢量，y为差通道待检测单元的信号复矢量，x与y的长度均等于非相干帧个数N；
步骤C.构造待检测单元的和差相关检验统计量s：
将和差相关检验统计量s与设定的二级检测的门限值τ2比较，若s大于τ2，则判定待检测单元为目标信号，否则判定待检测单元为噪声。
进一步地，所述步骤B中，若单脉冲雷达系统存在方位、俯仰两个差通道，则y为方位差或俯仰差。
基于同一个发明构思，本发明还提供了一种单脉冲雷达和差相关目标检测系统，其特点是包括：
一级检测器：用于利用N帧非相干积累或二进制检测器对和通道信号作一级检测，其中一级检测器的门限值为τ1；
复角估计单元：用于采用和差相关方法对过门限单元作复角估计，其中复角估计值为：
式中，x为和通道待检测单元的信号复矢量，y为差通道待检测单元的信号复矢量，x与y的长度均等于非相干帧个数N；
二级检测器：用于构造待检测单元的和差相关检验统计量s：
并用于将和差相关检验统计量s与设定的二级检测的门限值τ2比较，若s大于τ2，则判定待检测单元为目标信号，否则判定待检测单元为噪声。
进一步地，若单脉冲雷达系统存在方位、俯仰两个差通道，则y为方位差或俯仰差。
作为一种优选方式，所述一级检测器为固定门限的纽曼皮尔逊检测器或恒虚警检测器。
与现有技术相比，本发明利用目标信号存在时和差通道信号存在的一定的相关性，将差通道的信号有效用于目标检测中，通过和差相关法构造检验统计量，利用二级检测器以增强波束内的平均检测性能，降低天线方向图对信号检测的影响，进而提升单脉冲雷达系统的灵敏度，增强其对波束内弱小目标的捕获跟踪性能，可有效提升波束非中心区域的检测性能，同时波束中心区域的检测能力高，灵敏度高。
附图说明
图1是本发明单脉冲雷达和差相关目标检测方法流程图。
图2单脉冲雷达系统和差波束的典型形状。
图3是本发明监测系统与经典非相参检测器在在波束内检测性能对比图。
具体实施方式
本发明单脉冲雷达和差相关目标检测系统包括：
一级检测器：用于利用N帧非相干积累或二进制检测器对和通道信号作一级检测，其中一级检测器的门限值为τ1；
复角估计单元：用于采用和差相关方法对过门限单元作复角估计，其中复角估计值为：
式中，x为和通道待检测单元的信号复矢量，y为差通道待检测单元的信号复矢量，x与y的长度均等于非相干帧个数N；若单脉冲雷达系统存在方位、俯仰两个差通道，则y为方位差或俯仰差。
二级检测器：用于构造待检测单元的和差相关检验统计量s：
并用于将和差相关检验统计量s与设定的二级检测的门限值τ2比较，若s大于τ2，则判定待检测单元为目标信号，否则判定待检测单元为噪声。
所述一级检测器为固定门限的纽曼皮尔逊检测器或恒虚警检测器。
如图1所示，单脉冲雷达和差相关目标检测方法包括以下步骤：
步骤A.对和通道信号作一级检测。
步骤A与现有单脉冲雷达系统所用检测方法相同，即利用N帧非相干积累或二进制检测器。根据背景噪声不同，具体检测器可选用固定门限的纽曼皮尔逊(N-P)检测器或各类恒虚警检测器(CFAR)[见“雷达手册(第2版)”，北京：电子工业出版社，2003，第314-331页]。但与之不同的是，本发明中一级检测器采用较低的一级门限τ1，确保小信号可以通过门限。
其中一级门限τ1设置方法为：由于第一级检测为传统非相参积累，在理想的高斯白噪声假设下可直接调用Matlab中的chi方分布的反函数chi2inv()来获得一级门限；第二级检测门限在第一级检测门限确定后采用蒙特卡洛统计的方法获得。
步骤B.采用和差相关方法对过门限单元作复角估计
步骤B与现有单脉冲系统所用的功率加权测角原理类似，对连续N帧内通过一级门限的单元作复角估计，其中复角估计值为：
式中，x为和通道待检测单元的信号复矢量，y为差通道待检测单元的信号复矢量，x与y的长度均等于非相干帧个数N；若单脉冲雷达系统存在方位、俯仰两个差通道，则y为方位差或俯仰差。
步骤C.构造待检测单元的和差相关检验统计量s：
将和差相关检验统计量s与设定的二级检测的门限值τ2比较，若s大于τ2，则判定待检测单元为目标信号，否则判定待检测单元为噪声并予以剔除。
