CN110764066B - 误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法，获取回波数据；根据回波数据得到主杂波区所占据的多个多普勒通道和主杂波区所占据的多个多普勒通道的中心频率；根据主杂波区所占据的多个多普勒通道中心频率得到多个对应空间导向矢量；根据回波数据的主杂波区得到若干滤波后输出值；根据得到多个最大输出功率对应距离门的滤波后输出值；根据若干滤波后输出值和空间导向矢量得到杂波估计的目标空域导向矢量矩阵；对杂波估计的目标空域导向矢量矩阵进行奇异值分解得到考虑误差的信号子空间；根据考虑误差的信号子空间构建子空间检测器。本发明的检测器的检测性能提高、检测概率更高。

Description

误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，具体一种涉及误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法。

背景技术

阵列信号处理中，用期望信号的导向矢量对接收信号矢量进行最优加权处理得到滤波输出，即使用期望信号的导向矢量同接收信号矢量进行匹配，在常规自适应匹配滤波处理中，期望信号的空域导向矢量为主瓣波束中心处的空域导向矢量。因此，当目标的角度偏离主瓣波束中心时，目标的导向矢量同预置的主瓣波束中心的导向矢量失配，造成滤波输出损失。进而，对于只使用一维的导向矢量张成的信号子空间的匹配滤波器检测器，容易因导向矢量失配而丢失信号信息。

为了在失配状态下更好的检测目标，有必要使用高维的信号子空间检测器代替原来的一维信号子空间检测器。高维的信号子空间检测器能够在多个维度上积累信号能量，减少匹配滤波器输出损失。为获得高维的信号子空间，使用多个可能的目标方向的导向矢量构成信号子空间；分解待检测单元的协方差矩阵求得信号子空间。

在实际情况中，由于阵元幅相误差、阵元之间的耦合效应及阵元位置偏差等因素的存在，真实的信号子空间往往同未考虑误差情况下的信号子空间存在一定的偏差。如果依旧使用未考虑误差情况下的检测器，该检测器不能有效的积累信号能量，造成滤波器输出功率损失，影响检测器检测性能。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法，包括：

获取回波数据；

根据所述回波数据得到主杂波区所占据的多个多普勒通道和所述主杂波区所占据的多个多普勒通道的中心频率；

根据所述主杂波区所占据的多个多普勒通道中心频率得到多个对应空间频率，根据所述多个空间频率计算多个对应空间导向矢量；

对所述回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道的每个距离门接收到的杂波数据进行多普勒滤波处理，得到若干滤波后输出值；

对所述若干滤波后输出值和对应所述空间导向矢量进行内积，得到多个最大输出功率对应距离门的滤波后输出值；

根据所述若干滤波后输出值和所述空间导向矢量得到对应的多个矢量锥角余弦，并根据所述矢量锥角余弦对所述最大输出功率对应距离门的滤波后输出值进行筛选，得到筛选后回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道滤波后输出值，并根据所述筛选后回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道滤波后输出值得到杂波估计的目标空域导向矢量矩阵；

对杂波估计的目标空域导向矢量矩阵进行奇异值分解得到考虑误差的信号子空间；

根据考虑误差的信号子空间构建子空间检测器。

本发明通过得到考虑误差的信号子空间，并通过该信号子空间得到的子控件检测器，在SNR一定的情况下检测概率更高，使得检测器的检测性能提高。

在本发明的一个实施例中，根据所述回波数据得到主杂波区所占据的多个多普勒通道和所述主杂波区所占据的多个多普勒通道中心频率，包括：

根据所述回波数据得到所述回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道带宽；

根据所述主杂波区所占据的多个多普勒通道带宽得到主杂波区所占据的多个归一化多普勒通道中心频率；

根据所述主杂波区所占据的多个归一化多普勒通道中心频率计算主杂波区所在的对应多普勒通道。

在本发明的一个实施例中，根据所述回波数据得到所述回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道带宽，包括：

