（信息与通信工程专业论文）频率步进雷达信号处理与系统仿真实现.pdf

国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 摘要 频率步进雷达是目前国内外高距离分辨率技术中的研究热点，具有测距精度 高、抗杂波能力强、可以识别真假目标和反隐身等优点，在军用和民用等领域有 着广阔的应用前景。本文针对频率步进雷达体制，首先分析了频率步进雷达信号 处理中不同于其他宽带体制的扩展目标距离像检测以及目标距离像抽取等关键理 论问题；其次，在对关键技术分析的基础上，结合频率步迸雷达信号处理的特点， 基于l a b v i e w 平台对频率步进雷达信号处理系统完成了虚拟仿真，实现了回波信 号仿真、高距离分辨力成像、运动目标检测、距离解模糊、距离与速度测量、高 分辨距离像运动补偿等功能。 本文首先对比了当前的几种宽带雷达技术，引出了频率步进雷达，并分析了 其研究与应用现状。接下来对频率步进雷达系统信号处理中的扩展目标距离像检 测以及目标距离像抽取两个问题进行了重点分析。针对频率步进雷达目标距离像 检测问题，在分析了扩展目标的单周期检测和多周期检测以及频率步进雷达目标 距离像特性的基础上，引入了基于h o u g h 变换的检测方法，并对其检测方法和性 能进行了分析。对于目标距离像抽取问题，对几种常见的目标距离像抽取方法进 行分析，并总结了各自的优缺点，在此基础之上，提出了一种i f f t 后频域相位补 偿抽取法，理论分析和仿真结果表明该方法能较好的弥补几种常见抽取方法的不 足，能恢复距离像各单元之间的相对幅度关系，得到目标的真实距离像。 在前面的理论分析的基础上，基于l a b v i e w 平台对频率步进雷达信号处理系 统进行了仿真，实现了该体制雷达系统的各项功能，虚拟系统的仿真结果与理论 分析相一致。在雷达信号处理中，系统级仿真占有极其重要的地位，是当前和未 来雷达系统开发的一种重要手段。系统级仿真不仅能够验证雷达系统顶层设计的 正确性，而且可以利用计算机仿真技术的可控制性、可重复性、无破坏性、安全 性、经济性等特点与优势对雷达系统进行反复的技术验证和性能评估。该虚拟系 统不仅从技术上验证了该体制雷达的可行性，同时对该雷达体制的性能进行初步 验证和评估，并为后续雷达系统的实物开发提供了技术保障和理论依据。 主题词：频率步进雷达扩展目标检测目标抽取虚拟仿真l a b v i e w 第i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 a b s 丁r a c t s t e p p e df r e q u e n c yr a d a r ( s f r ) ，w h i c hh a sa d v a n t a g e so fh i g hr a n g em e a s u r i n g a c c u r a c y ，a n t i c l u t t e ra b i l i t y ，a n di d e n t i f i a b l yo ft r u ea n df a l s et a r g e t s ，i sah o ts p o ti n r e s e a r c ha l e ao fw i d e b a n dl l i g h r a n g e r e s o l u t i o nr a d a r 。t h e r e f o r ei th a sag r e a tp o t e n t i a l f o ra p p l i c a t i o n si nm i l i t a r ya n dc i v i l i a na r e a s t h i st h e s i sf i r s tm a k e sr e s e a r c h e so ft h e s f r s y s t e ma n ds i g n a lp r o c e s s i n g ，m a i n l yt h ed e t e c t i o no fr a n g ed i s t r i b u t et a r g e t sa n d t a r g e te x t r a c t i o n ，a n dt h e nc o m b i n i n gw i t ho t h e rf e a t u r e so fs f rs i g n a lp r o c e s s i n g ，u s e s t h el a b v i e ws o f t w a r ep l a t f o r mt os i m u l a t et h es y s t e m ，r e a l i z e st h ef u n c t i o n so fe c h o s i m u l a t i o n , h r ri m a g i n i n g ，m o v i n gt a r g e td e t e c t i o n , r a n g ea n dv e l o c i t ye s t i m a t i o na n d v e l o c i t yc o m p e n s