CN111077515B - 一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法 - Google Patents

一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法，获取参考天线通过指向辐射源的波束接收到的参考信号和回波天线通过指向监视区域的波束收到的回波信号；利用参考信号、参考信号的时延及参考信号的多普勒扩展信号构建延时矩阵通过子空间投影的方式消除回波信号中的直达波信号、多路径信号及部分杂波扩展信号得到剩余信号；利用参考信号求解失配滤波器的失配滤波因子与剩余信号进行失配滤波得到失配滤波结果；将失配滤波的结果按多普勒单元分组，对每个多普勒单元内的最大值的位置进行判断，根据判断结果进行相应的保留或置零操作得到目标的检测结果。具有降低了系统的虚警和漏警概率。

Description

一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法。
背景技术
外辐射源雷达是又称为无源相干定位雷达，是一种新体制雷达，其本身不向外辐射电磁波信号，而是将第三方已经存在的商用/民用辐射源信号作为照射源来对目标进行探测、定位和跟踪。由于其被动探测的特点、简单的系统结构和低廉的成本，使得外辐射源雷达受到了广泛的关注。
在雷达信号处理的过程中，由于模拟电视信号视频信号的周期性，使得基于模拟电视信号的外辐射源雷达在距离探测上存在模糊距离副瓣，很难准确的获取目标的距离信息。失配滤波算法是解决模糊距离副瓣的方法之一。然而，在实际应用中，由于目标所处的环境较为复杂，天线接收的杂波信号存在频谱扩展的问题，利用杂波对消算法很难抑制扩展的杂波信号。而由于视频信号的周期性，使得杂波扩展的周期性模糊距离副瓣影响到目标的检测性能，导致外辐射源雷达检测不到目标或检测到虚假目标，进而提高了雷达的虚警和漏警概率。
综上所述，降低雷达的虚警和漏警概率具有重要的意义，因此需要改进基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法。
发明内容
为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：
一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法，所述外辐射源雷达设置有参考天线和接收天线，所述参考天线指向所述外辐射源雷达的辐射源，所述接收天线指向所述目标所在的观测区，方法步骤包括：
S1：获取参考天线通过一个波束指向接收的参考信号、参考信号的时延以及参考信号的多普勒扩展构建延时矩阵；获取回波天线通过k个波束指向接收的回波信号；
S2：利用参考天线获取的参考信号、参考信号的时延以及参考信号的多普勒扩展构建延时矩阵计算延时矩阵所张成的子空间的投影系数；将回波天线获取的回波信号投影至延时矩阵张成的子空间中得到回波信号中的直达波信号、多路径信号和杂波扩展信号；利用回波天线获取的回波信号减去获取的直达波信号和多路径信号得到剩余信号；
S3：利用参考天线获取的参考信号求解失配滤波器的失配滤波因子；利用此失配滤波因子与S2步骤中得到的剩余信号进行失配滤波，得到失配滤波结果；
S4：将S3步骤中得到的失配滤波结果按多普勒单元进行分组，在每个多普勒单元内查找最大值的位置并进行如下判断：如果该多普勒单元内最大值的位置小于10，则认为该多普勒单元的目标为杂波扩展引起的，对该幅值置零并对将与该幅值位置相差模糊距离单元数的幅值依次置零；如果该多普勒单元内最大值的位置大于10，则认为该多普勒单元的目标为真实目标，保留该幅值并将与该幅值位置相差模糊距离单元数的幅值依次置零。
在本发明的一个实施例中，参考信号包括直达波信号和参考通道噪声。
在本发明的一个实施例中，回波信号包括目标回波信号以及干扰信号。
在本发明的一个实施例中，剩余信号包括目标回波信号和杂波扩展信号。
在本发明的一个实施例中，构建延时矩阵V的表达式为：
Figure BDA0002329027190000031
其中N为数据的长度，K为杂波对消的阶数，φi＝2πfkt为多普勒扩展相位项，其中fk的取值范围为-10Hz～10Hz；
延时矩阵所张成的子空间的投影系数计算方式：
wq＝V(VHV)-1VH
剩余信号Srem表达式为：
Srem＝Secho-wqSecho。
在本发明的一个实施例中，求解适配滤波器的失配滤波结果计算公式为：
Figure BDA0002329027190000032
其中，W为失配滤波因子，IN为N×N的单位矩阵，k为所需抑制的模糊距离副瓣的个数，c用来调整失配滤波器的副瓣抑制能力，W0为匹配滤波器的匹配滤波因子，即参考信号；
Figure BDA0002329027190000033
其中，Amis为失配滤波结果，l为时延单元，p为多普勒单元，i＝1,2,…,p。
本发明的有益效果：
