CN112986939A - 一种多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，包括：得到直达回波功率和多径回波功率；根据直达回波功率和多径回波功率得到综合多径反射系数；得到第m个阵元的快时间采样的目标回波数据；得到同一目标的直达回波距离和多径回波距离对应的目标直达数据和目标多径数据；得到快时间数据；对每个脉冲的所述快时间数据进行恒虚警检测以得到检测结果。本发明方法分析了在多径环境下机载相控阵雷达的综合多径反射系数的特点；分析了在多径环境下机载相控阵雷达的直达回波和多径回波的复包络特点；利用非相干积累方法提高了机载相控阵雷达在多径环境下在目标距离单元处的输出增益，提高了系统的检测概率。

Description

一种多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法

技术领域

本发明属于机载雷达信号处理技术领域，具体涉及一种多径环境下 机载相控阵雷达信号检测方法。

背景技术

雷达的工作机制是先通过发射电磁波，然后接收从目标表面后向散射 回的电磁回波，再对电磁回波数据进行分析、检测的一种工作过程。其中 对电磁回波数据进行分析、检测过程的目的是检测目标，然后对目标进行 参数估计，得到目标的方位、高度以及速度等信息。因而信号检测是雷达 进行信号处理的重要内容。

机载雷达是将天线阵列放置在空中飞行的载体上的一种雷达体制。当 天线阵放置在高空中飞行的载机上时，此时机载雷达的视角大，可以探测 到地基雷达无法探测到的目标。高精度的机载雷达可以快速精确锁定地面 目标，配合地面力量摧毁敌方目标。因此机载雷达性能好坏是未来战场上 夺取制空权的关键指标。

多径现象是指电磁波从雷达某个固定方向发射出去后，经过目标表面 的后向散射后，有两个或多个目标方向的回波信号反射回来。如果雷达信 号处理时并不知道此时的回波中有多径回波信号时，将导致在信号处理时 无法和接收到的回波信号模型完全匹配，直接影响目标的检测性能，一般 地基米波雷达在低仰角测高时容易发生多径现象。实际上，在机载雷达中 也经常有多径现象发生，特别是机载雷达在平静的海面上飞行时，平静海 面相当于一个强的反射体，目标的直达信号除了通过直达路径返回到雷达 外，还通过海面的强镜面反射回雷达。如果机载雷达仍然认为此时只有直 达信号，那么在多径信号的影响下，最后将导致雷达可能无法正确的检测 到目标信号，直接影响到后续雷达系统对目标的定位、跟踪。

机载雷达在多径环境下，还存在着直达信号和多径回波在目标处的夹 角大的特点。直达回波和多径回波之间的几何关系决定了直达回波信号和 多径回波信号在目标处的夹角大小，过大的直达回波和多径回波在目标处 的夹角，就有可能导致在多径方向上等效的雷达散射截面积大于直达方向 上等效的散射截面积，进而导致多径回波方向的接收功率大于直达回波方 向上的接收功率，因此在信号检测时若仍然只用直达信号作为检测数据， 那么在恒虚警检测(CFAR，Constant False-Alarm Rate)时很有可能导致漏检。

因此，机载相控阵雷达在多径环境下的信号检测面临的情况更复杂， 是一个需要重点关注的问题。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种多径环境下 机载相控阵雷达信号检测方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术 方案实现：

一种多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，包括如下步骤：

步骤1、根据机载雷达的参数得到直达回波功率P_d和多径回波功 率P_i；

步骤2、基于综合多径反射系数计算模型，根据所述直达回波功 率P_d和所述多径回波功率P_i得到综合多径反射系数；

步骤3、对每个阵元的回波数据进行脉冲压缩，根据第m个阵元 的直达回波信号、第m个阵元的多径回波信号和所述综合多径反射系 数得到第m个阵元的快时间采样的目标回波数据；

