基于自适应MTI滤波器的双通道非相干检测方法与流程

基于自适应mti滤波器的双通道非相干检测方法
技术领域
1.本发明属于目标检测技术领域，具体涉及一种双通道非相干检测方法，可用于对海雷达在海杂波背景下的目标检测。


背景技术：

2.海杂波背景下的目标有效探测是岸基和舰载对海监测雷达的重要任务之一。检测的主要困难在于海杂波本身的复杂特性以及目标回波低信杂比特点。海杂波与海情、气候环境、风速、风向等自然因素以及雷达频率、极化方式、分辨率、擦地角等诸多因素有关，表现出了时间上非平稳、空间上非均匀和统计特性上非高斯等复杂特性。这些复杂特性要求检测方法必须采用自适应处理实时估计海杂波的统计特性并尽可能排除杂波对目标检测的影响。同时，对于微弱运动目标，简单的自适应检测往往难以有效探测目标，对目标进行非相干累积可以提高目标回波的信杂比，从而可以快速检测到目标。
3.在传统的非相干检测方法中，对数据的处理仅仅是进行了非相干累积，提高了目标的信杂比，但是对于杂波并没有抑制作用。文献“时艳玲,水鹏朗.anmf和cm
‑
cfar在k分布海杂波下的性能分析[j].西北大学学报(自然科学版),2012,42(3):359
‑
364,380.”给出了k分布下非相干检测和相干检测的性能分析，可以看出非相干累积和相干累积可以有效地提高目标的信杂比，从而提升检测器的检测性能。但该方法由于没有对杂波进行抑制，杂波的影响依然存在，使得检测效果并不理想。
[0004]
李东宸，水鹏朗，许述文，在西安电子科技大学学报:自然科学版,2016,43(6):21
‑
26.doi:10.3969/j.issn.1001
‑
2400.2016.06.004提出块白化杂波抑制的海面漂浮小目标检测方法，是在检测前对海杂波进行块白化处理，以有效地抑制静止杂波比如地杂波的影响。但是由于常见的海杂波大部分都是运动杂波，这种块白化处理方法并不能很好地抑制运动杂波，使得此方法在处理包含运动杂波的回波数据时效果不佳。


技术实现要素：

[0005]
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于自适应mti滤波器的双通道非相干检测方法，以有效抑制运动杂波，提高检测效果。
[0006]
为实现上述目的，本发明的技术方案包括：
[0007]
(1)利用雷达发射连续的脉冲信号，脉冲信号照射到物体表面产生回波，利用雷达接收大小为k
×
q的回波数据矩阵x，其中k表示雷达接收回波数据的距离单元数即距离维，q表示雷达接收信号的脉冲数即脉冲维；
[0008]
(2)将回波数据矩阵x沿脉冲维进行重新划分，即将回波数据矩阵x按照累积脉冲数n从左到右每n列组成一个回波数据块，共划分为b个回波数据块，得到回波数据重新组合成大小为n
×
k
×
b的三维矩阵d；
[0009]
(3)将重新组合的回波数据d沿距离维进行分块处理，每r个距离单元组成一个距离块，其中r为正整数且r∈[2,k]，若最后剩余的距离单元不足r个，则将最后剩余的距离单
元组成一个距离块。
[0010]
(4)确定重新组合的回波数据d中第w个累积脉冲的第b个距离单元为待检测距离单元z
b,w
，此距离单元属于该回波数据d的第q个距离块d
q
，选取距离块d
q
的第w个累积脉冲的所有距离单元作为参考单元，将距离块d
q
的距离单元数目表示为p，计算第q个距离块d
q
的第w个累积脉冲的协方差矩阵估计值其中w＝1,2,
…
,β且b＝1,2,
…
,k；p为大于等于1的自然数；
[0011]
(5)根据协方差矩阵设计r阶自适应动目标检测mti滤波器，r为正整数且r∈[3,n
‑
