CN117554914A - 一种复杂环境中基于假设检验的周界安防雷达目标检测方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种复杂环境中基于假设检验的周界安防雷达目标检测方法，包括以下步骤：(1)回波信号处理：进行距离维度FFT和多普勒维度FFT，获得距离‑多普勒频谱；对频谱进行分割，确定需要探测的频谱区间；(2)检验区间构造：通过外部设定的雷达检测区域范围，生成假设检验具体的空间区域坐标，再分别对这个空间区域分距离段划分，确认每个距离单元需要扫描的空域角度范围；(3)联合处理步骤(1)和步骤(2)结果，实现假设检验检测。本发明通过指向性的DBF，增加雷达在该空域方向的探测增益，当目标真实存在，可获得DBF增益，如仅为噪声信号则无指向增益，可提升雷达对弱目标信号的探测性能和雷达的最远作用距离。
Description
技术领域
本发明属于检测技术领域，具体涉及一种复杂环境中基于假设检验的周界安防雷达目标检测方法。
背景技术
对于周界安防雷达的应用，在复杂环境中，弱目标信号可能被强杂波信号或噪声信号淹没，导致雷达对弱目标的探测性能不佳，极易导致弱反射目标漏检。
对于周界安防雷达的应用，在雷达系统参数固定后，雷达对目标的最远探测距离和信号处理算法增益正相关，对目标空域做数字波束形成(DBF)，可提升信号处理算法增益，继而提升目标的探测距离。但是由于事先无法预知目标坐标，DBF增益有限，导致雷达的最远作用距离受到限制。
对于一个雷达系统，雷达的作用距离满足以下经典雷达方程：
其中Rmax为雷达探测的最远距离；Pav为雷达发射的平均功率；Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益；λ为发射信号波长；σ为目标的雷达反射截面积(RCS)；k为玻尔兹曼常数，等于k＝1.380649×10-23J/K；T为系统温度；B为接收机带宽；L为线路损耗；F为接收机噪声系数；为最小可检测的信噪比。
式(1)为经典的雷达方程计算雷达最远距离公式，但是其未考虑信号处理增益，包括脉冲压缩增益、脉冲积累增益以及数字波束形成增益，同时也未考虑信号处理中存在的损失，如信号处理中的快速傅里叶变换(FFT)以及恒虚警检测(CFAR)损失。因此，雷达方程可以改写为：
其中GA为雷达信号处理中的增益，LA为信号处理中的损失。由式(2)可知，当雷达系统参数确认后，对于设定的最小检测信噪比，要提升雷达对弱目标信号的探测能力，或提升雷达的最远作用距离，即其对应的雷达最远探测距离Rmax提升，需尽可能的提升雷达信号处理增益GA，其中脉冲压缩增益和脉冲积累增益是固定的，数字波束形成增益由于不确定目标位置，所以不能精确的对应目标在其空域去做提升，无法保证数字波束形成增益故雷达系统对弱目标信号的探测性能不佳。
(一)本发明基础及公知技术内容
1)雷达方程
对于一个雷达系统，雷达的作用距离满足以下经典雷达方程：
其中Rmax为雷达探测的最远距离；Pav为雷达发射的平均功率；Gt为发射天线增益；Gr为接收天线增益；λ为发射信号波长；σ为目标的雷达反射截面积(RCS)；k为玻尔兹曼常数，等于k＝1.380649×10-23J/K；T为系统温度；B为接收机带宽；L为线路损耗；F为接收机噪声系数；为最小可检测的信噪比。
式(3)为经典的雷达方程计算雷达最远距离公式，但是其未考虑信号处理增益，包括脉冲压缩增益、脉冲积累增益以及数字波束形成增益，同时也未考虑信号处理中存在的损失，如信号处理中的快速傅里叶变换(FFT)以及恒虚警检测(CFAR)损失。因此，雷达方程可以改写为：
其中GA为雷达信号处理中的增益，LA为信号处理中的损失。
2)数字波束形成(DBF)
波束形成含义是指在特定的方向上形成主波束用来接收有用的期望信号，并能抑制来自其他方向的干扰信号，按期望的观测方向进行累加的过程，可在期望方向上获得最大的信噪比增益，它是一个空域滤波的处理系统。
如图1所示，数字波束形成是将各个天线或子阵上采集的数字基带信号送到数字波束形成器的处理单元，完成对各路信号的复加权处理，形成所需的波束信号。
为了形成虚拟波束指向一个特定的方向，一组权向量ws将对匹配滤波器组的输出进行加权，假设ws可表示为：