a t i o n 蹦st h e s i sf i r s ti n t r o d u c es e v e r a lt y p e so fw i d eb a n dr a d a r , e s p e c i a l l yt h es f r ，i t s a c t u a l i t yo fr e s e a r c ha n da p p l i c a t i o na l ea n a l y z e d ，a n dt h e nt h ep r o b l e m so ft h ee x t e n d t a r g e td e t e c t i o na n dt h et a r g e te x t r a c t i o na r ed i s c u s s e di nt h es e c o n da n dt l l i r dp a r t i n t h es e c o n dp a r t ，b a s e do nt h eg e n e r a lt a r g e td e t e c t i o na n dt h ea n a l y s i so ft h es f r s r a n g ep r o f i l e sc h a r a c t e r i s t i c ，am e t h o do fh o u g ht r a n s f o r md e t e c t i o ni si n d u c t e di ns f r d e t e c t i o n ，t h ed e t e c t i o np e r f o r m a n c ei sa n a l y z e d ，a n dt h i sm e t h o do f f e r sm a n y a d v a n t a g e sw h e nc o m p a r e dw i t hm o r et r a d i t i o n a lm e t h o d si nt h e o r e t i ca n ds i m u l a t i o n r e s u l t s i nt h et h i r dp a r to ft h et h e s i s ，t a r g e te x t r a c t i o ni ns f ri sd i s c u s s e d ，s e v e r a lu s u a l m e t h o d so ft a r g e te x t r a c t i o na r es u m m a r i z e d ，a n dat e c h n i q u eo ff r e q u e n c yd o m a i n p h a s ec o m p e n s a t i o ni sp u tf o r w a r d 强et e c h n i q u ec a l lm a k eu pt h ed e f i c i e n c yo ft h e u s u a lm e t h o d sa n da l i g nt h ee c h o e se n v e l o p e so fd i f f e r e n th r rc e l l s b a s e do nt h et h e o r e t i ca n a l y s i sa b o v e ，s f rs i g n a lp r o c e s s i n gs y s t e ms i m u l a t i o ni s d o n eb yl a b v i e wp l a t f o r m 。s y s t e ms i m u l a t i o ni sv e r yi m p o r t a n ti nr a d a rs i g n a l p r o c e s s i n g i tc a l ln o to n l yg u a r a n t e et h eh i g hr e l i a b i l i 移o fs y s t e md e s i g nb u ta l s ou s e c o m p u t e rs i m u l a t i o n sc h a r a c t e r i s t i c so fc o n t r o l l a b l e ，r e p e a t a b l e ，s a f e t y ，e c o n o m i c a la n d n o n - d e s t r u c t i v et ov a l i d a t ea n de v a l u a t et h er a d a rs y s t e m i nt h i sp a p e r ，s f rs i g n a l p r o c e s s i n gs y s t e mi ss i m u l a t e db a s e do nl a b v i e w ，t h es i m u l a t i o nr e s u l t sa r ea g r e e d w i t ht h e 谯e o r e t i cr e s u l t s 。