动目标检测器(MTD).ppt

动目标检测器 MTD 1 MTD的原理 1 有色噪声中最佳接收理论 其中 白化滤波器 与信号匹配滤波器 2 白化滤波器的实现 白化滤波器频率特性应为有色杂波加噪声谱的倒数 在实现上有几种近似方法 A MTI对地杂波近似白化B 速度自适应MTI 对运动杂波近似白化C MTI 速度自适应MTI 对地杂波和运动杂波同时实现近似白化D 最大熵谱估计AMTI 理想白化 3 匹配滤波器 目标fd从0 fr均匀分布 所以设置多普勒滤波器组来近似实现匹配滤波 可用FIR或FFT来实现 4 频域CFAR和选大 在每一多普勒滤波器通道输出设置CFAR电路 各通道过CFAR门限的信号相互比大 取最大值作为MTD输出值 2 成组处理MTD BMTD 一 CPI 天线扫过一个点目标时在方位上的相继回波数 称为击中数H CPI 相参处理间隔是BMTD中组的大小 若一个CPI内的回波数为m 应保证 这里 整数 所以BMTD的定义为 将一个CPI中的回波结合为一组 来进行MTD处理 波束中的回波应分为2个CPI 才能保证至少一个CPI中包含了全部目标信息 否则会导致S N下降 降低检测性能 例 击中数H 32时 m 16 个 这是最大值 二 乒乓存储器 为了实时进行成组处理 必须首先将一个CPI中的全部回波数据存储起来 当该CPI数据全部存完后 乒存储器存满后 则取出来沿距离间隔顺序处理 与此同时 对下一个CPI的回波数据进行存储 存入乓存储器 乒乓存储器容量 设 CPI m距离间隔 nA D字长 bbits 则 Z 2 m n b 2 4mnb 乒乓 I Q 例 CPI 64 mn 1024b 12bits则 Z 4 64 1024 12 384Kbytes 三 多普勒滤波器组 1 阶数 多普勒滤波器组阶数为M 则M m 预白化MTI阶数 1 例 当m 18 MTI为3脉冲 3阶 时 则M 18 2 16 阶 2 多普勒滤波器组的实现方法 1 FFT算法 当M 2T T 整数 时 可用基2FFT 并采用加权来减小旁瓣 降低杂波通过旁瓣的泄漏 提高改善因子 一般采用 Hamming或Chebyshev加权效果较好 加权 FFT 滤波器组的FFT实现 xi 优点 运算量少 设备简单 运算量为 次蝶形运算 采用四周蝶形算法 故乘法次数为例 M 16 乘法次数为次乘加 缺点 每个滤波器形状完全一致 不灵活 2 FIR算法a 权系数设计 窗函数法 任意窗函数Remez多重变换算法 旁瓣约束等波纹设计法权系数hi n i 1 2 M n 1 2 M b 具体算法 i 1 2 M这里和为复数 于是有 i 1 2 M c FIR滤波器组运算量4 M2例 M 16 则4 16 2 1024 复乘 优点 灵活 性能好缺点 运算量大 复杂 3 MTD系统的改善因子一 最佳多普勒滤波器组构成的MTD系统的改善因子所谓最佳多普勒滤波器组 即每个滤波器的权函数Wi都是最优权函数 这里最优是相对于一定的杂波模型和信号假设而言的 1 CPI中M个信号回波可用一复矢量表示 Ps为每个信号回波的功率 这里假设天线波瓣形状为矩形 所以每个Ps相等 为信号的随机相位 是脉冲 脉冲间的相移 2 杂波回波是 这里 是杂波功率3 热噪声 这里 为噪声功率4 总输入为 这里假设s c n为统计独立的 5 改善因子 输入信干比为 令多普勒滤波器组有复加权 wi为每一个滤波器通道的权值则滤波器的输出为 相应的输出功率为 其中 代表输入回波的协方差矩阵 用表示 因S C n相互统计独立 这里 归一化信号协方差阵归一化杂波协方差阵中的第i j位置的元素可由杂波相关函数决定 单位阵 归一化噪声协方差阵 具有复加权的多普勒滤波器的噪声增益为当信号的从均匀分布时 信号平均增益输出信干比为 则改善因子 信号功率增益 输入 杂波 噪声 功率 输出 杂波 噪声 功率 为信号功率增益对噪声功率增益之比 即为相干积累增益 为归一化的干扰抑制比 即干扰抑制比乘噪声增益 这相当于前面讲过的平均改善因子 可见MTD可以看成白化滤波器 具有平均改善因子IMTI 和相干积累器 多普勒滤波器组 的级联 白化滤波IMTI 多普勒滤波器组GC 由文献知 最佳应为 干扰协方差阵的逆 信号的复共轭 具有最佳加权的MTD就是有色噪声中的最佳检测器 由于和都是的函数 当在中均匀分布时 该最佳处理器的平均改善因子为 例 杂波谱为高斯形可用数值计算出不同和N时的 23469167 514182532 540 当 时 二 理想白化滤波器级联滤波器组的改善因子 白化滤波器Hw f 滤波器组 令杂波功率谱为Sc f 则理想Hw f 应为Sc f 的倒谱 或 这里 Sc f 是杂波功率谱 采样前 f是从内扩展的 相当于把杂波功率折叠到内 j取整数 白化滤波器平均归一化对消比 