CN109946665B - 基于阵列雷达的获取真实目标的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于阵列雷达的获取真实目标的方法，主要解决现有目标检测方法由于高旁瓣带来的虚警概率高的问题，其实现方案为：对阵列雷达各通道回波数据进行脉冲压缩和动目标检测；对动目标检测回波数据进行数字波束形成；取数字波束形成后的每组数据进行恒虚警检测和点迹凝聚，获得目标的距离单元和多普勒通道号；根据目标所在的距离单元和多普勒通道从动目标检测结果中取出对应的幅相数据；对提取后的幅相数据进行波束扫描，通过对比波束扫描方向图与理论波束方向图判断目标是否为真实目标，获取感兴趣方向所有角度的真实目标。本发明降低了虚警概率，能准确的获取真实目标的点迹信息，并剔除高旁瓣假目标，可用于优化雷达对真实目标的检测。

Description

基于阵列雷达的获取真实目标的方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，涉及一种识别真实目标与高旁瓣假目标的有效方法，可用于优化雷达对真实目标的检测。

背景技术

近年来，相控阵列雷达在雷达领域一直是一个研究的热点，这种体制的雷达由多个天线单元组成，每个天线单元有着近似的无方向性辐射方向图，单个天线单元增益较低，在按一定的规则排列在一起形成阵列后将获得较大的天线增益，相控阵列雷达有着其独特的优势，比如对于复杂目标的探测能力强、抗干扰能力强、在复杂的地形环境中具有较强的适应能力，并且有着较强的多功能适应能力，探测精度高等，相控阵列天线一般是线阵和平面阵，共形相控阵则属于相控阵列雷达中的一种特殊的形式，它的辐射单元通常排列在曲线或者曲面上。这种特殊形式的相控阵列天线除了具有一般相控阵列天线的优点之外，还有着其本身的优势，比如由于共形易于布置，可以克服平面阵或者线阵扫描角度小的缺点，而且容易扩展天线波束的扫描范围，但是其具有明显的高旁瓣问题。

雷达检测背景中不但包含雷达接收机内部的噪声，还有外界环境中存在的杂波，这些因素通常具有时变特性，并且在空域分布不均匀，给目标检测带来了很大的困扰。是否能够有效的检测出感兴趣的目标是雷达信号处理中的一个至关重要的环节，对于直线阵或者平面阵而言，高旁瓣通常是紧邻主瓣的第一旁瓣，一般在-13.4dB左右，这种旁瓣电平对于实际的工程应用来说过高，高旁瓣通常容易造成虚警，不利于对主瓣区域内目标的检测。减小旁瓣对主瓣的干扰，经常的做法是在数字波束形成算法中利用加窗技术有效的降低旁瓣，但是这种做法的弊端也是很明显的，由于加窗之后主瓣会被展宽，导致雷达的角度分辨率降低；而且，加窗技术无法解决共形阵列的高旁瓣问题。

传统的信号处理是通过恒虚警算法检测到目标后就当做真实目标点迹进行处理，但是其中包含了很多的虚假点迹，造成虚警率高的问题。例如：申请公布号为CN105425225A，名称为“一种被动雷达低空目标检测方法”的专利申请，公开了一种被动雷达低空目标检测方法，此方法通过安装圆形被动接收雷达天线阵列，接收低空慢速目标反射的OFDM通信信号，对回波信号进行脉冲压缩，实现目标与阵列距离的探测，然后通过恒虚警检测模块，完成低信噪比和强干扰下的微弱目标检测，最后通过提取检测到的微弱目标的速度实现对目标真实性判断，对有潜在威胁的低空目标进行判断和提前预警。虽然该方法设计了一种新的CAFR算法，但是仍然是利用噪声功率估计设定检测门限，且利用目标速度并无法有效区分真实目标和高旁瓣引入的虚假目标，造成虚假目标的个数并不会减少，导致较高的虚警率。

发明内容

本发明的目的在于针对上述已有技术的缺陷，提出一种基于阵列雷达的获取真实目标的方法，以在保证波束主瓣不被展宽的情况下，确保获取的都是感兴趣的目标，从而减小虚警率，提高目标检测准确率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案包括如下：

