寬帶雷達(dá)檢測算法研究

張 宇，宋 路

（長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

寬帶雷達(dá)檢測算法研究

張 宇，宋 路

（長春理工大學(xué)電子信息工程學(xué)院，長春 130022）

寬帶雷達(dá)，以其具有高分辨率特性在現(xiàn)代戰(zhàn)爭中占有越來越重要地位，主要應(yīng)用于火控雷達(dá)、警戒、引導(dǎo)、制導(dǎo)等雷達(dá)技術(shù)上，隨著其應(yīng)用越加廣泛對(duì)檢測技術(shù)需求與日俱增，寬窄帶檢測技術(shù)不同，傳統(tǒng)算法工作量不適用實(shí)際。對(duì)寬帶雷達(dá)傳統(tǒng)檢測算法研究并進(jìn)行仿真性能分析，包括徑向積累檢測算法研究及仿真性能分析，廣義似然比檢測算法研究及仿真性能分析，M／N檢測算法研究及性能分析。

寬帶雷達(dá)；檢測算法；徑向積累；廣義似然比；M／N

0 引言

寬帶雷達(dá)目標(biāo)檢測是基于寬帶雷達(dá)特點(diǎn)和傳統(tǒng)雷達(dá)檢測技術(shù)而形成的一種檢測方法，其特點(diǎn)是利用了與發(fā)射信號(hào)和目標(biāo)本身相關(guān)的寬帶雷達(dá)回波信號(hào)。寬帶雷達(dá)能探測到一些小目標(biāo)，比如叢林中的目標(biāo)，而窄帶雷達(dá)不具備這樣的分辨率，很多國家對(duì)雷達(dá)波形展開試驗(yàn)。在寬帶雷達(dá)技術(shù)中，檢測技術(shù)是其關(guān)鍵技術(shù)，而這一方面，我們研究的卻很少，所有有關(guān)于寬帶雷達(dá)的目標(biāo)檢測技術(shù)研究有著尤為關(guān)鍵的意義，這項(xiàng)技術(shù)不僅顯示了一個(gè)國家雷達(dá)技術(shù)的理論高度和技術(shù)水平，更關(guān)系到國家的國防安全。

雷達(dá)技術(shù)層面一個(gè)重要的技術(shù)指標(biāo)是雷達(dá)的帶寬，雷達(dá)帶寬的衡量標(biāo)準(zhǔn)是工作頻率，我們按照雷達(dá)的工作頻率分為超寬帶雷達(dá)、寬帶雷達(dá)、窄帶雷達(dá)。不同工作頻率有著各自特點(diǎn)，但綜合比較寬窄帶雷達(dá)，它們?cè)诰_度上存在差異，寬帶雷達(dá)可以準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)目標(biāo)分類和識(shí)別，明顯提高了雷達(dá)對(duì)雜波中目標(biāo)的檢測能力，能夠迅速捕捉到戰(zhàn)場上的信息，對(duì)有用目標(biāo)探測分析、匹配環(huán)境、去除噪聲影響，極大地提高了探測的準(zhǔn)確度。又由于帶寬特性，寬帶雷達(dá)含有豐富目標(biāo)信息，從而不易遺漏。故在現(xiàn)在戰(zhàn)場環(huán)境下，寬帶雷達(dá)有其必不可缺的用武之地，其實(shí)用價(jià)值越來越受到廣泛推廣。

1 最佳檢測算法

對(duì)于寬帶雷達(dá)的定義，主要根據(jù)式（1）得出，規(guī)定雷達(dá)的帶寬η：

式中：f0為載波頻率；Δf為瞬時(shí)帶寬。

雷達(dá)體制中當(dāng)η在0.01和0.25之間時(shí)，稱此雷達(dá)為寬帶雷達(dá)，當(dāng)η在大于0.25的范圍內(nèi)，稱此雷達(dá)為超寬帶雷達(dá)。