(a)考虑N个阵元的等距线阵，阵元间距为d，主瓣波束空间锥角为θ₀，3dB波束宽度为θ_A＝λ(Ndsinθ₀)，其中Ndsinθ₀为有效孔径长度，因此，主瓣波束内的空间锥角变化范围表示为θ_i∈[θ₀-θ_A/2,θ₀+θ_A/2]，该范围内的多普勒通道带宽为：

(b)带入

得，主杂波区对应的多普勒通道带宽为：

其中，v是载机飞行速度，λ是波长；

(c)计算主瓣范围内杂波的归一化多普勒频率：

(d)发射M个脉冲的雷达，M个多普勒滤波器的分辨率为

主瓣内的杂波大概占据的多普勒通道数为：

主瓣中心的波束空间锥角为θ₀，其归一化多普勒频率为

主杂波区所占据的多个多普勒通道表示为B_d0，所以根据主瓣波束宽度计算得到的主杂波区所占的多普勒通道是

在本发明的一个实施例中，空间频率计算如下：

空间频率表示为

其中d为阵元间距，λ为波长，

为阵列空间锥角。

在本发明的一个实施例中，根据所述多个空间频率计算多个对应空间导向矢量，包括：

令滤波器

对应的归一化多普勒频率为

对应的空间频率为f_sm，接收机第l个距离门的采样数据x_l表示为

式中N_c表示杂波等距离环中杂波块的个数，

是对应的第i个杂波块的归一化多普勒频率，

是该杂波块的时间导向矢量；

是对应第i个杂波块的的空间频率，

为空间导向矢量，n为高斯噪声，该数据通过通频带为

的多普勒滤波器

后的输出表示为：

p_im是第i个杂波块的多普勒域滤波器输出，

是噪声通过该滤波器后的输出，进一步得出其对应的空间导向矢量表示为

在本发明的一个实施例中，所述锥角余弦计算如下：

y_ml为第l个距离门的数据通过第m个多普勒滤波器后的输出值，其中0≤l≤L₀，L₀为距离门总数；m＞0；a_m为空间导向矢量。

在本发明的一个实施例中，根据考虑误差的信号子空间构建子空间检测器，包括：

其中，

x_p为H₁和H₀两种情况下的接收数据，U为信号子空间，

为噪声协方差矩阵。

本发明的有益效果：

本发明通过得到考虑误差的信号子空间，并通过该信号子空间得到的子控件检测器，在SNR一定的情况下检测概率更高，使得检测器的检测性能提高。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明实施例提供的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的流程框图；

图2是本发明实施例提供的另误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的流程框图；

图3是本发明实施例提供的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的主瓣波束正扫、幅相误差为10％时角度估计误差随SNR变化关系；

图4是本发明实施例提供的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的主瓣中心偏扫、幅相误差为10％时角度估计误差随SNR变化关系；

图5是本发明实施例提供的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的主瓣波束正扫、幅相误差为10％时角度估计均方误差随目标入射角度变化关系；

图6是本发明实施例提供的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的主瓣波束偏扫、幅相误差为10％时角度估计均方误差随目标入射角度变化关系。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

请参见图1，图1是本发明实施例提供的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的流程框图，包括：

获取回波数据；

根据所述回波数据得到主杂波区所占据的多个多普勒通道和所述主杂波区所占据的多个多普勒通道的中心频率；

根据所述主杂波区所占据的多个多普勒通道中心频率得到多个对应空间频率，根据所述多个空间频率计算多个对应空间导向矢量；

对所述回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道的每个距离门接收到的杂波数据进行多普勒滤波处理，得到若干滤波后输出值；