(1)将雷达对应的N个阵元通道的回波数据分别进行脉冲压缩和动目标检测，得到动目标检测数据矩阵集合：s(r,v)＝{s₁(r,v),s₂(r,v),…,s_n(r,v),…,s_N(r,v)}，其中s_n(r,v)表示s(r,v)中的第n个元素，n的范围1～N，N表示阵元通道个数，r表示距离单元个数，v表示多普勒通道个数

(2)对矩阵集合s(r,v)中的N组数据进行数字波束形成，得到分别指向θ₁θ₂…θ_i…θ_n角度的波束，这n个波束覆盖了雷达方位上指定的探测范围，对应n组数据，每组数据是r×v的矩阵，其中θ_i表示第i个波束的指向，i的范围从1到n，n代表波束指向的个数；

(3)对数字波束形成后指向θ_m的数据进行恒虚警检测，其中θ_m表示第m个波束的指向，m的初始值为1，范围从1到n，如果存在目标，将会得到一组点迹信息，对其进行点迹凝聚处理之后得到目标所在的距离单元和多普勒通道号，如果不存在目标，则依次对指向θ_m+1～θ_n的数据进行恒虚警检测，直到发现目标为止；记检测到目标的波束指向为θ_j，j的范围从1到n；

(4)根据目标的距离单元和多普勒通道号，分别从动目标检测数据矩阵集合s(r,v)中得到的N组数据中取出目标所对应的幅相数据，组成大小为1×N的向量W(N)；对W(N)进行波束扫描，得到相对应的波束扫描方向图：

其中

是阵列的导向矢量，大小为N×D的矩阵，D表示扫描角度

的个数，*表示取共轭，

取值跨理论波束方向图主瓣峰值到最大旁瓣峰值的角度；

(5)判断

的最大值是否在θ_j对应的理论波束方向图主瓣宽度的区间内：如果在区间内，则断定为真实目标，如果不在区间内，则判为高旁瓣假目标，并予以剔除；

(6)令m＝j+1，执行步骤(3)～(5)，直到获得感兴趣方向所有角度的真实目标。

本发明与现有技术相比，具有如下优点：

第一，本发明先获得目标的距离单元和多普勒信息，根据这些信息取出相对应的动目标检测后的幅相数据，然后对其进行波束扫描，利用波束扫描的结果与理论波束方向图结果进行对比，进一步判断是否为真实目标，有效的解决了现有目标检测方法由于高旁瓣带来的虚警概率高的问题。

第二、本发明通过对比波束扫描图与理论波束方向图来识别真实目标或者高旁瓣假目标，从而有效避免了线阵或者面阵雷达使用传统加窗造成主瓣展宽，导致雷达的角度分辨率降低的问题。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为本发明中用现有单元平均恒虚警检测算法的下得到的原理图；

图3为本发明中用到的天线阵列模型。

图4为用现有动目标检测算法得到的包含目标信息的结果图；

图5为用本发明方法中对图4的真假目标的判断结果图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式，对本发明进行进一步的详细描述：

参照图1，本发明的实现步骤如下。

步骤1，对阵列雷达各通道的回波信号进行脉冲压缩。

在本实施例中设置的阵列雷达采用线性调频连续波信号体制，天线阵列是包含一行16个天线阵元的弧面共形阵，如图3所示，但不限于此阵列模型。

现有的脉冲压缩对于脉冲雷达来说是通过对每个脉冲重复周期的雷达回波信号进行匹配滤波实现，本实施例中采用的雷达体制，脉冲压缩是对每个脉冲重复周期的雷达回波信号做傅里叶变换。对阵列雷达16个通道的雷达回波信号分别进行脉冲压缩，得到16组脉冲压缩回波信号。

步骤2，对脉冲压缩回波信号进行动目标检测。

对每组脉冲压缩后的数据进行动目标检测，得到动目标检测矩阵集合s(r,v)，s(r,v)＝{s₁(r,v),s₂(r,v),…,s_n(r,v),…,s_N(r,v)}，其中s_n(r,v)表示s(r,v)中的第n个元素，n的范围1～N，N＝16表示阵元通道个数，r＝50表示距离单元个数，v＝1024表示多普勒通道个数。

