專(zhuān)利名稱(chēng)：基于高分辨目標(biāo)距離像修正相關(guān)矩陣的寬帶雷達(dá)檢測(cè)方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，具體涉及一種寬帶雷達(dá)的檢測(cè)方法，用于寬帶雷達(dá)體制下目標(biāo)檢測(cè)。

背景技術(shù)：
寬帶雷達(dá)(WBR)或者超寬帶雷達(dá)(UWB)可以將一個(gè)目標(biāo)分辨成許多獨(dú)立的散射點(diǎn)，而分辨的散射點(diǎn)的數(shù)目取決于目標(biāo)在雷達(dá)徑向距離上的擴(kuò)展和雷達(dá)的距離分辨能力。眾所周知，距離分辨率與雷達(dá)的發(fā)射波形的帶寬成反比。寬帶雷達(dá)和超寬帶雷達(dá)的回波包含了大量的目標(biāo)信息，通常用于目標(biāo)成像，識(shí)別和分類(lèi)中。如果在積累過(guò)程中目標(biāo)發(fā)生了徑向運(yùn)動(dòng)或姿態(tài)變化，它的高分辨距離像會(huì)隨著脈沖的不同而不同。由于目標(biāo)的高分辨距離像是未知的并且隨著脈沖不同是變化的，這就增加了在高分辨雷達(dá)中檢測(cè)距離分布式運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的復(fù)雜性。
三維的散射點(diǎn)中心模型是將一個(gè)目標(biāo)看成是離散的物理散射點(diǎn)的一個(gè)集合體。一維的散射中心模型看成是目標(biāo)的三維散射點(diǎn)模型向雷達(dá)視線上的投影。一維模型上的每一個(gè)散射單元值對(duì)應(yīng)的是一個(gè)距離單元內(nèi)的所有物理散射點(diǎn)響應(yīng)的向量和，而正是向量和導(dǎo)致了一維散射中心模型的方位敏感性。方位敏感性是機(jī)動(dòng)飛行的分布式目標(biāo)檢測(cè)的一個(gè)重點(diǎn)。在現(xiàn)有的檢測(cè)技術(shù)中，往往對(duì)于目標(biāo)作出一些理想的假定，但是通常的檢測(cè)技術(shù)往往忽略距離像的跨距離走動(dòng)，或是假定目標(biāo)是低速運(yùn)動(dòng)的，并且需要一些關(guān)于目標(biāo)的一些先驗(yàn)知識(shí)。然而，對(duì)于實(shí)際的寬帶雷達(dá)檢測(cè)問(wèn)題中，對(duì)于高速運(yùn)動(dòng)的飛行目標(biāo)，跨距離走動(dòng)是不可避免的，而且也很難獲得目標(biāo)的一些先驗(yàn)知識(shí)。
目前寬帶雷達(dá)檢測(cè)技術(shù)存在的主要不足是在事先假定情況下設(shè)計(jì)分布式目標(biāo)檢測(cè)方案。而這樣的假設(shè)和先驗(yàn)知識(shí)在實(shí)際的檢測(cè)問(wèn)題中，是不可能存在的或者是不可能得到的，比如，目標(biāo)在一個(gè)積累脈沖周期內(nèi)不發(fā)生距離走動(dòng)；目標(biāo)高分辨距離像中的散射密度是已知的。通常的檢測(cè)技術(shù)都是事先對(duì)目標(biāo)的高分辨距離像先進(jìn)性一系列的處理，然后基于處理后的能量特征來(lái)做檢測(cè)。利用了純?cè)肼暻闆r下和含有目標(biāo)情況下的高分辨距離像的能量特征不同，來(lái)檢測(cè)和判斷目標(biāo)是否存在。在通常的檢測(cè)方案中，低信噪比情況下，往往很難獲得理想的檢測(cè)性能，而又由于理想假定的限制，很難實(shí)現(xiàn)多脈沖積累。


