CN113933801A - 基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法 - Google Patents

基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法，根据宽带相控阵雷达接收的不同通道的回波的波程差进行相位补偿以达到距离像对齐的目的，再利用能量聚焦的方法对对齐后的距离像进行能量积累，从而有效的提高了在宽带相控阵雷达在低信噪比情况下的检测概率。

Description

基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法
技术领域
本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法。
背景技术
相控阵雷达是一种改变雷达波相位以改变波束方向的雷达，与传统的机扫雷达相比，相控阵雷达天线的波束控制更加灵活，并且可以利用波束的特性进行多种检测、搜索等任务的实现。宽带相控阵雷达可以在很短的时间内完成波束的控制实现快速扫描，由于阵列天线排布优势可以获得更大的发射功率，而且雷达在使用过程中单个天线的故障不会对检测产生较大影响，由于其具有优越的性能和较高的可靠性，在军用和民用领域均被广泛应用。
从信息论的角度来看，目标回波的信息量与雷达带宽成正比，相较于应用窄带雷达进行目标检测，使用宽带雷达可以大大增加关于目标的信息量，从而得到更好的检测效果。窄带雷达由于带宽较小使得距离分辨率较低，目标的散射模型无法沿距离维分开，能量大多集中在一个距离单元。现代高分辨率雷达可以通过传输宽带波形来获得更高的分辨率和更多的目标信息，当目标尺寸大于雷达的分辨单元时，散射点就会分布在各个距离单元上，目标则被视为距离扩展目标。
在低信噪比的情况下很难将目标与杂波区分开来，无法直接利用回波的能量积累进行目标检测，所以目前如何充分利用距离扩展目标的信息来提高检测效率是极为重要的。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法，能够有效地实现低信噪比的目标检测。
一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法，包括以下步骤：
S1：将宽带相控阵雷达天线阵面的四个象限均分为两组，且各组内的象限为相邻象限；同时，分别将两组象限接收的回波在组内进行叠加，得到回波叠加信号r1(t)与r2(t)；
S2：获取r1(t)与r2(t)之间的相位差
Figure BDA0003320755870000021
并以r1(t)与r2(t)其中一个作为基准信号，按照相位差
Figure BDA0003320755870000022
对另一个回波叠加信号进行频域对齐，使得r1(t)与r2(t)的相位一致；
S3：对相位一致的r1(t)与r2(t)作傅里叶变换得到距离像R1(f)和R2(f)；
S4：选取基准信号对应的两个象限的其中一个，并将该选中象限的回波的距离像进行相干积累，得到强散射点的个数
Figure BDA0003320755870000023
以及各强散射点所在的距离单元；
S5：采用长度为L的检测窗分别对距离像R1(f)和R2(f)进行距离单元划分，且
Figure BDA0003320755870000024
再分别对距离像R1(f)和R2(f)进行预处理，其中，所述预处理为：判断距离像上的各强散射点所在的距离单元是否均落入同一个检测窗内，若为否，则对距离像进行频移，使得全部强散射点所在的距离单元均落入同一个检测窗内；
S6：采用检测窗分别从预处理后的距离像R1(f)和R2(f)中提取出长度为L个距离单元的数据段，并对提取出的数据段执行能量积累操作，直到遍历整个距离像，得到聚焦信号，其中，所述能量积累操作为：判断两个数据段中是否分布有强散射点，若为否，则将两个数据段中的所有距离单元进行一一对应的共轭相乘再相加求平均，若为是，则将两个数据段中强散射点所在的距离单元进行一一对应的共轭相乘再相加求平均；
S7：判断聚焦信号的最大值是否大于设定阈值，若为是，则当前回波信号检测出目标，若为否，则当前回波信号未检测出目标。
进一步地，r1(t)与r2(t)之间的相位差
Figure BDA0003320755870000031
的获取方法为：
Figure BDA0003320755870000032
其中，λ为回波的波长，Δr为r1(t)与r2(t)之间的波程差，且Δr＝d·sinθ，d为两组象限阵面之间的等效距离，θ为波束发射与宽带相控阵雷达天线阵面之间的角度。
进一步地，将宽带相控阵雷达天线阵面的第二象限与第三象限分为一组，第一象限与第四象限分为另一组。
进一步地，将宽带相控阵雷达天线阵面的第一象限与第二象限分为一组，第三象限与第四象限分为另一组。
进一步地，所述设定阈值采用蒙特卡罗方法基于给定的虚警概率计算得到。
有益效果：
