阅读说明：本技术 一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法 (Method for detecting distance extension target under multi-base-station radar configuration ) 是由 李军 何瑞华 李猛 尉泽华 鲍志宇 龚凯峰 于 2020-05-20 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法,包括：建立多基站雷达系统中的局部雷达站的距离扩展目标模型；对局部雷达站的观测数据进行匹配滤波处理,构建全局观测量；为各局部雷达站设置权值,并得到全局观测量的一阶矩和二阶矩；由偏移系数最大化构建权值优化问题,计算系统整体偏移系数,求出偏移系数最大化时所对应的局部雷达站的最优权值矢量；对各局部雷达站进行信息融合得到全局检测统计量,并设置检测门限；根据检测门限判决目标是否存在。本发明将多基站雷达系统模型与距离扩展目标检测问题相结合,并利用偏移系数最大化求解最优权值,使得能够有效提升局部雷达检测信息融合后对距离扩展目标的检测性能。(The invention discloses a method for detecting a range extension target under a multi-base-station radar configuration, which comprises the following steps: establishing a distance extended target model of a local radar station in a multi-base station radar system; carrying out matched filtering processing on observation data of a local radar station to construct a global observation quantity; setting weights for each local radar station, and obtaining a first moment and a second moment of the global observed quantity; constructing a weight optimization problem by maximizing the offset coefficient, calculating the overall offset coefficient of the system, and solving the optimal weight vector of the corresponding local radar station when the offset coefficient is maximized; carrying out information fusion on each local radar station to obtain global detection statistics, and setting a detection threshold; and judging whether the target exists or not according to the detection threshold. According to the method, a multi-base-station radar system model and the distance extension target detection problem are combined, and the optimal weight is solved by utilizing the offset coefficient in a maximized mode, so that the detection performance of the distance extension target after local radar detection information is fused can be effectively improved.)

一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法，适用于在多基站雷达体制下提高对距离扩展目标的检测性能。

背景技术

传统的相控阵雷达由于照射角度单一，对于目标的融合通信(RichCommunication Suite，RCS)起伏十分敏感，受到目标姿态及形状等因素影响较大。多基站雷达的发射站与接收站之间分开布置，且各站之间间隔较远，与传统相控阵雷达相比能获取目标的空间分集增益。然而，多基站雷达系统在实际目标检测当中也会存在新的问题。

首先，当多基站雷达系统各个雷达站分布稀疏时，雷达发射-接收间距和目标探测距离相比差距较小，此时各站所处检测环境不同，各个雷达站接收通道的信道衰减将存在差异，会使得局部站之间的检测性能不同。另外，当目标尺寸较大且为距离扩展目标时，目标由多个散射点组成且分布在多个距离分辨单元中，根据双基雷达方程可知，各散射点所在距离分辨单元的信噪比等值线与距离等值线不再重合，导致雷达系统对各个散射点的检测性能不同。当多基站雷达系统的融合中心对各局部站的观测量进行融合时，如果各局部站的观测量所分配的权值一致，则会导致检测性能下降。

发明内容

针对上述问题，本发明的目的在于提供一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法，针对距离扩展目标检测问题，结合多基站雷达系统构型，利用空间中多个接收通道对距离扩展目标的多个散射点进行观测，并通过偏移系数最大化作为约束获取局部站的最优权值，实现对多通道数据的有效融合，进一步提高雷达系统的检测性能。为达到上述目的，本发明的实施例采用如下技术方案予以实现。