步骤4、根据所述目标回波数据和仰角波位得到目标的多径回波 数据所在的距离单元，以得到同一目标的直达回波距离和多径回波 距离对应的目标直达数据和目标多径数据；

步骤5、基于平方律检波，将所述目标多径数据加到直达距离单 元中，实现目标直达数据和目标多径数据的非相干积累，得到快时 间数据；

步骤6、对每个脉冲的所述快时间数据进行恒虚警检测以得到检测 结果。

在本发明的一个实施例中，所述直达回波功率P_d和所述多径回波 功率P_i的计算公式分别为：

其中，P_t,d、P_t,i分别是雷达直达方向的发射功率和多径方向的发射功 率，且P_t,d＝P_t,i，G_t,d、G_t,i都是雷达直达方向的发射天线增益和多径方向 的发射天线增益，且G_t,d＝G_t,i，G_r,d、G_r,i分别是直达方向的接收增益和多 径方向的接收增益，且G_r,i＝εG_r,d，ε是接收增益的损耗，|ε|＜1，λ是波 长，σ_d和σ_i分别是直达方向和多径方向的散射截面积，R_d为目标的直达 回波距离，R_i为目标的多径回波距离。

在本发明的一个实施例中，所述综合多径反射系数计算模型为：

其中，ρ为综合多径反射系数。

在本发明的一个实施例中，所述目标回波数据的计算公式为：

X_m(t)＝s_m(t-τ_rd(θ_d,f_d))+ρs_m(t-τ_ri(θ_i,f_i))

其中，X_m(t)是第m个阵元的快时间采样的目标回波数据， s_m(t-τ_rd(θ_d,f_d))是第m个阵元的直达回波信号，ρs_m(t-τ_ri(θ_i,f_i))是第m 个阵元的多径回波信号，t是时间序列，τ_rd是直达回波信号的时延，θ_d是直 达回波信号的仰角，f_d是直达回波信号的多普勒频率，ρ是综合多径反射 系数，τ_ri是多径回波信号的时延，θ_i是多径回波信号的仰角，f_i是多径回波信号的多普勒频率。

在本发明的一个实施例中，所述多径回波信号与所述直达回波信号 的时延差Δτ为：

其中，τ_i是多径回波信号与参考阵元的时延，τ_d是直达回波信号回波 到阵列的参考阵元的时延，R_i为目标的多径回波距离，R_d为目标的直达回 波距离，c是光速；

并且，

其中，g_m(t-τ_rd(θ_d,f_d))是直达回波信号的复包络，g_m(t-τ_ri(θ_i,f_i)) 是多径回波信号的复包络。

在本发明的一个实施例中，所述快时间数据的计算公式为：

|X_{d_i}|²＝|X_d|²+|X_i|²

其中，|X_{d_i}|²每个脉冲的快时间数据，|X_d|²和|X_i|²分别是每个脉冲在 直达距离单元的输出和多径距离单元的输出。

在本发明的一个实施例中，所述恒虚警为平均恒虚警。

在本发明的一个实施例中，所述恒虚警的标称因子T为：

其中，P_fa是虚警概率，N是参考单元数。

在本发明的一个实施例中，在所述步骤6之后，还包括：

步骤7、计算单脉冲非相干积累后的检测概率。

在本发明的一个实施例中，所述检测概率的计算公式为：

其中，P_d是检测概率，S′是阈值，

X_i是第i个快 时间数据，T是标称因子，N是参考单元数，μ为背景噪声功率，n′＝2N， z是计算检测概率的中间变量，

P_s是直达和多径 回波功率大小，A是信号幅度大小，ρ是综合多径反射系数，Q_M(·)是 Marcum的Q函数，I₁(·)是修正的一阶贝塞尔函数。

本发明的有益效果：

本发明方法给出了多径环境下机载相控阵雷达的信号模型；分析了在 多径环境下机载相控阵雷达的综合多径反射系数的特点；分析了在多径环 境下机载相控阵雷达的直达回波和多径回波的复包络特点；利用非相干积 累方法提高了机载相控阵雷达在多径环境下在目标距离单元处的输出增 益，进而提高了系统的检测概率，同时给出了检测概率的表达式。

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多径环境下机载相控阵雷达信号检 测方法的流程示意图；

图2是本发明实施例提供的一种多径环境下机载相控阵雷达的信号模 型图；

图3是本发明实施例提供的一种多径环境下机载相控阵雷达非相干积 累的信号检测流程图；

图4是本发明实施例提供的一种多径环境下直达回波信号和多径回波 信号在目标处的夹角图；

图5是本发明实施例提供的一种单脉冲下原始方法和非相干积累方法 在目标处的输出增益图；

图6是本发明实施例提供的一种随着综合多径反射系数变化的非相干 积累信号检测概率图；

图7是本发明实施例提供的一种随着虚警概率变化的非相干积累信号 检测概率图。

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

请参见图1，图1是本发明实施例提供的一种多径环境下机载相控阵 雷达信号检测方法的流程示意图。本实施例提供一种多径环境下机载相 控阵雷达信号检测方法，该多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法 包括步骤1-步骤6，其中：

