本發(fā)明隸屬于雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域,具體涉及一種基于變參數(shù)廣義結(jié)構(gòu)的距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測方法。
背景技術(shù):
與傳統(tǒng)低分辨率窄帶雷達(dá)相比,寬帶雷達(dá)具有更大的帶寬和更高的距離分辨率,在抗干擾、反偵察、精確探測及成像、高精度跟蹤、目標(biāo)識(shí)別等方面具有明顯的優(yōu)勢,在現(xiàn)代軍事和民用領(lǐng)域獲得了廣泛的重視和應(yīng)用,已經(jīng)成為現(xiàn)代雷達(dá)發(fā)展的一個(gè)重要方向。傳統(tǒng)窄帶雷達(dá)由于距離分辨率低,其距離分辨單元遠(yuǎn)大于常見目標(biāo)的幾何尺寸,目標(biāo)回波信號(hào)只占據(jù)一個(gè)距離分辨單元,實(shí)際目標(biāo)常被作為“點(diǎn)目標(biāo)”進(jìn)行處理。與窄帶雷達(dá)的“點(diǎn)目標(biāo)”不同,常見寬帶雷達(dá)目標(biāo)的回波信號(hào)不僅僅只占據(jù)一個(gè)距離分辨單元,而是分布在不同的徑向距離分辨單元中,呈現(xiàn)為“一維距離像”,形成“距離擴(kuò)展目標(biāo)”。隨著寬帶雷達(dá)的廣泛應(yīng)用,距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測問題正受到越來越多的關(guān)注,成為近年來雷達(dá)信號(hào)處理界的熱點(diǎn)和難點(diǎn)問題之一。
一方面,由于寬帶雷達(dá)觀測到的目標(biāo)回波分布在多個(gè)徑向距離單元上,若仍采用常規(guī)窄帶雷達(dá)的點(diǎn)目標(biāo)檢測方法,針對(duì)單個(gè)距離單元對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行目標(biāo)檢測,并利用鄰近的距離單元采樣進(jìn)行背景雜波統(tǒng)計(jì)特性估計(jì),則距離擴(kuò)展目標(biāo)強(qiáng)散射點(diǎn)的能量會(huì)泄漏到鄰近距離單元中形成“信號(hào)污染”現(xiàn)象,并進(jìn)一步對(duì)待檢測點(diǎn)目標(biāo)構(gòu)成遮蔽效應(yīng),導(dǎo)致無法檢測到點(diǎn)目標(biāo),由于未能充分利用分布在多個(gè)距離單元中目標(biāo)回波的全部能量,這不但不能體現(xiàn)寬帶雷達(dá)的優(yōu)勢,反而會(huì)降低對(duì)距離擴(kuò)展目標(biāo)的檢測能力。另一方面,實(shí)際應(yīng)用中常常利用與被檢測單元鄰近的純雜波輔助數(shù)據(jù),對(duì)未知雜波協(xié)方差矩陣進(jìn)行估計(jì),而雜波的統(tǒng)計(jì)特性與雷達(dá)掠地角密切相關(guān),其非高斯特性隨著掠地角的減小而增強(qiáng)。在掠地角較大的情況下,雜波統(tǒng)計(jì)特性服從高斯分布,此時(shí)基于輔助數(shù)據(jù)的高斯雜波協(xié)方差矩陣最大似然估計(jì)為經(jīng)典的采樣協(xié)方差矩陣,以兩步法廣義似然比檢驗(yàn)準(zhǔn)則為基礎(chǔ),相應(yīng)的最優(yōu)距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測器具有廣義自適應(yīng)匹配濾波器的結(jié)構(gòu)。隨著雷達(dá)掠地角的減小,背景雜波呈現(xiàn)出較強(qiáng)的非均勻、非高斯特性,此時(shí)可用復(fù)合高斯分布進(jìn)行建模,即雜波可表示為時(shí)空慢變的非負(fù)紋理分量與時(shí)空快變的復(fù)高斯散斑分量之乘積。其中,紋理分量用于描述不同距離單元雜波功率水平的起伏,而散斑分量用于描述雜波多維回波信號(hào)內(nèi)部的相關(guān)性。與高斯背景不同,基于輔助數(shù)據(jù)的復(fù)合高斯雜波協(xié)方差矩陣結(jié)構(gòu)最大似然估計(jì)沒有閉型表達(dá)式,且涉及到超越方程的求解,現(xiàn)有歸一化采樣協(xié)方差矩陣、近似最大似然估計(jì)矩陣等均為次優(yōu)估計(jì)方法,以兩步法廣義似然比檢驗(yàn)準(zhǔn)則為基礎(chǔ),相應(yīng)的最優(yōu)距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測器具有廣義自適應(yīng)積累檢測器的形式。