發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的在于克服已有技術(shù)的不足，提出一種基于高分辨目標(biāo)距離像修正相關(guān)矩陣的寬帶雷達(dá)檢測(cè)方法，實(shí)現(xiàn)檢測(cè)目標(biāo)的跨距離單元檢測(cè)和多脈沖積累。
為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供的寬帶雷達(dá)檢測(cè)方法，包括如下步驟 (1)對(duì)含噪距離像進(jìn)行噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)； (2)基于步驟(1)中所得標(biāo)準(zhǔn)差，構(gòu)造一族非線性收縮映射，根據(jù)該收縮映射對(duì)含噪距離像進(jìn)行提煉，從而得到提煉的多脈沖距離像； (3)基于提煉的多脈沖距離像，計(jì)算每?jī)蓚€(gè)提煉距離像之間的互相關(guān)系數(shù)，得到修正的互相關(guān)系數(shù)矩陣； (4)對(duì)互相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行積累，構(gòu)造檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，并設(shè)定當(dāng)前噪聲方差時(shí)的檢測(cè)門(mén)限； (5)將檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量與檢測(cè)門(mén)限進(jìn)行比較，判決目標(biāo)是否存在，如果檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量大于檢測(cè)門(mén)限，則判定目標(biāo)存在，反之，則判定目標(biāo)不存在。
本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有以下優(yōu)點(diǎn) 1)本發(fā)明由于采用了非線性收縮映射，并設(shè)計(jì)了一種穩(wěn)健的修正互相關(guān)系數(shù)積累矩陣，提高了目標(biāo)檢測(cè)的性能。
2)本發(fā)明由于采用了修正互相關(guān)系數(shù)積累矩陣，可以對(duì)多個(gè)連續(xù)的高分辨距離像進(jìn)行同時(shí)積累，實(shí)現(xiàn)了多脈沖積累。
3)本發(fā)明由于沒(méi)有利用關(guān)于目標(biāo)的任何先驗(yàn)信息，并通過(guò)距離像延遲的引入，實(shí)現(xiàn)跨距離單元的檢測(cè)，使目標(biāo)檢測(cè)的適用范圍增加。
4)本發(fā)明由于估計(jì)出噪聲的方差，并設(shè)定當(dāng)前噪聲方差情況下的檢測(cè)門(mén)限，避免了因背景噪聲或雜波的變化對(duì)目標(biāo)檢測(cè)性能的影響，實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的檢測(cè)判決。



圖1是本發(fā)明的方法流程圖； 圖2是本發(fā)明的非線性映射的曲線圖； 圖3是本發(fā)明在H0情況下復(fù)的和實(shí)的精煉后的距離像的條件均值和標(biāo)準(zhǔn)差圖； 圖4是安26飛機(jī)的飛行軌跡在地面上的投影圖； 圖5是目標(biāo)高分辨距離像中包含80％能量的所需的最少的強(qiáng)散射單元個(gè)數(shù)圖； 圖6是本發(fā)明的非線性映射提煉某加噪實(shí)距離像圖； 圖7是復(fù)距離像和實(shí)距離像的平均互相關(guān)系數(shù)的變化圖； 圖8是本發(fā)明利用映射和沒(méi)有用映射的性能比較圖； 圖9是本發(fā)明利用復(fù)精煉距離像和實(shí)精煉距離像的檢測(cè)性能比較圖； 圖10當(dāng)積累數(shù)P為4時(shí)本發(fā)明與多脈沖SSD-GLRT檢測(cè)方法的性能比較圖。

具體實(shí)施例方式 檢測(cè)時(shí)，假設(shè)通過(guò)寬帶雷達(dá)連續(xù)的發(fā)收信號(hào)，經(jīng)過(guò)匹配濾波后獲得連續(xù)的一維含噪距離像。距離像xp(m)是一個(gè)長(zhǎng)度為M的向量，每個(gè)點(diǎn)的值代表的是經(jīng)過(guò)脈沖壓縮后的在一定距離內(nèi)的距離單元的幅值。在這里，距離單元的長(zhǎng)度與雷達(dá)分辨單元的長(zhǎng)度是一致的。其中H0表示僅有雜波和噪聲而不存在目標(biāo)的情況，而H1表示存在信號(hào)的情況 M，P分別代表一個(gè)高分辨距離像HRRP中的距離單元數(shù)和積累的脈沖數(shù)。zp(m)是觀測(cè)后接收到的距離像的向量，xp(m)是第p個(gè)高分辨距離像HRRP的第m個(gè)距離單元的目標(biāo)回波經(jīng)脈壓后的值，wp(m)代表的是第p個(gè)脈沖回波的HRRP其中的第m個(gè)距離單元上的雜波和噪聲回波經(jīng)脈壓后的值。
參照?qǐng)D1，本發(fā)明的具體實(shí)現(xiàn)如下 步驟1，對(duì)含噪距離像進(jìn)行噪聲的方差估計(jì)。
在目標(biāo)檢測(cè)中，噪聲的方差對(duì)于檢測(cè)系統(tǒng)的確定是非常重要。然而在實(shí)際情況中，噪聲的方差通常是未知的。因此，必須從觀測(cè)的HRRP中估計(jì)出方差。觀測(cè)得到的HRRP要么是噪聲序列，要么是含噪的目標(biāo)HRRP。如果噪聲是一個(gè)零均值的復(fù)高斯噪聲，且目標(biāo)僅僅占有整個(gè)HRRP的一小部分，利用中值估計(jì)器從含噪的目標(biāo)HRRP中地估計(jì)出方差。對(duì)輸入的連續(xù)距離像，零均值的復(fù)高斯噪聲序列或者是一個(gè)含噪的目標(biāo)HRRP，其噪聲方差估計(jì)如下式 其中

