CN109814075B - 一种mti雷达运动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种MTI雷达运动目标检测方法包括：雷达发射载频不同的M个子脉冲组成的相同脉冲，获取M个子脉冲载频对应的回波数据矩阵。用特征矢量法计算MTI滤波器的权系数，用MTI滤波器对每个回波数据矩阵进行滤波得到滤波后的回波数据矩阵。对每个滤波后的回波数据矩阵进行包络检波得到包络检波后的数据矩阵。对全部M个包络检波结后的数据矩阵进行最优融合得到数据矩阵Y。将Y中每一个元素与预先设置的门限值比较完成雷达对运动目标检测。本发明提供的方法通过改变雷达发射的信号波形，对各载频的MTI滤波结果进行融合积累，能够等效提高MTI滤波器的频率响应，消除由于滤波器不平坦性给雷达带来的速度检测盲区，提高雷达的检测性能。

Description

一种MTI雷达运动目标检测方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种动目标显示(英文全称：Moving TargetIndicator，英文缩写：MTI)雷达运动目标检测方法，适用于MTI雷达对运动目标进行检测的场合。.

背景技术

杂波抑制是雷达信号处理的重要任务，目前常用的杂波抑制手段是MTI和动目标检测(英文全称：Moving Target Detection，英文缩写：MTD)技术。虽然MTI处理的杂波抑制性能不如MTD，但是MTI处理所需要的脉冲数较少，所以当前的很多时间资源比较紧张的雷达系统，尤其是三坐标雷达，仍采用MTI处理。MTI雷达的主要任务是从杂波背景中提取出运动目标的信息，具体方法是通过MTI滤波器对回波信号进行滤波，然后利用运动目标回波和杂波在频谱上的区别，有效的抑制杂波而提取出目标信号。

现有技术通常都是通过优化MTI滤波器来提高雷达对杂波的抑制能力，从而提高目标检测性能。现有技术一般通过特征矢量法设计MTI滤波器，特征矢量法是以使MTI滤波器杂波改善因子最大为准则的滤波器设计方法，因此有最优的杂波抑制性能。当MTI滤波器权值为地杂波协方差矩阵的最小特征值对应的特征矢量时，改善因子将达到最大，所以，在获取地杂波协方差矩阵后，对其进行特征分解，求出最小特征值对应的特征矢量，即为MTI滤波器的最佳权系数。现有的MTI雷达目标检测方法具体为：(1)雷达发射并接收参差重频的脉冲串；(2)用特征矢量法获取MTI滤波器最佳权系数；(3)用MTI最佳权系数对应的MTI滤波器对回波信号进行滤波；(4)将滤波结果与预先设置的门限值进行比较，完成MTI雷达对运动目标的检测。

虽然现有技术的MTI滤波器具有最优的杂波抑制性能，但是其频率响应不够平坦，表现为对于一些速度的目标而言，其速度响应存在凹口，频率响应不够平坦给MTI雷达带来速度检测盲区，导致MTI雷达检测性能较差。

发明内容

本发明的实施例提供一种MTI雷达运动目标检测的方法，本发明在特征矢量法设计MTI滤波器的基础上，改变雷达的发射波形，雷达按照参差重频间隔发射脉冲串，在一个脉冲时宽内，包含多个载频不同的子脉冲，然后雷达对接收到的各载频子脉冲串分别进行MTI滤波处理，最后求出一组权值对各载频子脉冲串的滤波结果进行融合输出，这种处理方式可以等效提高MTI滤波器的频率响应，从而消除由于滤波器不平坦性给MTI雷达带来的速度检测盲区，提高MTI雷达的检测性能。

为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案：

步骤1、在一个相干处理间隔内，动目标显示MTI雷达发射机依次发射时宽相同的N个脉冲，任意相邻两个脉冲的发射时间间隔各不相同，并且每个脉冲由载频不同的M个子脉冲组成，任意两个子脉冲的载频频差至少为

