CN112068116A - 一种基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法 - Google Patents

一种基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，该方法包括接收M次快拍常规回波信号并进行最大似然估计得到目标响应估计值；对目标响应估计值在时域反转并做能量标准化得到时间反演发射信号，根据时间反演发射信号再接收时间反演回波信号；估计多径幅度衰减系数、多径时延；估计由目标运动造成的信道扰动方差；时间反演似然比检测器根据多径时延、多径幅度衰减系数、信道扰动方差和时间反演回波信号计算检测统计量，根据检测统计量判断动目标是否存在。本发明方法，有效利用多径提升检测器对动目标的检测性能，同时对信道参数估计，将目标运动带来的信道变化加入到检测器中，以提高检测器对环境的鲁棒性和目标检测概率。

Description

一种基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法。
背景技术
在很多雷达工作场景下，比如城市、低仰角、森林等环境，存在大量多径，而多径效应会严重干扰雷达正常工作，使其检测性能下降严重，因此，研究多径环境中的目标检测问题至关重要。
解决检测环境中存在的多径效应，一方面可以通过抑制回波中的多径，提高检测器的鲁棒性来避免多径效应对雷达的影响；另一方面，可以通过利用环境中的多径先验信息，来提高检测器性能。已有一些研究证明多径能量及其空间分集特性可被应用于检测器中，并获得较好的检测效果。这些研究通常需要先验已知环境信息，这大大限制了雷达的应用。而时间反演技术不需要提前感知环境信息，也可以有效利用多径效应来提升雷达工作性能。时间反演技术通过对接收信号在时域反转并发射，以实现多径信道的空时聚焦，进而提升目标回波能量。已有较多研究成果证明时间反演技术应用于雷达目标检测的有效性。Yuanwei Jin提出了针对单天线以及阵列天线的时间反演广义似然比检测器，尽管相比于不采用时间反演的常规检测器，这两种时间反演检测器均具有显著的性能改善，但是其仅适用于静止目标且信道固定不变的情况，这与雷达实际工作场景不符。针对具有多普勒频率的运动目标，Yuanwei Jin随后提出了另一种动目标时间反演检测方法，该方法假设目标运动不会造成信道改变。
但是，Yuanwei Jin提出的动目标时间反演检测方法，当目标运动速度较快时，信道往往会发生一定的变化，使得信道失配，时间反演的聚焦效果变差。
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时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法。
本发明的一个实施例提供了一种基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，该基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法包括以下步骤：
步骤1、接收散射环境中的M次快拍常规回波信号，并对所述M次快拍常规回波信号进行最大似然估计得到目标响应估计值，其中，M为大于0的整数；
步骤2、对所述目标响应估计值在时域反转并做能量标准化得到时间反演发射信号，将所述时间反演发射信号重新发射到所述散射环境中，再接收所述散射环境中的时间反演回波信号；
步骤3、对所述M次快拍常规回波信号进行时域采样，并根据时域采样后的M次快拍常规回波信号估计多径幅度衰减系数估计值，根据所述目标响应估计值估计得到多径时延估计值；
步骤4、对所述时间反演回波信号进行时域采样，根据时域采样后的时间反演回波信号、所述多径时延估计值和所述多径幅度衰减系数估计值估计信道扰动方差；
步骤5、时间反演似然比检测器根据所述多径时延估计值、所述多径幅度衰减系数估计值、所述信道扰动方差和所述时域采样后的时间反演回波信号计算检测统计量，根据所述检测统计量判断动目标是否存在，以完成信道动目标的检测。
在本发明的一个实施例中，所述步骤1中接收的第m次快拍常规回波信号表达式为：
Figure BDA0002610355200000031
其中，xm(t)为第m次快拍常规回波信号，s(t)为散射环境中的常规发射信号，vm(t)为第m次快拍的加性复高斯白噪声，h(t)为常规发射信号s(t)传输过程中前向信道响应，前向信道响应h(t)中包含L条传播路径，第l条传播路径的前向信道脉冲响应表达式为：
hl(t)＝αlδ(t-τl),l＝1,…,L；
其中，hl(t)为第l条传播路径的前向信道脉冲响应，αl为第l条传播路径的幅度衰减系数，τl为第l条传播路径的时延，δ(t)为狄拉克函数，ωc＝2πfc，fc为中心频率，βl为常规发射信号s(t)传输过程的前向信道中第l条传播路径对应的多普勒频移因子，r(t)定义为目标响应信号，则对所述M次快拍常规回波信号进行最大似然估计得到所述目标响应估计值表达式为：