是估計(jì)出的標(biāo)準(zhǔn)差的實(shí)部，

是估計(jì)出的標(biāo)準(zhǔn)差的虛部，

估計(jì)出的方差，zp(m)是被觀測(cè)的HRRP，real(z)和imag(z)代表復(fù)數(shù)z的實(shí)部和虛部。
步驟2，基于步驟(1)中所得方差，構(gòu)造一族非線性收縮映射，并對(duì)含噪距離像進(jìn)行提煉。
目標(biāo)的三維散射中心模型與目標(biāo)的姿態(tài)和散射點(diǎn)結(jié)構(gòu)有著非常重要的聯(lián)系。大多數(shù)飛機(jī)僅僅包含了非常少的強(qiáng)物理散射點(diǎn)。對(duì)于飛機(jī)目標(biāo)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明僅僅分別擁有6個(gè)和9個(gè)的散射中心點(diǎn)，包括發(fā)動(dòng)機(jī)的固定架、尾翼、機(jī)翼的結(jié)合部和機(jī)翼的邊緣，其頻帶范圍為1-7GHz。這些匹配于目標(biāo)物理特征的特殊的散射點(diǎn)對(duì)于低信噪比下的檢測(cè)的意義很大，主要是因?yàn)樗鼈兏菀妆粡脑肼曋袡z測(cè)出來(lái)。實(shí)際目標(biāo)的顯著的物理散射點(diǎn)的稀疏性顯示了在目標(biāo)的HRRP中，強(qiáng)的散射點(diǎn)同樣也是稀疏的?；谀繕?biāo)高分辨距離像的稀疏性，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行非線性收縮映射。
2.1)設(shè)計(jì)非線性收縮映射函數(shù) 其中σw為步驟(1)所估計(jì)出標(biāo)準(zhǔn)差，μ∈[1，+∞)，稱(chēng)之為形狀參數(shù)，ρ(x)是一個(gè)非線性收縮映射函數(shù)，并且它滿足 (a) (b)ρ(x1)≤ρ(x2)，x1≤x2(4) (c) 函數(shù)ρ(x)本質(zhì)上是提供了一個(gè)對(duì)于散射單元是強(qiáng)是弱的一個(gè)模糊決策。其中(a)式保證了它是一個(gè)模糊隸屬度函數(shù)；(b)式表示了當(dāng)散射單元的強(qiáng)度越高，它的幅度被收縮的越少；(c)式表示了當(dāng)散射單元的能量很低時(shí)，它將被拋棄；而能量很強(qiáng)時(shí)，將會(huì)被完全保留。其模糊函數(shù)的曲線圖如圖2所示。
2.2)應(yīng)用非線性收縮映射對(duì)含噪距離像進(jìn)行提煉 zp(m)≡ρ(|zp(m)|)zp(m) (5) 其中zp(m)是被觀測(cè)的高分辨距離像HRRP；zp(m)表示的是對(duì)復(fù)HRRP進(jìn)行提煉后的結(jié)果；