雷达接收机的M个接收通道均接收回波信号，每个接收通道对应一个子脉冲载频，用于根据所接收的回波信号获取该载频对应的回波数据矩阵。其中，N表示雷达发射脉冲的个数，c表示光速，L_t表示目标有效的径向尺寸。

步骤2、设置M个MTI滤波器，利用特征矢量法计算每个MTI滤波器的权系数，其中第m个MTI滤波器的权系数记为W_m。

步骤3、对于M个回波数据矩阵中的每个回波数据矩阵，利用对应的MTI滤波器进行滤波处理，得到对应的滤波后的回波数据矩阵，从而获得M个滤波后的回波数据矩阵。

其中，利用第m个MTI滤波器对回波数据矩阵X_m进行滤波处理，得到对应的滤波后的数据矩阵Y_m＝W_m ^HX_m，X_m表示子脉冲载频f_m对应的回波数据矩阵，f_m为第m个子脉冲的载频，m＝1，2，…，M，X_m为N×Q维矩阵，Y_m为1×Q维的向量，Q为一个子脉冲时宽对应的距离单元总数，[·]^H表示取共轭转置。

步骤4、对M个滤波后的数据矩阵中的每个滤波后的回波数据矩阵，分别进行包络检波，得到对应的包络检波后的数据矩阵，从而获得M个包络检波后的数据矩阵。其中，第m个滤波后的数据矩阵对应的包络检波后的数据矩阵的为Y_m′，Y_m′为1×Q维向量。

步骤5、对全部M个包络检波结后的数据矩阵进行最优融合，得到最优融合后的数据矩阵Y，Y为1×Q维向量。

步骤6、将所述最优融合后的数据矩阵Y中的每一个元素与预设门限值进行比较：若所述最优融合后的数据矩阵Y中的元素均未超过所述预设门限值，则确定未检测到运动目标。若所述最优融合后的数据矩阵Y中存在超过所述预设门限值的元素，则确定检测到运动目标。

本发明实施例提供一种MTI雷达运动目标检测方法，首先MTI雷达发射机发射N个相同的脉冲，每个脉冲由载频不同的M个子脉冲组成，雷达接收机的M个接收通道获取M个子脉冲载频对应的回波数据矩阵。然后设置M个滤波器并利用特征矢量法计算MTI滤波器的权系数。接着利用对应的MTI滤波器对每个回波数据矩阵进行滤波处理，得到对应的滤波后的回波数据矩阵。接着对每个滤波后的回波数据矩阵分别进行包络检波，得到对应的包络检波后的数据矩阵。然后对全部M个包络检波结后的数据矩阵进行最优融合，得到最优融合后的数据矩阵Y。最后将最优融合后的数据矩阵Y中的每一个元素与预先设置的门限值进行比较完成MTI雷达对运动目标的检测。本发明提供的方法能够通过改变雷达发射波形，再对各载频的MTI滤波结果进行融合积累，等效的提高了MTI滤波器的频率响应，进而消除由于滤波器不平坦性给MTI雷达带来的速度检测盲区，提高MTI雷达的检测性能。另外，本发明在发射波形时一个脉冲中包括多个载频不同的子脉冲，提高了雷达的工作带宽，从而提高了系统的抗干扰能力。

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为本发明实施例提供的一种MTI雷达运动目标检测方法的流程图。

图2为本发明实施例提供的方法发在雷达脉冲发射时间间隔为T₁，T₂，T₃，且一个脉冲宽度内包含两个子脉冲时的发射波形示意图。

图3为现有的方法在雷达脉冲重复周期为T₁，T₂，T₃时的发射波形示意图。

图4为采用本发明提供的方法的等效MTI滤波器速度响应曲线与现有方法的MTI滤波器速度响应曲线对比图。

图5为采用本发明提供的方法和现有方法在单个子脉冲信噪比为20dB时MTI雷达检测概率随目标速度变化曲线对比图。

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。

图1为本发明实施例提供的一种MTI雷达运动目标检测方法的流程图，参见图1，本发明提供的方法包括如下步骤：

步骤1、在一个相干处理间隔内，动目标显示MTI雷达发射机依次发射时宽相同的N个脉冲，任意相邻两个脉冲的发射时间间隔各不相同，并且每个脉冲由载频不同的M个子脉冲组成，任意两个子脉冲的载频频差至少为