2]，将待检测距离单元z
b,w
通过滤波器处理得到滤波后的待检测距离单元z
′
b,w
和滤波后第q个距离块d
q
的第w个累积脉冲的协方差矩阵
[0012]
(6)设计两个通道，第一通道根据检测距离单元z
b,w
和协方差矩阵算出回波数据d中第w个累积脉冲的第b个距离单元的检验统计量ζ
1,b,w
；第二通道根据滤波后的待检测距离单元z
′
b,w
和协方差矩阵计算滤波后回波数据d中第w个累积脉冲的第b个距离单元的检验统计量ζ
2,b,w
；
[0013]
(7)将两个通道得到的两个检验统计量ζ
1,b,w
和ζ
2,b,w
进行比较，取较大的检验统计量作为回波数据d中第w个累积脉冲的第b个距离单元的最大检验统计量ζ
b,w
；
[0014]
(8)将(4)到(7)的过程遍历回波数据d，得到k
×
b个最大检验统计量，将这些最大检验统计量按降序排列，在降序排列后的k
×
b个最大检验统计量中，取第[k
×
b
×
f]个值作为检测门限t
ζ
，其中[k
×
b
×
f]表示不超过实数k
×
b
×
f的最大整数，f表示设定的虚警概率，f∈(0,1)；
[0015]
(9)将最大检验统计量ζ
b,w
与检测门限t
ζ
进行比较，判断目标是否存在：
[0016]
如果ζ
b,w
≥t
ζ
，则回波数据的第w个累积脉冲的第b个距离门存在目标，
[0017]
否则，回波数据的第w个累积脉冲的第b个距离门没有目标。
[0018]
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
[0019]
1)本发明由于将回波数据沿距离维进行分块处理，并使用待检测单元所在的距离块作为其参考单元，因此在计算协方差矩阵时只需要计算距离块的协方差矩阵，大大减少了后续的运算量；
[0020]
2)本发明由于使用自适应mti滤波器来对处理后的回波数据进行滤波，抑制了背景杂波中的运动杂波，可以有效提高目标的信杂比和检测性能。
[0021]
3)本发明由于构建了两个通道，其第一通道使用滤波前的数据进行检测，第二通道使用滤波后的数据进行检测，两个通道同时检测可以进行互补，避免了当运动目标的多普勒偏移与运动杂波的多普勒偏移相近时自适应mti滤波器会在滤除运动杂波的同时将目标滤除的问题，提高了检测性能。
附图说明
[0022]
图1为本发明的实现流程图；
[0023]
图2为仿真实验中使用传统非相干检测方法检测实测数据的检测结果图。
[0024]
图3为仿真实验中使用自适应mti滤波后再用传统非相干检测方法检测实测数据的检测结果图。
[0025]
图4为仿真实验中使用本发明检测实测数据的检测结果图。
具体实施方式
[0026]
下面结合附图对本发明的实施例和效果作进一步说明：
[0027]
参照图1，为本发明基于自适应mti滤波器的双通道非相干检测方法，其实现步骤包括如下：
[0028]
步骤1，获取回波数据。
[0029]
利用雷达发射连续的脉冲信号，脉冲信号照射到物体表面产生回波，利用雷达接收大小为k
×
q的回波数据矩阵x，其中k表示雷达接收回波数据的距离单元数即距离维，q表示雷达接收信号的脉冲数即脉冲维；
[0030]
本发明实施实例中，回波数据矩阵x第b行第q列的元素x(b,q)的表示形式如下：
[0031][0032]
其中，h0表示仅有杂波和噪声而不存在目标的情况，h1表示有杂波和噪声且存在目标的情况；w(b,q)表示雷达第k个脉冲的第q个距离单元的杂波加噪声信号，s(k,q)表示雷达第k个脉冲的第q个距离单元的目标信号。
[0033]
步骤2，按照累计脉冲数整理回波数据。
[0034]