表示的是對(duì)實(shí)HRRP進(jìn)行提煉后的結(jié)果。
該提煉方法在抑制大量噪聲點(diǎn)的同時(shí)，盡可能的保留被噪聲污染的距離像中的強(qiáng)的散射點(diǎn)。因?yàn)槟繕?biāo)HRRP本身就是稀疏的，所以非線性收縮映射可以在含噪的HRRP中直接進(jìn)行操作。當(dāng)加噪信號(hào)通過(guò)式(3)和式(5)的提煉后，低于噪聲功率的弱散射單元抑制為零，而大于噪聲功率的強(qiáng)散射單元得以保留，并且中等幅度的散射單元的值在
之間得到了幅度上的平滑。所以，該提煉方法顯著的抑制了純?cè)肼曅蛄泻图釉肽繕?biāo)的連續(xù)高分辨率距離像HRRP中的噪聲能量。同時(shí)，能凸顯出對(duì)應(yīng)于目標(biāo)特征的強(qiáng)散射單元。
步驟3，基于提煉的多脈沖距離像，計(jì)算每?jī)蓚€(gè)提煉距離像之間的互相關(guān)系數(shù)，得到修正的互相關(guān)系數(shù)矩陣。
多個(gè)連續(xù)脈沖目標(biāo)的高分辨距離像在幅度上是高度相關(guān)的，如果不考慮未知的移位的話，強(qiáng)散射單元經(jīng)常出現(xiàn)在兩個(gè)HRRP的相同區(qū)域。
3.1)分別定義有著脈沖間隔|p-q|的兩個(gè)復(fù)的和兩個(gè)實(shí)的精煉的HRRP的修正的互相關(guān)系數(shù)為 其中λc(p，q)是第p個(gè)和第q個(gè)復(fù)的精練的HRRP的修正的互相關(guān)系數(shù)，λr(p，q)是第p個(gè)和第q個(gè)實(shí)的精練HRRP的修正的互相關(guān)系數(shù)，τ是距離像的延遲，zp(m)，zq(m)表示第p個(gè)和第q個(gè)復(fù)的精練的HRRP，

是第p個(gè)和第q個(gè)實(shí)的精練的HRRP，m為距離像中的距離單元數(shù)，Δ是兩個(gè)連續(xù)脈沖中目標(biāo)所能跨越的最大可能距離單元數(shù)。
對(duì)于脈沖間隔為|p-q|的兩個(gè)脈沖中，目標(biāo)所能跨越的最大可能距離就為Δ|p-q|。這里的整數(shù)Δ依賴于目標(biāo)的最大可能徑向速度以及雷達(dá)的重復(fù)頻率PRF。如果p＝q，式(6)和(7)的定義符合了一個(gè)精煉的HRRP的自相關(guān)，它反映了在所有距離單元上的一個(gè)精煉的HRRP的能量。如果p≠q，兩個(gè)精煉的HRRP的互相關(guān)系數(shù)反映了它們之間的相關(guān)性。
3.2)根據(jù)(3.1)定義的相關(guān)系數(shù)，確定P個(gè)精煉的復(fù)HRRP和實(shí)HRRP的修正的互相關(guān)系數(shù)矩陣分別為

其中Λc是復(fù)的P個(gè)精練HRRP所得到的修正的互相關(guān)系數(shù)矩陣， Λr是實(shí)的P個(gè)精練HRRP所得到的修正的互相關(guān)系數(shù)矩陣。
修正的相關(guān)矩陣不同于傳統(tǒng)的兩個(gè)向量的內(nèi)積的那種相關(guān)矩陣。本發(fā)明利用依賴偏移量的擴(kuò)展的互相關(guān)方法，對(duì)多個(gè)接連的高分辨距離像得到一個(gè)互相關(guān)矩陣，而矩陣的每一個(gè)值代表的是對(duì)應(yīng)兩個(gè)高分辨距離像的相關(guān)值。
步驟4，對(duì)互相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行積累，構(gòu)造檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量。
4.1)純?cè)肼暻闆r下的修正相關(guān)系數(shù)矩陣中的條件均值和條件方差的確定。
假設(shè)P個(gè)連續(xù)的脈沖的噪聲序列是相互獨(dú)立的、零均值的、白的復(fù)高斯噪聲，并且有著同樣的方差。在H0即純?cè)肼暭僭O(shè)下，修正的相關(guān)矩陣的條件均值和條件方差是對(duì)稱(chēng)的有著非零值的Toeplitz矩陣。


(10) 其中mean{Λc|H0}和mean{Λr|H0}分別表示的是復(fù)的和實(shí)的情況下的修正的相關(guān)矩陣的條件均值；var{Λc|H0}和var{Λr|H0}分別表示的是復(fù)的和實(shí)的情況下的修正的相關(guān)矩陣的條件方差；