对于集合中的每个元素，都可以用下面的矩阵表示：

s_n,x,y表示s_n(r,v)中第x个距离单元，第y号多普勒通道上的元素，1≤x≤r且x为正整数，1≤y≤v且y为正整数。

在本实施例中，动目标检测是通过对脉冲压缩回波信号在每个距离单元上的方位维做1024点快速傅里叶变换，得到每个距离单元在1024个多普勒通道号上的幅相信息。

步骤3，对动目标检测信号进行数字波束形成。

对动目标检测数据矩阵集合s(r,v)进行数字波束形成，数字波束形成的权值为W_16×1(θ)，在本实施例中θ＝193.5°，W_16×1(θ)表示一个16×1的向量，取W_16×1(θ)中的第一个元素与s(r,v)中的第一个矩阵相乘得到矩阵P₁(θ)，取W_16×1(θ)中的第二个元素与s(r,v)中的第二个矩阵相乘得到矩阵P₂(θ)，依次类推，可以得到16个矩阵：P₁(θ)，P₂(θ)，…，P_m(θ)，…，P₁₆(θ)，其中P_m(θ)表示第m个矩阵，m的范围1～16，对16个矩阵进行累加得到数字波束形成的结果，表达式为：

步骤4，对波束形成后的数据进行恒虚警检测。

现有的恒虚警检测方法主要分为均值类恒虚警检测和有序恒虚警检测，在本实施例中，采用但不限于均值类恒虚警检测中的单元平均恒虚警检测方法。

参照图2，本步骤的具体实现如下：

图2中D代表检测单元，两边的阴影代表保护单元，在保护单元两侧各有L个参考单元，保护单元个数和参考单元个数可以根据实际情况合理设置；

本实施例中设置保护单元个数为2，参考单元个数选为16，虚警概率P_fa设置为10-⁶；对P(θ)求模之后，依次取P(θ)中的每一行输入到恒虚警检测器中，对检测单元附近的参考单元进行求和后取平均值，得到相应的一个近似杂波均值的估计

设置检测门限为

K＝P_fa ^-1/L-1；

如果被检测单元的值大于检测门限就得到了一个有效的目标点迹信息。

经过对P(θ)中的每一行处理后会得到一组点迹信息，然后进行点迹凝聚，即对检测出来的所有目标点迹进行开十字窗选大，十字窗的距离维和多普勒维大小都为3，最终求得目标所在的距离单元和多普勒信息。

步骤5，对目标进行波束扫描。

5a)根据已经获得的目标的距离单元和多普勒通道号，从动目标检测矩阵集合s(r,v)的16组数据中分别取出对应于目标所在距离单元和多普勒通道号的幅相数据，组成一个大小是1×16的向量W(N)；

5b)对W(N)进行波束扫描，得到相应的波束扫描方向图

5C)对权值为W_16×1(θ)的波束，得到理论波束方向图

其中，

表示大小为N×D的阵列导向矢量，

表示波束扫描方向图

的扫描角度，D表示扫描角度

的个数，*表示取共轭，T表示转置，

的取值跨理论波束方向图主瓣峰值到最大旁瓣峰值的角度，W(N)表示根据目标所在距离单元和多普勒通道号从N个MTD结果中取出来的幅相数据组成的矢量，在本实施例中，D＝700，

步骤6，将波束扫描方向图

与理论波束方向图

进行对比，获取真实目标。

记录

最大值对应的角度δ，判断δ是否在理论波束方向图的主瓣对应的角度区间内：

如果在区间内，则断定为真实目标，并保留；

如果不在区间内，则判为高旁瓣假目标，并予以剔除，最终获得的只会是感兴趣方向内的真实目标。

以下结合仿真试验，对本发明的技术效果作进一步说明：

1、仿真条件和内容

仿真条件：MATLAB R2017a，Intel(R)Core(TM)i7-6700K CPU 4.00GHz，Windows10(Pro)。

某阵列雷达放置于楼顶，用大疆4A无人机作为目标，沿雷达阵列中心射线143.5°方向远离雷达飞行，飞行距离单元从10～20，飞行速度约5m/s。

2.仿真内容：

仿真1，利用现有的动目标检测方法对包含无人机目标的回波信号进行目标检测，其结果如图4所示。图4中目标位于距离单元17、多普勒通道号860处。

仿真2，利用本发明判断图4中的目标是否为高旁瓣假目标，结果如图5所示，其中：

图5(a)是利用现有波束形成的方法画出的理论波束方向图，从图5(a)中可以看出波束指向193.5°，在145.5°出现高旁瓣，在193.5°左右的主瓣区间内发现的目标才是感兴趣方向的真实目标，其余角度发现的目标均为虚假目标。