一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法，所述方法包括如下步骤：

步骤1：建立多基站雷达系统中的局部雷达站的距离扩展目标模型；

步骤2：对所述局部雷达站的观测数据进行匹配滤波处理，并通过模平方之后构建全局观测量；

步骤3：通过计算各局部雷达站的局部观测量的统计特性，为各局部雷达站设置权值，并得到全局观测量的一阶矩和二阶矩；

步骤4：根据偏移系数最大化构建权值优化问题，根据所述步骤3中全局观测量的统计特性计算系统整体偏移系数，求出偏移系数最大化时所对应的局部雷达站的最优权值矢量；

步骤5：对各局部雷达站进行信息融合得到全局检测统计量，并根据给定系统虚警概率大小设置检测门限；

步骤6：根据所述检测门限判决目标是否存在。

本发明具有以下优点：(1)本发明的多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法使用多基站雷达系统构型，获取了空间分集增益，当雷达基站个数增加，其检测性能也会随之增加；(2)使用偏移系数最大化作为约束分配权值，雷达系统整体的输出信噪比水平较高，与各局部雷达站权值一致，相比检测性能有所提高；(3)偏移系数形式不同对检测性能影响不同，所选定偏移系数的形式中含有目标信息，与初始偏移系数中仅包含噪声信息相比性能有所提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要的附图作简单介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法的流程示意图；

图2为一种多基站雷达目标探测场景示意图；

图3为本发明实施例提供的一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法的虚警概率随检测门限变化的曲线图；

图4为本发明实施例提供的一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法与传统方法的检测概率随虚警概率变化的比较图；

图5为本发明实施例提供的一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法与NDC权值求解方法的检测概率随虚警概率变化的比较图；

图6为本发明实施例提供的一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法改变雷达基站数目时检测概率随通道信噪比的变化曲线对比图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

请参见图1，本发明提供以下技术方案：一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法，具体包括以下步骤：

步骤1，建立多基站雷达系统的局部雷达站的距离扩展目标模型，该多基站雷达系统包括一部自发自收雷达站和M-1部接收站，也就是说包括1个发射端和M个接收端，其目标探测场景如图2所示，第m个接收站所对应的接收通道的回波信号为：

式中，K表示散射点的数量，k表示第k个散射点，为每个接收通道的噪声项且服从零均值高斯分布，β_mk表示信道传播增益，β_mk由散射系数和雷达发射功率、天线增益等常量参数归并形成，可以认为是服从均值为0，方差为的复高斯分布，s表示发射信号，传播衰减δ_m定义为：

其中，d₁为目标中心到发射站距离，d_m为目标中心到接收站的距离，时延τ_m＝(d₁+d_m)/c，c为光速。

步骤2，对局部雷达站的观测数据进行匹配滤波处理，并通过模平方之后构建全局观测量，在接收端利用匹配滤波器对M路目标回波信号进行匹配，由于各局部雷达站的间距较远，分布稀疏，使得每个接收通道上的回波时延不同，因此假设每一路信号已经空间配准和包络对齐。对于每一路目标回波信号来说，将目标检测问题归结为如下二元假设检验问题，用H₁表示系统在该检测单元中检测到目标存在，用H₀表示系统在该检测单元中检测到目标不存在。将该目标检测问题总结为：

其中，r_m表示第m个接收站的接收数据，由传播衰减的定义可知，对于给定目标位置，传播衰减δ_m为一个常数，经过匹配滤波之后的噪声项与之前接收通道中的噪声项不同，现假设第m个接收通道的噪声项n_m服从均值为零，方差为

的复高斯分布。整个分布式多基站雷达系统的M个独立观测为：

R＝[r₁,r₂,...,r_M]^T

令z_m＝|r_m|²，表示各接收数据的模平方，则融合中心所采集到的观测量表示为向量的形式为：

Z＝[z₁,z₂,...,z_M]^T

步骤3，通过计算各局部雷达站的局部观测量的统计特性，得到全局观测量的一阶矩和二阶矩，其中，在H₀假设下，由于z_m的概率密度函数服从指数分布，因此局部雷达站的PDF(概率密度函数)表示为：

在H₁假设下，有

其中，为噪声项n_m的方差，为信道传播增益β_mk的方差。

根据指数分布的均值和方差的形式，在H₁假设下，定义观测量z_m的一阶矩为μ_1m，定义二阶矩为var_1m，则有

同理，在H₀假设下，定义一阶矩为μ_0m，定义二阶矩为var_0m，有

设置该多基站雷达系统整体的权值矢量为w＝[w₁,w₂,...,w_M]^T，则全局检测统计量可表示为全局检测统计量Z_c的一阶矩和二阶矩var[Z_c]可表示如下：

