一种动目标检测滤波器组的优化设计方法
阅读说明：本技术 一种动目标检测滤波器组的优化设计方法 (Optimization design method of moving target detection filter bank ) 是由 陈希信 王洋 李坡 弓盼 张庆海 于 2020-12-07 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种动目标检测滤波器组的优化设计方法,包括以下步骤：1)建立零频率动目标检测滤波器的优化设计准则,并求解此滤波器的单位脉冲响应；2)将所求解的单位脉冲响应分别搬移到一组预先设定的非零频点上,利用所有的单位脉冲响应构造动目标检测滤波器组；3)利用动目标检测滤波器组处理雷达接收信号,实现地物杂波抑制和目标信号增强。在保持设计滤波器与参考滤波器的多普勒频率分辨率相同、信噪比增益相同的情况下,通过使各动目标检测滤波器在设定频率处的响应为零,能显著地提高雷达系统的改善因子,并且可以通过快速傅里叶变换实现,因此具有较高的计算效率。(The invention discloses an optimal design method of a moving target detection filter bank, which comprises the following steps: 1) establishing an optimal design rule of a zero-frequency moving target detection filter, and solving a unit impulse response of the filter; 2) moving the solved unit impulse responses to a group of preset non-zero frequency points respectively, and constructing a moving target detection filter bank by using all the unit impulse responses; 3) and processing a radar receiving signal by using a moving target detection filter bank to realize clutter suppression of ground objects and target signal enhancement. Under the condition that the Doppler frequency resolution and the signal-to-noise ratio gain of the designed filter and the reference filter are kept the same, the response of each moving target detection filter at the set frequency is zero, the improvement factor of the radar system can be remarkably improved, and the radar system can be realized through fast Fourier transform, so that the radar system has higher calculation efficiency.)
技术领域
本发明涉及动目标检测滤波器组优化，具体为一种动目标检测滤波器组的优化设计方法。
背景技术
雷达接收信号中地物杂波与运动目标回波的多普勒频率通常是不同的，因此可以利用动目标检测滤波器组抑制地物杂波，同时提高目标回波信号的信噪比，动目标检测滤波器组通常利用快速傅里叶变换设计和实现。
当雷达接收信号通过快速傅里叶变换进行处理时，动目标检测滤波器组在零频处的响应为零从而抑制了地物杂波，但是由于滤波器的副瓣较高，当杂波谱有一定展宽时，动目标检测的性能明显下降，并且大目标信号容易掩盖小目标信号。因此，通常利用锥削窗函数来降低滤波器的副瓣电平，但是会导致目标回波信号的信噪比损失，并且加窗后滤波器的零响应位置发生偏移，因此地物杂波的剩余会增加，系统改善因子会下降。
发明内容
本发明的目的在于提供一种动目标检测滤波器组的优化设计方法，在保持设计滤波器与参考滤波器的多普勒频率分辨率相同、信噪比增益相同的情况下，通过使各动目标检测滤波器在设定频率处的响应为零，能显著地提高雷达系统的改善因子，并且可以通过快速傅里叶变换实现，因此具有较高的计算效率。