Figure BDA0002610355200000032
其中，
Figure BDA0002610355200000033
为目标响应估计值。
在本发明的一个实施例中，所述步骤2中所述时间反演发射信号为
Figure BDA0002610355200000041
其中，
Figure BDA0002610355200000042
为所述目标响应估计值
Figure BDA0002610355200000043
在时域反转的信号，k为能量标准化系数，所述能量标准化系数k表达式为：
Figure BDA0002610355200000044
其中，Es为常规发射信号的能量，所述能量Es表达式为：
Figure BDA0002610355200000045
在本发明的一个实施例中，所述步骤2中接收的所述时间反演回波信号表达式为：
Figure BDA0002610355200000046
其中，y(t)为时间反演回波信号，
Figure BDA0002610355200000047
为时间反演发射信号
Figure BDA0002610355200000048
传输过程的后向信道中第l条传播路径对应的多普勒频移因子，
Figure BDA0002610355200000049
与βl相等，w(t)为时间反演发射信号
Figure BDA00026103552000000410
重新发射到散射环境中的复高斯白噪声，z1(t)为聚焦信号响应，z2(t)为扰动信号响应，
Figure BDA00026103552000000411
为时间反演发射信号
Figure BDA00026103552000000412
传输过程的后向信道响应，后向信道响应
Figure BDA00026103552000000413
表达式为：
Figure BDA00026103552000000414
其中，∈(t)为目标运动造成的信道扰动，ρ为前向信道与后向信道的相关系数，相关系数ρ表达式为：
Figure BDA0002610355200000051
其中，
Figure BDA0002610355200000052
为幅度衰减系数αl的方差，
Figure BDA0002610355200000053
为信道扰动∈(t)的方差。
在本发明的一个实施例中，所述步骤3中对所述M次快拍常规回波信号进行时域采样，并根据时域采样后的M次快拍常规回波信号估计多径幅度衰减系数包括：
对第m次常规回波信号xm(t)进行时域采样，采样频率为fs，则第m次常规回波信号的时域离散表达式为：
Figure BDA0002610355200000054
其中，n表示第n个采样点，且n＝0,…,N-1，N为总采样数，
Figure BDA0002610355200000057
为第l条传播路径时延τl相应的离散采样起始点，r(n)和vm(n)分别为目标响应信号r(t)和第m次快拍的加性复高斯白噪声vm(t)的离散采样，则第m次快拍的常规回波信号xm(t)离散后的向量表达式为：
xm＝[xm(0),…,xm(N-1)]T；
对所述M次快拍常规回波信号的时域采样结果取平均得到时域采样后的M次快拍常规回波信号，所述时域采样后的M次快拍常规回波信号表达式为：
Figure BDA0002610355200000055
根据多普勒频移因子
Figure BDA0002610355200000056
组合得到L条传播路径及N个采样点的采样矩阵，所述采样矩阵的表达式为：
Figure BDA0002610355200000061
根据所述时域采样后的M次快拍常规回波信号x和所述采样矩阵Δ进行最大似然估计得到所述多径幅度衰减系数估计值，所述多径幅度衰减系数估计值表达式为：
Figure BDA0002610355200000062
其中，
Figure BDA0002610355200000063
为多径幅度衰减系数估计值，SCO＝[s1,…,sL]N×L，SCO中的每一列sl为
Figure BDA0002610355200000064
⊙为求哈达玛积，经求解所述多径幅度衰减系数
Figure BDA0002610355200000065
表示为：
Figure BDA0002610355200000066
其中，
Figure BDA0002610355200000067
为第l条传播路径对应的幅度衰减系数估计值。
在本发明的一个实施例中，所述步骤3中根据所述目标响应估计值估计多径时延包括：
用信号s*(-t)对所述目标响应估计值
Figure BDA0002610355200000068
进行匹配滤波得到匹配滤波结果；
从所述匹配滤波结果中取前L个峰值点对应的时延作为多径时延估计值
Figure BDA0002610355200000069
所述多径时延估计值
Figure BDA00026103552000000610
表达式为：
Figure BDA00026103552000000611
Figure BDA00026103552000000612
为第l条传播路径的时延估计值。