i ti n d i c a t e st h ec o r r e c t n e s sa n df e a s i b i l i t yo ft h ed e s i g n , a n d p r o v i d e st h ef o u n d a t i o nf o ro v e r a l ld e s i g no f t h es y s t e m k e yw o r d s - s t e p p e df r e q u e n c yr a d a r e x t e n dt a r g e td e t e c t i o n t a r g e t e x t 陷c t i o n v i r t u a ls i m u l a t i o nl a b v le w 第i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 表目录 表1 仿真系统典型参数3 8 第1 i i 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图2 1 图2 2 图2 3 图2 4 图2 5 图2 6 图2 7 图2 8 图2 9 图2 1 0 图2 1 1 图2 1 2 图2 1 3 图2 1 4 图2 1 5 图2 1 6 图3 1 图3 2 图3 3 图3 4 图3 5 图3 6 图3 7 图4 1 图4 2 图4 3 图4 4 图4 5 图4 6 图4 7 图4 8 图目录 数据空间图1 3 图2 1 在参数空间的映射1 3 采样高分辨单元二维平面的示意图1 5 h o u g h 积累检测的过程1 6 多散射点模型的采样高分辨二维图像。1 6 过第一门限后的数据图1 7 h o u g h 变换参数空间二维图1 8 h o u g h 变换参数空间三维图1 8 虚警概率斥。与第- f - j 限亭的关系1 9 检测概率r 与s n r 的关系2 0 频率步进信号无杂波区检测示意图2 1 频率步进雷达杂波中目标检测信号处理框图2 2 未补偿前的原始距离像2 3 运动补偿后目标的距离像2 3 常规雷达下杂波的折叠示意图2 4 频率步进雷达的折叠杂波抑制示意图2 4 三种情况下的一维距离像的分布示意图2 6 同距离舍弃法示意图。2 8 同距离选大法示意图2 8 包络对齐仿真31 目标低速运动时抽取结果的对比。3 2 目标高速运动时抽取结果的对比3 3 目标高速运动时抽取结果的对比( s p o d b ) 3 3 频率步进雷达系统仿真总体结构框图3 6 f 18 雷达目标三维散射中心模型重构图示3 8 系统信号处理流程图4 0 频率步进雷达信号处理仿真系统软件交互界面4 2 信号载频特征图4 2 多散射点模型一维距离像。4 3 多散射点模型采样高分辨二维像4 5 多散射点模型距离像对比4 5 第1 v 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 图4 9f 18 模型距离像对比4 6 图4 1 0目标的距离像相位差4 6 图4 1 l距离速度解测量结果4 7 第v 页 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是我本人在导师指导下进行的研究工作及取得 的研究成果尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含 其他入已经发表和撰写过的研究成果，也不包含为获得国防科学技术大学或其它 教育机构的学位或证书而使用过的材料与我一同工作的同志对本研究所做的任 何贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意 学雠文题目_ 避筵墼巨塑墨鳌堡塑塑 学譬文作者擀：卜魄j 防钏月；日 学位论文版权使用授权书 本人完全了解国防科学技术大学有关保留、使用学位论文的规定本人授权 国防科学技术大学可以保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子 文档，允许论文被查阅和借阅；可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据 库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文 ( 保密学位论文在解密后适用本授权书) 学位论文题目：魈唑匿塑皇塑堕皇鲨 学位论文作者签名： 塞4 盗日期：力培年，1 月，弓日 作者指导教师签名：乏全隆 日期：8 年，1 月诈日 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第一章绪论 1 1 研究背景及意义 雷达的基本任务是探测，发现和识别目标。由于雷达目标的一维距离像中包 含了目标散射点的个数，分布和径向长度等特征，这些特征在工程实际中提取较 容易，而目标识别的算法也便于实时化。因此，雷达目标一维距离像的成像技术 是雷达实现目标识别和探测，进而实现精确制导的关键技术之一【l 】。 