和

分別表示的是矩陣Λc和Λr中對(duì)應(yīng)p行q列元素的均值；

和

分別表示的是矩陣Λc和Λr中對(duì)應(yīng)p行q列元素的方差；

σc，σr是與噪聲方差成正比。
由于(6)和(7)式的非線性映射、加和、求模以及最大運(yùn)算，解析推導(dǎo)出它們的均值和方差是很困難的。一個(gè)簡(jiǎn)單而有效的方式來(lái)估計(jì)它們的均值和方差的方法是對(duì)于單位方差零均值的蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)來(lái)得到。對(duì)長(zhǎng)度為256的單位方差的噪聲序列的修正的相關(guān)矩陣的均值和方差，如圖3所示，其中圖3(a)表示復(fù)情況的均值，圖3(b)表示實(shí)情況的均值，圖3(c)表示復(fù)情況的標(biāo)準(zhǔn)差，圖3(d)表示實(shí)情況的標(biāo)準(zhǔn)差。由圖3可以看出，除了對(duì)角線以外，隨著脈沖間隔|p-q|的增加，方差是增加的。這個(gè)表示了精煉的噪聲HRRP的互相關(guān)隨著脈沖間隔|p-q|的增加變得分散。從之前對(duì)目標(biāo)距離像的分析，知道兩個(gè)目標(biāo)的HRRP的互相關(guān)可以隨著脈沖間隔的擴(kuò)大而降低。因此，有著較小脈沖間隔的兩個(gè)精煉的HRRP的互相關(guān)提供了目標(biāo)存在的較大信息。另外，對(duì)于有目標(biāo)情況下的修正矩陣的均值和方差的分析是沒(méi)有意義的，因?yàn)槟繕?biāo)的距離像隨著目標(biāo)姿態(tài)的變化是變化的，隨著目標(biāo)的不同而不同。
4.2)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的構(gòu)造 因?yàn)樾拚嚓P(guān)矩陣的對(duì)稱(chēng)性，因此僅僅積累它的上對(duì)角元素。由于在式子(11)中的“最大”操作，故認(rèn)為低于條件均值

的互相關(guān)系數(shù)λc(p，q)不提供目標(biāo)存在的信息。這個(gè)預(yù)決策很大的降低了噪聲序列的積累，而基本保留了含噪信號(hào)的積累，因?yàn)樵肼曅蛄械幕ハ嚓P(guān)低于條件均值的概率為0.5，然而含噪目標(biāo)HRRP的互相關(guān)系數(shù)低于條件均值的概率很小，具體概率依賴于信噪比SNR。因此，最大操作對(duì)于目標(biāo)檢測(cè)是有益處的。對(duì)于每一項(xiàng)的權(quán)值1/σc(|p-q|)符合了多數(shù)的目標(biāo)存在的信息由小的條件標(biāo)準(zhǔn)差的項(xiàng)來(lái)提供，這樣，觀測(cè)的互相關(guān)系數(shù)對(duì)于它們的條件均值有著相等的方差。為此，構(gòu)造出檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量如下 對(duì)于復(fù)情況，則檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量為
對(duì)于實(shí)情況，則檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量為
其中，

和

分別表示復(fù)修正相關(guān)系數(shù)矩陣和實(shí)修正相關(guān)系數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)p行q列元素的均值；

和

分別表示的是復(fù)修正相關(guān)系數(shù)矩陣和實(shí)修正相關(guān)系數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)p行q列元素的方差。
4.3)設(shè)定檢測(cè)門(mén)限 因?yàn)樵谟?jì)算檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量中的非線性收縮映射和非線性操作的使用，條件概率p(ξc|H0)和p(ξr|H0)是很難得到的。所以利用對(duì)于噪聲序列的蒙特卡羅實(shí)驗(yàn)來(lái)得到檢測(cè)門(mén)限。
假設(shè)噪聲序列是零均值的，單位方差的白高斯噪聲序列。得到在H0情況下的關(guān)于檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量ξc的N個(gè)采樣ξc(n)，n＝1，2，…，N。對(duì)于給定的虛警率pf’將N個(gè)采樣從小到大排列，取排列后的序列的第[Npf]個(gè)采樣作為檢測(cè)門(mén)限ηunit。[Npf]表示不超過(guò)實(shí)數(shù)Npf的最大整數(shù)。測(cè)試的數(shù)目N必須足夠的大，以保證獲得的檢測(cè)門(mén)限的精度。N必須滿足NPf≥100。對(duì)于pf＝10-3需要至少100,000。
由于噪聲的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量是與噪聲方差成正比的，對(duì)于方差為