步骤1、根据机载雷达的参数得到直达回波功率P_d和多径回波功率 P_i。

具体地，机载雷达的多径问题相比于地基雷达而言，最大的特点 就是直达回波信号和多径回波信号之间的距离差大，导致直达回波信 号和多径回波信号的数据不在同一距离单元中，并且导致了直达回波 信号和多径回波信号在目标处的夹角变大，过大的夹角就会导致直达 回波信号等效的散射截面积(RCS，Radar Cross Section)比多径回波信 号等效的RCS小，进而导致多径回波信号功率大于直达回波信号功率 的情况。

当电磁波辐射到目标后，面对的是一个复杂的散射体，散射截面 积不仅和电磁波照射到目标的角度有关，还和飞行姿态、目标的表面 材料等有关。因此很难通过一个固定的模型来表征直达回波信号和多 径回波信号的回波功率大小，但是它们之间的关系可以通过经典的雷 达方程推导出来。接下来通过雷达方程分析在多径环境下机载相控阵 雷达的综合多径反射系数特点。

其中，直达回波功率P_d和多径回波功率P_i的计算公式分别为：

其中，P_t,d、P_t,i分别是雷达直达方向的发射功率和多径方向的发射功 率，且P_t,d＝P_t,i，G_t,d、G_t,i都是雷达直达方向的发射天线增益和多径方向 的发射天线增益，且G_t,d＝G_t,i，G_r,d、G_r,i分别是直达方向的接收增益和多 径方向的接收增益，且G_r,i＝εG_r,d，ε是接收增益的损耗，|ε|＜1，λ是波 长，σ_d和σ_i分别是直达方向和多径方向的散射截面积，R_d为目标的直达 回波距离，R_i为目标的多径回波距离。

步骤2、基于综合多径反射系数计算模型，根据直达回波功率P_d和 多径回波功率P_i得到综合多径反射系数。

具体地，综合多径反射系数计算模型为：

其中，ρ为综合多径反射系数。

也就是说，|ρ|是否大于1由上式决定。ε主要由地面反射区的性质 决定，在地基雷达中，一般米波雷达低仰角测高时会出现多径现象， 此时的σ_i/σ_d和

都约为1，因此此时多径的反射系数的幅度主要 由反射面的损耗决定。在机载相控阵雷达的环境下，此时σ_i/σ_d和

不再等效为1了，需要具体考虑。

步骤3、对每个阵元的回波数据进行脉冲压缩，根据第m个阵元的 直达回波信号、第m个阵元的多径回波信号和综合多径反射系数得到 第m个阵元的快时间采样的目标回波数据。

具体地，图2是机载相控阵雷达存在多径时的直达回波信号和多径 回波信号的信号模型图。通过图2可以看到，直达回波信号和多径回波 信号在不同的距离单元，因此在快时间采样后，对采样的回波数据进 行脉冲压缩，可以检测到直达信号距离R_d和多径信号距离R_i。进而确 定直达回波信号与接收天线中参考阵元的时延τ_d＝2R_d/c以及多径回 波信号与接收天线中参考阵元的时延τ_i＝(R_d+R_i)/c，其中，c是光速， R_i＝R₁+R₂，R₁、R₂请参见图2。

接下来分析机载相控阵雷达在多径环境下直达回波信号和多径回 波信号的信号模型特点。在不考虑噪声的情况下，第m个阵元的快时 间采样的目标回波数据为：

X_m(t)＝s_m(t-τ_rd(θ_d,f_d))+ρs_m(t-τ_ri(θ_i,f_i))

其中，X_m(t)是第m个阵元的快时间采样的目标回波数据，受直达 回波RCS、多径回波RCS、信号的损耗等影响，s_m(t-τ_rd(θ_d,f_d))是第m 个阵元的直达回波信号，ρs_m(t-τ_ri(θ_i,f_i))是第m个阵元的多径回波信号， t是时间序列，τ_rd是直达回波信号的时延，θ_d是直达回波信号的仰角，f_d是 直达回波信号的多普勒频率，ρ是综合多径反射系数，τ_ri是多径回波信号 的时延，θ_i是多径回波信号的仰角，f_i是多径回波信号的多普勒频率。