ws＝[w1,w2,...,wN]T (5)
其中wn是第n个接收阵元匹配滤波输出对应的权向量系数，其中n＝0,1,...,N。根据空域波束形成理论，这一组权向量ws对应于某个特定的方向，也就是要达到在该方向上输出SNR最大化。
设阵元数为N，阵元间距为d，所需信号入射方向与阵面法线方向夹角为θ，载波波长为λ，S0为入射信号的复包络，以左边第1个阵元为参考，忽略阵元幅相不平衡和噪声的情况下第i个阵元的输出信号为：
式中：各阵元加权输出然后累加，即为合成波束，其输出为：
若令权值为等幅加权，则
式中：则式(7)写成
取绝对值归一化后为：
从式(10)可见，DBF输出在β＝βd处，即在θ＝θd处取得最大值，此时波束指向θd，只要控制权值Wi中的θd即可控制波束指向。
(二)与本发明相近的方案内容
现有的技术方案，一般对回波信号进行距离维度的FFT，实现脉冲压缩，再针对所有距离单元进行多普勒维度FFT，实现脉冲积累。对获得的距离-多普勒频谱在某些固定的空域上进行数字波束形成(DBF)，提升雷达在该空域的探测增益，后续进行目标检测和轨迹跟踪等算法操作，具体的算法流程如图2所示。
发明内容
在传统安防雷达信号处理中，在对距离-多普勒频谱进行空域DBF时，由于无法预知目标真实方位，只能在系统设计阶段，选取某一个或多个感兴趣的空域范围做DBF，以此提升雷达在这些空域角度上的探测性能。但对于其它空域范围内的目标，DBF的增益无法体现，可能会导致弱目标信号漏检或雷达最远作用距离受到限制。
本发明立足于周界安防雷达的真实应用环境，基于假设检验的基础，在设定的周界安防布防外围区域空域范围内，在距离-多普勒频谱中，假设某个距离单元-多普勒单元存在目标，通过指向性的DBF，增加雷达在该空域方向的探测增益，当目标真实存在，可获得DBF增益，如仅为噪声信号则无指向增益，可提升雷达对弱目标信号的探测性能和雷达的最远作用距离。
为了实现以上技术目的，本发明采用如下技术方案：
一种复杂环境中基于假设检验的周界安防雷达目标检测方法，包括以下步骤：
(1)回波信号处理：进行距离维度FFT和多普勒维度FFT，获得距离-多普勒频谱；并根据实际应用需求，对频谱进行分割，确定需要探测的频谱区间；
(2)检验区间构造：通过外部设定的雷达检测区域范围，生成假设检验具体的空间区域坐标，再分别对这个空间区域分距离段划分，确认每个距离单元需要扫描的空域角度范围；
(3)联合处理步骤(1)和步骤(2)结果，实现假设检验检测。
进一步地，步骤(1)中在距离-多普勒频谱上对具有多普勒频移的单元进行处理，将每个距离单元对应的所有多普勒单元看为一段，将频谱分为M段，每段长度为N。
进一步地，步骤(2)中通过设定雷达探测区域，根据实际应用需求，预先设定需要假设检验区域宽度，生成假设检验坐标区域，对于每个距离单元，在假设检验坐标区域内，需扫描的空域范围为[β,γ]，对于不同的距离单元，需根据假设检验坐标区域折算对应的扫描空域范围。
进一步地，根据假设检验坐标区域折算对应的扫描空域范围，计算过程如下，对于某一个假设检验坐标(x,y)，距离为假设每个距离单元代表的距离为Δr，则该坐标对应的距离单元为/>扫描空域角度为：/>依次对所有坐标进行上述操作即可得到关于每个坐标点的扫描角度，最终得到在假设检验区域内关于每个距离单元的扫描空域角度范围。
进一步地，步骤(3)中实现假设检验检测，包括以下步骤：
根据频谱分割的结果，结合假设检验坐标区域范围，待检测距离单元数为M1，待检测多普勒单元数为N1，对于某个距离单元对应的空域范围θi＝[βi,γi]，空域扫描间隔为Δθ；
1)对某个距离单元M1i上的某个空域角度θij上的所有分割后的多普勒单元进行接收阵列的DBF，对待检测距离区域每个单元叠加DBF增益，DBF增益的计算公式如下：
GDBF＝10*log10(NTx)
NTx为用于DBF的阵列总数，可构建在该距离单元上关于某个空域角度的多普勒频谱，长度为1×N1；
2)通过对所有空域范围θi循环，得到一个关于在该距离单元下的空域-多普勒的二维频谱矩阵，大小为(θi/Δθ)×N1，后续对该矩阵检测；