其中，

u₀＝[μ₀₁,μ₀₂,...,μ_0M]^T

u₁＝[μ₁₁,μ₁₂,...,μ_1M]^T

Σ₀＝diag([var₀₁,var₀₂,...,var_0M]^T)

Σ₁＝diag([var₁₁,var₁₂,...,var_1M]^T)

步骤4：利用偏移系数最大化来求解最优权值矢量，根据步骤3所推导的一阶矩和二阶矩，对各个局部雷达站的权值进行求解，首先将所求带入偏移系数中，得到

将上式展开，令

w₁＝(Σ₁+Σ₀)¹²w

c＝(Σ₁+Σ₀)^-12(u₁-u₀)

则偏移系数可表示为：

利用瑞利熵：

得知矩阵B的最大特征值满足：

2Bw₁＝λ_maxw₁

由于矩阵B的秩为1，则：

λ_max＝||c||²

且有λ_max≥d²(w)，当w₁为B最大特征值对应的特征向量时λ_max≥d²(w)中的等号成立。通过归一化处理后，最终，将最优权值表示为：

由上式可以看出，w_opt为M×1维的列矢量，其中每个元素对应不同局部雷达站的权系数，即w_opt＝[w₁,w₂,…,w_M]^T。

步骤5：对各局部雷达站进行信息融合得到全局检测统计量，并根据给定系统虚警概率大小设置检测门限。虚警概率可以表示为如下表达式：

其中

检测概率可表示为

其中

具体地，此时假设服从标准指数分布的随机量加权求和后的变量为Λ。

在H₁假设下，将第m个局部雷达站接收通道的观测量转化为标准指数分布，等效为将该站的权系数转化为

此时定义为H₁假设下的权矢量。此时检测概率可表示为

Pd＝1-F_Λ(η|H₁)

式中η为检测门限，F_Λ(η|H₁)为H₁假设下Λ的累积分布函数，Λ的概率密度函数可表示为

对上式求积分可得

在检测门限为η时，检测概率为

同理，在H₀假设下，将第m个局部雷达站接收通道的观测量转化为标准指数分布，等效为将该站的权系数转化为

此时定义为H₀假设下的权矢量。此时虚警概率表示为

步骤6，根据步骤5所述检测门限判决目标是否存在。

本发明实施例所提供的多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法通过建立距离扩展目标回波模型，经过匹配滤波处理获取局部观测量，然后构建全局观测量并求出其一阶二阶统计特性，在偏移系数最大化约束下获取最优权值矢量，最终得到各局部雷达站信号融合后的检测统计量，实现在多基站雷达构型下对距离扩展目标的检测。

仿真实验：本发明实施例分别进行了四组实验：实验1，使用Monte Carlo仿真实验对本发明实施例提出的方法的虚警概率进行验证，验证本发明实施例方法的有效性和正确性；实验2，使用本发明实施例所提方法与传统各局部雷达站权值一致的方法进行对比，验证本发明实施例所提方法的检测性能；实验3，使用本发明实施例所提方法与NDC(NormalDeflection Coefficient，常规偏移系数)形式下的最有权求解方法进行对比进一步验证本发明实施例方法的检测性能；实验4，使用本发明实施例所提方法，验证改变局部雷达站数目时本发明实施例方法的目标检测性能。

实验1：使用Monte Carlo仿真实验对本发明实施例提出的方法的虚警概率进行验证，验证本发明实施例方法的有效性和正确性。设置仿真参数：局部雷达站的数目M＝4，各站坐标T/R(-80km,0)，R₁(0,-80km)，R₂(80km,0),R₃(0,80km)，各通道噪声功率为各通道的参考信噪比为{snr₀＝-3dB,snr₁＝3dB,snr₂＝5dB,snr₃＝10dB}，设定Monte Carlo试验次数为10⁶，通过Monte Carlo试验对该算法进行验证。

