CN109541577A - 一种部分均匀环境中未知干扰下的自适应子空间检测器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种部分均匀环境中未知干扰下的自适应子空间检测器。本发明先对信号导向矩阵进行奇异值分解，获取干扰备选子空间对应的基矩阵；然后用该基矩阵和采样协方差矩阵对待检测数据做干扰白化匹配滤波；再利用采样协方差矩阵对待检测数据做白化滤波；计算待检测数据的白化匹配滤波输出与待检测数据的干扰白化匹配滤波输出之差，再进行归一化运算形成检测器；根据检测器和预设的虚警概率利用蒙特卡洛方法确定检测门限；把检测器输出与检测门限比较，若前者大于后者，则判定目标存在，反之，则判定目标不存在。相比于传统检测方法，本发明所设计的方法在未知干扰环境下具有更好的检测性能，且具有CFAR特性，无需独立的CFAR处理。

Description

一种部分均匀环境中未知干扰下的自适应子空间检测器
技术领域
本发明涉及部分均匀环境中完全未知干扰下的子空间自适应检测器，特别适用于多通道有源相控阵雷达。
背景技术
均匀环境中的雷达目标检测方法较多，然而由于复杂多变的地形，以及特殊雷达阵列结构的采用，实际中的雷达杂波通常呈现出非均匀特性。部分均匀环境是实际应用中较为常见的一类非均匀模型，指的是待检测数据和训练样本数据中杂波协方差矩阵具有相同结构但存在未知功率失配。相比于均匀环境，基于部分均匀环境设计得到的检测器对雷达环境具有更好的稳健特性。
实际环境中除了存在杂波外，通常还存在干扰。干扰的存在进一步恶化了雷达有效检测目标的能力。在某些工作条件下，可通过侦察手段获得部分干扰信息。例如，对于干扰样式固定的压制性干扰，可通过在雷达休止期增加侦察脉冲，利用多重信号分类法或者旋转不变法获得干扰的方位信息，进而可采取有效措施对干扰进行抑制。
然而，在瞬息万变的电磁环境中，干扰特征一般很难准确获得。这为存在干扰时的目标检测增加了难度，尤其是干扰信息未知时的雷达目标检测。
发明内容
本发明的目的在于解决部分均匀环境中存在未知干扰时的雷达目标检测难题。
为了实现上述的发明目的，本发明提供了一种部分均匀环境中未知干扰下的自适应子空间检测器，包括以下技术步骤：
(1)获取干扰备选子空间对应的基矩阵；
(2)利用干扰基矩阵和采样协方差矩阵对待检测数据做干扰白化匹配滤波；
(3)利用采样协方差矩阵对待检测数据做白化滤波；
(4)用步骤(3)的输出减去步骤(2)的输出；
(5)对步骤(4)的输出做归一化处理，形成归一化检测器；
(6)确定检测门限，并与归一化检测器的检测统计量进行比较，若归一化检测器的检测统计量大于门限，则判定目标存在，反之，则判定目标不存在。
本发明具有以下优点：
(1)在未知干扰环境中，所设计的检测器比现有检测器具有更好的目标检测性能；
(2)本发明设计的检测器在部分均匀环境中具有恒虚警(CFAR)特性，无需额外的CFAR处理过程；
(3)即使不存在干扰，所设计的检测器仍可提供比现有检测器更好的检测性能。
附图说明
图1是本发明的实施例的结构框图。图中的干扰备选子空间基矩阵获取、干扰白化匹配滤波、待检测数据白化滤波、归一化检测器均可在通用可编程信号处理板上编程实现。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例，进一步阐述本发明。令多通道雷达的通道数为N，则待检测数据可用N×1维列向量x表示。当存在目标时，假设目标可用维数为p的子空间刻画，相应的信号子空间可用N×p维列满秩矩阵A表示。当待检测数据中包含目标及干扰时，x可写为
x＝Aθ+j+n (1)
其中，p×1维列向量θ表示信号的未知幅度，N×1维列向量j表示未知干扰，N×1维列向量n表示待检测数据中的热噪声与杂波分量之和，n服从均值为零、协方差矩阵为Rt的高斯分布。在实际应用中Rt未知，为了消除杂波，需要一定数量的训练样本数据，以对Rt进行估计。假设存在L个只含有热噪声及杂波分量的训练样本，第l个训练样本(l＝1，2，…，L)记作
xl＝nl (2)
其中，nl为第l个训练样本中的杂波与热噪声分量之和，其协方差矩阵为未知正标量γ表示训练样本和待检测数据中杂波分量的未知功率失配，即γ体现了部分均匀环境的特性。
基于上述系统参数，本发明的详细步骤如下：
(1)对信号导向矩阵A进行奇异值分解得
A＝U∑V (3)
其中，U和V分别为N×N维和p×p维酉矩阵，∑为对角矩阵，且∑的倒数(N-p)行元素全为零。根据酉矩阵U，构造N×(N-p)维干扰备选子空间基矩阵如下：
J＝U(：，p+1：N) (4)
其中，U(：，p+1：N)表示U的后(N-p)列。
(2)用干扰备选子空间基矩阵和采样协方差矩阵对待检测数据进行干扰白化匹配滤波，滤波器的输出为
tJam＝xHS-1J(JHS-1J)-1JHS-1x (5)
其中，
为基于训练样本的采样协方差矩阵，上标(·)-1表示矩阵求逆操作，上标(·)H表示共轭转置。
(3)利用采样协方差矩阵对待检测数据进行白化滤波，滤波器的输出为
tEnergy＝xHS-1x (7)
(4)求式(7)与式(5)的差
tDifference＝xHS-1x-xHS-1J(JHS-1J)-1JHS-1x (8)
(5)对式(8)做归一化操作，形成归一化检测器
(6)利用蒙特卡洛仿真确定检测门限并进行判决，蒙特卡洛仿真运行次数为100/Pfa，其中Pfa为系统预设的虚警概率。若检测统计量大于检测门限，则判定存在目标，反之则判定不存在目标，
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 (5)