将回波数据矩阵x沿脉冲维进行重新划分，即将回波数据矩阵x按照累积脉冲数n从左到右每n列组成一个回波数据块，n≥5，共划分为b个回波数据块；
[0035]
将回波数据重新组合成大小为n
×
k
×
b的三维矩阵d，本实施实例中，脉冲累积数n＝6。
[0036]
步骤3，对回波数据的距离维进行分块处理。
[0037]
将重新组合的回波数据d沿距离维进行分块处理，每r个距离单元组成一个距离块，其中r为正整数且r∈[2,k]，若最后剩余的距离单元不足r个，则将最后剩余的距离单元组成一个距离块。
[0038]
步骤4，确定待检测距离单元z
b,w
及其参考单元，并估计协方差矩阵
[0039]
确定重新组合的回波数据d中第w个累积脉冲的第b个距离单元为待检测距离单元z
b,w
，此距离单元属于该回波数据d的第q个距离块d
q
，选取距离块d
q
的第w个累积脉冲的所有距离单元作为参考单元，将距离块d
q
的距离单元数目表示为p，计算第q个距离块d
q
的第w个累积脉冲的协方差矩阵估计值
[0040][0041]
其中，上标h表示对矩阵取共轭转置，z
a,q,w
表示回波数据d中第w个累积脉冲的第q个距离块的第a个距离单元回波数据，本实例中w＝1,2,
…
,β且b＝1,2,
…
,k，p为大于等于
1的自然数。
[0042]
步骤5，设计自适应mti滤波器并计算滤波后的协方差矩阵
[0043]
根据协方差矩阵设计r阶自适应动目标检测mti滤波器，r为正整数且r∈[3,n
‑
2]，本实例中，取r＝3，将待检测距离单元z
b,w
通过滤波器处理得到滤波后的待检测距离单元z
′
b,w
和滤波后第q个距离块d
q
的第w个累积脉冲的协方差矩阵
[0044]
z
′
b,w
＝uz
b,w
[0045][0046]
其中，上标h表示对矩阵取共轭转置，转移矩阵u的形式表示如下：
[0047][0048]
式中，标量α、β和γ分别为中间矩阵a的最小特征值对应的特征向量的三个元素，中间矩阵a表示如下：
[0049][0050]
其中，n为求和符号中的中间变量。
[0051]
步骤6，设计两个通道，分别计算两个通道的检验统计量。
[0052]
设计两个并行计算检验统计量的通道，其中：
[0053]
第一通道根据检测距离单元z
b,w
和协方差矩阵算出回波数据d中第w个累积脉冲的第b个距离单元的检验统计量ζ
1,b,w
：
[0054][0055]
其中，median(
·
)表示对括号里的数组取中值，
[0056]
g
1,b,w
是第一通道中第w个累积脉冲的第b个距离单元的的中间变量，表示为：上标h表示对矩阵取共轭转置；
[0057]
g
1,r
×
(q
‑
1) 1,w
是第一通道中第w个累积脉冲的第r
×
(q
‑
1) 1个距离单元的的中间变
量，表示为：
[0058]
g
1,r
×
(q
‑
1) 2,w
是第一通道中第w个累积脉冲的第r
×
(q
‑
1) 2个距离单元的的中间变量，表示为：
[0059]
g
1,r
×
(q
‑
1) p,w
是第一通道中第w个累积脉冲的第r
×
(q
‑
1) p个距离单元的的中间变量，表示为：
[0060]
第二通道根据滤波后的待检测距离单元z
′
b,w
和协方差矩阵计算滤波后回波数据d中第w个累积脉冲的第b个距离单元的检验统计量ζ
2,b,w
：
[0061][0062]
其中，median(
·
)表示对括号里的数组取中值，
[0063]
g
2,b,w
是第二通道中第w个累积脉冲的第b个距离单元的的中间变量，表示为：
[0064]
g
2,r
×
(q
‑
1) 1,w
是第二通道中第w个累积脉冲的第r