窄帶雷達(dá)中，一切目標(biāo)看做為點(diǎn)，因?yàn)槟繕?biāo)的大小和距離分辨單元相比要小得多。而響應(yīng)的信號(hào)模型可以看做為沖激響應(yīng)，可用卷積表示r＝s＊h。換句話說就是窄帶雷達(dá)回波信號(hào)與發(fā)射信號(hào)是相關(guān)的，而寬帶雷達(dá)則不是，所以寬窄帶雷達(dá)在高斯背景下關(guān)于最佳匹配接收方面有不同性質(zhì)，對(duì)于窄帶雷達(dá)，發(fā)射和接收相匹配，對(duì)于寬帶雷達(dá)，接收不僅要匹配發(fā)射還要匹配于目標(biāo)本身，他們的關(guān)系如圖1。

圖1 寬帶雷達(dá)匹配過程圖

實(shí)際具體需要對(duì)單脈沖做匹配濾波，然后再對(duì)所有具體點(diǎn)做相干積累，需要積累前的輸出做相位補(bǔ)償。如圖2所示。

由于每個(gè)接頭的目標(biāo)姿態(tài)和加權(quán)因子，雷達(dá)系統(tǒng)多重原因相關(guān)，大體都是沒有規(guī)律的未知量，所以上述最佳接收機(jī)只是相對(duì)理想的信號(hào)處理結(jié)構(gòu)，并非實(shí)際應(yīng)用，但我們需在理想接收機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行研究，以此作為與其他檢測算法進(jìn)行比較的對(duì)比對(duì)象。這樣便可以更直觀地觀察到其他檢測算法的優(yōu)缺點(diǎn)和相對(duì)比的特點(diǎn)。在現(xiàn)實(shí)情況中，我們按照目標(biāo)特性選擇不同檢測算法。

圖2 多脈沖匹配積累過程圖

2 徑向積累檢測算法

算法原理：此算法是對(duì)橫向徑向單元進(jìn)行積累。其原理是分布在不同的距離單元的散射中心，其能量是橫向積累的，那么我們可以估計(jì)目標(biāo)所占據(jù)的距離單元數(shù)量選則M大小進(jìn)行積累。窗口的長度可以選擇和目標(biāo)的估計(jì)尺寸相同，滑動(dòng)步長則可在規(guī)定范圍內(nèi)取值相對(duì)大些。單脈沖寬帶回波如下：

3 M／N檢測算法

算法原理：M／N為雙門檢測算法，顧名思義，2個(gè)門限值是其檢測原理，實(shí)際上，它是借鑒傳統(tǒng)的二進(jìn)制方法對(duì)待檢窗口進(jìn)行檢測的思想。分為2個(gè)門限分別如下：

第一門限是為了獲得強(qiáng)散射中心數(shù)量和方位。

第二門限為確定是否存在真實(shí)目標(biāo)，我們?cè)O(shè)定強(qiáng)散射中心數(shù)量M為門限值，那么當(dāng)探測到單元中強(qiáng)散射中心數(shù)目大于等于M值，這時(shí)確定為發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。

虛警概率和檢測概率是有雙門限共同確定的，我們用字母T和M分別表示第一門限和第二門限。

雙門限在檢測工作過程中是配合的，第一門限在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)確定目標(biāo)強(qiáng)散射中心的數(shù)量上可能由于設(shè)定門限的高低而造成檢測過程中的虛警和漏警，此時(shí)第二門限的提高有利于降低這種概率。雙門限最終檢測虛警概率Pf如下：

式中Pfcell為T門限虛警概率。

我們可以根據(jù)此公式來選取第一門限和第二門限值，具體方法是：我們先估計(jì)強(qiáng)散射點(diǎn)數(shù)目，選取小于此值但接近此值的數(shù)為第二門限值，由第二門限值已知后再根據(jù)公式來確定第一門限值。