1.一种部分均匀环境中未知干扰下的自适应子空间检测器，包括以下技术步骤：
(1)获取干扰备选子空间对应的基矩阵；
(2)利用干扰基矩阵和采样协方差矩阵对待检测数据做干扰白化匹配滤波；
(3)利用采样协方差矩阵对待检测数据做白化滤波；
(4)用步骤(3)的输出减去步骤(2)的输出；
(5)对步骤(4)的输出做归一化处理，形成归一化检测器；
(6)确定检测门限，并与归一化检测器的检测统计量进行比较，若归一化检测器的检测统计量大于门限，则判定存在目标，反之，则判定不存在目标。
2.根据权利要求1所述的一种部分均匀环境中未知干扰下的自适应子空间检测器，其特征在于步骤(1)中的干扰备选子空间对应的基矩阵通过下式得到
J＝U(：，p+1：N)
其中，U(：，p+1：N)表示N×N维酉矩阵U的后(N-p)列，U为N×p维信号导向矩阵A奇异值分解时的左酉矩阵，即信号导向矩阵A的奇异值分解为
A＝U∑V
V为A的p×p维右酉矩阵，∑为N×p维对角矩阵，且∑的倒数(N-p)行元素全为零。
3.根据权利要求1所述的一种部分均匀环境中未知干扰下的自适应子空间检测器，其特征在于步骤(2)中对待检测数据做干扰白化匹配滤波为：
tJam＝xHS-1J(JHS-1J)-1JHS-1x
其中，N×1维列向量x表示待检测数据，为采样协方差矩阵，xe，l为第l个训练样本，L为训练样本数，上标(·)H为共轭转置，上标(·)-1为矩阵求逆。
4.根据权利要求1所述的一种部分均匀环境中未知干扰下的自适应子空间检测器，其特征在于步骤(3)中对待检测数据做白化滤波为：
tEnergy＝xHS-1x
5.根据权利要求1所述的一种部分均匀环境中未知干扰下的自适应子空间检测器，其特征在于步骤(5)中的归一化检测器为
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