在军事应用与民用中，提高雷达的距离分辨力一直是雷达技术研究与发展的 方向。提高雷达距离分辨力不但有利于在强杂波背景下的目标检测【2 】，而且使目标 成像成为可能【3 】，为目标识别创造了更好的条件。同时，提高雷达距离分辨力也是 增强雷达电子抗干扰( e c c m ) 能力的有效手段之一【4 】。 根据雷达信号理论，雷达距离分辨力取决于其发射信号带宽，距离分辨单元 的大小与发射信号的带宽成反比i s 。从理论上讲，距离分辨力取决于雷达发射信号 的带宽，增大带宽最简洁的方法就是发射单频窄脉冲信号，但由于受到器械的限 制，采用窄脉冲信号不能发射大的信号功率，这就使探测距离和距离分辨力成为 一对矛盾。1 9 5 1 年奥里费第一次使用术语c h i r p 来描述用于脉冲压缩的线性调频 脉冲，从而开创了高距离分辨率雷达技术的新领域【6 】。目前宽带高距离分辨率雷达 技术主要包括以下几个方面1 7 j ： ( 1 ) 超宽带极窄脉冲雷达技术 相参和非相参雷达都可以使用窄发射脉冲实现高距离分辨率。相参系统产生 很窄的射频脉冲的方法是用更窄的视频或射频脉冲去激励环行滤波器，将滤波器 的带宽设计成要发射的射频脉冲宽度，这样发射信号可以近似于真正的冲击响应。 目前，美国在超宽带极窄脉冲雷达的信号产生、信号处理以及极窄脉冲条件下的 目标特性研究等方面都取得了丰硕的成果。极窄脉冲可以得到大的瞬时带宽，但 发射信号平均功率的降低将限制有效检测距离，因此超宽带极窄脉冲技术一般多 应用于极近距离探测和目标特性的研究。为了解决其发射能量有限的问题，人们 仍在不断探索新的方法。 ( 2 ) 1 2 h i r p 线性调频脉冲雷达技术 经过几十年的发展，线性调频脉冲雷达仍然是一类重要的高距离分辨率雷达。 其中主要原因是线性调频脉冲雷达的原理简单并且实现方便，无论是采用模拟信 号处理的方法还是数字信号的处理的方法，现在都有成熟的技术。虽然线性调频 脉冲雷达技术已经相当成熟，但是要想在窄脉冲内实现超宽带线性调频却不是一 件容易的事，这主要是因为要获得与发射带宽所提供的理论分辨率相差不多的距 第1 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 离分辨率，对脉内扫频线性度的要求十分苛刻，需采用相当复杂的闭环线性电路 来进行校正。另外，发射与接收系统都必须具有很宽的瞬时带宽，对信号采样及 信号处理的要求也相当高。总的来说，c h i r p 线性调频雷达技术在实现极高分辨率 上仍然存在不少的技术难题。 ( 3 ) 时频转换雷达技术 该雷达具有峰值功率和平均功率相等，可以采用中频窄带处理，对信号处理硬 件要求不高等优点，但存在收发隔离、高线性度调频等技术困难。 ( 4 ) 脉间频率步进雷达技术 脉间频率步进雷达波形改善距离分辨率的原理在六十年代末期就有报道【8 j 。由 于当时频率综合器的水平限制。脉间频率步进雷达波形并未在雷达系统中真正使 用，对它的研究还局限于理论阶段。随着微波技术。大规模集成技术，数字信号 处理技术的发展，现代频率综合器硬件的研制取得了成功【9 】。现代频率综合器技术 可以保证宽频带发射条件下每个发射脉冲调谐在各离散点处，这就使得脉间频率 步进雷达波形在雷达系统中的真正使用成为可能。这也是本文讨论的重点，其具 体的研究与应用现状将在下节中进行详细的介绍。 1 2 频率步进雷达的研究与应用现状 频率步进雷达采用频率步进信号，它由一串载频线性跳变的雷达脉冲组成。 通过对脉冲回波的i f f t 处理获得距离高分辨的效果【3 】。这种脉冲合成高分辨体制 雷达( s y n t h e t i ch i g h r a n g e r e s o l u t i o nr a d a r ) 与其他高分辨体制雷达相比，可以获得 更高的距离分辨力，相对于其他高分辨力信号雷达技术，频率步进雷达技术的主 要有如下三个方面的优点【3 】： ( 1 ) 接收机的中心频率可以在脉冲与脉冲之间步进的跟随发射频率，接收机 瞬时带宽可以保持相对的窄小。 ( 2 ) 在不增加信号发射带宽的前提下，通过脉冲串的相参合成来获得高距离 分辨，因而降低了系统a d 转换速率的要求，在每个脉冲重复周期内采用了宽脉 冲，显著降低了对数字信号处理硬件的速度要求，有利于工程实现。 ( 3 ) 该雷达波形的设计原则比较灵活，便于系统实现较高的性能指标。 由于频率步进雷达以上的系统复杂性低、成本低、易于工程实现等优点，该 技术已成为宽带高距离分辨率雷达技术的重要发展趋势。 频率步进的概念出现得相当早，自6 0 年代就有学者开展研究【8 1 ，自那时起就 有国内外众多的研究机构和人员对这一信号进行了深入的分析，而近年来则得到 了更为详尽的研究【l o 】。其中美国的麻省理工学院和海军研究生院在这一领域取得 了丰硕的成果【l l 】。【| 5 1 。m t i 的t he i n s t e i n 对步进脉冲串获取一维距离高分辨进行 第2 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 了详细的描述，给出了理论分析及仿真计算结果【川。美国海军研究生院的g s g i l l 等人对频率步进雷达的波形设计，模糊函数以及速度补偿等问题进行了较为深入 的研究【1 2 】- 【”】。