3)通过对所有距离单元重复上述步骤1)和步骤2)操作，实现整个假设检验坐标区域内的目标检测。
进一步地，步骤2)中如有目标存在，DBF增益可叠加到该目标，如目标不存在，则不能获得DBF增益，则可确认是否存在目标，以及目标对应的空域精确角度和多普勒维度。
与类似现有技术相比，本发明具有如下技术优势：
本发明基于周界安防雷达的实际应用，在无法预知目标真实方位的情况下，通过假设检验的方式，分别对假设检验扫描区域内所有距离-多普勒-空域单元叠加DBF增益。对于某个距离-多普勒-空域单元，当真实存在目标信号时，原始目标信号可获得10*log10(NTx)的DBF增益；当仅为噪声信号时，原始噪声信号不能获得DBF增益。可提升雷达对弱目标信号的检测能力和最远作用距离。
附图说明
图1为波束形成原理框图；
图2为传统安防雷达信号处理流程图；
图3为基于假设检验的周界安防雷达目标检测流程图；
图4为频谱分割示意图；
图5为检验区域构造示意图；
图6为假设检验模块流程图。
具体实施方式
本发明立足于复杂环境中周界安防雷达的具体应用，根据设定的雷达探测区域，提出一种复杂环境中基于假设检验的周界安防雷达目标检测方法，方案对应的雷达信号处理具体流程如图3所示：
整体处理流程主要包括回波信号处理、检验区间构造和假设检验检测等步骤。
(1)回波信号处理模块主要是对接收的回波信号；进行距离维度FFT和多普勒维度FFT，获得距离-多普勒频谱；并根据实际应用需求，对频谱进行分割，确定需要探测的频谱区间；
对距离-多普勒频谱分割的示意图如4所示：
由于周界安防雷达感兴趣的目标是动目标，所以在距离-多普勒频谱上只对具有多普勒频移的单元进行处理。将每个距离单元对应的所有多普勒单元看为一段，可将频谱分为M段，每段长度为N(多普勒单元数)。
(2)如图5所示，检验区间构造模块主要是通过外部设定的雷达检测区域范围，生成假设检验具体的空间区域坐标，再分别对这个空间区域分距离段划分，确认每个距离单元需要扫描的空域角度范围。
对于上图中的(a)代表原始雷达的探测范围，通过(b)设定雷达探测区域，红线框内区域即为设置的需要检测的周界安防范围，根据实际应用需求，预先设定需要假设检验区域宽度，生成如(c)中红色框内的假设检验坐标区域，对于每个距离单元，如(c)中红色圆弧，在假设检验坐标区域内，需扫描的空域范围为[β,γ]，对于不同的距离单元，需根据假设检验坐标区域折算对应的扫描空域范围。具体的计算过程如下，对于某一个假设检验坐标(x,y)，距离为假设每个距离单元代表的距离为Δr，则该坐标对应的距离单元为/>扫描空域角度为：/>依次对所有坐标进行上述操作即可得到关于每个坐标点的扫描角度，最终得到在假设检验区域内关于每个距离单元的扫描空域角度范围。
(3)联合处理步骤(1)和步骤(2)结果，实现假设检验检测。
如图6所示，假设检验检测的具体流程如下：
根据频谱分割的结果，结合假设检验坐标区域范围，待检测距离单元数为M1，待检测多普勒单元数为N1，对于某个距离单元对应的空域范围θi＝[βi,γi]，空域扫描间隔为Δθ(可根据具体使用的周界安防雷达阵列规模确定)。
1)首先对某个距离单元M1i上的某个空域角度θij上的所有分割后的多普勒单元进行接收阵列的DBF，对待检测距离区域每个单元叠加DBF增益，DBF增益的计算公式如下：
GDBF＝10*log10(NTx) (11)
NTx为用于DBF的阵列总数，可构建在该距离单元上关于某个空域角度的多普勒频谱，长度为1×N1；
2)通过对所有空域范围θi循环，可得到一个关于在该距离单元下的空域-多普勒的二维频谱矩阵，大小为(θi/Δθ)×N1，后续对该矩阵检测。如有目标存在，DBF增益可叠加到该目标，如目标不存在，则不能获得DBF增益，则可确认是否存在目标，以及目标对应的空域精确角度和多普勒维度；
3)通过对所有距离单元重复上述1)、2)操作，可实现整个假设检验坐标区域内的目标检测。
通过上述操作，采用假设检验的方式，对假设检验区域范围内的所有距离-多普勒-空域单元循环检测，可提升雷达在假设检验坐标区域范围内的检测能力，最终实现提升弱目标回波信号的检测能力和雷达最远作用距离。
