基于位置信息的寬帶雷達(dá)目標(biāo)距離段聯(lián)合檢測算法＊

李 林 饒 起 籍林峰

（南京船舶雷達(dá)研究所 南京 210003）

1 引言

寬帶雷達(dá)技術(shù)早在1960年就開始軍事應(yīng)用方面的研究，美國于1992年把發(fā)展超寬帶雷達(dá)列入國防部計劃，目前已建立了寬帶／超寬帶雷達(dá)基地，用于探測叢林目標(biāo)和海上警戒［1］。與傳統(tǒng)窄帶雷達(dá)相比，寬帶雷達(dá)具有許多特殊功能，例如：透視能力、反偵察能力、目標(biāo)識別、以及高分辨成像能力。同時，寬帶雷達(dá)相對窄帶雷達(dá)而言還具有距離測量精度高、抗干擾能力強(qiáng)、提高微弱小目標(biāo)、低空掠海飛行目標(biāo)的檢測概率等諸多優(yōu)勢，成為今后雷達(dá)發(fā)展的一個重要方向。在寬帶情況下，目標(biāo)和雜波的特性都發(fā)生了變化，飛機(jī)、艦船等目標(biāo)不能再看成是點(diǎn)目標(biāo)，其目標(biāo)回波表現(xiàn)為多散射點(diǎn)形成的一維距離像［2～3］，即目標(biāo)變成了沿波束照射徑向距離“走廊”上的一段連續(xù)距離單元對應(yīng)的擴(kuò)展目標(biāo)。與此同時，雷達(dá)雜波的幅度分布明顯偏離窄帶情況下的瑞利分布［4］。因此，在窄帶方式下行之有效的一些目標(biāo)檢測方法在寬帶方式下未必適用。因而，亟需進(jìn)一步研究寬帶條件下的目標(biāo)回波信號特性，尋找適用于寬帶條件下的檢測方法，充分利用寬帶雷達(dá)大帶寬和高距離分辨率所帶來的好處。本文希望通過對寬帶目標(biāo)回波特性分析、目標(biāo)回波的信號積累方法以及性能分析，解決寬帶雷達(dá)下信號檢測原理及方法研究，最終為寬帶雷達(dá)目標(biāo)檢測提供有效的處理方法。

2 寬帶信號目標(biāo)回波特性分析

寬帶信號目標(biāo)的回波是沿波束照射徑向距離“走廊”上的一段連續(xù)距離單元所對應(yīng)的擴(kuò)展目標(biāo)，為一串具有隨機(jī)參數(shù)的脈沖序列。每個脈沖是目標(biāo)上散射點(diǎn)的回波，其波形除時延、相位、幅度為隨機(jī)變量外，與發(fā)射信號具有相同的波形。目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和雷達(dá)視角決定了脈沖串的排列，每個脈沖的幅度取決于對應(yīng)目標(biāo)亮點(diǎn)的雷達(dá)截面積，脈沖的極性則取決于散射信號的目標(biāo)材質(zhì)的磁導(dǎo)率。空間目標(biāo)的散射面積隨時間而變化，從而成為一種目標(biāo)RCS，并含有目標(biāo)一維距離像的特性［5～6］。

文獻(xiàn)［7］對寬帶雷達(dá)回波的幅度和相位特性進(jìn)行了較為詳細(xì)的分析，圖1給出了單個發(fā)射脈沖回波脈沖串的幅度和相位波形。經(jīng)過脈壓以后，寬帶信號脈沖寬度很小，為信號帶寬的倒數(shù)，其對應(yīng)的空間距離也很小，一般來講小于目標(biāo)長度。根據(jù)文獻(xiàn)［8］，如當(dāng)信號帶寬Δf＝200MHz時，回波信號脈沖寬度τ＝5ns，其對應(yīng)的空間長度L＝（c＊τ）／2＝0.75m。

圖1 單個發(fā)射脈沖回波脈沖串的幅度和相位

圖2 理想情況下不同回波脈沖幅度（Vr＝300m／s）

圖1所示的幅度變化表示飛機(jī)不同位置散射強(qiáng)度不同。由于不同高分辨距離單元回波之間是不相關(guān)的，因此其相位分布是隨機(jī)性的。

圖2列出了理想情況下目標(biāo)徑向速度Vr＝300m／s，脈沖重復(fù)周期Tr＝500μs時，第10、20、30、40、50個回波脈沖的幅度變化。由計算可知，同一距離單元相鄰脈沖回波之間的時間差為ΔT＝2VrTr／c＝1ns。

如果壓縮后脈沖寬度τ＝5ns時，目標(biāo)的第6個回波脈沖與第1個回波脈沖對應(yīng)的位置將平移一個距離單元，這就是不同重復(fù)周期之間的距離走動。