在本发明的一个实施例中，所述步骤4中对所述时间反演回波信号进行时域采样，根据时域采样后的时间反演回波信号、所述多径时延估计值和所述多径幅度衰减系数估计值估计信道扰动方差包括：
对所述时间反演回波信号y(t)进行时域采样，采样频率为fs，则所述时间反演回波信号y(t)的时域离散表达式为：
y(n)＝z1(n)+z2(n)+w(n),n＝0,…,N-1；
其中，z1(n)、z2(n)和w(n)分别为聚焦信号响应z1(t)、扰动信号响应z2(t)和复高斯白噪声w(t)的离散采样，则时域采样后的时间反演回波信号向量表达式为：
y＝[y(0),…,y(N-1)]T；
根据所述多径时延估计值
Figure BDA0002610355200000071
和所述多径幅度衰减系数估计值
Figure BDA0002610355200000072
更新离散后的聚焦信号响应z1(n)和离散后的扰动信号响应z2(n)，更新后的聚焦信号响应表达式为：
Figure BDA0002610355200000073
更新后的扰动信号响应表达式为：
Figure BDA0002610355200000074
根据更新后的聚焦信号响应和更新后的扰动信号响应估计所述信道扰动方差，所述信道扰动方差表达式为：
Figure BDA0002610355200000075
其中，Var(·)为计算协方差，
Figure BDA0002610355200000076
为多径幅度衰减系数估计值
Figure BDA0002610355200000077
的方差。
在本发明的一个实施例中，所述步骤5中时间反演似然比检测器表达式为：
Figure BDA0002610355200000078
其中，
Figure BDA0002610355200000079
为时间反演似然比检测器，STR为由常规发射信号构成的矩阵，矩阵STR表达式为：STR＝[s′0,s′1,…,s′L]N×(L+1)，
Figure BDA0002610355200000081
s′l为第l列是常规发射信号第l条传播路径对应的时延估计值，ΘTR为厄米特矩阵，厄米特矩阵ΘTR表达式为：
Figure BDA0002610355200000082
Figure BDA0002610355200000084
为复高斯白噪声w(t)的方差，(·)T为求转置操作，(·)-1为求逆操作，(·)*为求共轭操作，Λ为对角矩阵，对角矩阵Λ表达式为：Λ＝diag{[λ0，λ1，…，λL]}，
Figure BDA0002610355200000083
l＝0，
Figure BDA0002610355200000085
l＝1…，L；
根据时间反演似然比检测器
Figure BDA0002610355200000086
得到检测统计量，将所述检测统计量与预设检测门限ηTR进行比较判断动目标是否存在。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
本发明提供的基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，有效利用多径提升检测器信道动目标检测性能，同时对信道参数估计，将目标运动带来的信道变化加入到检测器中，以提高检测器对环境的鲁棒性和目标检测概率。
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为本发明实施例提供的一种基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法的流程示意图；
图2为本发明实施例提供的几种检测器对应的目标检测概率的对比结果示意图；
图3为本发明实施例提供的几种检测器随多径数目变化的目标检测概率的对比结果示意图；
图4为本发明实施例提供的几种检测器随信道相关系数变化的目标检测概率的对比结果示意图。
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。
实施例一
现有的信道目标检测方法，不能有效利用多径，反而会因为多径散射，降低了检测性能；同时，检测过程大多以目标静止且信道固定为假设条件，这大大限制了其应用场合，且目标运动会严重降低雷达检测能力。因此，请参见图1，图1为本发明实施例提供的一种基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法的流程示意图。本发明实施例提供了一种基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，该基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法包括以下步骤：
步骤1、接收散射环境中的M次快拍常规回波信号，并对M次快拍常规回波信号进行最大似然估计得到目标响应估计值，其中，M为大于0的整数。
具体而言，本实施例步骤1中从散射环境中接收M次快拍常规回波信号，第m次快拍常规回波信号表达式可以表示为：
Figure BDA0002610355200000091