为达到上述目的，根据本发明的一个方面，本发明提供如下技术方案：
一种动目标检测滤波器组的优化设计方法，包括以下步骤：
1)建立零频率动目标检测滤波器的优化设计准则，并求解此滤波器的单位脉冲响应；
2)将所求解的单位脉冲响应分别搬移到一组预先设定的非零频点上，利用所有的单位脉冲响应构造动目标检测滤波器组；
3)利用动目标检测滤波器组处理雷达接收信号，实现地物杂波抑制和目标信号增强。
本发明进一步设置为：所述步骤1)建立零频率动目标检测滤波器的优化设计准则，并求解此滤波器的单位脉冲响应，具体为，
1-1)零频率动目标检测滤波器，即零频率MTD滤波器的优化设计准则为，
式中：g0为已知的参考动目标检测滤波器，即参考MTD滤波器的单位脉冲响应，h0为待设计的零频率MTD滤波器的单位脉冲响应，上标H表示取共轭转置，上标T表示取转置，s.t.表示受限于，矩阵R定义为，
式中：为目标的时域导向向量，f为频率， K为雷达接收到的相参脉冲的个数，Tr为雷达的脉冲重复周期，j为虚数单位， j2＝-1，Δf为零频率点附近的频率范围；
1-2)利用Lagrange乘子法求解式(1)，得到待设计的零频率MTD滤波器的单位脉冲响应h0，
h0＝μR-1g0+g0 (3)
式中：为Lagrange乘子。
本发明进一步设置为：所述步骤2)将所求解的单位脉冲响应分别搬移到一组预先设定的非零频点上，利用所有的单位脉冲响应构造动目标检测滤波器组，具体为，
2-1)预先设定一组非零频点，即fk＝k/(KTr)，k＝1,2,...,K-1，将所求解的待设计的零频率MTD滤波器的单位脉冲响应h0分别搬移到该组非零频点上，得到待设计的非零频率MTD滤波器的单位脉冲响应hk，
hk＝h0⊙ak，k＝1,2,...,K-1 (4)
式中：⊙为Hadamard积，
将参考MTD滤波器的单位脉冲响应g0也分别搬移到该组非零频点上，得到非零频率参考MTD滤波器的单位脉冲响应gk，
gk＝g0⊙ak，k＝1,2,...,K-1 (5)
2-2)利用所有的设计MTD滤波器的单位脉冲响应hk构造设计滤波器组H，
H＝[h0,h1,...,hK-1] (6)
利用所有的参考MTD滤波器的单位脉冲响应gk构造参考滤波器组G，
G＝[g0,g1,...,gK-1] (7)。
本发明进一步设置为：所述步骤3)利用动目标检测滤波器组处理雷达接收信号，实现地物杂波抑制和目标信号增强，具体为，
3-1)设雷达接收信号为z，其中包含着地物杂波c，其多普勒频率在零频附近，目标回波信号s，其多普勒频率远离零频，以及高斯白噪声n，即有如下的雷达接收信号z，
z＝c+s+n (8)
3-2)利用设计滤波器组H处理雷达接收信号z，得到设计滤波器组输出信号x，利用参考滤波器组G处理雷达接收信号z，得到参考滤波器组输出信号y，即
x＝HHz，y＝GHz (9)
经过式(9)的处理后，设计滤波器组输出信号x中的地物杂波c受到抑制，同时目标信号s得到增强，参考滤波器组输出信号y中的地物杂波c比设计滤波器组输出信号x中的地物杂波c剩余大。
与现有技术相比，本发明具有的有益之处是：在保持设计滤波器与参考滤波器的多普勒频率分辨率相同、信噪比增益相同的情况下，通过使各动目标检测滤波器在设定频率处的响应为零，能显著地提高雷达系统的改善因子，并且可以通过快速傅里叶变换实现，因此具有较高的计算效率。
附图说明
图1为本发明一种动目标检测滤波器组的优化设计方法的流程图；
图2为本发明一种动目标检测滤波器组的优化设计方法的设计滤波器与参考滤波器的幅频响应比较；
图3为本发明一种动目标检测滤波器组的优化设计方法的仿真信号通过两个滤波器组的输出比较；
图4为本发明一种动目标检测滤波器组的优化设计方法的自回归模型杂波谱；
图5为本发明一种动目标检测滤波器组的优化设计方法的杂波谱的主瓣；
图6为本发明一种动目标检测滤波器组的优化设计方法的改善因子的比较表；
图7为本发明一种动目标检测滤波器组的优化设计方法的实测雷达数据通过两个滤波器组的输出比较。
具体实施方式
下面结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。
本发明提供了一种动目标检测滤波器组的优化设计方法，在保持设计滤波器与参考滤波器的多普勒频率分辨率相同、信噪比增益相同的情况下，通过使各动目标检测滤波器在设定频率处的响应为零，能显著地提高雷达系统的改善因子，并且可以通过快速傅里叶变换实现，因此具有较高的计算效率。
一种动目标检测滤波器组的优化设计方法，包括以下步骤：
1)建立零频率动目标检测滤波器的优化设计准则，并求解此滤波器的单位脉冲响应；
具体为，