其中，第m个阵元的直达回波信号s_m(t-τ_rd(θ_d,f_d))可以进一步表示 为：

其中，g_m(t-τ_rd(θ_d,f_d))是发射LFM(线性调频)信号的第m个阵元 的直达回波信号的复包络，f_c是发射载频，τ_sm(θ_d)是直达回波信号在 第m个阵元与参考阵元间的波程差产生的时延，τ_d,k(f_d)是第k个脉冲 与参考脉冲间在第τ_d时刻时直达回波信号与雷达之间的径向速度V_d引 起的路程差导致的时延，c是光速，

是相邻阵元间的距离，τ_d是直达 回波信号到阵列的参考阵元的时延，g_m(t)是发射LFM信号的复包络， θ_d是直达回波信号的仰角，f_d是直达回波信号的多普勒频率。

其中，第m个阵元的多径回波信号ρs_m(t-τ_ri(θ_i,f_i))可以进一步表示 为：

其中，g_m(t-τ_ri(θ_i,f_i))是发射LFM信号的第m个阵元的多径回波信 号的复包络，θ_i是多径回波信号的仰角，f_i是多径回波信号的多普勒频 率，τ_sm(θ_i)是多径回波信号在第m个阵元与参考阵元间的波程差产生 的时延，τ_i,k(f_i)是第k个脉冲与参考脉冲间在第τ_i时刻多径回波信号与 雷达之间的径向速度V_i引起的路程差导致的时延，τ_i是多径回波信号与参考阵元的时延。

根据直达回波信号和多径回波信号的距离，可知多径回波信号与直 达回波信号的时延差Δτ为：

其中，τ_i是多径回波信号与参考阵元的时延，τ_d是直达回波信号回波 到阵列的参考阵元的时延，R_i为目标的多径回波距离，R_d为目标的直达 回波距离，c是光速。

由于直达回波信号和多径回波信号在不同的距离单元中，因此多普 勒频率f_d、f_i可以通过慢时间采样数据求得。因此通过直达信号模型、 多径信号模型、估计的多普勒频率和时延差Δτ，可以确定直达回波信 号和多径回波信号之间的信号相位关系。然而，在机载雷达中，由于 直达回波信号和多径回波信号的距离差很大，因此Δτ＞1/f_s，其中f_s是 采样频率。这样就导致在离散采样时，直达回波信号与多径回波信号的 复包络延迟导致复包络中的随机初相是未知的，进而导致它们的复包 络不再近似相等，即

因此即使能确 定直达回波信号和多径回波信号的相位关系，但是由于复包络受时延的 影响，将不能直接通过联合导向矢量类的方法检测目标信号了。

步骤4、根据目标回波数据和仰角波位得到目标的多径回波数据 所在的距离单元，以得到同一目标的直达回波距离和多径回波距离对 应的目标直达数据和目标多径数据。

具体地，在实际信号检测时，是无法直接知道直达回波信号的多 径回波所在的距离单元，但是可以通过目标扫描的仰角波位和脉冲压 缩后的距离信息对目标多径距离单元进行预判。具体过程是，通过对 目标回波数据进行匹配滤波后，可以将直达距离和多径距离均检测出 来，根据目标回波数据、系统工作时的仰角波位为

机载雷达高度 为H、脉冲压缩后的距离为R_d，结合图2中的几何关系以及《雷达手 册(第二版)》第二版第49面到第51面的内容，可以计算出目标对 应的距离R_i，然后将R_i对应的距离单元中的数据经过平方律检波后加 到直达距离单元中，具体的工作流程见图3。

进一步地，利用直达回波数据和多径回波数据的非相干积累。检 测到直达回波信号和多径回波信号对应的距离单元R_d和R_i，然后在快 时间域对一个时间段的所有数据进行平方律检波，得到每个脉冲在直 达距离单元的输出|X_d|²和多径距离单元的输出|X_i|²，然后对直达回波 数据和多径回波数据进行非相干积累得到快时间数据，即：

|X_{d_i}|²＝|X_d|²+X_i|²

在单脉冲检测中将每个脉冲对应的|X_{d_i}|²数据整理到直达距离单 元中，因此直达距离单元中的目标信号功率为P_s＝(1+|ρ|²)A²，A²是目 标信号包络的平方。