其中，xm(t)为第m次快拍常规回波信号，s(t)为散射环境中的常规发射信号，vm(t)为第m次快拍的加性复高斯白噪声，该加性复高斯白噪声vm(t)服从均值为0、方差为
Figure BDA0002610355200000092
的复高斯分布，h(t)为常规发射信号s(t)传输过程中前向信道响应，前向信道响应h(t)中包含L条传播路径，第l条传播路径的前向信道脉冲响应表达式可以表示为：
hl(t)＝αlδ(t-τl),l＝1,…,L；
其中，hl(t)为第l条传播路径的前向信道脉冲响应，αl为第l条传播路径的幅度衰减系数，幅度衰减系数αl服从均值为0、方差为
Figure BDA0002610355200000108
的复高斯分布，τl为第l条传播路径的时延，由于仅考虑脉内多径叠加，则多径信号时延均小于常规发射信号s(t)的时宽T，δ(t)为狄拉克函数，ωc＝2πfc，fc为中心频率，βl为常规发射信号s(t)传输过程的前向信道中第l条传播路径对应的多普勒频移因子，r(t)定义为目标响应信号，则对M次快拍常规回波信号进行最大似然估计得到目标响应估计值表达式为：
Figure BDA0002610355200000101
其中，
Figure BDA0002610355200000102
为目标响应估计值。
步骤2、对目标响应估计值在时域反转并做能量标准化得到时间反演发射信号，将时间反演发射信号重新发射到散射环境中，再接收散射环境中的时间反演回波信号。
具体而言，传统的时间反演回波信号是对接收的常规回波信号直接进行时域反转，本实施例先对信道接收的常规回波信号进行最大似然估计，具体地，步骤2中对目标响应估计值
Figure BDA0002610355200000103
在时域反转并做能量标准化得到时间反演发射信号
Figure BDA0002610355200000104
其中，
Figure BDA0002610355200000105
为目标响应估计值
Figure BDA0002610355200000106
在时域反转的信号，k为能量标准化系数，用来保证时间反演发射信号
Figure BDA0002610355200000107
的能量与常规发射信号s(t)能量一致，能量标准化系数k表达式可以表示为：
Figure BDA0002610355200000111
其中，Es为常规发射信号s(t)的能量，能量Es表达式可以表示为：
Figure BDA0002610355200000112
接着，将时间反演发射信号
Figure BDA0002610355200000113
重新发射到散射环境中，则再次接收到的时间反演回波信号表达式可以表示为：
Figure BDA0002610355200000114
其中，y(t)为时间反演回波信号，
Figure BDA0002610355200000115
为时间反演发射信号
Figure BDA0002610355200000116
传输过程的后向信道中第l条传播路径对应的多普勒频移因子，由于将信道变化统一视为信道扰动项∈(t)，因此可以认为
Figure BDA0002610355200000117
与βl相等，w(t)为时间反演发射信号
Figure BDA0002610355200000118
重新发射到散射环境中的复高斯白噪声为服从均值为0，方差为
Figure BDA0002610355200000119
的复高斯白噪声，复高斯白噪声w(t)，z1(t)为聚焦信号响应，z2(t)为扰动信号响应，
Figure BDA00026103552000001110
为时间反演发射信号
Figure BDA00026103552000001111
传输过程的后向信道响应，由于目标运动会导致信道响应发生变化，因此
Figure BDA00026103552000001112
与h(t)不同，但在短时间内，目标运动并不会造成两者完全独立，而是具有一定的相关性，因此，后向信道响应
Figure BDA00026103552000001113
表达式可以表示为：
Figure BDA0002610355200000121
其中，∈(t)为目标运动造成的信道扰动，信道扰动∈(t)服从均值为0、方差为
Figure BDA0002610355200000122
的复高斯分布，ρ为前向信道与后向信道的相关系数，本实施例时间反演前后多径数目均相等，相关系数ρ表达式为：
Figure BDA0002610355200000123
其中，
Figure BDA0002610355200000124
为幅度衰减系数αl的方差，
Figure BDA0002610355200000125
为信道扰动∈(t)的方差。
步骤3、对M次快拍常规回波信号进行时域采样，并根据时域采样后的M次快拍常规回波信号估计多径幅度衰减系数估计值，根据目标响应估计值估计得到多径时延估计值。
具体而言，本实施例步骤3中对M次快拍常规回波信号进行时域采样，并根据时域采样后的M次快拍常规回波信号估计多径幅度衰减系数包括：