雷达接收机的M个接收通道均接收回波信号，每个接收通道对应一个子脉冲载频，用于根据所接收的回波信号获取该载频对应的回波数据矩阵。其中，N表示雷达发射脉冲的个数，c表示光速，L_t表示目标有效的径向尺寸。

进一步的，第m个子脉冲的信号形式为：：

A_m表示第m个子脉冲信号的复包络，j表示虚数单位，τ表示脉冲的时宽。

需要说明的是，任意两个子脉冲的载频频差至少为

目的是为了让各个载频的脉冲信号之间去相关，这样各个载频的目标回波信号就可视为快起伏信号，由检测理论可知，在高信噪比下，快起伏信号具有较好的积累效果，因此后面对各载频对应的数据矩阵依次经MTI滤波和包络检波后，对所有包络检波后的数据矩阵的融合积累的结果会比较好，从而可以提高目标检测概率。

步骤2、设置M个MTI滤波器，利用特征矢量法计算每个MTI滤波器的权系数，其中，第m个MTI滤波器的权系数记为W_m。

进一步的，在步骤2中，第m个MTI滤波器的权系数W_m的计算过程为：获取载频f_m下的杂波自相关矩阵R_m，并对矩阵R_m进行特征分解，得到最小特征值λ_m，进一步得到最小特征值λ_m对应的特征矢量W_m，将W_m为第m个MTI滤波器的权系数。

其中，

σ_fm表示载频f_m下的杂波功率谱的标准差，

σ_v为杂波速度散布均方根值，c表示光速。

步骤3、对于M个回波数据矩阵中的每个回波数据矩阵，利用对应的MTI滤波器进行滤波处理，得到对应的滤波后的回波数据矩阵，从而获得M个滤波后的回波数据矩阵。

其中，利用第m个MTI滤波器对回波数据矩阵X_m进行滤波处理，得到对应的滤波后的数据矩阵Y_m＝W_m ^HX_m，X_m表示子脉冲载频f_m对应的回波数据矩阵，f_m为第m个子脉冲的载频，m＝1，2，…，M，X_m为N×Q维矩阵，Y_m为1×Q维的向量，Q为一个子脉冲时宽对应的距离单元总数，[·]^H表示取共轭转置。

步骤4、对M个滤波后的数据矩阵中的每个滤波后的回波数据矩阵，分别进行包络检波，得到对应的包络检波后的数据矩阵，从而获得M个最包络检波后的数据矩阵。其中，第m个滤波后的数据矩阵对应的包络检波后的数据矩阵的为Y_m′，Y_m′为1×Q维向量。

步骤5、对全部M个包络检波结后的数据矩阵进行最优融合，得到最优融合后的数据矩阵Y，Y为1×Q维向量。

优选的，步骤5具体包括：

步骤5.1、初始化q＝1，q表示第q个距离单元。

步骤5.2、将包络检波后的数据矩阵Y′₁，Y′₂，...，Y′_m，...Y′_M的第q个元素记作

步骤5.3、根据

计算得到权值向量

其中，

表示权值向量h^q中的第m个权值，

其中，m＝1，2，…，M，[·]^T表示矩阵的转置，∑表示求和。

步骤5.4、利用权值向量h^q对

进行加权融合，得到

将y^q作为向量Y的第q个元素。

步骤5.5、令q加1，判断q是否小于等于Q，如果是则转至步骤5.2，如果否，则转至步骤5.6。

步骤5.6、得到最优融合结果Y。

步骤6、将将所述最优融合后的数据矩阵Y中的每一个元素与预设门限值进行比较：若所述最优融合后的数据矩阵Y中的元素均未超过所述预设门限值，则确定未检测到运动目标。若所述最优融合后的数据矩阵Y中存在超过所述预设门限值的元素，则确定检测到运动目标。