的噪聲的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量是單位方差噪聲的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的

倍，即檢測(cè)門(mén)限為 其中η為當(dāng)前方差情況下的檢測(cè)門(mén)限；ηunit為單位方差情況下的檢測(cè)門(mén)限；σw為步驟(1)中估計(jì)所得標(biāo)準(zhǔn)差。
步驟5，比較檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量與檢測(cè)門(mén)限，實(shí)現(xiàn)判決。
基于已經(jīng)獲得的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量和檢測(cè)門(mén)限，對(duì)于復(fù)的與實(shí)的精煉的HRRP，其判決如下

其中ξc和ξr分別表示的是復(fù)情況和實(shí)情況下的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量；ηc和ηr分別表示復(fù)情況和實(shí)情況下的檢測(cè)門(mén)限。
本方法對(duì)于各種類(lèi)型的飛行器都是適用的，即飛行器在雷達(dá)的照射下是距離分布式的目標(biāo)。
本發(fā)明的效果可以通過(guò)下面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步說(shuō)明。
一.實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù) 實(shí)驗(yàn)所用的雷達(dá)目標(biāo)回波數(shù)據(jù)是某所用于成像的逆合成孔徑雷達(dá)對(duì)機(jī)動(dòng)飛行的安26飛機(jī)所成的高分辨距離像。雷達(dá)的帶寬為400MHz，載頻為5520MHz，波長(zhǎng)為5.45cm，脈沖重復(fù)頻率為400Hz，采樣頻率為10MHz。安26的長(zhǎng)度為23.80m，寬度為29.20m，高度為8.58m。其中飛機(jī)目標(biāo)約占據(jù)了HRRP中256個(gè)距離單元的73個(gè)。數(shù)據(jù)錄的是飛機(jī)飛行約7分鐘所成的167000個(gè)一維距離像。從飛機(jī)的飛行軌跡可以看出，數(shù)據(jù)包含了目標(biāo)在所有方位角上的HRRP，所以可以提供檢測(cè)性能的準(zhǔn)確評(píng)估，如圖4所示。圖4是安26飛機(jī)飛行軌跡在地面上的投影圖。
二.實(shí)驗(yàn)分析 對(duì)于安26飛機(jī)的167000次距離像的實(shí)驗(yàn)，每個(gè)距離像中包含80％能量所需的最少?gòu)?qiáng)散射點(diǎn)個(gè)數(shù)的曲線圖，如圖5所示。從圖5可以發(fā)現(xiàn)，平均的強(qiáng)散射點(diǎn)個(gè)數(shù)僅僅為10左右，并且在極端情況下也沒(méi)有超過(guò)29個(gè)，說(shuō)明了距離像是稀疏的。
圖6為高分辨距離像通過(guò)非線性收縮映射后的一個(gè)例子，其中圖6(a)是沒(méi)有噪聲情況下的距離像，圖6(b)是信噪比為3dB情況下的距離像，圖6(c)是通過(guò)非線性收縮映射后得到的精練的距離像。從圖6可以看出，非線性收縮映射在抑制了大量的噪聲單元的同時(shí)保留了強(qiáng)散射點(diǎn)的信息。通過(guò)非線性收縮映射，距離像的噪聲得以濾除，獲得了提煉后的距離像。在實(shí)測(cè)的雷達(dá)數(shù)據(jù)中，計(jì)算了有著距離間隔k的所有目標(biāo)距離像對(duì)的互相關(guān)系數(shù)的平均，如圖7所示，其中圖7(a)是復(fù)距離像情況，圖7(b)是實(shí)距離像情況。從圖7可以看出，隨著脈沖間隔的變化，復(fù)距離像的相關(guān)系數(shù)下降的很大，而實(shí)距離像的相關(guān)系數(shù)基本處于0.84以上(k＝1～64)，而其中有一些特別的奇異點(diǎn)。這些奇異點(diǎn)可以解釋成當(dāng)僅僅發(fā)生了距離走動(dòng)，而沒(méi)有出現(xiàn)目標(biāo)物理散射點(diǎn)的重組引起的?？梢?jiàn)，兩個(gè)實(shí)的HRRP保持了很高的相關(guān)系數(shù)。當(dāng)除了距離走動(dòng)以外還發(fā)生了物理散射點(diǎn)的重組，這樣的幅度起伏很大程度的降低了互相關(guān)系數(shù)。對(duì)于一個(gè)給定的徑向速度，最大的未知滿足kvR是Δr×PRF的倍數(shù)，這里vR，Δr，PRF分別代表了目標(biāo)徑向速度，距離分辨率和雷達(dá)的脈沖重復(fù)頻率。