美国马丁公司采用步进跳频信号研制了合成宽带毫米波主动导引头 f 1 6 】。近年来，我国学者对频率步进雷达也进行了大量的研究，也发表了大量的文 章【1 7 】。【2 5 】。其中以北京理工大学和西安电子科技大学的研究工作较为有代表性，北 理重点研究了频率步进雷达的信号参数设计、距离像抽取、多普勒性能以及调频 步进信号等问题【1 7 】【2 0 1 。西电主要研究了频率步进信号设计问题，从模糊函数的角 度出发，分析了正负频率步进编码信号和随机跳频信号等改进的频率步进信号波 形【2 1 】- 【2 4 1 。文献【2 6 】研究了频率步进雷达的速度补偿问题，提出了频域互相关法、 时域互相关法、及最小熵值法三种运动补偿方法。文献【1 0 】研究了采用脉内调频、 脉间步进跳频信号的合成宽带体制的理论，组成了毫米波雷达导引头的实际系统， 并进行了相关的试验。 在宽带情况下，目标和杂波的特性都发生了变化，飞机等目标不能再看成是 点目标，其回波表现为一维距离像，即目标变成了沿波束照射经向距离“走廊” 上的一段连续距离单元对应的扩展目标。因此在窄带方式下行之有效的一些目标 检测方法在宽带方式下未必适用。因而，需进一步研究宽带条件下的信号特性， 寻找适用于宽带条件下的检测方法，充分利用宽带雷达高带宽和高距离分辨率所 带来的好处。扩展目标在宽带雷达照射下成高分辨距离像，高分辨距离像在抗杂 波、抗角闪烁、精确探测、高精度跟踪、目标识别等方面较低分辨目标回波有明 显的优势。文献【3 】系统地介绍了高分辨雷达系统的组成、波形设计、探测性能等； 文献 2 7 1 分析了扩展目标的r c s 、扩展目标的多散射中心模型、扩展目标的角闪烁 效应。目前，基于目标一维距离像的探测、识别，也有很多文献论述 2 9 - 3 4 1 。但是 这些文献中的检测所针对的体制多数为宽带线性调频体制，未能充分利用频率步 进雷达的相关特性，而这正是本文要讨论的问题之一。 1 3 本文主要工作 本文以总装备部重点基金项目“x x 体制雷达理论设计研究及数字样机系统研 制”为依托，重点分析了频率步进雷达系统信号处理中的扩展目标距离像检测以 及距离像的抽取等相关问题，并对整个系统进行了虚拟仿真。具体内容安排如下： 第一章首先简要的介绍了研究的背景及意义，由高分辨雷达的发展趋势引出 频率步进雷达，接着分析了频率步进雷达的研究与应用现状，综述了当前国内外 对频率步进雷达相关问题的研究。 第二章重点讨论了频率步进雷达中扩展目标距离像的检测问题，首先对扩展 目标距离像的检测问题进行了概述，比较了宽带高分辨雷达体制下扩展目标的检 第3 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 测问题与经典的点目标检测的不同，并对扩展目标的单周期检测和多周期检测进 行了归纳总结。针对频率步进雷达目标距离成像原理以及其距离像在采样高 分辨单元二维平面上的特性，引入了基于h o u g h 变换的检测方法，对其检测方法 和性能进行了分析。最后对频率步进雷达杂波中的目标检测问题进行了分析，分 析表明，在满足一定的参数设计的条件下，能够获得较好的性能。 第三章重点讨论了频率步进雷达中的目标距离像的抽取问题，首先对频率步 进雷达目标抽取进行了概述，并分析了其参数之间的选择和约束，接着在对几种 常见的目标距离像抽取方法进行了总结概述的基础上，提出了一种i f f t 后频域相 位补偿抽取法，并通过仿真分析对比了几种抽取方法的性能。 第四章是频率步进雷达信号处理系统l a b v i e w 仿真实现部分，首先介绍了 l a b v i e w 虚拟仪器的开发和设计的概念和方法，接着对频率步进雷达信号处理仿 真系统的总体结构进行了设计，并针对仿真系统各模块进行了开发设计，最后给 出了部分仿真结果，并与理论分析的结果进行了比较，得出了相关结论。 第4 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 第二章频率步进雷达目标距离像的检测 2 1 引言扩展目标距离像的检测问题概述 在高分辨雷达的照射下，飞机、舰船等不能再用点目标模型描述，而应等效 为若干强散射中心。因此，宽带高分辨雷达体制下扩展目标的检测问题与经典的 点目标检测有很大不同。 雷达经典检测理论是针对窄带雷达和“点目标”假设建立起来的。在窄带雷 达中，信号带宽较小，距离分辨率远大于目标尺寸，目标上各散射点回波在时域 上是“重叠 的，这些散射点回波形成的整个目标回波与点目标回波十分接近， 即除若干未知或随机参量外，目标回波与发射信号具有相同的波形。因此，从检 测理论上看，窄带雷达目标检测可以归结为波形已知的随机参量信号检测问题。 此时最佳检测系统的结构为“匹配滤波+ 门限判决”，根据特定的最优准则和检验 统计量的条件概率密度，可以确定出检测门限，接收机输出信噪比完全决定了检 测性能【1 1 。 在宽带雷达中，虽然目标上的每个散射点的回波仍然具有“点目标”回波特 征，但由于目标的尺寸远大于距离单元，目标上各散射点回波在时域上是“分离” 的，整个目标的回波与目标的几何形状和姿态有密切关系，不再具有与发射信号 相同的波形，而是具有随机参量的散射点回波构成的脉冲串。