对第m次常规回波信号xm(t)进行时域采样，采样频率为fs，则第m次常规回波信号的时域离散表达式为：
Figure BDA0002610355200000126
其中，n表示第n个采样点，且n＝0,…,N-1，N为总采样数，
Figure BDA0002610355200000127
为第l条传播路径时延τl相应的离散采样起始点，r(n)和vm(n)分别为目标响应信号r(t)和第m次快拍的加性复高斯白噪声vm(t)的离散采样，则第m次快拍的常规回波信号xm(t)离散后的向量表达式为：
xm＝[xm(0),…,xm(N-1)]T；
对M次快拍常规回波信号的时域采样结果取平均得到时域采样后的M次快拍常规回波信号，时域采样后的M次快拍常规回波信号表达式为：
Figure BDA0002610355200000131
根据多普勒频移因子
Figure BDA0002610355200000132
组合得到L条传播路径及N个采样点的采样矩阵，采样矩阵的表达式为：
Figure BDA0002610355200000133
根据时域采样后的M次快拍常规回波信号x和采样矩阵Δ进行最大似然估计得到多径幅度衰减系数估计值，多径幅度衰减系数估计值表达式为：
Figure BDA0002610355200000134
其中，
Figure BDA0002610355200000135
为多径幅度衰减系数估计值，SCO＝[s1,…,sL]N×L，SCO中的每一列sl为
Figure BDA0002610355200000136
⊙为求哈达玛积，经求解多径幅度衰减系数
Figure BDA0002610355200000137
表示为：
Figure BDA0002610355200000138
其中，
Figure BDA0002610355200000139
为第l条传播路径对应的幅度衰减系数估计值。
接着，根据目标响应估计值估计多径时延，具体地本实施例采用匹配滤波方法来估计时延，用信号s*(-t)对目标响应估计值
Figure BDA00026103552000001310
进行匹配滤波得到匹配滤波结果，从匹配滤波结果中提取前L个峰值点对应的时延作为多径时延估计值
Figure BDA00026103552000001311
多径时延估计值
Figure BDA00026103552000001312
表达式为：
Figure BDA00026103552000001313
Figure BDA00026103552000001314
为第l条传播路径的时延估计值。
步骤4、对时间反演回波信号进行时域采样，根据时域采样后的时间反演回波信号、多径时延估计值和多径幅度衰减系数估计值估计信道扰动方差。
具体而言，步骤4中在估算信道扰动方差前，先对时间反演回波信号进行时域采样，根据时域采样后的时间反演回波信号、多径时延估计值和多径幅度衰减系数估计值估计信道扰动方差，具体地：
对时间反演回波信号y(t)进行时域采样，采样频率为fs，则时间反演回波信号y(t)的时域离散表达式为：
y(n)＝z1(n)+z2(n)+w(n),n＝0,…,N-1；
其中，z1(n)、z2(n)和w(n)分别为聚焦信号响应z1(t)、扰动信号响应z2(t)和复高斯白噪声w(t)的离散采样，则时域采样后的时间反演回波信号向量表达式为：
y＝[y(0),…,y(N-1)]T；
根据多径时延估计值
Figure BDA0002610355200000141
和多径幅度衰减系数估计值
Figure BDA0002610355200000142
更新离散后的聚焦信号响应z1(n)和离散后的扰动信号响应z2(n)，更新后的聚焦信号响应表达式为：
Figure BDA0002610355200000143
更新后的扰动信号响应表达式为：
Figure BDA0002610355200000144
将更新后的聚焦信号响应
Figure BDA0002610355200000145
和更新后的扰动信号响应
Figure BDA0002610355200000146
作为已知量用来估计信道扰动方差，信道扰动方差表达式可以表示为：
Figure BDA0002610355200000147
其中，Var(·)为计算协方差，
Figure BDA0002610355200000148
为多径幅度衰减系数估计值
Figure BDA0002610355200000149
对应的方差。
步骤5、时间反演似然比检测器根据多径时延估计值、多径幅度衰减系数估计值、信道扰动方差和时域采样后的时间反演回波信号输入计算检测统计量，根据检测统计量判断动目标是否存在，以完成信道动目标的检测。
具体而言，本实施例时间反演检测问题可以看做是一个二元假设检验，采用对数似似然比来解决，具体地时间反演似然比检测器表达式可以表示为：
Figure BDA0002610355200000151
其中，
Figure BDA0002610355200000158
为时间反演似然比检测器，STR为由常规发射信号s(t)构成的矩阵，矩阵STR表达式为：STR＝[s′0,s′1,…,s′L]N×(L+1)，