雖然針對(duì)高斯和復(fù)合高斯雜波背景下的距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測問題,存在最優(yōu)或次優(yōu)的雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)方法和相應(yīng)的自適應(yīng)檢測器結(jié)構(gòu),但實(shí)際雜波的非高斯特性往往在時(shí)間和空間上隨環(huán)境的改變而漸進(jìn)變化,上述特定雜波背景下的最優(yōu)或次優(yōu)雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)方法和相應(yīng)的檢測器難以適應(yīng)雜波環(huán)境的快速變化,導(dǎo)致相應(yīng)的檢測性能和恒虛警率(cfar)特性惡化。針對(duì)實(shí)際環(huán)境中雜波非高斯程度的時(shí)空漸變性,在協(xié)方差矩陣估計(jì)和自適應(yīng)檢測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)過程中,既要考慮極端的高斯和復(fù)合高斯雜波環(huán)境,也要兼顧介于高斯和復(fù)合高斯二者之間的過渡雜波環(huán)境。如何設(shè)計(jì)合適的雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)方法,通過充分考慮過渡雜波環(huán)境的特點(diǎn),使自適應(yīng)檢測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)方法相匹配,是提高寬帶雷達(dá)在復(fù)雜雜波環(huán)境下檢測性能的關(guān)鍵。
技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素:
目前采樣協(xié)方差矩陣估計(jì)方法只考慮了高斯雜波背景,而歸一化采樣協(xié)方差矩陣或近似最大似然估計(jì)方法也只考慮了復(fù)合高斯背景,針對(duì)過渡雜波環(huán)境下的距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測問題,這些協(xié)方差矩陣估計(jì)方法均只考慮了高斯或復(fù)合高斯的單種特定情況,且采樣協(xié)方差矩陣估計(jì)方法只與高斯背景下的廣義自適應(yīng)匹配濾波器相匹配,而歸一化采樣協(xié)方差矩陣或近似最大似然估計(jì)方法也只與復(fù)合高斯背景下的廣義自適應(yīng)積累檢測器相匹配,即現(xiàn)有協(xié)方差矩陣估計(jì)方法和自適應(yīng)距離擴(kuò)展檢測器均難以適應(yīng)過渡雜波環(huán)境的特點(diǎn)。針對(duì)實(shí)際環(huán)境中雜波非高斯程度的時(shí)空漸變性,如何在距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和相應(yīng)的雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)方法中同步考慮過渡雜波環(huán)境的特點(diǎn),使檢測器結(jié)構(gòu)和相應(yīng)的雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)方法相匹配,且需能同時(shí)兼顧高斯和復(fù)合高斯等特殊環(huán)境下的寬帶雷達(dá)目標(biāo)檢測需求。
本發(fā)明所述基于變參數(shù)廣義結(jié)構(gòu)的距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測方法包括以下技術(shù)措施:
步驟1從l個(gè)待檢測距離單元獲取待檢測數(shù)據(jù)向量,從與被檢測單元鄰近的r個(gè)無目標(biāo)距離單元獲取純雜波輔助數(shù)據(jù),并利用輔助數(shù)據(jù)向量計(jì)算未知協(xié)方差矩陣的融合估計(jì)值
由l個(gè)待檢測距離單元回波復(fù)幅值構(gòu)成l個(gè)待檢測數(shù)據(jù)向量zt,t=1,2,…,l,其中,l為大于1的自然數(shù),以待檢測距離單元為中心,在其前后分別連續(xù)取一定數(shù)量的不包含目標(biāo)的距離單元回波復(fù)幅值,構(gòu)成r個(gè)純雜波輔助數(shù)據(jù)向量xm,m=1,2,…,r,其中,zt和xm均為n×1維的向量,n表示雷達(dá)接收陣元數(shù)與相干處理脈沖數(shù)的乘積;
未知協(xié)方差矩陣的融合估計(jì)值
上式中,上標(biāo)h表示矩陣的共軛轉(zhuǎn)置運(yùn)算,上標(biāo)-1表示矩陣的求逆運(yùn)算,k=0,1,...,k-1;k表示最終的迭代次數(shù),根據(jù)協(xié)方差矩陣估計(jì)精度要求和運(yùn)算量要求進(jìn)行設(shè)置,若協(xié)方差矩陣估計(jì)精度要求較高,則k取較大值,若要求運(yùn)算量較小,則k取較小值;
步驟2基于未知協(xié)方差矩陣的融合估計(jì)值
其中,利用未知協(xié)方差矩陣的融合估計(jì)值
上式中,p表示已知的空時(shí)導(dǎo)向矢量,是一個(gè)n×1維的單位向量,根據(jù)雷達(dá)系統(tǒng)工作參數(shù)確定;式(2)與式(1)中參數(shù)α實(shí)現(xiàn)同步調(diào)整,使檢測統(tǒng)計(jì)量自適應(yīng)于過渡雜波環(huán)境的非高斯程度,能涵蓋現(xiàn)有高斯和復(fù)合高斯雜波背景下的最優(yōu)或次優(yōu)檢測器;當(dāng)α=0時(shí),式(2)的檢測統(tǒng)計(jì)量λα等價(jià)于基于采樣協(xié)方差矩陣的廣義自適應(yīng)匹配濾波器,能獲得高斯雜波背景下的最優(yōu)檢測性能;當(dāng)α=1時(shí),式(2)的檢測統(tǒng)計(jì)量λα等價(jià)于基于近似最大似然估計(jì)矩陣的廣義自適應(yīng)積累檢測器,適合于非高斯性較強(qiáng)的復(fù)合高斯背景下距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測,且能根據(jù)協(xié)方差矩陣估計(jì)精度要求和運(yùn)算量要求調(diào)整最終迭代次數(shù)k;
步驟3為保持檢測方法的恒虛警率特性,根據(jù)預(yù)設(shè)的虛警概率設(shè)置檢測門限t;將待檢測數(shù)據(jù)向量zt,t=1,2,…,l的自適應(yīng)檢測統(tǒng)計(jì)量λα與門限t進(jìn)行比較,若λα≥t,則判定l個(gè)待檢測距離單元存在距離擴(kuò)展目標(biāo),回波向量zt,t=1,2,…,l不作為其他距離單元的輔助數(shù)據(jù);反之若λα<t,則判定l個(gè)待檢測距離單元不存在距離擴(kuò)展目標(biāo),回波向量zt,t=1,2,…,l作為后續(xù)其他距離單元的輔助數(shù)據(jù)。
與背景技術(shù)相比,本發(fā)明的有益效果是:1)通過統(tǒng)一的協(xié)方差矩陣融合估計(jì)框架,使得協(xié)方差矩陣估計(jì)自適應(yīng)于過渡雜波環(huán)境的非高斯程度,能涵蓋現(xiàn)有的采樣協(xié)方差矩陣、歸一化采樣協(xié)方差矩陣、近似最大似然估計(jì)矩陣等特定雜波背景下最優(yōu)或次優(yōu)估計(jì)方法,且能通過調(diào)整最終迭代次數(shù)使協(xié)方差矩陣估計(jì)精度與運(yùn)算量要求之間達(dá)到優(yōu)化平衡;2)針對(duì)實(shí)際環(huán)境中雜波非高斯程度的時(shí)空漸變性,合理利用雜波非高斯特征信息,基于特定雜波環(huán)境下現(xiàn)有最優(yōu)檢測統(tǒng)計(