根據(jù)文獻(xiàn)［7～10］進(jìn)行歸納，寬帶雷達(dá)回波信號具有以下特點(diǎn)：

1）寬帶雷達(dá)下雜波的影響不如常規(guī)窄帶雷達(dá)嚴(yán)重，隨目標(biāo)距離的增加而下降，且隨著雷達(dá)分辨率的提高，信雜比（S／C）的改善會越好。因此，在同等條件下常規(guī)雷達(dá)不易檢測的弱小目標(biāo)，在寬帶雷達(dá)下將變得容易檢測。

2）寬帶雷達(dá)每個脈沖重復(fù)周期的目標(biāo)回波具有隨機(jī)參數(shù)的特點(diǎn)，即當(dāng)目標(biāo)結(jié)構(gòu)、姿態(tài)、雷達(dá)入射角改變時，回波脈沖串中各個子脈沖的幅度、相位、到達(dá)時間都會隨之改變。

3 寬帶信號目標(biāo)檢測技術(shù)

在寬帶高分辨雷達(dá)照射下，飛機(jī)、艦船等目標(biāo)已不能被看成點(diǎn)目標(biāo)，而是沿波束照射徑向距離“走廊”上的一段連續(xù)距離單元所對應(yīng)的擴(kuò)展目標(biāo)，因此，常規(guī)雷達(dá)下的目標(biāo)檢測方法很難用來檢測寬帶高分辨雷達(dá)下的目標(biāo)。

對于非瑞利型雜波，如果應(yīng)用常規(guī)的均值檢測器，則由于非瑞利雜波概率密度函數(shù)的較長拖尾導(dǎo)致虛警數(shù)加大；如果提高檢測門限，則又導(dǎo)致檢測概率的降低。由于高分辨雷達(dá)的背景環(huán)境較惡劣，可能含有角反射器等孤立強(qiáng)散射點(diǎn)的假目標(biāo)（如人工的角反射器、毀壞的人工目標(biāo)等），而人工目標(biāo)（如飛機(jī)、艦船等）有一定的徑向尺寸和一定數(shù)目的強(qiáng)散射點(diǎn)，我們可以利用人工目標(biāo)與雜波等假目標(biāo)在尺寸和強(qiáng)散射點(diǎn)數(shù)目上的不同而將它們分離［9］。

為此，提出一種基于位置信息的寬帶雷達(dá)目標(biāo)距離段聯(lián)合檢測算法，該算法可以檢測出具有多個散射點(diǎn)特性的擴(kuò)展目標(biāo)，對于存在雜亂脈沖干擾或多個擴(kuò)展目標(biāo)存在的情況，該方法也能辨別出真假目標(biāo)，將距離“走廊”上不同的擴(kuò)展目標(biāo)完好地檢測出來。下面討論該檢測器的結(jié)構(gòu)。

3.1 基于第一檢測門限的位置檢測

第一門限的選擇方法很多，最常用的一種方法就是根據(jù)樣本的特性來決定其大小，如樣本幅度的均值等。根據(jù)高分辨雷達(dá)雜波的不均勻特性，由于樣本中總是包含噪聲和雜波等影響，因此，使用樣本幅度平均的辦法來選擇第一門限是不太合理的。既然高分辨雷達(dá)的S／C比較高，在待檢測的目標(biāo)尺寸范圍內(nèi)的目標(biāo)散射點(diǎn)回波強(qiáng)度，可以作為選擇門限的依據(jù)，因此，我們根據(jù)目標(biāo)散射點(diǎn)的最大回波幅度，來選擇第一門限。假設(shè)在中（視）頻輸出端經(jīng)脈壓后得到的一個掃頻周期的回波幅度序列為x1，x2，…，xN，我們從中選擇最大值：

那么，第一門限可選擇為：

其中，η為確信系數(shù)，可根據(jù)S／C比值大小（或虛警率的大小）來定，一般可選擇0.3～0.7左右［11］。將回波幅度序列x1，x2，…，xN與門限Th1進(jìn)行比較，并記錄超過門限的樣本位置序號：

其中，arg｛·｝表示取變元運(yùn)算。因而，Ii代表xi的位置信息。

顯然，

Ii為經(jīng)過第一門限檢測的輸出超過門限的位置信息。如果將Ii＝0的位置序號去除，則剩下的集合為

即有K個可能“目標(biāo)”樣本點(diǎn)超過第一門限，而且，它們分別分布在第i1，i2，…，iK個距離單元上。

3.2 基于位置信息的相關(guān)檢測

設(shè)高分辨雷達(dá)的距離分辨率為ΔR，待檢目標(biāo)所占的最大距離單元數(shù)（即距離窗）為W，則目標(biāo)所占的最大徑向距離為L＝ΔR＊W，以L為參考距離窗，討論K個可能的“目標(biāo)”樣本點(diǎn)在L中的個數(shù)，來判別該“目標(biāo)”樣本點(diǎn)是否為待檢目標(biāo)。為便于理解，將K個可能的“目標(biāo)”樣本點(diǎn)的集合I對應(yīng)的位置信息轉(zhuǎn)換成距離信息矩陣的形式：

