[發明專利]一種MIMO雷達擴展目標的檢測方法

有效

• 申請號: 201610139148.2
• 申請日: 2016-03-11
• 公開（公告）號: CN105807267B
• 公開（公告）日: 2018-01-09
• 發明（設計）人: 趙鋒;劉進;劉曉斌;楊建華;艾小鋒;馮德軍;肖順平;王雪松;歐健;吳其華;王俊杰;尹艷娟
• 申請（專利權）人: 中國人民解放軍國防科學技術大學
• 主分類號: G01S7/292
• 分類號: G01S7/292
• 代理公司: 北京慧泉知識產權代理有限公司11232
• 代理人: 王順榮,唐愛華

1.一種MIMO雷達擴展目標的檢測方法，其特征在于，包括如下步驟：

步驟一：將MIMO雷達接收到的信號進行預處理：

首先，對接收機收到的信號進行濾波和低噪放大的預處理；

針對擴展目標，忽略噪聲及距離單元走動的影響，當目標的散射單元個數為L時，第t個目標散射單元的假設檢驗問題表述如下：

H0:xm,n,t=cm,n,tt=1,...,L+RH1:xm,n,t=αtsm,n,t(fd)+cm,n,tt=1,...,Lxm,n,t=cm,n,tt=L+1,...,L+R---(1)]]>

H₀表示待檢測距離單元沒有目標，H₁表示存在目標；其中，x_m,n,t是第t個散射單元的回波信號，c_m,n,t是雜波信號；α_t是目標散射系數；f_d為目標的多普勒頻率；這里，d_t與d_r分別表示是發射天線與接收天線之間的間距，θ_tm與是發射天線與接收天線與水平線的夾角，T_p表示脈沖重復周期；m∈[1,M]；n∈[1,N]；R為輔助單元個數，只包含雜波信號；

在MIMO雷達體制下，第t個散射單元的雜波向量c_m,n,t采用復合高斯模型，表示為

cm,n,t=τtηt---(2)]]>

其中，τ_t是第t個散射單元的紋理分量，該分量是慢變化的，描述不同距離單元的雜波功率起伏；η_t是第t個散射單元的散斑分量，是獨立同分布的復高斯隨機變量，紋理分量與散斑分量相互獨立；

對于第t個散射單元，雜波協方差矩陣C_t表示為

Ct=-E{cm,n,tcm,n,tH}=τt-E{ηtηtH}=τtΣ---(3)]]>

其中，(·)^H表示矩陣的共軛轉置運算；

不限定散射單元，若紋理分量τ滿足Gamma分布，其概率密度函數表示為

p(τ)=2b2vτ2v-1Γ(v)exp(-b2τ2),τ≥0---(4)]]>

其中，b是尺度參數，表示雜波平均功率的大小；v是形狀參數；Γ(v)為Gamma函數；exp(·)為指數運算；形狀參數v表征了雜波幅度的非高斯程度，v越小，雜波幅度分布越尖銳，雜波起伏特性更劇烈，非高斯程度越大；反之雜波幅度分布越接近高斯分布；

在H₀和H₁假設下，聯合概率密度函數p(x|τ_t,H₀)和p(x|τ_t,α_t,f_d,H₁)表示為

p(x|τt,H0)=Πt=1LΠm=1MΠn=1N(1(πτt)Kdet(Σ)exp(-xm,n,tHΣ-1xm,n,tτt)---(5)]]>

p(x|τt,αt,fd,H1)=Πt=1LΠm=1MΠn=1N(1(πτt)Kdet(Σ)exp(-Φm,n,t(αt,fd)HΣ-1Φm,n,t(αt,fd)τt))---(6)]]>

其中，Φ_m,n,t(α_t,f_d)＝x_m,n,t-α_ts_m,n,t(f_d)；det(·)是行列式運算；(·)^H為共軛轉置運算；

步驟二：對接收到的信號進行參數估計，為進一步的目標檢測做準備；參數估計的方法如下：

根據目標回波及復合高斯雜波特征，在目標不存在條件下，即為H₀時，由(5)式得雜波紋理分量的MLE為

τ^t,H0=1MNKΣm=1MΣn=1Nxm,n,tHΣ-1xm,n,t---(7)]]>

在目標存在條件下，即為H₁時，由(6)式得目標多普勒、目標散射系數及雜波紋理分量的MLE依次表示為和

f^d=argmaxfd{Σm=1MΣn=1N|(sm,n,t(fd))HΣ-1xm,n,t|2(sm,n,t(fd))HΣ-1(sm,n,t(fd))}---(8)]]>

α^t=(sm,n,t(f^d))HΣ-1xm,n,t(sm,n,t(f^d))HΣ-1(sm,n,t(f^d))---(9)]]>

τ^t,H1=1MNKΣm=1MΣn=1NΦm,n,t(α^t,f^d)HΣ-1Φm,n,t(α^t,f^d)---(10)]]>

其中，x_m,n,t是目標第t個散射單元對應的第m個發射天線的發射信號經過第n個接收天線匹配濾波后，得到回波信號；s_m,n,t(f_d)表示包含了目標多普勒信息和信號導向矢量的回波信號；由于每對收發天線對應的目標多普勒信息相同，且同一目標在不同散射單元的多普勒信息也固定不變，因此用f_d表示目標的多普勒；

步驟三：根據在H₀和H₁條件下的回波數據，由前面得到的聯合概率密度函數(5)和(6)及GLRT準則，得到檢驗統計量為

GLR=maxτt,αt,fd(p(x|τt,αt,fd,H1))maxτt(p(x|τt,H0))><H0H1γ---(11)]]>

其中，γ是一定虛警概率下的檢測門限；

步驟四：將步驟二得到的相關參數估計值代入(11)式并化簡，得到

對式(12)進行取對數運算，得到檢驗統計量為

T=MNKΣt=1L(ln(Σm=1MΣn=1Nxm,n,tHΣ-1xm,n,t)-ln(Σm=1MΣn=1Nxm,n,tHΣ-1xm,n,t-|sm,n,t(f^d)HΣ-1xm,n,t|2sm,n,t(f^d)HΣ-1sm,n,t(f^d)))><H0H1γ′---(13)]]>

其中，γ'＝ln(γ)，通過門限判決，當檢驗統計量T大于門限γ′時，認為檢測到目標，反之沒有檢測到目標；

根據(13)式看出，檢驗統計量與目標多普勒頻率雷達收發天線數M和N、信號脈沖個數K以及目標散射單元個數L有關；目標多普勒信息未知，若通過其他手段獲取的多普勒頻率存在偏差，將會導致GLRT性能下降，因此有必要對多普勒進行估計；此外，在復合高斯雜波下，不同的形狀參數v得到的雜波幅度尖銳程度不同，v較小時雜波幅度較為尖銳，為達到一定的虛警概率，檢測門限將會提高，而(13)式中通過雜波協方差矩陣Σ的有效估計，利用檢測器中的項，降低回波x_m,n,t中幅度尖銳的雜波對檢測性能的影響；對于MIMO雷達，收發天線數目的增加會使GLRT獲得足夠的能量累積，從而提高檢測性能，另一方面雷達分辨率的提高也會增加目標散射單元個數，同樣能改善檢測性能。