对所述若干滤波后输出值和对应所述空间导向矢量进行内积，得到多个最大输出功率对应距离门的滤波后输出值；

根据所述若干滤波后输出值和所述空间导向矢量得到对应的多个矢量锥角余弦，并根据所述矢量锥角余弦对所述最大输出功率对应距离门的滤波后输出值进行筛选，得到筛选后回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道滤波后输出值，并根据所述筛选后回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道滤波后输出值得到杂波估计的目标空域导向矢量矩阵；

对杂波估计的目标空域导向矢量矩阵进行奇异值分解得到考虑误差的信号子空间；

根据考虑误差的信号子空间构建子空间检测器。

在本发明的一个实施例中，根据所述回波数据得到主杂波区所占据的多个多普勒通道和所述主杂波区所占据的多个多普勒通道中心频率，包括：

根据所述回波数据得到所述回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道带宽；

根据所述主杂波区所占据的多个多普勒通道带宽得到主杂波区所占据的多个归一化多普勒通道中心频率；

根据所述主杂波区所占据的多个归一化多普勒通道中心频率计算主杂波区所在的对应多普勒通道。

在本发明的一个实施例中，请参见图2，图2是本发明实施例提供的另误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的流程框图，根据所述回波数据得到所述回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道带宽，包括：

(a)考虑N个阵元的等距线阵，阵元间距为d，主瓣波束空间锥角为θ₀，3dB波束宽度为θ_A＝λ(Ndsinθ₀)，其中Ndsinθ₀为有效孔径长度，因此，主瓣波束内的空间锥角变化范围表示为θ_i∈[θ₀-θ_A/2,θ₀+θ_A/2]，该范围内的多普勒通道带宽为：

(b)带入

得，主杂波区对应的多普勒通道带宽为：

其中，v是载机飞行速度，λ是波长；

(c)计算主瓣范围内杂波的归一化多普勒频率：

(d)发射M个脉冲的雷达，M个多普勒滤波器的分辨率为

主瓣内的杂波大概占据的多普勒通道数为：

主瓣中心的波束空间锥角为θ₀，其归一化多普勒频率为

主杂波区所占据的多个多普勒通道表示为B_d0，所以根据主瓣波束宽度计算得到的主杂波区所占的多普勒通道是

在本发明的一个实施例中，所述空间频率计算如下：

空间频率表示为

其中d为阵元间距，λ为波长，

为阵列空间锥角。

进一步地，归一化多普勒频率为

它们之间的关系如下式所示：

在本发明的一个实施例中，根据所述多个空间频率计算多个对应空间导向矢量，包括：

令滤波器

对应的归一化多普勒频率为

对应的空间频率为f_sm，接收机第l个距离门的采样数据x_l表示为

式中N_c表示杂波等距离环中杂波块的个数，

是对应的第i个杂波块的归一化多普勒频率，

是该杂波块的时间导向矢量；

是对应第i个杂波块的的空间频率，

为空间导向矢量，n为高斯噪声，该数据通过通频带为

的多普勒滤波器

后的输出表示为：

p_im是第i个杂波块的多普勒域滤波器输出，

是噪声通过该滤波器后的输出，进一步得出其对应的空间导向矢量表示为

进一步地，根据输出值y_ml与空间导向矢量a_m的内积公式γ_l＝a_m ^Hy_ml选择输出功率最大的L₀个距离门的滤波输出值y_m，选择的距离门表示为

选择的数据表示为

在本发明的一个实施例中，所述锥角余弦计算如下：

y_ml为第l个距离门的数据通过第m个多普勒滤波器后的输出值，其中0≤l≤L₀，L₀为距离门总数；m＞0；a_m为空间导向矢量。

进一步地，选取锥角余弦μ_l最大时所对应的距离门l_max的输出

表示该空间锥角f_sm对应的考虑误差的导向矢量。

进一步地，获得杂波估计的目标空域导向矢量矩阵

进一步地，对杂波估计的目标空域导向矢量矩阵进行奇异值分解得到考虑误差的信号子空间，导向矢量矩阵奇异值分解得到UΛV^H＝Y，取信号特征子空间为U_eig＝U(:,1:2)。