本发明实施例提供一种MTI雷达运动目标检测方法，首先MTI雷达发射机发射N个相同的脉冲，每个脉冲由载频不同的M个子脉冲组成，雷达接收机的M个接收通道获取M个子脉冲载频对应的回波数据矩阵。然后设置M个滤波器并利用特征矢量法计算MTI滤波器的权系数。接着利用对应的MTI滤波器对每个回波数据矩阵进行滤波处理，得到对应的滤波后的回波数据矩阵。接着对每个滤波后的回波数据矩阵分别进行包络检波，得到对应的包络检波后的数据矩阵。然后对全部M个包络检波结后的数据矩阵进行最优融合，得到最优融合后的数据矩阵Y。最后将最优融合后的数据矩阵Y中的每一个元素与预先设置的门限值进行比较完成MTI雷达对运动目标的检测。本发明提供的方法能够通过改变雷达发射波形，再对各载频的MTI滤波结果进行融合积累，等效的提高了MTI滤波器的频率响应，进而消除由于滤波器不平坦性给MTI雷达带来的速度检测盲区，提高MTI雷达的检测性能。另外，本发明在发射波形时一个脉冲中包括多个载频不同的子脉冲，提高了雷达的工作带宽，从而提高了系统的抗干扰能力。

进一步的，下面通过仿真实验对本发明实施例提供的方法的有益效果进行进一步验证：

仿真条件：

雷达发射的脉冲的个数N＝4，每一个脉冲包含两个子脉冲M＝2，第一个子脉冲对应的载频为f₁＝1.25GHz，第二个子脉冲对应的载频f₂＝1.45GHz，雷达发射4个脉冲的时间间隔为T₁＝2ms，T₂＝2.4ms，T₃＝1.8ms，杂波速度散布均方根σ_v＝0.22m/s，目标速度变化范围取-25m/s到300m/s，单个子脉冲的信噪比为20dB。

这里以检测概率作为本发明提供的方法与现有方法的衡量标准。检测概率可以通过蒙特卡洛实验统计得到，检测概率定义为

x_n表示第n次实验得到的检测结果，x_n＝0表示未检测到目标，x_n＝1表示检测到目标，MC表示蒙特卡洛实验总次数，仿真实验中，MC＝10000。

仿真实验：

在上述仿真条件下，得到本发明提供的方法的等效MTI滤波器速度响应和现有方法的MTI滤波器速度响应，图4为采用本发明提供的方法的等效MTI滤波器速度响应曲线与现有方法的MTI滤波器速度响应曲线对比图，图4中横坐标表示速度，纵坐标表示MTI滤波器的频率响应。利用本发明提供的方法和现有方法分别对不同速度的目标信号进行检测，分别得到两种方法的检测概率随速度变化的对比曲线，图5为采用本发明提供的方法和现有方法在单个子脉冲信噪比为20dB时MTI雷达检测概率随目标速度变化曲线对比图，图5中横坐标表示速度，纵坐标表示检测概率。

结论分析：

由图4可以得到，现有方法的滤波器的速度响应有多个较深的凹口，本发明提供的方法的等效MTI滤波器的速度响应比现有技术好，进一步可以提高雷达对运动目标的检测性能。由图5可以得到，现有方法在多个速度区域的检测概率都很低，对于绝大多数运动目标速度，本发明提供的方法的检测概率都明显高于现有技术。本发明提供的方法能够通过改变改变雷达发射波形，再对各载频的MTI滤波结果进行融合积累，等效的提高MTI滤波器的频率响应，进而消除由于滤波器不平坦性给MTI雷达带来的速度检测盲区，提高MTI雷达的检测性能，且本发明工程实现简单，因此具有一定的优越性。