本发明提供一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法，根据宽带相控阵雷达接收的不同通道的回波的波程差进行相位补偿以达到距离像对齐的目的，再利用能量聚焦的方法对对齐后的距离像进行能量积累，从而有效的提高了在宽带相控阵雷达在低信噪比情况下的检测概率。
附图说明
图1为本发明提供的一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法的流程图；
图2为宽带相控阵雷达天线的示意图；
图3为本发明具体实施例的目标检测结果。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本申请方案，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1所示，一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法，包括以下步骤：
S1：将宽带相控阵雷达天线阵面的四个象限均分为两组，且各组内的象限为相邻象限；同时，分别将两组象限接收的回波在组内进行叠加，得到回波叠加信号r1(t)与r2(t)。
也就是说，如图2所示，将宽带相控阵雷达天线阵面的四个象限分别记为A、B、C、D，且雷达发射线性调频信号s(t)，该发射信号经过目标反射后，宽带相控阵雷达天线阵面的四个象限采集的回波分别记为rA(t)、rB(t)、rC(t)、rD(t)；对相邻天线象限的回波进行叠加处理，如象限A和B的回波叠加得到r1(t)，C和D的回波叠加得到r2(t)；此外，除了将A和B作为一组、C和D作为一组，还可以将A和C作为一组、B和D作为一组进行回波的处理，本发明对此不作赘述。
S2：获取r1(t)与r2(t)之间的相位差
Figure BDA0003320755870000041
并以r1(t)与r2(t)其中一个作为基准信号，按照相位差
Figure BDA0003320755870000042
对另一个回波叠加信号进行频域对齐，使得r1(t)与r2(t)的相位一致。r1(t)与r2(t)之间的相位差
Figure BDA0003320755870000043
的获取方法为：
Figure BDA0003320755870000044
其中，λ为回波的波长，Δr为r1(t)与r2(t)之间的波程差，且Δr＝d·sinθ，d为两组象限阵面之间的等效距离，θ为波束发射与宽带相控阵雷达天线阵面之间的角度。
S3：对相位一致的r1(t)与r2(t)作傅里叶变换得到高分辨率距离像R1(f)和R2(f)。
S4：选取基准信号对应的两个象限的其中一个，并将该选中象限的回波的距离像进行相干积累，得到强散射点的个数
Figure BDA0003320755870000052
以及各强散射点所在的距离单元。
例如，若选择r1(t)为基准信号，而r1(t)由象限A和B的回波叠加得到，则在象限A和B中任意选取一个，假设选取象限A，则将象限A的回波的距离像进行相干积累，得到强散射点的个数
Figure BDA0003320755870000051
以及各强散射点所在的距离单元；此外，需要说明的是，由于r1(t)与r2(t)进行频域对齐后，两者的相位一致，则各强散射点所在的距离单元的序号在距离像R1(f)和R2(f)中是相同的。
S5：采用长度为L的检测窗分别对距离像R1(f)和R2(f)进行距离单元划分，且
Figure BDA0003320755870000053
再分别对距离像R1(f)和R2(f)进行预处理，其中，所述预处理为：判断距离像上的各强散射点所在的距离单元是否均落入同一个检测窗内，若为否，则对距离像进行频移，使得全部强散射点所在的距离单元均落入同一个检测窗内。
例如，假设距离像R1(f)和R2(f)的长度为M个距离单元，采用长度为L的检测窗对两个距离像进行划分，则得到M/L个距离单元的数据段，且每个数据段的长度即为检测窗的长度，判断距离像上的各强散射点所在的距离单元是否均落入同一个检测窗内，即为判断距离像上的各强散射点所在的距离单元是否均属于同一个数据段，而不是分布在相邻的两个数据段中。
S6：采用检测窗分别从预处理后的距离像R1(f)和R2(f)中提取出长度为L个距离单元的数据段，并对提取出的数据段执行能量积累操作，直到遍历整个距离像，得到聚焦信号，其中，所述能量积累操作为：判断两个数据段中是否分布有强散射点，若为否，则将两个数据段中的所有距离单元进行一一对应的共轭相乘再相加求平均，即
Figure BDA0003320755870000061
若为是，则将两个数据段中强散射点所在的距离单元进行一一对应的共轭相乘再相加求平均，即
Figure BDA0003320755870000062
S7：判断聚焦信号的最大值是否大于设定阈值，若为是，则当前回波信号检测出目标，若为否，则当前回波信号未检测出目标。
需要说明的是，所述设定阈值采用蒙特卡罗方法基于给定的虚警概率计算得到。当宽带相控阵雷达的天线再接收到下一个回波时，只需再重复上述步骤即可得到线阵面接收到的每次回波中是否检测到目标。