Figure BDA0002610355200000153
s′l为第l列是常规发射信号第l条传播路径对应的时延估计值，ΘTR为厄米特矩阵，厄米特矩阵ΘTR表达式为：
Figure BDA0002610355200000154
Figure BDA0002610355200000157
为复高斯白噪声w(t)的方差，(·)T为求转置操作，(·)-1为求逆操作，(·)*为求共轭操作，Λ为对角矩阵，对角矩阵Λ表达式为：Λ＝diag{[λ0，λ1，…，λL]}，
Figure BDA0002610355200000155
l＝0，
Figure BDA0002610355200000159
l＝1…，L；
根据上述得到的时间反演似然比检测器
Figure BDA0002610355200000156
进行检测统计量计算，将检测统计量与预设检测门限ηTR进行比较判断动目标是否存在，若检测统计量大于或等于预设检测门限ηTR，则目标存在，若检测统计量小于预设检测门限ηTR，则目标不存在。预设检测门限ηTR根据实际需要进行设置。重复上述步骤1～5，以完成信道所有动目标的检测。
为了验证本申请提出的基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，降通过以下仿真实验作进一步说明：
(1)、仿真条件
常规发射信号s(t)为线性调频信号，时宽5μs，带宽20MHz，采样率fs为20MHz；幅度衰减系数方差
Figure BDA0002610355200000161
为2；虚警概率为0.01。
(2)、仿真内容
仿真1：请参见图2，图2为本发明实施例提供的几种检测器对应的目标检测概率的对比结果示意图，比较五种不同检测器在变信道背景下的检测性能，这五种检测器包括：常规能量检测器、时间反演-广义似然比检测器、时间反演(信道无扰动)检测器、常规似然比检测器和本申请的时间反演似然比检测器，其中，常规能量检测器和时间反演-广义似然比检测器均假设前后向信道一致且目标静止，时间反演(信道无扰动)检测器适用于运动目标，但是要求前后向信道一致，常规似然比检测器是以常规回波为基础进行的时间反演似然比检测器。检测过程中，多径数目L为30，信道扰动方差
Figure BDA0002610355200000162
为1.7，即信道相关系数ρ≈0.387。由图2可以看到，本申请提出的检测器性能最优，且常规能量检测器性能最差。时间反演检测器均能利用多径提高检测概率，但在信道变化时，时间反演-广义似然比检测器效果变差，且时间反演(信道无扰动)检测器虽然考虑了目标运动，但是由于假设信道固定，所有检测性能低于本申请提出的变信道动目标检测器。
仿真2：请参见图3，图3为本发明实施例提供的几种检测器随多径数目变化的目标检测概率的对比结果示意图，比较不同多径数目对三种检测器性能影响，这三种检测器包括：时间反演(信道无扰动)检测器、常规似然比检测器和本申请的时间反演似然比检测器。检测过程中，信道扰动方差
Figure BDA0002610355200000163
为1.7。由图3可以看到，三种检测器均随着多径数目增加而提升检测概率，但是本申请提出的时间反演似然比检测器性能最优，且随着多径数目增加，其检测概率提升最快。
仿真3：请参见图4，图4为本发明实施例提供的几种检测器随信道相关系数变化的目标检测概率的对比结果示意图，比较不同信道相关性对三种检测器检测性能影响，这三种检测器包括：时间反演(信道无扰动)检测器、常规似然比检测器和本申请的时间反演似然比检测器。检测过程中，多径数目为20，信道相关系数从0.1变化到0.95。由图4可以看到，随着相关系数降低，时间反演(信道无扰动)检测器性能急剧下降，甚至低于常规似然比检测器，但是本申请提出的时间反演变信道动目标检测器仍然具有较好的检测性能。
综上所述，本实施例提供的基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，有效利用多径提升检测器信道动目标检测性能，同时对信道参数估计，将目标运动带来的信道变化加入到检测器中，以提高检测器对环境的鲁棒性和目标检测概率。
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 (8)

1.一种基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、接收散射环境中的M次快拍常规回波信号，并对所述M次快拍常规回波信号进行最大似然估计得到目标响应估计值，其中，M为大于0的整数；
步骤2、对所述目标响应估计值在时域反转并做能量标准化得到时间反演发射信号，将所述时间反演发射信号重新发射到所述散射环境中，再接收所述散射环境中的时间反演回波信号；
步骤3、对所述M次快拍常规回波信号进行时域采样，并根据时域采样后的M次快拍常规回波信号估计多径幅度衰减系数估计值，根据所述目标响应估计值估计得到多径时延估计值；