利用提煉后的目標(biāo)相鄰距離像的相關(guān)性比較高的特點(diǎn)，提取出目標(biāo)存在時(shí)所表現(xiàn)的特征。通過(guò)式(8)和式(9)得到復(fù)距離像和實(shí)距離像情況下的修正的相關(guān)系數(shù)矩陣，再通過(guò)式(11)和式(12)得到兩種情況下的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，然后與式(14)和式(15)的檢測(cè)門(mén)限做比較，進(jìn)行目標(biāo)是否存在的統(tǒng)計(jì)判決。
在本發(fā)明中，如果不進(jìn)行非線性收縮映射的操作，該檢測(cè)方法也是可以進(jìn)行下去的，但是檢測(cè)性能會(huì)有很大的下降，如圖8所示，其中圖8(a)是2個(gè)脈沖情況下利用映射和沒(méi)有用映射的性能比較，圖8(b)是16個(gè)脈沖情況下利用映射和沒(méi)有用映射的性能比較。對(duì)于每一個(gè)信噪比情況下，利用非線性收縮映射的檢測(cè)概率明顯高于未使用非線性收縮映射的檢測(cè)概率，如圖9所示。圖9給出了本發(fā)明中對(duì)于不同積累脈沖數(shù)情況下，利用復(fù)精煉距離像和實(shí)精煉距離像的檢測(cè)性能比較，可以看出，利用實(shí)距離像的檢測(cè)概率相對(duì)要高一些，這是因?yàn)閷?shí)距離像的互相關(guān)系數(shù)相對(duì)復(fù)距離像要高一些。從圖10可以看出，虛警率為10-3，積累數(shù)P為4時(shí)，對(duì)本發(fā)明的檢測(cè)方法以及基于多脈沖SSD-GLRT檢測(cè)方法的性能進(jìn)行比較，能夠看出本發(fā)明的寬帶雷達(dá)檢測(cè)方法相比于目前常用的多脈沖SSD-GLRT檢測(cè)方法有著更加優(yōu)越的檢測(cè)性能。
權(quán)利要求
1.一種基于高分辨目標(biāo)距離像修正相關(guān)矩陣的寬帶雷達(dá)檢測(cè)方法，包括如下步驟
(1)對(duì)含噪距離像進(jìn)行噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)；
(2)基于步驟(1)中所得標(biāo)準(zhǔn)差，構(gòu)造一族非線性收縮映射，根據(jù)該收縮映射對(duì)含噪距離像進(jìn)行提煉，得到提煉的多脈沖距離像；
(3)基于提煉的多脈沖距離像，計(jì)算每?jī)蓚€(gè)提煉距離像之間的互相關(guān)系數(shù)，得到修正的互相關(guān)系數(shù)矩陣；
(4)對(duì)互相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行積累，構(gòu)造檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，并設(shè)定當(dāng)前噪聲方差時(shí)的檢測(cè)門(mén)限；
(5)將檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量與檢測(cè)門(mén)限進(jìn)行比較，判決目標(biāo)是否存在，如果檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量大于檢測(cè)門(mén)限，則判定目標(biāo)存在，反之，則判定目標(biāo)不存在。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶雷達(dá)檢測(cè)方法，其特征在于步驟(2)所述的“構(gòu)造一族非線性收縮映射，并對(duì)含噪距離像進(jìn)行提煉”按如下步驟進(jìn)行
(2a)設(shè)計(jì)非線性收縮映射
并且它滿足
(a)
(b)ρ(x1)≤ρ(x2)，x1≤x2；
(c)
其中σw為估計(jì)的標(biāo)準(zhǔn)差；μ∈[1，+∞)，為形狀參數(shù)；
(2b)應(yīng)用非線性收縮映射對(duì)含噪距離像進(jìn)行提煉
zp(m)≡ρ(|zp(m)|)zp(m)
zp(m)≡ρ(|zp(m)|)|zp(m)|
其中zp(m)是被觀測(cè)的高分辨距離像HRRP；zp(m)表示對(duì)復(fù)HRRP進(jìn)行提煉后的結(jié)果；