式中，r（j，k）＝（ik－ij）·ΔR，k＞j，j＝1，2，…，K－1，式中r（j，k）的幾何解釋如圖3所示。

圖3 r（j，k）的幾何解釋

我們可以建立以K個可能“目標(biāo)”樣本點(diǎn)位置對應(yīng)的距離段信息為基準(zhǔn)的第二門限。如果目標(biāo)徑向距離參考窗內(nèi)的樣本點(diǎn)（強(qiáng)散射點(diǎn)）數(shù)IU滿足：

若：IU≥Th2?則判別有目標(biāo)

式中，Th2為第二檢測門限，代表散射點(diǎn)數(shù)，對于一般的目標(biāo)（如飛機(jī)，艦船等）在5～10個左右［11］。不斷將距離信息矩陣中的元素與目標(biāo)的最大徑向距離L相比較，并設(shè)置記數(shù)器IUc（c為可能的多個目標(biāo)批次），計數(shù)在長度L內(nèi)屬于第c個目標(biāo)的可能散射點(diǎn)數(shù)。

3.3 基于位置信息的距離段聯(lián)合檢測算法

算法流程如下：

·基于第一門限的檢測

1）按式（1），從距離像幅度序列x1，x2，…，xN中選擇最大值xmax；

2）選擇確信系數(shù)η，按照式（2）建立第一門限Th1；

3）按式（3）、（4）檢測超過第一門限的散射點(diǎn)數(shù)K，并記錄其對應(yīng)的位置信息；

·基于第二門限的檢測

4）j＝1，k＝2，c＝1，IUc＝1，根據(jù)目標(biāo)的實(shí)際尺寸估計出第二門限Th2，比較開始；

5）若k＜K，轉(zhuǎn)6）；否則，轉(zhuǎn)7）；

6）若r（j，k）＜L，則IUc＝IUc＋1，k＝k＋1，轉(zhuǎn)回6）；否則，轉(zhuǎn)7）；

7）若r（j，k－1）－r（j＋1，k）＜0，轉(zhuǎn)8）；否則，轉(zhuǎn)9）；

8）若r（j，k－1），則轉(zhuǎn)9）；否則，IUc＝IUc－1，轉(zhuǎn)9）；

10）若IUc≥Th2，則第c個目標(biāo)出現(xiàn)；否則，沒有目標(biāo)出現(xiàn)；

11）結(jié)束。

3.4 目標(biāo)距離信息提取

假設(shè)在某次檢測過程中，得到某一目標(biāo)有N個強(qiáng)散射點(diǎn)，利用文獻(xiàn)［9］給出的求質(zhì)心方法，該次檢測對應(yīng)的目標(biāo)平均散射中心的徑向距離為［13］：

式中：σi為第i個散射中心的回波功率，xi為第i個散射中心對應(yīng)的徑向距離。當(dāng)?shù)玫絉0后，以該散射中心為距離門中心，設(shè)置一距離跟蹤波門，就可實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的自動跟蹤。

4 仿真結(jié)果與性能分析

仿真條件為：雷達(dá)載頻f0＝5GHz，發(fā)射脈沖寬度τ＝10μs，帶寬B＝500MHz，距離分辨率ΔR＝0.3m，脈沖重復(fù)頻率fr＝1000Hz，距離窗長rrec＝153.6m，假定在雷達(dá)掃描范圍內(nèi)的某一距離窗內(nèi)存在兩個目標(biāo)，如下所示：

目標(biāo)1有6個強(qiáng)散射點(diǎn)，最大徑向長度為7.7m，分別為：50.2 51.8 53.6 54.9 56.2 57.9，散射點(diǎn)對應(yīng)的RCS為：0.6 0.7 0.5 1.0 0.8 0.6。

目標(biāo)2有7個強(qiáng)散射點(diǎn)，最大徑向長度為9.1m，分別為：100.2 101.6 102.9 104.1 105.8 107.5 109.3，散射點(diǎn)對應(yīng)的 RCS為：0.7 0.8 1.0 0.8 0.9 1.0 0.7。