×
(q
‑
1) 1个距离单元的的中间变量，表示为：
[0065]
g
2,r
×
(q
‑
1) 2,w
是第二通道中第w个累积脉冲的第r
×
(q
‑
1) 2个距离单元的的中间变量，表示为：
[0066]
g
2,r
×
(q
‑
1) p,w
是第二通道中第w个累积脉冲的第r
×
(q
‑
1) p个距离单元的的中间变量，表示为：
[0067]
步骤7，比较两个通道的检验统计量得出最大检验统计量。
[0068]
将两个通道得到的两个检验统计量ζ
1,b,w
和ζ
2,b,w
进行比较，取较大的检验统计量作为回波数据d中第w个累积脉冲的第b个距离单元的最大检验统计量ζ
b,w
。
[0069]
步骤8，确定检测门限。
[0070]
将步骤4到步骤7的过程遍历回波数据d，得到k
×
b个最大检验统计量，将这些最大检验统计量按降序排列，在降序排列后的k
×
b个最大检验统计量中，取第[k
×
b
×
f]个值作
为检测门限t
ζ
，其中[k
×
b
×
f]表示不超过实数k
×
b
×
f的最大整数，f表示设定的虚警概率，f∈(0,1)；
[0071]
步骤9，目标判决。
[0072]
将最大检验统计量ζ
b,w
与检测门限t
ζ
进行比较，判断目标是否存在：
[0073]
如果ζ
b,w
≥t
ζ
，则回波数据的第w个累积脉冲的第b个距离门存在目标，
[0074]
否则，回波数据的第w个累积脉冲的第b个距离门没有目标。
[0075]
本实例的效果可通过以下仿真进一步说明：
[0076]
1.实验数据
[0077]
仿真实验中使用了x波段雷达接收的实测海杂波数据，雷达工作模式为扫描模式，脉冲重频为1000hz，距离分辨率为3m。
[0078]
数据中包含了1000个距离单元和437个脉冲维数据，累积脉冲数为6，为方便检测，回波数据已沿脉冲维进行了下1000采样。运动目标为一无人机，运动方式为先远离雷达后靠近雷达。
[0079]
采用已进行了脉冲累积处理后的回波数据，该回波数据大小为6
×
1000
×
437的三维矩阵。沿距离维进行分块处理，每400个距离单元组成一个距离块，将回波数据分为3个距离块，取虚警率为0.001。
[0080]
2，仿真实验内容
[0081]
仿真1，使用传统非相干检测方法对以上回波数据进行检测，结果图2。
[0082]
仿真2，使用现有自适应mti滤波后的非相干检测方法对以上回波数据进行检测，结果图3。
[0083]
仿真3，使用本发明对以上回波数据进行检测，结果图4。
[0084]
上述图中横轴表示积累时间，单位为s，纵轴表示距离单元，黑色像素表示检测到目标。图中的不连续轨迹即为检测到的目标轨迹，
[0085]
3.仿真结果分析
[0086]
从图2可见，在此次实验条件下用传统非相干检测方法的检测概率为0.77。
[0087]
从图3可见，在此次实验条件下采用自适应mti滤波后的非相干检测方法的检测概率为0.85。
[0088]
从图4可见，在此次实验条件下采用本发明的检测概率为0.9。
[0089]
综合两种对比方法与本发明的检测概率对比以及区域a与区域b的目标轨迹曲线连通性对比，本发明的检测概率高于两种对比方法，且本发明在区域a和区域b处检测到的目标轨迹曲线连通性也优于两种对比方法，说明的目标检测性能要优于两种对比方法。
[0090]
以上仅为本发明的一个具体实例，并不构成对本发明的任何限制，显然，本领域的技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围内对本发明进行各种改动和变型，这些基于本发明的修改和变型均属于本发明的保护范围之内。