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 (4)

1.一种MTI雷达运动目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1、在一个相干处理间隔内，动目标显示MTI雷达发射机依次发射时宽相同的N个脉冲，任意相邻两个脉冲的发射时间间隔各不相同，并且每个脉冲由载频不同的M个子脉冲组成，任意两个子脉冲的载频频差至少为

雷达接收机的M个接收通道均接收回波信号，每个接收通道对应一个子脉冲载频，用于根据所接收的回波信号获取该载频对应的回波数据矩阵；其中，N表示雷达发射脉冲的个数，c表示光速，L_t表示目标有效的径向尺寸；

步骤2、设置M个MTI滤波器，利用特征矢量法计算每个MTI滤波器的权系数，其中第m个MTI滤波器的权系数记为W_m；

步骤3、对于M个回波数据矩阵中的每个回波数据矩阵，利用对应的MTI滤波器进行滤波处理，得到对应的滤波后的回波数据矩阵，从而获得M个滤波后的回波数据矩阵；

其中，利用第m个MTI滤波器对回波数据矩阵X_m进行滤波处理，得到对应的滤波后的数据矩阵Y_m＝W_m ^HX_m，X_m表示子脉冲载频f_m对应的回波数据矩阵，f_m为第m个子脉冲的载频，m＝1,2,…,M；

X_m为N×Q维矩阵，Y_m为1×Q维的向量，Q为一个子脉冲时宽对应的距离单元总数，[·]^H表示取共轭转置；

步骤4、对M个滤波后的数据矩阵中的每个滤波后的回波数据矩阵，分别进行包络检波，得到对应的包络检波后的数据矩阵，从而获得M个包络检波后的数据矩阵；其中，第m个滤波后的数据矩阵对应的包络检波后的数据矩阵的为Y_m'，Y_m'为1×Q维向量；

步骤5、对全部M个包络检波结后的数据矩阵进行最优融合，得到最优融合后的数据矩阵Y，Y为1×Q维向量；

步骤6、将所述最优融合后的数据矩阵Y中的每一个元素与预设门限值进行比较：若所述最优融合后的数据矩阵Y中的元素均未超过所述预设门限值，则确定未检测到运动目标；若所述最优融合后的数据矩阵Y中存在超过所述预设门限值的元素，则确定检测到运动目标，并将所述超过所述预设门限值的元素对应的距离单元作为目标所在距离单元。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，第m个子脉冲的信号形式为：

A_m表示第m个子脉冲信号的复包络，j表示虚数单位，τ表示脉冲的时宽。

3.根据权利要求1所述的方法，所述步骤2中，第m个MTI滤波器的权系数W_m的计算过程为：

获取载频f_m下的杂波自相关矩阵R_m，并对矩阵R_m进行特征分解，得到最小特征值λ_m，进一步得到最小特征值λ_m对应的特征矢量W_m，将W_m为第m个MTI滤波器的权系数；

其中，

表示载频f_m下的杂波功率谱的标准差，

σ_v为杂波速度散布均方根值，c表示光速。

4.根据权利要求1所述的方法，所述步骤5具体包括：

步骤5.1、初始化q＝1，q表示第q个距离单元；

步骤5.2、将包络检波后的数据矩阵Y'₁,Y'₂,…,Y'_m,…Y'_M的第q个元素记作

步骤5.3、根据

计算得到权值向量

其中，

表示权值向量h^q中的第m个权值，

其中，m＝1,2,…,M，[·]^T表示矩阵的转置，∑表示求和；

步骤5.4、利用权值向量h^q对

进行加权融合，得到

将y^q作为向量Y的第q个元素；

步骤5.5、令q加1，判断q是否小于等于Q，如果是则转至步骤5.2，如果否，则转至步骤5.6；

步骤5.6、得到最优融合结果Y。

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