本发明通过使参考天线形成一个波束指向，并使该波束指向辐射源；通过使回波天线形成若干波束指向，并使这些波束指向观测区。利用参考天线的波束指向接收到的参考信号对回波天线的波束指向接收到的回波信号作杂波对消，获得剩余信号，包括目标回波、剩余的扩展杂波以及通道噪声。接着，利用参考信号求解失配滤波器的失配滤波因子，通过该失配滤波因子与剩余信号进行失配滤波得到失配滤波结果。然后，通过对该失配滤波结果进行判断，对判断为杂波扩展和目标回波分别进行置零和保留操作，对其周期性距离模糊副瓣均置零，进而得到目标的参数信息。本发明实施的方案中，利用杂波扩展的特性对失配滤波结果中杂波的置零，能够减少杂波扩展的影响，进而降低了系统的虚警和漏警概率。
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一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法应用场景示意图；
图3是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法的仿真实验第①部分仿真内容多普勒维的检测结果图；
图4是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法的仿真实验第①部分仿真内容距离维的检测结果图；
图5是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法的仿真实验第②部分仿真内容多普勒维的检测结果图；
图6是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法的仿真实验第①部分仿真内容距离维的检测结果图；
图7是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法多普勒维的检测结果图；
图8是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法距离维的检测结果图。
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一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法的流程示意图，所述外辐射源雷达设置有参考天线和接收天线，所述参考天线指向所述外辐射源雷达的辐射源，所述接收天线指向所述目标所在的观测区，方法步骤包括：
S1：获取参考天线通过一个波束指向接收的参考信号、参考信号的时延以及参考信号的多普勒扩展构建延时矩阵；获取回波天线通过k个波束指向接收的回波信号；
S2：利用参考天线获取的参考信号、参考信号的时延以及参考信号的多普勒扩展构建延时矩阵计算延时矩阵所张成的子空间的投影系数；将回波天线获取的回波信号投影至延时矩阵张成的子空间中得到回波信号中的直达波信号、多路径信号和杂波扩展信号；利用回波天线获取的回波信号减去获取的直达波信号和多路径信号得到剩余信号；
S3：利用参考天线获取的参考信号求解失配滤波器的失配滤波因子；利用此失配滤波因子与S2步骤中得到的剩余信号进行失配滤波，得到失配滤波结果；
S4：将S3步骤中得到的失配滤波结果按多普勒单元进行分组，在每个多普勒单元内查找最大值的位置并进行如下判断：如果该多普勒单元内最大值的位置小于10，则认为该多普勒单元的目标为杂波扩展引起的，对该幅值置零并对将与该幅值位置相差模糊距离单元数的幅值依次置零；如果该多普勒单元内最大值的位置大于10，则认为该多普勒单元的目标为真实目标，保留该幅值并将与该幅值位置相差模糊距离单元数的幅值依次置零。
请参见图2，图2是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法应用场景示意图，第三方辐射源设置于外辐射源雷达接收站的远场作为发射站发射电磁波信号，电磁波信号照射在观测区中的目标上形成反射波(通常称为目标回波信号)，同时，辐射源发射的部分电磁波信号会直接照射在外辐射源雷达上形成直达波信号(也称参考信号)。外辐射源雷达通过天线阵列的接收通道接收目标反射的电磁波信号(即目标回波信号)，通过参考天线形成的波束用来接收直达波信号，使用雷达信号处理算法对目标回波信号和直达波信号进行处理，从而得到目标的速度、距离、方位等信息。如图2所示，除待检测目标之外，观测区中往往还存在许多障碍物，当辐射源的发射的电磁波信号照射在这些障碍物上后，即会产生多径信号，同时由于杂波的频谱扩展，这些多径信号同时存在着频谱的扩展，多径信号及近区的杂波扩展信号会随目标回波信号及直达波信号一同被天线阵列接收。
因此，外辐射源雷达回波天线阵列的波束所接收的回波信号并不是纯净的目标反射的电磁波信号，可能会包含较强的直达波信号、多径信号及近区的杂波扩展等干扰信号。直达波信号及多路径信号可以利用杂波对消算法进行抑制，而近区的杂波扩展信号则无法被有效地抑制，造成检测过程中的虚警和漏警现象。
本发明通过使参考天线形成一个波束指向，并使该波束指向辐射源；通过使回波天线形成若干波束指向，并使这些波束指向观测区。利用参考天线的波束指向接收到的参考信号对回波天线的波束指向接收到的回波信号作杂波对消，获得剩余信号，包括目标回波、剩余的扩展杂波以及通道噪声。接着，利用参考信号求解失配滤波器的失配滤波因子，通过该失配滤波因子与剩余信号进行失配滤波得到失配滤波结果。然后，通过对该失配滤波结果进行判断，对判断为杂波扩展和目标回波分别进行置零和保留操作，对其周期性距离模糊副瓣均置零，进而得到目标的参数信息。本发明实施的方案中，利用杂波扩展的特性对失配滤波结果中杂波的置零，能够减少杂波扩展的影响，进而降低了系统的虚警和漏警概率。