4 廣義似然比（GLRT）檢測算法

4.1 算法原理

通過對(duì)廣義似然比檢測算法進(jìn)行研究，并且在其基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出了很多新的檢測方法，實(shí)際上廣義似然比檢測算法就是對(duì)多脈沖回波進(jìn)行積累，我們已經(jīng)證實(shí)了在高斯背景下，廣義似然比的性能非常好，但卻不是最佳檢測算法。下面我們對(duì)高斯背景下的寬帶雷達(dá)廣義似然比算法進(jìn)行討論研究。

4.2 回波模型

4.3 雜波模型

通過觀察其為復(fù)合型雜波，其中sr為speckle分量，那么設(shè)sr－CN（0，M）即零均值分布，τr為texture分量，其值是隨機(jī)的變量，此時(shí)可以設(shè)定在多脈沖情況下其為定值，那么當(dāng)M＝I雜波協(xié)方差矩陣時(shí)。即可以得出單元雜波的概率密度函數(shù)為：

我們知道多普勒擴(kuò)展和距離擴(kuò)展為目標(biāo)回波擴(kuò)展，那么我們就不僅要有其一，要兩者都要考慮，那么我們?cè)O(shè)Pr為每個(gè)距離單元所具有散射中心的數(shù)量，那么這時(shí)我們知道多普勒值則是已知確定。現(xiàn)在的回波則為距離單元回波，如下：

Er＝UrSrVHr，br與ar對(duì)應(yīng)，其為確定的。另外，pr＜N，r＝1…L，并且在確定N內(nèi)保持不變，這是根據(jù)檢測算法設(shè)計(jì)理論要求而制定。

5 寬帶雷達(dá)目標(biāo)檢測算法比較

和傳統(tǒng)窄帶雷達(dá)相比，寬帶雷達(dá)的目標(biāo)回波的變化是質(zhì)的，點(diǎn)目標(biāo)回波不再屬于其特征。窄帶信號(hào)目標(biāo)的接收信號(hào)與接收回波波形是相似的，單次回波檢測是經(jīng)典的隨機(jī)信號(hào)參量信號(hào)檢測的范疇。寬帶存在的時(shí)候，目標(biāo)變?yōu)閿U(kuò)展目標(biāo)，在一維距離像（HRRP）上，單次目標(biāo)回波具有強(qiáng)散射中心的特性，整個(gè)目標(biāo)回波具有不確定的波形，已知波形含隨機(jī)參量的回波信號(hào)檢測理論與確知回波信號(hào)的匹配濾波器理論都屬于經(jīng)典的能量積累檢測理論的內(nèi)容。

寬帶雷達(dá)在高斯雜波存在的情況下，只有同時(shí)匹配發(fā)射信號(hào)與目標(biāo)，才能夠獲得最佳匹配接收?？墒?，最佳匹配濾波接收只是處于一種理想的狀態(tài)，這主要是由于和目標(biāo)匹配在現(xiàn)實(shí)中具有很大的難度，其在現(xiàn)實(shí)中，只能夠作為分析檢測算法性能的比對(duì)對(duì)象，進(jìn)而能夠直觀地認(rèn)識(shí)檢測算法的性能。根據(jù)仿真驗(yàn)證，在高斯背景雜波的條件下，當(dāng)信雜比達(dá)到12dB的時(shí)候，寬帶單脈沖才能夠和濾波檢測達(dá)到最佳的狀況。這一結(jié)論同樣被窄帶單脈沖匹配濾波檢測驗(yàn)證。

作為一種能量檢測算法，在一維距離像內(nèi)，擴(kuò)展目標(biāo)強(qiáng)散射中心能量進(jìn)行檢測是徑向積累檢測算法的主要內(nèi)容，檢測的方法包括模平方積累與有幅值積累，分別和兩種檢測算法相對(duì)應(yīng)。

M／N檢測算法的基礎(chǔ)是多散射中心，屬于聯(lián)合檢測方法，第一步是為了得到強(qiáng)散射中心的位置與數(shù)目，檢測HRRP，接著，根據(jù)擴(kuò)展目標(biāo)的相關(guān)信息，對(duì)目標(biāo)的有無進(jìn)行判斷。