在本发明的一个实施例中，根据考虑误差的信号子空间构建子空间检测器，包括：

其中，

x_p为H₁和H₀两种情况下的接收数据，U为信号子空间，

为噪声协方差矩阵。

本发明的效果可通过以下仿真实验进一步说明：

1.仿真条件：

本发明仿真实验的环境为：MATLAB2017b,Intel(R)Xeon(R)CPU2.20GHz,Windows7专业版

2.仿真参数：

考虑一个具有8阵元的等距线阵，波长0.4米，阵元间距半波长。载机速度100m/s，重频为2000Hz。为了获得更多的主杂波区数据，脉冲数设定为256，主瓣波束指向法线方向。计算3dB波束宽度内的主杂波区多普勒带宽为125Hz，多普勒滤波器的分辨率7.8125，计算可得主杂波区通过16个多普勒滤波器。因此，选取主瓣多普勒通道中心处的连续11个多普勒滤波器。主瓣中心的多普勒通道为第129个多普勒通道，所以选取的主杂波区的多普勒通道是第124～134个多普勒通道。主瓣偏扫60°时的主瓣多普勒通道为184，选取的主杂波区多普勒通道为179～189。根据多普勒滤波器获得主杂波区的数据y_ml后，经过奇异值分解得到估计子空间。

3.仿真结果及分析：

仿真1：请参见图3，图3是本发明实施例提供的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的主瓣波束正扫、幅相误差为10％时角度估计误差随SNR变化关系，采用常规和差波束测角方法以及特征子空间测角方法，特征子空间包括未考虑误差的特征子空间及杂波估计的特征子空间。因为使用真实的杂波数据估计的特征子空间能够更好的估计带有误差的目标导向矢量，使得其在检测上具有更好的性能。与检测相类似，将杂波估计的特征子空间用在网格搜索测角上，仿真验证杂波估计子空间方法的测角性能。由图3可知，当SNR(信噪比)较低时，各子空间的检测性能都比较差，测角误差较大。而随着SNR的增大，各子空间的测角误差越来越小，趋近稳健。

仿真2：请参见图4，图4是本发明实施例提供的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的主瓣中心偏扫、幅相误差为10％时角度估计误差随SNR变化关系，从图中可以看到，随着SNR的增大，各测角方法的精度都越来越高。当主瓣偏扫时，常规和差波束测角性能大幅下降，并且随着SNR的增加，真实的子空间测角性能有最大改善。

仿真3：请参见图5，图5是本发明实施例提供的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的主瓣波束正扫、幅相误差为10％时角度估计均方误差随目标入射角度变化关系，由图可知，随着误差的增大，常规和差波束测角方法的角度估计误差增大；而杂波估计的特征子空间是从杂波中估计出来的，其误差相对较小，其结合最大似然测角方法具有最好的角度估计性能。

仿真4：请参见图6，图6是本发明实施例提供的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法的主瓣波束偏扫、幅相误差为10％时角度估计均方误差随目标入射角度变化关系，由图可知，使用杂波估计的特征子空间结合最大似然测角方法的角度估计性能最优，这说明杂波估计的特征子空间的测角性能最好。

实验结果表明，在存在阵列幅相误差及阵元位置偏差的情况下，使用主杂波区数据估计得到信号子空间同未考虑误差的信号子空间相比具有更好的检测性能。通过使用各子空间对目标数据进行测角分析，可以看到杂波估计的信号子空间的测角性能更优。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法，其特征在于，包括：

获取回波数据；

根据所述回波数据得到主杂波区所占据的多个多普勒通道和所述主杂波区所占据的多个多普勒通道的中心频率；

根据所述主杂波区所占据的多个多普勒通道中心频率得到多个对应空间频率，根据所述多个空间频率计算多个对应空间导向矢量；

对所述回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道的每个距离门接收到的杂波数据进行多普勒滤波处理，得到若干滤波后输出值；