在本发明的一个实施例中，参考信号包括直达波信号和参考通道噪声。
在本发明的一个实施例中，回波信号包括目标回波信号以及干扰信号。
在本发明的一个实施例中，剩余信号包括目标回波信号和杂波扩展信号。
在本发明的一个实施例中，构建延时矩阵V的表达式为：
Figure BDA0002329027190000071
其中N为数据的长度，K为杂波对消的阶数，φi＝2πfkt为多普勒扩展相位项，其中fk的取值范围为-10Hz～10Hz；
延时矩阵所张成的子空间的投影系数计算方式：
wq＝V(VHV)-1VH
剩余信号Srem表达式为：
Srem＝Secho-wqSecho。
在本发明的一个实施例中，求解适配滤波器的失配滤波结果计算公式为：
Figure BDA0002329027190000081
其中，W为失配滤波因子，IN为N×N的单位矩阵，k为所需抑制的模糊距离副瓣的个数，c用来调整失配滤波器的副瓣抑制能力，W0为匹配滤波器的匹配滤波因子，即参考信号；
Figure BDA0002329027190000082
其中，Amis为失配滤波结果，l为时延单元，p为多普勒单元，i＝1,2,…,p。
具体的，步骤S4中，将失配滤波结果按照多普勒单元分组，每个分组可以表示为Amis(l,pm),m＝1,2,…,p，对各个分组按下面的判断方式进行：
Figure BDA0002329027190000083
其中，Y为模糊距离副瓣的重复周期对应的距离单元数，n为模糊距离副瓣数。
基于本发明实施例提供的基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法，通过使参考天线形成一个指向辐射源的波束，同时使回波天线形成若干个指向观测区的波束。获取参考天线接收到的参考信号和回波天线接收到的回波信号。利用参考信号构建延时矩阵，将回波信号投影至延时矩阵中得到回波信号中的直达波、多路径杂波和部分杂波扩展信号，用回波信号减去得到的直达波和多路径杂波信号得到剩余信号。利用参考信号求解失配滤波器的失配滤波因子并与剩余信号进行失配滤波。最后利用杂波扩展的特性对失配滤波结果进行判断出来以减少杂波扩展对目标检测的影响。本发明实施例的方案中，利用杂波扩展的特性对失配滤波结果中杂波的置零，能够减少杂波扩展的影响，进而降低了系统的虚警和漏警概率。
以下，通过仿真实验进一步说明本发明的上述效果：
1)仿真实验场景
具体实验场景可参考图2，其中，以实际接收到的模拟电视信号作为辐射源信号，并设置直达波信号的能量高于目标回波能量XXdB。此外，还需要仿真生成YY个多径干扰信号以及ZZ个杂波扩展信号。同时设置1个待检测目标，并将待检测目标与外辐射源雷达接收机的距离设置为xxkm，对应的多普勒频移设置为yyHz，信噪比设置为zzdB。
2)仿真内容
仿真内容可分为以下三个部分：
①利用常规的方法进行目标检测，确定待检测目标的距离、多普勒频移以及幅度，并将检测结果绘制于距离(X轴)-多普勒频移(Y轴)-幅度(Z轴)构成的三维坐标系中，同时标定出其中较明显的尖峰(也即检测得到的目标的信息)。
②利用将零多普勒附近单元置零的方法进行目标检测，确定待检测目标的距离、多普勒频移以及幅度，并将检测结果绘制于距离(X轴)-多普勒频移(Y轴)-幅度(Z轴)构成的三维坐标系中，同时标定出其中较明显的尖峰(也即检测得到的目标的信息)。
③使用本发明实施例提供基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法进行目标检测，确定待检测目标的距离、多普勒频移以及幅度，并将检测结果绘制于距离(X轴)-多普勒频移(Y轴)-幅度(Z轴)构成的三维坐标系中，同时标定出其中较明显的尖峰(也即检测得到的目标的信息)。
3)仿真结果分析：
请参见图3、图4，图3是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法的仿真实验第①部分仿真内容多普勒维的检测结果图，图4是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法的仿真实验第①部分仿真内容距离维的检测结果图，图中存在三个明显的尖峰，坐标为(20.63km，-48.83Hz，10.51×10-5)，(29.25km，21.7Hz，9.007×10-5)，(40.5km，113.9Hz，7.62×10-5)对比前述场景设置中待检测目标的参数，发现该坐标对应的参数与待检测目标的设置参数一致，但同时还存在其他峰值。可以得出，利用未处理的方法虽然能得到目标的参数信息，但同时还存在一些其它峰值，这影响到了系统的目标检测性能，使得系统的虚警率升高。