图5(b)是利用现有波束扫描的方法对图3中目标画出的波束扫描方向图，从图5(b)中可以看出目标对应的角度为146.6°，不在波束指向193.5°左右的主瓣区间内，所以图3中检测到的目标是高旁瓣假目标，予以舍弃。

本发明是通过对比理论波束方向图和目标的波束扫描方向图，从而判断是高旁瓣假目标或者是真实目标，如果是真实目标则保留，如果是高旁瓣假目标则舍弃；在本实施例中，经对比图5(a)和图5(b)发现图3中的目标是高旁瓣假目标，所以舍弃。

综上所述，本发明提出的一种基于阵列雷达的获取真实目标的方法，与现有方法相比可以有效提高对目标的检测性能。

Claims (4)

1.一种基于阵列雷达的获取真实目标的方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将雷达对应的N个阵元通道的回波数据分别进行脉冲压缩和动目标检测，得到动目标检测数据矩阵集合：s(r,v)＝{s₁(r,v),s₂(r,v),…,s_n(r,v),…,s_N(r,v)}，其中s_n(r,v)表示s(r,v)中的第n个元素，n的范围1～N，N表示阵元通道个数，r表示距离单元个数，v表示多普勒通道个数

(2)对矩阵集合s(r,v)中的N组数据进行数字波束形成，得到分别指向θ₁ θ₂ … θ_i …θ_n角度的波束，这n个波束覆盖了雷达方位上指定的探测范围，对应n组数据，每组数据是r×v的矩阵，其中θ_i表示第i个波束的指向，i的范围从1到n，n代表波束指向的个数；

(3)对数字波束形成后指向θ_m的数据进行恒虚警检测，其中θ_m表示第m个波束的指向，m的初始值为1，范围从1到n，如果存在目标，将会得到一组点迹信息，对其进行点迹凝聚处理之后得到目标所在的距离单元和多普勒通道号，如果不存在目标，则依次对指向θ_m+1～θ_n的数据进行恒虚警检测，直到发现目标为止；记检测到目标的波束指向为θ_j，j的范围从1到n；

(4)根据目标的距离单元和多普勒通道号，分别从动目标检测数据矩阵集合s(r,v)中得到的N组数据中取出目标所对应的幅相数据，组成大小为1×N的向量W(N)；对W(N)进行波束扫描，得到相对应的波束扫描方向图：

其中

是阵列的导向矢量，大小为N×D的矩阵，D表示扫描角度

的个数，*表示取共轭，

取值跨理论波束方向图主瓣峰值到最大旁瓣峰值的角度；

(5)判断

的最大值是否在θ_j对应的理论波束方向图主瓣宽度的区间内：如果在区间内，则断定为真实目标，如果不在区间内，则判为高旁瓣假目标，并予以剔除；

(6)令m＝j+1，执行步骤(3)～(5)，直到获得感兴趣方向所有角度的真实目标。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(1)中第n个元素s_n(r,v)表示为如下矩阵：

其中，s_n,x,y表示s_n(r,v)中第x个距离单元，第y号多普勒通道上的幅相信息。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(2)中对矩阵集合s(r,v)中的N组数据进行数字波束形成，通过如下公式进行：

P_w(θ)＝W_N×n(θ)^Hs(r,v)，

其中，W_N×n(θ)表示数字波束形成的权值，n代表波束指向的个数，H表示共轭转置。

4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，(4)中大小为1×N的向量W(N)，表示为：

W(N)＝[s_1,d,f s_2,d,f … s_n,d,f … s_N,d,f]，

其中，s_n,d,f表示s_n(r,v)中第d个距离单元，第f号多普勒通道上的幅相信息。

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