jì)量的共性特征,采用簡潔的乘積形式融合構(gòu)建距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測器,通過單一參數(shù)實(shí)現(xiàn)了過渡雜波環(huán)境下距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測器設(shè)計(jì)與相應(yīng)雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)方法的同步控制,參數(shù)設(shè)置簡潔有效;3)所提出的距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測器結(jié)構(gòu)能兼容并涵蓋高斯和復(fù)合高斯等特定雜波背景下最優(yōu)或次優(yōu)雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)方法及相應(yīng)的距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測器,且能適應(yīng)于高斯和復(fù)合高斯二者之間的過渡雜波環(huán)境,體現(xiàn)了對(duì)實(shí)際雜波非高斯程度時(shí)空漸變性的自適應(yīng)性能,具有很強(qiáng)的泛化能力,能有效提升寬帶雷達(dá)在復(fù)雜雜波環(huán)境下的檢測性能。
附圖說明
圖1是本發(fā)明所提出的基于變參數(shù)廣義結(jié)構(gòu)的距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測方法的功能模塊圖。圖1中,1.協(xié)方差矩陣融合估計(jì)模塊,2.距離擴(kuò)展目標(biāo)融合檢測器構(gòu)建模塊,3.檢測判決模塊。
具體實(shí)施方式
下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述。本發(fā)明實(shí)施例用來解釋說明本發(fā)明,而不是對(duì)本發(fā)明進(jìn)行限制,在本發(fā)明的精神和權(quán)利要求的保護(hù)范圍內(nèi),對(duì)本發(fā)明做出的任何修改和改變,都落入本發(fā)明的保護(hù)范圍。
參照說明書附圖1,本發(fā)明的具體實(shí)施方式分為以下幾個(gè)步驟:
步驟1通過對(duì)待檢測區(qū)域周圍的無目標(biāo)范圍進(jìn)行雷達(dá)照射,獲得與待檢測單元鄰近的不包含目標(biāo)的純雜波輔助數(shù)據(jù),構(gòu)成r個(gè)輔助數(shù)據(jù)向量xm,m=1,2,…,r,其中,xm,m=1,2,…,r為n×1維的向量,n表示雷達(dá)接收陣元數(shù)與相干處理脈沖數(shù)的乘積;并將參考數(shù)據(jù)向量送至協(xié)方差矩陣融合估計(jì)模塊(1),根據(jù)式(1)計(jì)算未知協(xié)方差矩陣的融合估計(jì)值
值得注意的是,當(dāng)α=0,根據(jù)式(1)計(jì)算的未知協(xié)方差矩陣的融合估計(jì)值
由式(3)可知,當(dāng)α=0時(shí)融合估計(jì)值
而當(dāng)α=1時(shí),式(1)表示的迭代過程簡化為
由式(4)可知,當(dāng)α=1時(shí)融合估計(jì)值
特別當(dāng)α=1且k=1時(shí),根據(jù)式(1)計(jì)算的未知協(xié)方差矩陣的融合估計(jì)值
由式(5)可知,當(dāng)α=1且k=1時(shí)融合估計(jì)值
式(1)中的最終迭代次數(shù)k可根據(jù)協(xié)方差矩陣估計(jì)精度要求和運(yùn)算量要求進(jìn)行調(diào)整,若協(xié)方差矩陣估計(jì)精度要求較高,則k取較大值,若要求運(yùn)算量較小,則k取較小值;對(duì)于非高斯雜波環(huán)境,當(dāng)k≥3時(shí),融合估計(jì)值