所述步骤1)建立零频率动目标检测滤波器的优化设计准则，并求解此滤波器的单位脉冲响应，具体为，
1-1)零频率动目标检测滤波器，即零频率MTD滤波器的优化设计准则为，
式中：g0为已知的参考动目标检测滤波器，即参考MTD滤波器的单位脉冲响应，h0为待设计的零频率MTD滤波器的单位脉冲响应，上标H表示取共轭转置，上标T表示取转置，s.t.表示受限于，矩阵R定义为，
式中：为目标的时域导向向量，f为频率， K为雷达接收到的相参脉冲的个数，Tr为雷达的脉冲重复周期，j为虚数单位， j2＝-1，Δf为零频率点附近的频率范围；
1-2)利用Lagrange乘子法求解式(1)，得到待设计的零频率MTD滤波器的单位脉冲响应h0，
h0＝μR-1g0+g0 (3)
式中：为Lagrange乘子。
2)将所求解的单位脉冲响应分别搬移到一组预先设定的非零频点上，利用所有的单位脉冲响应构造动目标检测滤波器组；
具体为，
2-1)预先设定一组非零频点，即fk＝k/(KTr)，k＝1,2,...,K-1，将所求解的待设计的零频率MTD滤波器的单位脉冲响应h0分别搬移到该组非零频点上，得到待设计的非零频率MTD滤波器的单位脉冲响应hk，
hk＝h0⊙ak，k＝1,2,...,K-1 (4)
式中：⊙为Hadamard积，
将参考MTD滤波器的单位脉冲响应g0也分别搬移到该组非零频点上，得到非零频率参考MTD滤波器的单位脉冲响应gk，
gk＝g0⊙ak，k＝1,2,...,K-1 (5)
2-2)利用所有的设计MTD滤波器的单位脉冲响应hk构造设计滤波器组H，
H＝[h0,h1,...,hK-1] (6)
利用所有的参考MTD滤波器的单位脉冲响应gk构造参考滤波器组G，
G＝[g0,g1,...,gK-1] (7)。
3)利用动目标检测滤波器组处理雷达接收信号，实现地物杂波抑制和目标信号增强；
具体为，
3-1)设雷达接收信号为z，其中包含着地物杂波c，其多普勒频率在零频附近，目标回波信号s，其多普勒频率远离零频，以及高斯白噪声n，即有如下的雷达接收信号z，
z＝c+s+n (8)
3-2)利用设计滤波器组H处理雷达接收信号z，得到设计滤波器组输出信号x，利用参考滤波器组G处理雷达接收信号z，得到参考滤波器组输出信号y，即
x＝HHz，y＝GHz (9)
经过式(9)的处理后，设计滤波器组输出信号x中的地物杂波c受到抑制，同时目标信号s得到增强，参考滤波器组输出信号y中的地物杂波c比设计滤波器组输出信号x中的地物杂波c剩余大。
采用本发明的一种动目标检测滤波器组的优化设计方法进行仿真，通过仿真实例和实测雷达数据来验证本发明的优化设计方法。
设参考滤波器g0为16阶45dB切比雪夫滤波器，零频率点附近的频率范围Δf＝π/20，按照上述方法设计零频率MTD滤波器h0。所设计的零频率MTD 滤波器的幅频响应与参考滤波器的幅频响应如图2所示。由图2可见：①设计滤波器与参考滤波器的幅频响应的主瓣相同，表明两个滤波器具有相同的多普勒频率分辨率；②在相对频率k′＝±2,±3,±4,±5,±6,±7共12个频率点处，设计滤波器的幅频响应为零，达到了设计目的，而参考滤波器在以上12 个频率点处的幅频响应不一定为零。
由于设计滤波器组H的信噪比增益，即SNR增益无法通过公式计算，而参考滤波器组G的SNR增益是可以计算的，因此需要通过蒙特-卡洛仿真考察设计滤波器组的SNR增益。仿真信号由一个正弦信号与高斯白噪声叠加组成，将仿真信号分别输入设计滤波器组与参考滤波器组，输出如图3所示。由图3 可见，设计滤波器组与参考滤波器组的输出相同，因此输出的信噪比也相同，从而两者的SNR增益也相同。
仿真杂波谱模型采用自回归模型C(fd)，
C(fd)＝[1-0.98exp(-j2πfdTr)]-2 (10)
该杂波谱如图4所示，对于脉冲重复频率fr＝1/Tr＝3KHz，杂波谱主瓣下降3dB处频率为±6Hz，如图5所示。将该杂波作为MTD滤波器组的输入，计算设计滤波器组H与参考滤波器组G的改善因子，如图6所示。由图6中的表格可见，在给定的地物杂波模型下，设计滤波器组的改善因子比参考滤波器组平均提高了约41dB。
在试验中雷达发射了K＝16个相参脉冲，在雷达接收信号中包含地物杂波、一个目标回波以及接收机噪声，将雷达接收信号分别输入设计滤波器组H 和参考滤波器组G进行处理，结果如图7所示，可见两者的主瓣杂波是相同的，但是参考滤波器组的副瓣杂波泄露掩盖了弱目标信号，使得目标信号无法检测，而设计滤波器组则有效地抑制了地物杂波，即设计滤波器组的改善因子显著提高，目标信号凸现出来，因此很容易检测。
以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。