表示對(duì)實(shí)HRRP進(jìn)行提煉后的結(jié)果。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶雷達(dá)檢測(cè)方法，其特征在于步驟(3)所述的“計(jì)算每?jī)蓚€(gè)提煉距離像之間的互相關(guān)系數(shù)”，按如下步驟進(jìn)行
(3a)分別定義有著脈沖間隔|p-q|的兩個(gè)復(fù)的和兩個(gè)實(shí)的精煉的HRRP的修正的互相關(guān)系數(shù)為
其中λc(p，q)是第p個(gè)和第q個(gè)復(fù)的精練的HRRP的修正的互相關(guān)系數(shù)，λr(p，q)是第p個(gè)和第q個(gè)實(shí)的精練HRRP的修正的互相關(guān)系數(shù)，τ是距離像的延遲，zp(m)，zp(m)表示第p個(gè)和第q個(gè)復(fù)的精練的HRRP，
是第p個(gè)和第q個(gè)實(shí)的精練的HRRP，m為距離像中的距離單元數(shù)，Δ是兩個(gè)連續(xù)脈沖中目標(biāo)所能跨越的最大可能距離單元數(shù)；
(3b)根據(jù)(3a)定義的相關(guān)系數(shù)，確定P個(gè)精煉的復(fù)HRRP和實(shí)HRRP的修正的互相關(guān)系數(shù)矩陣分別為
其中，Λc是復(fù)的P個(gè)精練HRRP所得到的修正的互相關(guān)系數(shù)矩陣，Λr是實(shí)的P個(gè)精練HRRP所得到的修正的互相關(guān)系數(shù)矩陣。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的寬帶雷達(dá)檢測(cè)方法，其特征在于步驟(4)所述的“構(gòu)造檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量”是按照復(fù)情況和實(shí)情況分別進(jìn)行
(4a)對(duì)于復(fù)情況，構(gòu)造公式為
其中，ξc表示復(fù)情況的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量；
表示復(fù)修正相關(guān)系數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)p行q列元素的均值；
表示復(fù)修正相關(guān)系數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)p行q列元素的方差；
(4b)對(duì)于實(shí)情況，構(gòu)造公式為
其中，ξr表示實(shí)情況下的檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量；
表示實(shí)修正相關(guān)系數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)p行q列元素的均值；
表示實(shí)修正相關(guān)系數(shù)矩陣中對(duì)應(yīng)p行q列元素的方差。
全文摘要
本發(fā)明提出一種基于連續(xù)的高分辨目標(biāo)距離像修正相關(guān)矩陣的寬帶雷達(dá)檢測(cè)方法，其步驟為(1)對(duì)含噪距離像進(jìn)行噪聲的標(biāo)準(zhǔn)差估計(jì)；(2)基于所得標(biāo)準(zhǔn)差，構(gòu)造一族非線性收縮映射，根據(jù)該收縮映射對(duì)含噪距離像進(jìn)行提煉，得到提煉的多脈沖距離像；(3)基于多脈沖距離像，計(jì)算每?jī)蓚€(gè)提煉距離像之間的互相關(guān)系數(shù)，得到修正的互相關(guān)系數(shù)矩陣；(4)對(duì)互相關(guān)系數(shù)矩陣進(jìn)行積累，構(gòu)造檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，并設(shè)定當(dāng)前噪聲方差時(shí)的檢測(cè)門(mén)限；(5)將檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量與檢測(cè)門(mén)限進(jìn)行比較，判決目標(biāo)是否存在。本發(fā)明具有跨距離單元檢測(cè)和進(jìn)行多脈沖積累的優(yōu)點(diǎn)，可用于在未知先驗(yàn)信息條件下對(duì)非合作目標(biāo)的檢測(cè)。
文檔編號(hào)G01S13/00GK101509972SQ200910021740
公開(kāi)日2009年8月19日 申請(qǐng)日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者水鵬朗, 許述文, 劉宏偉 申請(qǐng)人:西安電子科技大學(xué)