圖4～圖6是仿真結(jié)果。

圖4 未壓縮回波信號

圖5 被檢測到的目標(biāo)1回波距離像分布

圖6 被檢測到的目標(biāo)2回波距離像分布

圖4中上圖為未壓縮的回波信號，里面夾雜著噪聲和對數(shù)正態(tài)雜波，無法判別有無目標(biāo)及出現(xiàn)的位置。下圖為經(jīng)過脈壓后的回波信號，由于寬帶條件下目標(biāo)S／C較高，經(jīng)脈壓后目標(biāo)的強(qiáng)散射點(diǎn)突出于雜波之上，但仍然存在一些幅度稍弱的強(qiáng)散射點(diǎn)，因此，需進(jìn)行信號檢測來判別是弱小目標(biāo)還是雜波。

圖5和圖6所示為兩個擴(kuò)展目標(biāo)經(jīng)該算法檢測后在強(qiáng)散射點(diǎn)中心距離門內(nèi)的目標(biāo)回波距離像分布情況。由此分析可得，目標(biāo)的強(qiáng)散射點(diǎn)突出于噪聲和雜波之上，孤立強(qiáng)雜波散射點(diǎn)由于不符合第二門限的條件而被濾除。由該算法提出的經(jīng)兩個門限檢測到目標(biāo)信號后，設(shè)置距離門分別“套住”目標(biāo)信號即得兩個目標(biāo)對應(yīng)的距離像分布。

由仿真結(jié)果分析知，該檢測算法能夠檢測沿距離“走廊”上不同的擴(kuò)展目標(biāo)，因此，具有多目標(biāo)檢測的能力。然而，某些假目標(biāo)盡管在徑向上具有一定的長度，但一般比真實(shí)目標(biāo)的長度短，因此，本文所提出的檢測方法可以辨別假目標(biāo)、檢測出真目標(biāo)來。

5 結(jié)語

本文研究了寬帶雷達(dá)目標(biāo)信號的檢測方法，得出如下結(jié)論：

1）對于高分辨雷達(dá)下擴(kuò)展目標(biāo)的檢測問題，可以利用擴(kuò)展目標(biāo)上多散射點(diǎn)前后之間的位置相關(guān)信息，以增強(qiáng)檢測能力。

2）可以建立目標(biāo)多散射點(diǎn)前后間的關(guān)聯(lián)信息，如借鑒航跡相關(guān)技術(shù)，是寬帶雷達(dá)目標(biāo)檢測的一個新的研究方向。

為此，本文提出了基于位置信息的寬帶雷達(dá)目標(biāo)距離段聯(lián)合檢測算法，該檢測器是一種鄰近單元的相關(guān)檢測器，它利用超過第一門限的強(qiáng)散射點(diǎn)數(shù)據(jù)的相對位置信息來檢測目標(biāo)信號。通過仿真試驗(yàn)表明，在第二門限假設(shè)合理的情況下，該檢測器不但可以檢測出背景中的目標(biāo)，而且，還具有剔除假目標(biāo)（如孤立角反射器或被攻擊而廢棄的人工目標(biāo)），以及將距離“走廊”上不同的擴(kuò)展目標(biāo)完好地檢測出來等優(yōu)點(diǎn)。此外，本文提出的算法計算復(fù)雜度低，工程上易實(shí)現(xiàn)，因而，它是高分辨雷達(dá)目標(biāo)檢測的一種好方法。

［1］D.R.Wehner.High-Resolution Radar，2nd ed.Bos

ton，MA：Artech House，1995

［2］Wehner D R.High Resolution Radar.Artech House，1987

［3］Mensa D L.High Resolution Radar Imaging.Artech House，1981

［4］Currie N C，Hayes R D，Trebits R N.Millimeter Wave Radar Clutter.Boston，London：Arteeh House，1992

［5］A Farina，F(xiàn) A Studer.Detection with high resolutionradar：Great promise，big challenge［J］.Microwave Journal，1991，（5）：263～273

［6］Merrill Skolnik，et al.An UWB microwave conceptual design［C］／／IEEE International Conference.Geogia，Atlanta：Institute of Electrical ＆ Electronics Engilneer Pub，1995：16～21

［7］黃巍.寬帶課題研究報告［D］.成都：電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院，2003

［8］［美］Merrill I.Skolnik.雷達(dá)手冊［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2003

［9］黃德雙.高分辨雷達(dá)智能信號處理技術(shù)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001

［10］黃巍.相關(guān)檢測在寬帶雷達(dá)信號處理中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27（2）：36～39

［11］D.S.Huang，Y.Q.Han.A detection method of high resolution radar tergets based on position correlation［J］.Journal of Electronics，1998，15（2）：107～115

［12］林文耀，覃亞麗，胡海容.基于分?jǐn)?shù)傅立葉變換的機(jī)載SAR多運(yùn)動目標(biāo)檢測［J］.計算機(jī)與數(shù)字工程，2009，37（1）

［13］陳希信，劉剛.寬帶雷達(dá)信號檢測技術(shù)研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2005，27（8）：28～31