杂波抑制比 噪声增益 又 令则 后接滤波器组在理想情况下为一相干积累器 即矩形窗加权 且目标fd正好处于某滤波器通代中央 相干积累增益为 所以系统改善因子 例 杂波功率谱计算列表如下 cT0 070 080 100 120 140 20CAV dB 85 261 033 519 411 62 8而这是系统改善因子上界 当非矩形窗加权时会有S N损失 当fd不处于滤波器中央时 应算平均相参积累增益 也会有损失 三 实际MTD系统的改善因子非理想白化非矩形窗加权实际系统为一个2脉冲或3脉冲MTI级联加权滤波器组 令 对消器传递函数和第i个滤波器传递函数的合成为 对而言 归一化对消比为 实际ISIR 理想ISIR 杂波抑制比 噪声增益 则 由 如已知和 则可求得相干积累增益为 因此 则 N为滤波器数 例 3脉冲对消 8脉冲滤波器组 杂波为高斯谱1 矩形窗加权时0 0060 050 070 080 186 442 638 936 230 12 25dB旁瓣Chebyshev加权0 0060 050 070 080 19351 343 84032 8可见 比理想性能相差较大 Chebyshev加权副瓣越低 则越高 4 MTD的精度和分辨率在BMTD中 方位精度由于受到CPI宽度限制 因而较低 可用以下几种方法加以改善 因波束内至少有两个CPI 设第一个CPI报告的方位为 第二个CPI报告的方位为一 内插法提高方位精度估计方位这里为内插函数 它取决于与和相对应的目标报告的对数幅度1 波束内为单CPI 此时 F 0 2 波束分裂法 波束内为2个CPI时 假设两个CPI为等同看待 即信号回波在两个CPI中均充满时 可令F 1 2 所以 二 质量中心法可见质量中心法相当于内插法中的A1和A2为相应于和的线性幅度 三 天线波束形状相关法 K是常数 与天线波瓣形状有关 四 波束匹配法 当波束内的报告数较多时 采用波束形状对每个报告实施加权求中值法 其中 为波束相应于的形状因子 各种方法比较 BMTD分辨率取决于波束宽度 5 滑动MTD SMTD为了提高MTD处理的方位精度 可采用滑动MTD 一 原理 在方位上每滑过一个脉冲 做一次M点的MTD 新进入一个信号 丢掉一个老信号 又进行一次M点MTD 因此每次MTD处理中均只有一个新信息 M 1个老信息 SMTD处理中 可获得与天线波束内的击中数相等的报告数 从而可采用质心法等方法来提高MTD的方位精度 SMTD最大的难点是运算量相对于BMTD增加了M倍 所以必须寻求减少运算量的新方法 传统单滑动处理的MTD结构 图中 N为窗长 也是滤波器组的个数 每滑进 滑出一个脉冲要完成N个滤波器运算 N次恒虚警处理 和N个通道的门限比较以及选大输出 运算量庞大 这种处理有两个冗余度 1 每一步处理N个滤波器中有N 1个滤波器结果并不输出 即只有目标通道输出 但目标多普勒频率在一次扫描波束范围内是不会发生太大变化的 可认为所处理的滤波器通道不变 由此可得出在整个波束范围内只作一次目标通道判决 每判一次后 可作多次滑动处理 且每次滑动处理只处理目标所在的多普勒滤波通道即可 从而可以大大节省运算量 2 相邻两次处理的N个数据中 有N 1个数据完全相同 所以相邻两次FFT处理之间可导出一种滑动递推算法 提高滑动FFT处理的效率 二 成组判断和滑动处理相结合的SMTD1 成组判断 在波束范围内仅做一次目标通道判决2 滑动处理 仅对有目标的通道进行单滤波器的滑动处理因此 新的结构如下图所示 在波束范围内 由于仅做一次目标通道判决 所以只做一次FFT 或滤波器组 一次N通道恒虚警 和一次N选1判断即可 如成组判断后 判目标通道为K0 则在整个波束范围内的滑动处理时 每次滑动后仅作K0通道的滤波 恒虚警即可 从而大大节省了运算量 此外各相邻两次单滑动处理间有极强的相关性 因有N 1个数据相同 所以前次滤波的某些结果可直接送入下次滤波处理中 进一步减少了单滤波器处理的运算量 成组判断和滑动处理相结合的实现方框图 三 滑动处理的快速递推算法令用N点DFT完成窄带滤波器 目标处于K通道 连续N个输出可表示为 1 2 3 4 N为相干点数 由 2 式乘以再减去 1 式得 同样 由 3 式乘以再减去 2 式得 依此类推 有 上式可写成一般表达式 m 1 2 N 1 5 由于后续均值估计和恒虚警处理只关心信号模值 可丢弃信号相位分量 令 故有 可见 仅对模值而言 得到和是等效的 相同 由 5 6 两式可得到单滑动DFT的快速递推算法的一般表达式 仅求即可 6 7 由 7 式知 其滤波运算 每滑动一次只需一次复乘 两次复加即可 所以其流程应为 Step1 初始化 因求和求等效 Step2 循环 form 1toN 1 流程图 M为成组判断组长 可等于波束内击中数 运算量 初始化 N次复乘