步骤6、对每个脉冲的快时间数据进行恒虚警检测以得到检测结果。

一般雷达在工作时，一个驻留内会发射多个脉冲，但是为了叙述 方便，本实施例只讨论一个驻留内只发射一个脉冲的情况。

在图3中，将非相干积累后的快时间数据进行恒虚警检测(CFAR， ConstantFalse-Alarm Rate)。CFAR的自适应判决准则为：

其中，H₁表示目标存在，H₀表示目标不存在，D表示检测统计量， T表示标称化因子，Z表示估计出的杂波、噪声功率，也就是对杂波、噪声 包络的估计。为了简化过程，假设机载相控阵雷达在多径环境下的回波数 据中除了直达回波信号和多径波信号外，只有高斯白噪声。

图3中采用的CFAR方法是单元平均CFAR(CA-CFAR，CA-CFAR单 元平均恒虚警检测)。假设CA-CFAR检测器的背景噪声都服从复高斯分布， 因而背景噪声的数据包络x都是服从瑞利分布的变量。经过平方律检波器 后，背景噪声的变量

i＝1,2,…,L服从指数分布，即X_i～G(1,μ)， 其中G(α,β)是伽马函数，且α＝1时为指数分布，μ是噪声功率，L是快时 间采样数。

在CA-CFAR检测器中，假设参考单元个数为N＝2n，那么经过平方 律检波器后的背景噪声的平方和为：

因此Z的概率密度函数(PDF)为：

其中，*是卷积符号,f(·)表示概率密度函数。结合伽马函数性质，可 以进一步得到Z～G(N,μ)。按照虚警概率的定义，对Z的PDF从阈值S到 +∞进行积分，可以得到：

其中，P_fa是虚警概率，，

是不完全伽马函数， τ是计算虚警概率的中间变量。对于N＝1的独立数据样本采样，可得：

P_fa(S)＝e^-S/μ

因此在N＝1时的采样，可以得到阈值S和虚警概率P_fa的关系为：

S＝-μln P_fa

在CA-CFAR检测器中，阈值S的表达式为：

由于标称因子T为常数，因此阈值S的概率密度函数和

相同，N个 指数分布变量的和为伽马分布G(N,μ)。因此可以得到虚警概率的数学期望 P′_fa为：

在雷达系统设计时固定了虚警概率的数学期望P′_fa后，就可以求出标称 因子T为：

在一个具体实施例中，在所述步骤6之后，还包括：

步骤7、计算单脉冲非相干积累后的检测概率。

从步骤6的标称因子计算公式可以看到虚警概率不依赖背景噪声功率 μ，这也是CFAR的重要特点。

进一步可以计算出单个目标的检测概率为：

其中，P_d是检测概率，λ′是功率信噪比。

机载相控阵雷达存在多径时，直达回波信号和多径回波信号的角度和 多普勒频率不同，并且单个脉冲快时间采样的回波信号复包络不对齐，因 此直达回波信号和多径回波信号无法进行相干检测，但是机载雷达在地面 反射区较强的环境下，多径现象是存在的，特别是平静的海面上。机载相 控阵雷达在多径环境下探测目标时，由于多径信号实际上是直达回波信号 的“镜像”，因此考虑通过非相干积累的方式，将多径回波信号对应的距离单元中的数据在平方律检波后积累到直达距离单元中，然后再对非相干 积累后的数据进行CA-CFAR。

具体实施步骤是先进行脉冲压缩，检测到直达回波信号和多径回波信 号对应的距离单元R_d和R_i，然后在快时间域对数据进行平方律检波，得到 每个脉冲在直达距离单元的输出|X_d|²和多径距离单元的输出|X_i|²，然后对 直达数据和多径数据进行非相干积累，得到|X_{d_i}|²＝|X_d|²+|X_i|²。

在非相干积累完成后，对非相干积累后的数据进行CA-CFAR，最后 对CA-CFAR处理后的数据按照自适应判决准则进行判断，检测出目标。

通过上面分析可以发现在非相干检测时，虚警概率P_fa和标称因子T之 间的关系没有变，只是单脉冲的目标检测概率P_d发生了变化。具体来说， 雷达系统设定了虚警概率P_fa后，CA-CFAR的标称因子T为