请参见图5、图6，图5是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法的仿真实验第②部分仿真内容多普勒维的检测结果图，图6是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法的仿真实验第①部分仿真内容距离维的检测结果图，结合附图5、图6可以看出，图中存在两个明显的尖峰，其中明显尖峰对应的坐标为(20.63km，-48.83Hz，10.51×10-5)，(40.5km，113.9Hz，7.62×10-5)，对比前述场景设置中待检测目标的参数，发现该坐标对应的参数与待检测目标的设置参数一致。但多普勒较小的目标峰值被置零无法检测。因此，可以得出，利用常规零多普勒单元置零的方法虽然能较好的检测出多普勒较大的目标，但多普勒较小的目标峰值会被置零，使得系统的漏警概率升高。
请参见图7、图8，图7是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法多普勒维的检测结果图，图8是本发明实施例提供的一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法距离维的检测结果图，可以看出，图中存在三个明显的尖峰，坐标为(20.63km，-48.83Hz，10.51×10-5)，(29.25km，21.7Hz，9.007×10-5)，(40.5km，113.9Hz，7.62×10-5)，对比前述场景设置中待检测目标的参数，发现该坐标对应的参数与待检测目标的设置参数一致，并且，相比于图3、图4所示的检测结果，图7、图8中杂波扩展的峰值较低，虚警率较低。相比于图5、图6所示的检测结果，图7、图8中的三个目标峰值均被有效检测，漏警率低。
因此，可以得出，基于本发明实施例提供的基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法能够有效检测出目标，降低了系统的虚警率和漏警率。
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 (6)

1.一种基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法，所述外辐射源雷达设置有参考天线和接收天线，所述参考天线指向所述外辐射源雷达的辐射源，所述接收天线指向所述目标所在的观测区，其特征在于，包括：
S1：获取参考天线通过一个波束指向接收的参考信号、参考信号的时延以及参考信号的多普勒扩展构建延时矩阵；获取回波天线通过k个波束指向接收的回波信号；
S2：利用参考天线获取的参考信号、参考信号的时延以及参考信号的多普勒扩展构建延时矩阵计算延时矩阵所张成的子空间的投影系数；将回波天线获取的回波信号投影至延时矩阵张成的子空间中得到回波信号中的直达波信号、多路径信号和杂波扩展信号；利用回波天线获取的回波信号减去获取的直达波信号和多路径信号得到剩余信号；
S3：利用参考天线获取的参考信号求解失配滤波器的失配滤波因子；利用此失配滤波因子与S2步骤中得到的剩余信号进行失配滤波，得到失配滤波结果；
S4：将S3步骤中得到的失配滤波结果按多普勒单元进行分组，在每个多普勒单元内查找最大值的位置并进行如下判断：如果该多普勒单元内最大值的位置小于10，则认为该多普勒单元的目标为杂波扩展引起的，对幅值置零并对将与该幅值位置相差模糊距离单元数的幅值依次置零；如果该多普勒单元内最大值的位置大于10，则认为该多普勒单元的目标为真实目标，保留该幅值并将与该幅值位置相差模糊距离单元数的幅值依次置零。
2.根据权利要求1所述的基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法，其特征在于，参考信号包括直达波信号和参考通道噪声。
3.根据权利要求2所述的基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法，其特征在于，回波信号包括目标回波信号以及干扰信号。
4.根据权利要求3所述的基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法，其特征在于，剩余信号包括目标回波信号和杂波扩展信号。
5.根据权利要求4所述的基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法，其特征在于，构建延时矩阵V的表达式为：
Figure FDA0003968149490000021
其中N为数据的长度，K为杂波对消的阶数，φidx＝2πfkt为多普勒扩展相位项，j为虚数，其中fk的取值范围为-10Hz～10Hz；
延时矩阵所张成的子空间的投影系数计算方式：
wq＝V(VHV)-1VH
剩余信号Srem表达式为：
Srem＝Secho-wqSecho。
6.根据权利要求5所述的基于模拟电视外辐射源雷达的目标检测方法，其特征在于，求解适配滤波器的失配滤波结果计算公式为：
Figure FDA0003968149490000022
其中，W为失配滤波因子，IN为N×N的单位矩阵，k为所需抑制的模糊距离副瓣的个数，c用来调整失配滤波器的副瓣抑制能力，W0为匹配滤波器的匹配滤波因子，即参考信号；
Figure FDA0003968149490000023
其中，Amis为失配滤波结果，l为时延单元，p为多普勒单元。
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