请参见图3，图3为本发明实施例提供的一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法的虚警概率随检测门限变化的曲线图。如图3所示，当判决门限不断增大时，虚警概率逐渐减小，对比两条曲线可以发现，本发明实施例方法的虚警概率理论值与Monte Carlo试验值能基本能吻合匹配到一起，因此验证了所提方法的正确性以及所得虚警概率显示表达式的有效性。

实验2：使用本发明实施例所提方法与传统各局部雷达站权值一致的方法进行对比，验证本发明实施例所提方法的检测性能。仿真参数设置：局部雷达站的数目M＝4，各站噪声功率为

各站接收通道的参考信噪比为{snr₀＝-3dB,snr₁＝3dB,snr₂＝5dB,snr₃＝10dB}，各站坐标为T/R(-80km,0)，R₁(0,-80km)，R₂(80km,0),R₃(0,80km)，分析对比本发明实施例所提方法(图4中的“所提方法”)与传统方法的性能，此处，传统方法认为各个接收通道的权值取一致，即全局统计量为局部量的直接相加的方法。

请参见图4，图4为本发明实施例提供的一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法与传统方法的检测概率随虚警概率变化的比较图。如图4所示，对比了各个通道权值相同下的传统方法与本发明实施例通过偏移系数约束权系数的方法，可以发现，在各通道参考信噪比不同时，本发明实施例所提方法比传统方法性能好，在同一虚警概率约束下，本发明实施例所提方法的检测概率比传统方法有所提高。这是因为在给定目标中心距离以及参考信噪比的条件下，本发明实施例所提方法将各局部雷达站的观测量通过权值约束，将各个站的检测性能上的优劣以及距离扩展目标上各个散射点信噪比不同进行以加权的形式进行考虑，这样全局统计量在两种假设下的PDF中心相对距离更大，使得系统整体的输出信噪比更大，而传统方法中认为各通道接收信号的外加的权值均一致，没有考虑差异性，使得融合中心的全局观测统计量只是各个局部站的简单相加，导致检测性能下降。

实验3：使用本发明实施例所提方法与NDC偏移系数形式下的最有权求解方法进行对比进一步验证本发明实施例方法的检测性能。仿真参数设置为：局部雷达站的数目M＝4，各通道噪声功率均为1dB，各站接收通道的参考信噪比为{snr₀＝-3dB,snr₁＝3dB,snr₂＝5dB,snr₃＝10dB}，各站坐标为T/R(-80km,0)，R₁(0,-80km)，R₂(80km,0),R₃(0,80km)。

请参见图5，图5为本发明实施例提供的一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法与NDC权值求解方法的检测概率随虚警概率变化的比较图。如图5所示，NDC方法与本发明实施例所提方法检测性能接近，本发明实施例中所提方法将系统的检测性能有所提升，但是效果不是很明显。分析原因，NDC方法中偏移系数的分母项只包含了H₀假设下的观测量的方差，忽略了H₁假设下的目标信息，存在一定的损失，而本发明实施例所提方法中偏移系数的分母项均包含了H₁假设下观测量的方差。

实验4：使用本发明实施例所提方法，验证改变局部雷达站数目时本发明实施例方法的目标检测性能。设置局部雷达站数目M＝3，M＝4，M＝5三种情况下对检测性能进行对比。设置各站噪声功率均为1dB，各通道参考信噪比一致，各站与目标中心距离均设置为80km。

请参见图6，图6为本发明实施例提供的一种多基站雷达构型下的距离扩展目标检测方法改变雷达基站数目时的检测概率随通道信噪比变化曲线对比图。如图6所示，当参考信噪比越大，检测概率越大，同时对比不同站数目下的检测概率可知，当局部雷达站数目越大其检测性能越好，验证了本发明实施例所提方法在局部雷达站数目增加时检测性能有所提升。

综上所述，仿真实验验证了本发明的正确性和有效性。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述方法实施例的全部或部分步骤可以通过程序指令相关的硬件来完成，前述的程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，执行包括上述方法实施例的步骤；而前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围；这样，倘若本发明的这些改动和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。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。