因此，从检测理论 上看，宽带雷达目标检测应归结为脉冲波形已知的随机参量脉冲串信号检测问题。 在窄带雷达中，分辨单元较大，在相干处理间隔( c p i ) 内目标的运动不会产 生明显的跨越距离单元的走动。因此，采用雷达经典的动目标检测( m t d ) 的方 法，可以通过对各距离单元回波数据进行f f t ，实现对各距离单元内的未知多普 勒频率的多周期目标回波进行相参积累。 在宽带雷达中，分辨单元尺寸显著减小，目标运动将引起目标回波在c p i 内 产生明显的跨越距离分辨单元的走动，致使经典m t d 的使用条件不再具备。因此， 必须研究宽带雷达的m t d 方法，解决好c p i 内未知走动量和未知多普勒频率的多 周期目标回波的相参积累问题。 宽带雷达目标脉冲回波是多散射中心回波，回波信杂比( s c r ) 相比窄带情况 发生了显著改变。同时，杂波单元对应的散射面积显著减小，机载雷达的平台运 动使c p i 内同一距离单元的杂波散射来源构成变得更复杂；动目标回波跨越距离 单元的走动也使得与目标回波抗衡的杂波来源复杂化。因此，宽带雷达杂波模型 和杂波特征具明显不同于窄带雷达；同时，c p i 内同一距离单元、沿目标距离轨迹 的杂波抑制方法也不同于窄带雷达1 4 j 。 第5 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 对于扩展目标的检测，国内外学者进行了大量的工作【2 9 】【4 0 】。文献 2 8 较早提 出了检测距离扩展目标的几种检测器。文献 2 9 】具体设计了两种扩展目标检测法： 径向积累法和双门限法，并设定几种扩展目标能量分布，用蒙特卡洛仿真比较了 这两种方法的检测性能，两种方法的检测性能都依赖于扩展目标的能量分布特点， 但双门限法的依赖程度更大。另外，在分布式杂波能量远大于热噪声的假设下， 这两种方法的检测性能都好于低分辨雷达。9 0 年代，以a f a r i n a 为代表的一批学 者提出对距离像进行匹配照射和匹配接收，以获得最大的信噪比增益，但这种方 法要求建立大量的目标模板【3 0 】【3 1 1 。k g e r l a c h 等人则设计了广义似然比接收机，它 只需先知道目标距离像的能量分布密度，不需要目标距离像幅度的先验信息，具 有较高的实用性【3 2 】 3 ”。国内学者近年来对宽带高分辨雷达检测也进行了大量的研 究，发表了很多相关文章，文献 3 5 1 1 3 6 1 提出了几种脉间积累方法，并认为最佳积 累数约为5 ，文献 3 7 】【3 8 】对多种脉内积累方法的性能进行了分析。文献 3 9 1 4 0 提 出了一种自适应距离单元积累检测法，在目标检测时利用不同径向单元内的强散 射中心能量进行横向积累，可以提高信杂比，从而改善检测性能。 2 2 一般扩展目标检测方法 2 - 2 - 1 扩展目标的单周期检测 在高分辨雷达的照射下，复杂目标( 如飞机、舰船等) 的回波不再具有简单 的脉冲形式，而回波特性直接影响检测器的结构和性能，因此必须建立高分辨雷 达照射下目标回波的合理模型。v a nt r e e s 最早比较系统地论述了距离扩展目标的 回波特性，目标的冲激响应被视为一随机过程 2 3 】。 发射信号为大带宽距离高分辨信号，目标表现为若干个散射中心，目标回波 是发射信号相应加权延迟的叠加，接收机输出目标的高分辨距离像。单个回波脉 冲信号模型可表示为z ( f ) ，f 是距离单元序号，z 例代表同一脉冲回波信号不同距离 单元的观测值。将目标距离像上各个分辨单元的回波看成一串脉冲 毛，乙，z v ) ， 目标检测成为一个假设检验问题1 4 1 】： l 风： 乙= 【且：乙= 刀，+ 0 在全相参接收、正交双通道解调体制下， 幅度和相位分别记为诉和庐， r = 1 , 2 ， ( 2 1 ) z r ，珞，s ，均为复变量；其中信号的 j ，= q r e m ，= 1 , 2 ，n( 2 2 ) 检测理论已经证明h ，各种准则下最佳检测都具有似然比检验的形式，因此， 对信号 s l ，s2 ，s n ) 和噪声 玎l ，力2 ，l q n ) 做一定假设，计算相应的似然比或广 第6 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 义似然比并加以简化，可以求得检验统计量，似然比( 或检验统计量) 计算加门 限判决，就是该假设下的最佳检测器。 ( 1 ) 假设信号p l ，s 2 ，j n ) 为已知的确定值，噪声 h i ，2 ，力n ) 为独立同分 布的零均值复高斯随机变量，方差为2 0 2 ，则似然比为： 瓴一 ) n 以，)naa7 2f i a = e x p - y 垃掣 ( 2 3 ) ( z ，z ) 。( 乙) 比爿丛 ( 2 3 ) 检验统计量为： ，= r e ( s ，z ，) ( 2 4 ) ( 2 ) 假设信号 s l ，s 2 ，s 0 0 幅度口r 为已知值，相位西，为均匀分布在 0 ，2 7 c 】 间的随机变量，且各个距离单元的信号不相关，噪声同( 1 ) ，根据贝叶斯准则，对( 2 3 ) 式求平均： 争口2 a 。( z l ，z ：，知) ：了弘。