綜合來看,本發(fā)明中協(xié)方差矩陣的融合估計(jì)方法能通過統(tǒng)一的協(xié)方差矩陣融合估計(jì)框架,涵蓋現(xiàn)有的采樣協(xié)方差矩陣、歸一化采樣協(xié)方差矩陣、近似最大似然估計(jì)矩陣等特定雜波背景下最優(yōu)或次優(yōu)估計(jì)方法,且能通過調(diào)整最終迭代次數(shù)使協(xié)方差矩陣估計(jì)精度與運(yùn)算量要求之間達(dá)到優(yōu)化平衡;
步驟2由l個(gè)待檢測距離單元回波復(fù)幅值構(gòu)成l個(gè)待檢測數(shù)據(jù)向量zt,t=1,2,…,l,并將待檢測數(shù)據(jù)向量送至距離擴(kuò)展目標(biāo)融合檢測器構(gòu)建模塊(2);在距離擴(kuò)展目標(biāo)融合檢測器構(gòu)建模塊(2)中,依據(jù)式(2)計(jì)算基于變參數(shù)廣義結(jié)構(gòu)的距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測統(tǒng)計(jì)量λα,并根據(jù)實(shí)際雜波的非高斯程度設(shè)定比例因子α,雜波的非高斯程度越大,則α的取值越大;將λα送至檢測判決模塊(3);
值得注意的是,當(dāng)背景雜波分布的高斯性較強(qiáng)時(shí),α的取值較小,在極端的高斯背景下,取α=0,此時(shí)由式(1)計(jì)算的融合估計(jì)值
綜上所述,本發(fā)明所提出的檢測方法能針對(duì)實(shí)際環(huán)境中雜波非高斯程度的時(shí)空漸變性,合理利用雜波非高斯特征信息,基于特定雜波環(huán)境下現(xiàn)有最優(yōu)檢測統(tǒng)計(jì)量的共性特征,采用簡潔的乘積形式融合構(gòu)建距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測器,通過單一參數(shù)實(shí)現(xiàn)了過渡雜波環(huán)境下距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測器設(shè)計(jì)與相應(yīng)雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)方法的同步控制,且能根據(jù)實(shí)際雜波分布的非高斯程度自適應(yīng)調(diào)整參數(shù),使距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測器結(jié)構(gòu)和雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)方法同時(shí)適應(yīng)于實(shí)際雜波環(huán)境的變化,具有很強(qiáng)的泛化能力;另外,所提出的距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測器結(jié)構(gòu)能兼容并涵蓋高斯和復(fù)合高斯等特定雜波背景下最優(yōu)或次優(yōu)雜波協(xié)方差矩陣估計(jì)方法及相應(yīng)的距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測器,且能適應(yīng)于高斯和復(fù)合高斯二者之間的過渡雜波環(huán)境,體現(xiàn)了對(duì)實(shí)際雜波非高斯程度時(shí)空漸變性的自適應(yīng)性能,能有效提升寬帶雷達(dá)在復(fù)雜雜波環(huán)境下的檢測性能;
步驟3在檢測判決模塊(3)中進(jìn)行距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測判決并輸出檢測結(jié)果,為保持檢測方法的恒虛警率特性,根據(jù)預(yù)設(shè)的虛警概率設(shè)置檢測門限t;將待檢測數(shù)據(jù)向量zt,t=1,2,…,l的自適應(yīng)檢測統(tǒng)計(jì)量λα與門限t進(jìn)行比較,若λα≥t,則判定l個(gè)待檢測距離單元存在距離擴(kuò)展目標(biāo),回波向量zt,t=1,2,…,l不作為其他距離單元的輔助數(shù)據(jù);反之若λα<t,則判定l個(gè)待檢測距離單元不存在距離擴(kuò)展目標(biāo),回波向量zt,t=1,2,…,l作為后續(xù)其他距離單元的輔助數(shù)據(jù)。