综上所述，传统的距离-多普勒频谱空域DBF，由于无法预知目标真实方位，只能在系统设计阶段，选取某一个或多个感兴趣的空域范围做DBF，以此提升雷达在这些空域角度上的探测性能。但对于其它空域范围内的目标，DBF的增益无法体现，则会导致弱目标信号漏检或雷达最远作用距离受到限制。本发明通过增加根据周界安防雷达实际应用设定的检测区域范围确定的假设检验区域。分别对在假设检验区域内的每个距离单元上对应的扫描空域范围内的所有多普勒单元进行指向性DBF。当该距离-多普勒-空域单元上真实存在目标，原始目标信号可获得DBF增益；当该距离-多普勒-空域单元上仅为噪声信号，DBF增益无法体现。通过循环假设检验检测，可对所有假设检验区域分别进行DBF增益叠加，最终可实现弱目标信号的探测性能和雷达最远作用距离的提升。
以上所述，仅为更好理解本发明的一种具体实施方式，本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明披露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围内。
Claims (6)
1.一种复杂环境中基于假设检验的周界安防雷达目标检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)回波信号处理：进行距离维度FFT和多普勒维度FFT，获得距离-多普勒频谱；并根据实际应用需求，对频谱进行分割，确定需要探测的频谱区间；
(2)检验区间构造：通过外部设定的雷达检测区域范围，生成假设检验具体的空间区域坐标，再分别对这个空间区域分距离段划分，确认每个距离单元需要扫描的空域角度范围；
(3)联合处理步骤(1)和步骤(2)结果，实现假设检验检测。
2.根据权利要求1所述的复杂环境中基于假设检验的周界安防雷达目标检测方法，其特征在于，步骤(1)中在距离-多普勒频谱上对具有多普勒频移的单元进行处理，将每个距离单元对应的所有多普勒单元看为一段，将频谱分为M段，每段长度为N。
3.根据权利要求1所述的复杂环境中基于假设检验的周界安防雷达目标检测方法，其特征在于，步骤(2)中通过设定雷达探测区域，根据实际应用需求，预先设定需要假设检验区域宽度，生成假设检验坐标区域，对于每个距离单元，在假设检验坐标区域内，需扫描的空域范围为[β,γ]，对于不同的距离单元，需根据假设检验坐标区域折算对应的扫描空域范围。
4.根据权利要求3所述的复杂环境中基于假设检验的周界安防雷达目标检测方法，其特征在于，根据假设检验坐标区域折算对应的扫描空域范围，计算过程如下，对于某一个假设检验坐标(x,y)，距离为假设每个距离单元代表的距离为Δr，则该坐标对应的距离单元为/>扫描空域角度为：/>依次对所有坐标进行上述操作即可得到关于每个坐标点的扫描角度，最终得到在假设检验区域内关于每个距离单元的扫描空域角度范围。
5.根据权利要求1所述的复杂环境中基于假设检验的周界安防雷达目标检测方法，其特征在于，步骤(3)中实现假设检验检测，包括以下步骤：
根据频谱分割的结果，结合假设检验坐标区域范围，待检测距离单元数为M1，待检测多普勒单元数为N1，对于某个距离单元对应的空域范围θi＝[βi,γi]，空域扫描间隔为Δθ；
1)对某个距离单元M1i上的某个空域角度θij上的所有分割后的多普勒单元进行接收阵列的DBF，对待检测距离区域每个单元叠加DBF增益，DBF增益的计算公式如下：
GDBF＝10*log10(NTx)
NTx为用于DBF的阵列总数，可构建在该距离单元上关于某个空域角度的多普勒频谱，长度为1×N1；
2)通过对所有空域范围θi循环，得到一个关于在该距离单元下的空域-多普勒的二维频谱矩阵，大小为(θi/Δθ)×N1，后续对该矩阵检测；
3)通过对所有距离单元重复上述步骤1)和步骤2)操作，实现整个假设检验坐标区域内的目标检测。
6.根据权利要求1所述的复杂环境中基于假设检验的周界安防雷达目标检测方法，其特征在于，步骤2)中如有目标存在，DBF增益可叠加到该目标，如目标不存在，则不能获得DBF增益，则可确认是否存在目标，以及目标对应的空域精确角度和多普勒维度。
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