为详尽本发明的技术方案，以下将列举一实施例说明。
假设存在一个由17个理想点组成的目标，目标对雷达的径向速度为300m/s，雷达的中心频率是9GHz，采样频率是1GHz，脉冲宽度是100μs，宽带波形带宽设为1GHz，生成的去斜后的宽带回波大小为12000。
象限A和B的回波叠加得到r1(t)，C和D的回波叠加得到r2(t)，A、B象限与C、D象限阵面之间等效距离为d＝10m，根据波束发射与阵面法线之间的角度θ＝3.8°，计算出波程差Δr＝d·sinθ＝0.66m，则两个回波的相位差为
Figure BDA0003320755870000063
将r2(t)＝r2(t)·exp(j2π·20)以此使得r1(t)和r2(t)的距离像对齐。
对若干个宽带雷达的相邻回波高分辨率距离像进行相干积累进行，可得到7个强散射点。取检测窗大小L＝120，距离像对齐后的强散射点的位置为366、399、410、418、426、439、470。
自第一个距离单元起以120为步长，对R1(f)和R2(f)在该检测窗内的120个距离单元按照步骤5.2进行共轭相乘。当检测窗滑到(361,480)处时，只对该检测窗内R1(f)和R2(f)的上述7个散射点对应的距离单元进行共轭相乘并相加求平均。
将能量聚焦信号的最大值与使用蒙特卡罗方法得到的检测阈值进行比较，图3是在信噪比20dB下时的检测结果，需要注意的是此时的20dB是等效的宽带检测时的信噪比而不是时域回波的信噪比，对应时域的信噪比为-20.7918dB。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员当然可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将宽带相控阵雷达天线阵面的四个象限均分为两组，且各组内的象限为相邻象限；同时，分别将两组象限接收的回波在组内进行叠加，得到回波叠加信号r1(t)与r2(t)；
S2：获取r1(t)与r2(t)之间的相位差
Figure FDA0003320755860000011
并以r1(t)与r2(t)其中一个作为基准信号，按照相位差
Figure FDA0003320755860000012
对另一个回波叠加信号进行频域对齐，使得r1(t)与r2(t)的相位一致；
S3：对相位一致的r1(t)与r2(t)作傅里叶变换得到距离像R1(f)和R2(f)；
S4：选取基准信号对应的两个象限的其中一个，并将该选中象限的回波的距离像进行相干积累，得到强散射点的个数
Figure FDA0003320755860000013
以及各强散射点所在的距离单元；
S5：采用长度为L的检测窗分别对距离像R1(f)和R2(f)进行距离单元划分，且
Figure FDA0003320755860000014
再分别对距离像R1(f)和R2(f)进行预处理，其中，所述预处理为：判断距离像上的各强散射点所在的距离单元是否均落入同一个检测窗内，若为否，则对距离像进行频移，使得全部强散射点所在的距离单元均落入同一个检测窗内；
S6：采用检测窗分别从预处理后的距离像R1(f)和R2(f)中提取出长度为L个距离单元的数据段，并对提取出的数据段执行能量积累操作，直到遍历整个距离像，得到聚焦信号，其中，所述能量积累操作为：判断两个数据段中是否分布有强散射点，若为否，则将两个数据段中的所有距离单元进行一一对应的共轭相乘再相加求平均，若为是，则将两个数据段中强散射点所在的距离单元进行一一对应的共轭相乘再相加求平均；
S7：判断聚焦信号的最大值是否大于设定阈值，若为是，则当前回波信号检测出目标，若为否，则当前回波信号未检测出目标。
2.如权利要求1所述的一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法，其特征在于，r1(t)与r2(t)之间的相位差
Figure FDA0003320755860000021
的获取方法为：
Figure FDA0003320755860000022
其中，λ为回波的波长，Δr为r1(t)与r2(t)之间的波程差，且Δr＝d·sinθ，d为两组象限阵面之间的等效距离，θ为波束发射与宽带相控阵雷达天线阵面之间的角度。
3.如权利要求1所述的一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法，其特征在于，将宽带相控阵雷达天线阵面的第二象限与第三象限分为一组，第一象限与第四象限分为另一组。
4.如权利要求1所述的一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法，其特征在于，将宽带相控阵雷达天线阵面的第一象限与第二象限分为一组，第三象限与第四象限分为另一组。
5.如权利要求1所述的一种基于宽带相控阵雷达差通道宽带回波的低信噪比检测方法，其特征在于，所述设定阈值采用蒙特卡罗方法基于给定的虚警概率计算得到。
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