图2为单脉冲雷达系统和差波束的典型形状，在和差波束交叉点(±1.4°附近)，和差通道信号增益相等；在半功率点(±1.2°附近)，差波束较和通道低1.4dB左右。
图3为非相干积累帧数N＝5、相干处理点数为200、FFT长度256条件下HPRF-PD雷达检测性能改善情况。图中经典检测器是指多帧非相干检测器。试验的SNR设置在保证波束中心处的检测概率为0.9，虚警概率为10E-4。由图3可见，本发明可有效提升波束非中心区域的检测性能，而同时保持原有非相干积累检测器在波束中心区域的检测能力。
| 1 | 3.1 | |||||
| 0.8 | 1.9 | 2.5 | ||||
| 0.6 | 1.3 | 1.6 | 2.2 | |||
| 0.4 | 0.5 | 0.8 | 1.4 | 2.0 | ||
| 0.2 | -0.1 | 0.2 | 0.6 | 1.3 | 1.9 | |
| 0 | -0.3 | -0.1 | 0.1 | 0.6 | 1.2 | 1.8 |
| Z/Y(β) | 0 | 0.2 | 0.4 | 0.6 | 0.8 | 1 |
表1.Pf1＝0.4时本发明在各角度点的SNR改善
表1给出了一级虚警概率为0.4条件下(其他参数同图3)本发明方法仅用和通道的非相干积累检测器的灵敏度改善情况，其中采用了归一化的偏角，归一化单位β为和差波束交叉点处对应的角偏差。由结果来看：在波束中心区域(±0.2β)，本发明的性能损失最大为0.3dB，平均损失则小于0.2dB；在和波束3dB(约为±0.8β)处，本发明性能改善约2dB；在和差交叉点(约为±β)附近，本发明的灵敏度改善可达3dB。
上面结合附图对本发明的实施例进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是局限性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨和权利要求所保护的范围情况下，还可做出很多形式，这些均属于本发明的保护范围之内。
Claims (5)
1.一种单脉冲雷达和差相关目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤A.利用N帧非相干积累或二进制检测器对和通道信号作一级检测，其中一级检测的门限值为τ1；
步骤B.采用和差相关方法对过门限单元作复角估计，其中复角估计值为：
式中，x为和通道待检测单元的信号复矢量，y为差通道待检测单元的信号复矢量，x与y的长度均等于非相干帧个数N；
步骤C.构造待检测单元的和差相关检验统计量s：
将和差相关检验统计量s与设定的二级检测的门限值τ2比较，若s大于τ2，则判定待检测单元为目标信号，否则判定待检测单元为噪声。
2.如权利要求1所述的单脉冲雷达和差相关目标检测方法，其特征在于，所述步骤B中，若单脉冲雷达系统存在方位、俯仰两个差通道，则y为方位差或俯仰差。
3.一种单脉冲雷达和差相关目标检测系统，其特征在于，包括：
一级检测器：用于利用N帧非相干积累或二进制检测器对和通道信号作一级检测，其中一级检测器的门限值为τ1；
复角估计单元：用于采用和差相关方法对过门限单元作复角估计，其中复角估计值为：
式中，x为和通道待检测单元的信号复矢量，y为差通道待检测单元的信号复矢量，x与y的长度均等于非相干帧个数N；
二级检测器：用于构造待检测单元的和差相关检验统计量s：
并用于将和差相关检验统计量s与设定的二级检测的门限值τ2比较，若s大于τ2，则判定待检测单元为目标信号，否则判定待检测单元为噪声。
4.如权利要求3所述的单脉冲雷达和差相关目标检测系统，其特征在于，若单脉冲雷达系统存在方位、俯仰两个差通道，则y为方位差或俯仰差。
5.如权利要求3或4所述的单脉冲雷达和差相关目标检测系统，其特征在于，所述一级检测器为固定门限的纽曼皮尔逊检测器或恒虚警检测器。
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