此时直达回波信号和多径回波信号的单脉冲非相干积累相当于两个目 标的包络平方和，因此检测概率为：

其中，P_d是检测概率，S′是阈值，

X_i是第i个快时 间数据，T是标称因子，N是参考单元数，μ为背景噪声功率，n′＝2N， z是计算检测概率的中间变量，

P_s是直达和多径 回波功率大小，A是信号幅度大小，ρ是综合多径反射系数，Q_M(·)是 Marcum的Q函数，I₁(·)是修正的一阶贝塞尔函数。

1.仿真条件

1.1机载相控阵雷达有M＝20个收发共置天线，机载相控阵雷达的高 度为8公里，雷达工作的波长λ为1米，目标的直达回波信号仰角为θ_d＝7°， 对应的多径回波信号仰角为θ_i＝-25.87°。直达回波信号的距离R_d∈[25,50]km。

1.2在1.1的条件下，直达回波信号的距离为R_d＝45km，ε＝0.8，

假定σ_i/σ_d∈[0.45,4.1]，进一步通过计算可以得到 ρ＝[-1.49,-0.49]。因此在不失一般性的情况下，假设回波信号的信噪比为 12dB，多径反射系数ρ＝-1.2，相控阵发射线性调频信号，时宽为T_p＝40us， 带宽为B_s＝4MHz，脉冲重复频率为f_r＝2000Hz，载频为f_c＝300MHz，光 速为c＝3×10⁸m/s，采样频率为f_s＝B_s，仿真了在单脉冲检测中，保护单元 为1个，参考单元N＝16个时，快时间采样上常规CA-CFAR和改进的 CA-CFAR的输出增益对比。

1.3在1.2的条件下，仿真了P_fa＝10^-6，ρ＝[-1.5，-1，-0.5]取不同值时， 随着输入信噪比变化的检测概率。

1.4在1.2的条件下，仿真了ρ＝-1.2，P_fa＝[10^-5，10^-6，10^-7，10^-8]时，随 着输入信噪比变化的检测概率。

2.仿真内容

2.1图4是直达回波信号与多径回波信号在目标处的夹角，横坐标是直 达回波信号的距离，纵坐标就是它们在目标处的夹角。通过图4可以看到， 夹角都超过了17度，根据《雷达手册(第二版)》P427中提供的数据， 可以知道这么大的角度是很有可能出现反射系数|ρ|大于1的情况，进而说 明前面分析反射系数的情况是符合实际情况的。

2.2图5中的左图中的原始方法就是指单脉冲检测中常规的CA-CFAR方法，右 图中的非相干积累方法指的是单脉冲检测中改进的CA-CFAR方法。通过1.2的条件 可以看到，直达距离单元在第1200距离单元中。对比图5的左图和右图可以看到， 在单脉冲下非相干积累把多径距离单元的信号能量也集中到直达距离单元中，因此 右图在直达距离单元处超过了CA-CFAR的门限值，而左图的包络平方没有超过 CA-CFAR的门限值，导致无法检测到目标。

2.3图6中仿真了随着ρ分别为[-1.5，-1，-0.5]时的检测概率，通过与 原始方法的对比可以发现，没有采用非相干积累时，单脉冲快采样数据在 检测时在直达距离单元只有直达回波信号，而采用了非相干积累时在直达 距离单元中不仅有直达回波信号的能量，而且还有多径回波信号的能量， 因此用非相干积累的检测概率都高于没有用非相干积累的原始方法，并且 随着|ρ|的增加，非相干积累的信号能量越多，因此对应的检测概率也越高。

2.4图7中仿真了当ρ＝-1.2时随着虚警概率P_fa的增加，虚警概率的变 化情况。从图中可以看到采用非相干积累后的检测概率比原始方法的检测 概率要高，并且随着P_fa的增加，对应的检测概率也会更大，这点也和CFAR 思想相吻合。结合图6的结果，可以发现在多径环境下，机载相控阵雷达 在信号检测时用非相干积累的方法可以有效的提高目标的检测概率。

本发明方法给出了多径环境下机载相控阵雷达的信号模型；分析了在 多径环境下机载相控阵雷达的综合多径反射系数的特点；分析了在多径环 境下机载相控阵雷达的直达回波和多径回波的复包络特点；利用非相干积 累方法提高了机载相控阵雷达在多径环境下在目标距离单元处的输出增 益，进而提高了系统的检测概率，同时给出了检测概率的表达式。

在本发明的描述中，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不 能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。 由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或 者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上， 除非另有明确具体的限定。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、 “示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或 示例描述的具体特征、结构、材料或者特数据点包含于本发明的至少一个 实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的 是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特数据点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，本 领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例进行接合和组 合。

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 (10)