( z 汩( 办疵九) 坛蛾：p 等f i x 。( 口，川仃：) ( 2 5 ) 6 ( z l ，z ：，z ) = i 1 人。( z 汩( 办疵九) 坛砒= p2 一i 。( 口，l z ，l 仃2 ) ( 2 5 ) 检验统计量： 乙= l n ( i 。( 口，i z ，i 2 ) ) ( 2 6 ) ( 3 ) 假设信号p l ，s 2 ，i eo $ j n 的幅度口r 为服从瑞利分布的随机变量， 刖2 考e x p ( 茜) 口， o ( 2 7 ) 其中e ，= e ( a ；) 2 ； 相位多，和噪声傀的假设同( 1 ) ，且各个距离单元的信号互不相关，根据贝叶斯 准则，对( 2 3 ) 式重新求平均： a c ( z 。，z ：，z ) = ，- f 人。( z ) p ( 办政九) p ( 口。口2 a n ) d f b , d # n d a 。d a = 垂 矗e 冲t 剖裔 检验统计量： 卜喜船 ， ( 4 ) 对曲和玎，的假设与( 3 ) 相同，但此时距离单元间的信号噪声可能存在一定 的相关性，信号与噪声相互独立。在这一假设下，信号萨佃，f2 ，s n t ，噪声 - 刀l ， 2 ，刀n ，t ，观测值z - z l ，z 2 ，z n ) t 均为零均值复高斯随机变量，假 第7 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 设信号和噪声的方差阵分别为r s ，r j r ，似然比为3 0 】： 人d：j黑exp-z圩(r。+r)一z+zr二izd “ e t ( r s + 如) 一 “。 检验统计量是观测矢量的二次形： l d = z hq z 其中a = 筛1 一( r s + r ) _ 1 如果距离单元间的信号噪声独立， 则r s = l 2 e ， l 0 如- i 2 0 2 l0o， 容易验证，( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) 式就是( 2 8 ) ( 2 9 ) 式h 2 1 。 以上讨论了各种假设下扩展目标的最佳检测器结构。与点目标检测器不同的 是，它们的检测性能不仅与目标回波能量有关，还与目标回波的信号形式( 即目 标的距离像) 有关【4 2 】。 在单周期检测时利用不同径向单元内的强散射中心能量进行横向积累，可以 提高信杂比，从而改善检测性能。一种行之有效的自适应距离单元积累检测方法 1 3 9 1 ，其算法步骤为： 步骤一：根据先验知识或初始预判，估计目标径向长度变化区间【厶血，厶撇】， 其对应的距离单元数变化范围为： 生w 生 a ra r 步骤二：在目标全程距离像 z ( f ) ，江o ，1 n - 1 ) 上任选一点k ， w = 尼一，j j + 】 其中： w o = i n t 悉】 在窗口内按下式进行积累： ( 2 1 2 ) 选择窗口： ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 】，= i z ( o i ( 2 1 5 ) j 一 i 、 旭w 积累后得到变换后新的全程距离像序列 】，( m ) ，m = o ，1 一1 ) ，取其最大值点 m = m d 为可能存在的目标的径向中心点。 步骤三：在m d 处，改变窗口的宽度w ，且w w ，最大的窗口宽度就为目标 径向所占据的高分辨距离单元数p 。在窗口宽度w = p 内对z ( i ) 重新按步骤二进行 第8 页 、，、j o 1 ， l q q 明l i 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 积累。 步骤四：对于给定的虚警率与估计检测门限，将z 鹏与f - j 限比较做出目标存在 与否的判决。 以上讨论的检测器，只对单周期的距离像进行检测，实际上，脉冲重复频率 ( p r y ) 较高时，相邻周期的距离像存在很大的相关性【2 】，通过多周期积累，能有 效提高检测性能。但目标运动使相邻周期的距离像存在差异，例如目标的横向运 动和自身转动使同一分辨单元不同周期的信号幅度产生随机起伏；目标的径向运 动使单幅距离像峰值展宽，相邻距离像之间出现走动，影响多周期积累的效果【4 4 1 。 因此进行多周期积累，必须考虑运动补偿的问题。我们将在下一节中具体讨论扩 展目标的多周期检测。 2 2 2 扩展目标的多周期检测 在h r r 中，由于许多距离单元都会出现一个目标的回波信号，因此其观察值 应表示为t 3 6 】： x ( i ，) ，i = 1 ，2 ，聊，j = l ，2 ，万( 2 1 6 ) 在同一个重复周期中共有m 个分辨单元均出现信号，在刀个重复周期中会出 现同一目标的信号。 在不同假设时的分布分别表示为：硪x ( f ，j ) 】为硒假设，p o t x ( f ，歹) 】为h o 假设。 如只取f 为某一常数时判决有无目标，其效果是很差的。而要考虑同一目标在 不同i 值的分布，才能得到好的效果。由( 2 1 6 ) 式知观察值是一个二维矢量，将此 观察值经过变换得： 毛= f x ( i ，) 】 ( 2 1 7 ) 式中以】为一变换函数，所得的t o 和门限凡。