6 結(jié)語

本文通過對(duì)各種檢測算法的分析和仿真，得出其各自特點(diǎn)，首先研究了徑向積累檢測算法，其結(jié)構(gòu)簡單，原理是對(duì)一維能量直接進(jìn)行積累檢測，而雙門限是在其基礎(chǔ)上通過先確定M值再取得T值后，在二維門限中進(jìn)行積累。兩種方法都具有簡單的結(jié)構(gòu)，容易實(shí)現(xiàn)。通過各種雜波對(duì)比，雙門限具有相對(duì)徑向積累更好的檢測性能。但不同的M／T選擇會(huì)對(duì)其算法檢測性能的穩(wěn)定性造成影響。GLRT檢測算法在多種文獻(xiàn)中引用，它實(shí)際上是運(yùn)用目標(biāo)上的能量積累來達(dá)到對(duì)信噪比的提高，所以它的檢測性能相比于單元GLRT更上一層臺(tái)階。脈沖數(shù)量的降低，目標(biāo)在長度上失衡，雜波尖銳度降低等等這些因素使得GLRT檢測算法性能降低。此外，從以上各種分析和仿真結(jié)果上我們可以看出，寬帶GLRT要優(yōu)于窄帶相干檢測算法的檢測性能。但是這種檢測算法結(jié)構(gòu)非常復(fù)雜，運(yùn)算和應(yīng)用只存在于理論上，實(shí)際上卻很少應(yīng)用。

［1］顧新鋒，簡濤，何友，等.一種基于散射中心密度的距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測方法［J］.信號(hào)處理，2009（12）：23－26.

［2］郭啟俊，劉勁，劉宏偉.基于時(shí)頻融合的分布式目標(biāo)的恒虛警率檢測［J］.雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2008（1）：30－35.

［3］王彩云，許小劍，毛士藝.高分辨率雷達(dá)中帶寬對(duì)信號(hào)檢測影響的研究［J］.宇航學(xué)報(bào)，2008（5）：45－47.

［4］孟祥偉，曲東才，何友.高斯背景下距離擴(kuò)展目標(biāo)的恒虛警率檢測［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2009（6）：52－55.

［5］黃巍，賀知明，向敬成.寬帶雷達(dá)能量積累與信號(hào)檢測方法研究［J］.系統(tǒng)工程與電子技術(shù)，2008（7）：56－59.

［6］王一丁，李興國.基于M／N檢測的高距離分辨率信號(hào)的速度補(bǔ)償［J］.電訊技術(shù)，2007（6）：21－25.

［7］李躍華，李興國，汪敏.頻率步進(jìn)雷達(dá)距離像的成像方法及誤差分析［J］.彈道學(xué)報(bào)，1998（2）：24－27.

［8］程維虎，來向榮.復(fù)值隨機(jī)變量的協(xié)方差與相關(guān)性［J］.中央民族大學(xué)學(xué)報(bào)：自然科學(xué)版，2009（1）：47－50.

Study on broadband radar detection algorithm

ZHANG Yu，etc.
（School of Electronic Information Engineering，
Changchun University of Science and Technology，Changchun130022，China）

Wideband radar，with its high resolution feature，plays an increasingly important role in modern warfare.It is mainly used in fire control radar，warning，guide，guidance and other radar technology.With increasing demand for its applications the detection technology becomes increasingly widespread.Because of the different broadband and narrowband detection technologies，the traditional algorithm can not apply the actual workload.This paper makes a study on the traditional detection algorithm to broadband radar and simulation performance analysis.It also includes radial accumulation detection algorithm and simulation performance analysis；generalized likelihood detection algorithm analysis and simulation performance；and M／N detection algorithm and performance analysis.

broadband radar；detection algorithm；radial accumulation；generalized likelihood ratio；M／N

TN957.51

：A

：1009－8984（2014）01－0049－03

10.3969／j.issn.1009－8984.2014.01.012

2014－01－02

張宇（1985－），男（回），長春，碩士主要研究檢測技術(shù)。