对所述若干滤波后输出值和对应所述空间导向矢量进行内积，得到多个最大输出功率对应距离门的滤波后输出值；

根据所述若干滤波后输出值和所述空间导向矢量得到对应的多个矢量锥角余弦，并根据所述矢量锥角余弦对所述最大输出功率对应距离门的滤波后输出值进行筛选，得到筛选后回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道滤波后输出值，并根据所述筛选后回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道滤波后输出值得到杂波估计的目标空域导向矢量矩阵；

对杂波估计的目标空域导向矢量矩阵进行奇异值分解得到考虑误差的信号子空间；

根据考虑误差的信号子空间构建子空间检测器。

2.根据权利要求1所述的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法，其特征在于，根据所述回波数据得到主杂波区所占据的多个多普勒通道和所述主杂波区所占据的多个多普勒通道中心频率，包括：

根据所述回波数据得到所述回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道带宽；

根据所述主杂波区所占据的多个多普勒通道带宽得到主杂波区所占据的多个归一化多普勒通道中心频率；

根据所述主杂波区所占据的多个归一化多普勒通道中心频率计算主杂波区所在的对应多普勒通道。

3.根据权利要求2所述的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法，其特征在于，根据所述回波数据得到所述回波数据的主杂波区所占据的多个多普勒通道带宽，包括：

(a)等距线阵阵元数为N个，阵元间距为d，主瓣波束空间锥角为θ₀，3dB波束宽度为θ_A＝λ/(Nd sinθ₀)，其中Nd sinθ₀为有效孔径长度，主瓣波束内的空间锥角变化范围表示为θ_i∈[θ₀-θ_A/2,θ₀+θ_A/2]，该范围内的多普勒通道带宽为：

(b)带入

得，主杂波区对应的多普勒通道带宽为：

其中，v是载机飞行速度，λ是波长；

(c)计算主瓣范围内杂波的归一化多普勒频率：

(d)发射M个脉冲的雷达，M个多普勒滤波器的分辨率为

主瓣内的杂波大概占据的多普勒通道数为：

主瓣中心的波束空间锥角为θ₀，其归一化多普勒频率为

主杂波区所占据的多个多普勒通道表示为B_d0，所以根据主瓣波束宽度计算得到的主杂波区所占的多普勒通道是

4.根据权利要求1所述的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法，其特征在于，根据所述主杂波区所占据的多个多普勒通道中心频率得到多个对应空间频率，包括：

空间频率表示为

其中d为阵元间距，λ为波长，

为阵列空间锥角。

5.根据权利要求4所述的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法，其特征在于，根据所述多个空间频率计算多个对应空间导向矢量，包括：

令滤波器

对应的归一化多普勒频率为

对应的空间频率为f_sm，接收机第l个距离门的采样数据x_l表示为

式中N_c表示杂波等距离环中杂波块的个数，

是对应的第i个杂波块的归一化多普勒频率，

是该杂波块的时间导向矢量；

是对应第i个杂波块的的空间频率，

为空间导向矢量，n为高斯噪声，该数据通过通频带为

的多普勒滤波器

后的输出表示为：

p_im是第i个杂波块的多普勒域滤波器输出，

是噪声通过该滤波器后的输出，进一步得出其对应的空间导向矢量表示为

N为等距线阵阵元的个数。

6.根据权利要求1所述的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法，其特征在于，所述锥角余弦计算如下：

y_ml为第l个距离门的数据通过第m个多普勒滤波器后的输出值，其中0≤l≤L₀，L₀为距离门总数；m＞0；a_m为空间导向矢量。

7.根据权利要求1所述的误差存在情况下基于真实信号子空间的目标检测方法，其特征在于，根据考虑误差的信号子空间构建子空间检测器，包括：

其中，

x_p为H₁和H₀两种情况下的接收数据，U为信号子空间，

为噪声协方差矩阵。

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