作比较，如瓦 磊，则为h o 假 设，否则判为h 。假设。 以】的选择是目标检测的关键，可有以下几种函数可供选择【3 6 】： ( 1 ) 各信号单元的均值： t o ，= x ( i ，) ( 2 1 8 ) ；1i = l 这种方法将距离单元值用平均值计算，然后乘以系数与门限做比较。 ( 2 ) 各信号单元的均方差： 生 r 0 2 = x q ，歹) 一t o 。】 ( 2 1 9 ) i f f i l 已知信号回波的分布绝大部分服从正态分布，其概率密度函数的特征可以用 均值或均方差值表示。在有信号的诸单元中，其均方差值与单元内纯噪声的均方 第9 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 差值会有很大的不同，所以可以根据它来进行有无目标的判决。 ( 3 ) 用信号单元中最大值或者峰值点数来判决： 瓦，= r a n k x ( i ，) 】 ( 2 2 0 ) 式中r a n k 【】为取x ( i ，) 序列中的最大值。 ( 4 ) 用各信号单元之间的相关系数来判决： 瓦。= z , x ( i ，j ) x ( i - k ) ，刀 ( 2 2 1 ) = li = 1k = l 此方法即把本周期的信号值作适当延迟后用相关处理方法后得到的数与一定 的门限比较得出判决 ( 5 ) 用各信号单元相关滤波： j l 苎l 瓦= x ( i ，扛 ( f 一七) ，_ 一1 】 ( 2 2 2 ) f = lk = l 将接收信号与前一周期作相关处理，这时可以近似认为目标在短时间内姿态 角未发生大的变化，可以取得很好的信号比，做完相关滤波后再用( 1 ) 、( 2 ) 、( 3 ) 方 法加以判别。 提高检测能力的途径是提高信噪比，在h r r 情况下信噪比仍是制约信号检测 性能的主要因素，常规方法是对回波信号进行积累以提高信噪斟1 1 。 就h r r 回波信号而言，因为它占据了多个高距离分辨单元，所以再对其进行 信号处理的时候，一般不仅仅只考虑一个单元内的回波，而是要联合考虑多个分 辨单元内的信号，则为了其提高检测性能，可在长的观察时间内，把多个脉冲重 复周期的多个距离单元回波按单元进行积累，它的目的就是用时间去换取能量。 同时，目标横向所占据的多散射点间也可以进行单周期积累来提高检测性能。因 此，h r r 多周期回波脉冲串信号检测，可以采用脉冲内和脉冲间的能量积累相结 合的方式来提高信噪比。如前所述，脉冲内的能量积累是对雷达发射信号的一维 像中不同高距离分辨单元之间的能量积累。脉间积累分为相参积累和非相参积累： 脉间相参积累的方法是通过对多个脉冲重复周期相同距离单元的回波子脉冲进行 快速傅立叶变换( f f t ) ，得到其频域输出，然后选取绝对值最大者作为该距离单元 频域输出，然后把多个距离单元的最大值累加，再与门限比较而做出判决；脉间 非相参积累的方法，只利用了目标回波的幅度信息，对多个脉冲重复周期相同距 离单元的回波进行幅度相加，得到积累后的幅度输出。 宽带情况下，距离分辨单元变得远小于目标尺寸，若脉冲与脉冲间目标运动 速度造成的雷达目标距离的变化量与此时的距离分辨单元可比拟，则在一个c p i 内，宽带分布式目标的同一个散射点回波将出现跨越距离单元走动的情况。这样， 宽带雷达的c p i 目标回波就是带有跨距离单元走动的多个周期的单脉冲回波。这 第l o 页 国防科学技术大学研究生院硕士学位论文 时，经典m t d 的使用条件不再具备，对各距离单元回波数据的f f t 已经不再能 够实现个多普勒频率的相参积累。 对于实际数据x ( i ，) ，当f 为常数时，同一距离单元不同脉冲周期的采样数据 进行相参或非相参处理时，要考虑到目标的运动，因为运动目标不同周期的包络 存在走动，目标不在同一个距离单元上，而无法进行长时间积累，若要积累则通 常必须采用运动包络补偿。 在目标运动速度等参数未知情况下，考虑到多周期一维距离像的平移和包络 补偿前长时间相参积累的信噪比损失，为了改进了常规多周期相参积累方法，可 以采用基于横向距离单元合成处理的相参积累新算法【4 3 1 ，它首先在横向上将目标 全景距离像的高分辨距离单元进行距离合成，然后再将合成后新的距离单元在纵 向上进行f f t 相参积累，这种方法的核心是将高分辨单元“转化 为低分辨来处 理。这种处理方法既综合利用了长时间积累、又部分利用了横向空间积累的结果。 基于横向距离单元合成处理的相参积累算法流程如下： ( 1 ) 对多脉冲重复周期的h r r 回波信号进行处理，得到目标的多周期一维距 离像。 ( 2 ) 根据目标先验规律和运动特性，对目标的径向运动速度的范围【。，】 进行预估，则整个脉冲积累时间内目标的最大跨距离单元数为： p ：i n t 生趔】 ( 2 2 3 ) 擞 其中口为积累时间内的脉冲总数。 ( 3 ) 对脉压处理后的全程回波以窗口宽度为勿值进行距离单元合成，即对每 一脉冲重复周期在横向上将相邻勿个单元的回波按下式合成为一个单元，得到新 的距离单元序列。 矿：兰4 ( 2 2 4 ) 即汐为勿单元内回波直接矢量相加的结果。 ( 4 ) 对新生成的单元，在纵向上按距离单元进行多周期d f t 相参积累，并进 行后续雷达信号处理。