1.一种多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤1、根据机载雷达的参数得到直达回波功率P_d和多径回波功率P_i；

步骤2、基于综合多径反射系数计算模型，根据所述直达回波功率P_d和所述多径回波功率P_i得到综合多径反射系数；

步骤3、对每个阵元的回波数据进行脉冲压缩，根据第m个阵元的直达回波信号、第m个阵元的多径回波信号和所述综合多径反射系数得到第m个阵元的快时间采样的目标回波数据；

步骤4、根据所述目标回波数据和仰角波位得到目标的多径回波数据所在的距离单元，以得到同一目标的直达回波距离和多径回波距离对应的目标直达数据和目标多径数据；

步骤5、基于平方律检波，将所述目标多径数据加到直达距离单元中，实现目标直达数据和目标多径数据的非相干积累，得到快时间数据；

步骤6、对每个脉冲的所述快时间数据进行恒虚警检测以得到检测结果。

2.根据权利要求1所述的多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，其特征在于，所述直达回波功率P_d和所述多径回波功率P_i的计算公式分别为：

其中，P_t,d、P_t,i分别是雷达直达方向的发射功率和多径方向的发射功率，且P_t,d＝P_t,i，G_t,d、G_t,i都是雷达直达方向的发射天线增益和多径方向的发射天线增益，且G_t,d＝G_t,i，G_r,d、G_r,i分别是直达方向的接收增益和多径方向的接收增益，且G_r,i＝εG_r,d，ε是接收增益的损耗，|ε|＜1，λ是波长，σ_d和σ_i分别是直达方向和多径方向的散射截面积，R_d为目标的直达回波距离，R_i为目标的多径回波距离。

3.根据权利要求2所述的多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，其特征在于，所述综合多径反射系数计算模型为：

其中，ρ为综合多径反射系数。

4.根据权利要求1所述的多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，其特征在于，所述目标回波数据的计算公式为：

X_m(t)＝s_m(t-τ_rd(θ_d,f_d))+ρs_m(t-τ_ri(θ_i,f_i))

其中，X_m(t)是第m个阵元的快时间采样的目标回波数据，s_m(t-τ_rd(θ_d,f_d))是第m个阵元的直达回波信号，ρs_m(t-τ_ri(θ_i,f_i))是第m个阵元的多径回波信号，t是时间序列，τ_rd是直达回波信号的时延，θ_d是直达回波信号的仰角，f_d是直达回波信号的多普勒频率，ρ是综合多径反射系数，τ_ri是多径回波信号的时延，θ_i是多径回波信号的仰角，f_i是多径回波信号的多普勒频率。

5.根据权利要求1所述的多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，其特征在于，所述多径回波信号与所述直达回波信号的时延差Δτ为：

其中，τ_i是多径回波信号与参考阵元的时延，τ_d是直达回波信号回波到阵列的参考阵元的时延，R_i为目标的多径回波距离，R_d为目标的直达回波距离，c是光速；

并且，

其中，g_m(t-τ_rd(θ_d,f_d))是直达回波信号的复包络，g_m(t-τ_ri(θ_i,f_i))是多径回波信号的复包络。

6.根据权利要求1所述的多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，其特征在于，所述快时间数据的计算公式为：

|X_{d_i}|²＝|X_d|²+|X_i|²

其中，|X_{d_i}|²每个脉冲的快时间数据，|X_d|²和|X_i|²分别是每个脉冲在直达距离单元的输出和多径距离单元的输出。

7.根据权利要求1所述的多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，其特征在于，所述恒虚警为平均恒虚警。

8.根据权利要求6所述的多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，其特征在于，所述恒虚警的标称因子T为：

其中，P_fa是虚警概率，N是参考单元数。

9.根据权利要求1所述的多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，其特征在于，在所述步骤6之后，还包括：

步骤7、计算单脉冲非相干积累后的检测概率。

10.利要求1所述的多径环境下机载相控阵雷达信号检测方法，其特征在于，所述检测概率的计算公式为：

其中，P_d是检测概率，S′是阈值，

X_i是第i个快时间数据，T是标称因子，N是参考单元数，μ为背景噪声功率，n′＝2N，z是计算检测概率的中间变量，

P_s是直达和多径回波功率大小，A是信号幅度大小，ρ是综合多径反射系数，Q_M(·)是Marcum的Q函数，I₁(·)是修正的一阶贝塞尔函数。

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