步骤4、对所述时间反演回波信号进行时域采样，根据时域采样后的时间反演回波信号、所述多径时延估计值和所述多径幅度衰减系数估计值估计信道扰动方差；
步骤5、时间反演似然比检测器根据所述多径时延估计值、所述多径幅度衰减系数估计值、所述信道扰动方差和所述时域采样后的时间反演回波信号计算检测统计量，根据所述检测统计量判断动目标是否存在，以完成信道动目标的检测。
2.根据权利要求1所述的基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，其特征在于，所述步骤1中接收的第m次快拍常规回波信号表达式为：
Figure FDA0002610355190000021
其中，xm(t)为第m次快拍常规回波信号，s(t)为散射环境中的常规发射信号，vm(t)为第m次快拍的加性复高斯白噪声，h(t)为常规发射信号传输过程中前向信道响应，前向信道响应h(t)中包含L条传播路径，第l条传播路径的前向信道脉冲响应表达式为：
hl(t)＝αlδ(t-τl),l＝1,…,L；
其中，hl(t)为第l条传播路径的前向信道脉冲响应，αl为第l条传播路径的幅度衰减系数，τl为第l条传播路径的时延，δ(t)为狄拉克函数，ωc＝2πfc，fc为中心频率，βl为常规发射信号传输过程的前向信道中第l条传播路径对应的多普勒频移因子，r(t)定义为目标响应信号，则对所述M次快拍常规回波信号进行最大似然估计得到所述目标响应估计值表达式为：
Figure FDA0002610355190000022
其中，
Figure FDA0002610355190000023
为目标响应估计值。
3.根据权利要求2所述的基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，其特征在于，所述步骤2中所述时间反演发射信号为
Figure FDA0002610355190000024
其中，
Figure FDA0002610355190000025
为所述目标响应估计值
Figure FDA0002610355190000026
在时域反转的信号，k为能量标准化系数，所述能量标准化系数k表达式为：
Figure FDA0002610355190000027
其中，Es为常规发射信号的能量，所述能量Es表达式为：
Figure FDA0002610355190000031
4.根据权利要求3所述的基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，其特征在于，所述步骤2中接收的所述时间反演回波信号表达式为：
Figure FDA0002610355190000032
其中，y(t)为时间反演回波信号，
Figure FDA0002610355190000033
为时间反演发射信号
Figure FDA0002610355190000034
传输过程的后向信道中第l条传播路径对应的多普勒频移因子，
Figure FDA0002610355190000035
与βl相等，w(t)为时间反演发射信号
Figure FDA0002610355190000036
重新发射到散射环境中的复高斯白噪声，z1(t)为聚焦信号响应，z2(t)为扰动信号响应，
Figure FDA0002610355190000037
为时间反演发射信号
Figure FDA0002610355190000038
传输过程的后向信道响应，后向信道响应
Figure FDA0002610355190000039
表达式为：
Figure FDA00026103551900000310
其中，∈(t)为目标运动造成的信道扰动，ρ为前向信道与后向信道的相关系数，相关系数ρ表达式为：
Figure FDA0002610355190000041
其中，
Figure FDA0002610355190000042
为幅度衰减系数αl的方差，
Figure FDA0002610355190000043
为信道扰动∈(t)的方差。
5.根据权利要求4所述的基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，其特征在于，所述步骤3中对所述M次快拍常规回波信号进行时域采样，并根据时域采样后的M次快拍常规回波信号估计多径幅度衰减系数包括：
对第m次常规回波信号xm(t)进行时域采样，采样频率为fs，则第m次常规回波信号的时域离散表达式为：
Figure FDA0002610355190000044
其中，n表示第n个采样点，且n＝0,…,N-1，N为总采样数，
Figure FDA0002610355190000047
为第l条传播路径时延τl相应的离散采样起始点，r(n)和vm(n)分别为目标响应信号r(t)和第m次快拍的加性复高斯白噪声vm(t)的离散采样，则第m次快拍的常规回波信号xm(t)离散后的向量表达式为：
xm＝[xm(0),…,xm(N-1)]T；
对所述M次快拍常规回波信号的时域采样结果取平均得到时域采样后的M次快拍常规回波信号，所述时域采样后的M次快拍常规回波信号表达式为：
Figure FDA0002610355190000045
根据多普勒频移因子
Figure FDA0002610355190000046
组合得到L条传播路径及N个采样点的采样矩阵，所述采样矩阵的表达式为：
Figure FDA0002610355190000051
根据所述时域采样后的M次快拍常规回波信号x和所述采样矩阵Δ进行最大似然估计得到所述多径幅度衰减系数估计值，所述多径幅度衰减系数估计值表达式为：
Figure FDA0002610355190000052
其中，
Figure FDA0002610355190000053
为多径幅度衰减系数估计值，SCO＝[s1,…,sL]N×L，SCO中的每一列sl为
Figure FDA0002610355190000054
⊙为求哈达玛积，经求解所述多径幅度衰减系数
Figure FDA0002610355190000055
表示为：
Figure FDA0002610355190000056
其中，
Figure FDA0002610355190000057
为第l条传播路径对应的幅度衰减系数估计值。
6.根据权利要求5所述的基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，其特征在于，所述步骤3中根据所述目标响应估计值估计多径时延包括：
用信号s*(-t)对所述目标响应估计值
Figure FDA0002610355190000058
进行匹配滤波得到匹配滤波结果；
从所述匹配滤波结果中取前L个峰值点对应的时延作为多径时延估计值
Figure FDA0002610355190000059
所述多径时延估计值
Figure FDA00026103551900000510
表达式为：
Figure FDA00026103551900000511
Figure FDA00026103551900000512
为第l条传播路径的时延估计值。
7.根据权利要求6所述的基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，其特征在于，所述步骤4中对所述时间反演回波信号进行时域采样，根据时域采样后的时间反演回波信号、所述多径时延估计值和所述多径幅度衰减系数估计值估计信道扰动方差包括：
对所述时间反演回波信号y(t)进行时域采样，采样频率为fs，则所述时间反演回波信号y(t)的时域离散表达式为：
y(n)＝z1(n)+z2(n)+w(n),n＝0,…,N-1；
其中，z1(n)、z2(n)和w(n)分别为聚焦信号响应z1(t)、扰动信号响应z2(t)和复高斯白噪声w(t)的离散采样，则时域采样后的时间反演回波信号向量表达式为：
y＝[y(0),…,y(N-1)]T；
根据所述多径时延估计值
Figure FDA0002610355190000061
和所述多径幅度衰减系数估计值
Figure FDA0002610355190000062
更新离散后的聚焦信号响应z1(n)和离散后的扰动信号响应z2(n)，更新后的聚焦信号响应表达式为：
Figure FDA0002610355190000063
更新后的扰动信号响应表达式为：
Figure FDA0002610355190000064
根据更新后的聚焦信号响应和更新后的扰动信号响应估计所述信道扰动方差，所述信道扰动方差表达式为：
Figure FDA0002610355190000065
其中，Var(·)为计算协方差，
Figure FDA0002610355190000066
为多径幅度衰减系数估计值
Figure FDA0002610355190000067
的方差。
8.根据权利要求7所述的基于时间反演技术的单天线变信道动目标检测方法，其特征在于，所述步骤5中时间反演似然比检测器表达式为：
Figure FDA0002610355190000068
其中，
Figure FDA0002610355190000075
为时间反演似然比检测器，STR为由常规发射信号构成的矩阵，矩阵STR表达式为：STR＝[s′0,s′1,…,s′L]N×(L+1)，
Figure FDA0002610355190000071
s′l为第l列是常规发射信号第l条传播路径对应的时延估计值，ΘTR为厄米特矩阵，厄米特矩阵ΘTR表达式为：
Figure FDA0002610355190000072
Figure FDA0002610355190000073
为复高斯白噪声w(t)的方差，(·)T为求转置操作，(·)-1为求逆操作，(·)*为求共轭操作，Λ为对角矩阵，对角矩阵Λ表达式为：Λ＝diag{[λ0，λ1，…，λL]}
Figure FDA0002610355190000074
根据时间反演似然比检测器
Figure FDA0002610355190000076
得到检测统计量，将所述检测统计量与预设检测门限ηTR进行比较判断动目标是否存在。
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