一种信号失配下的扩展目标参数可调检测方法与系统

技术领域

本发明涉及雷达信号检测技术领域，尤其涉及一种信号失配下的扩展目标参数可调检测方法与系统。

背景技术

目标检测是雷达的主要功能之一。随着雷达技术的发展进步，雷达的距离分辨力不断提高，目标很容易就占据多个距离分辨单元。基于常规点目标的检测方法极易造成性能损失。另一方面，由于阵列误差及干扰的存在，严重影响了雷达效能的正常发挥。

当存在阵列误差时，雷达系统假定的信号导向矢量必然不同于目标真实的导向矢量；而当存在干扰时，同样会导致雷达系统假定的信号导向矢量必然不同于目标真实的导向矢量，这是由于雷达系统假定的目标导向矢量对应于雷达主波束方向，而干扰往往位于目标的旁瓣，尽管雷达旁瓣的增益比主瓣低，但干扰功率往往要高于目标好几个数量级，从而使雷达错误认为从雷达旁瓣进入雷达接收机的干扰是从主瓣进入雷达接收机的目标信号。雷达系统假定的信号导向矢量不同于目标真实的导向矢量，这一现象被称为信号失配。

有上述分析可知，根据信号失配产生的原因，雷达系统所希望的雷达检测器不同。对于由阵列误差导致的信号失配，雷达所希望的检测器应该具有稳健特性。相反地，对于干扰导致的信号失配，雷达所希望的检测器应该具有失配敏感特性，该类检测器的检测概率随着信号失配量的增加而迅速降低。然而现有公开资料中的检测器往往难以同时满足信号失配下扩展目标检测的不同需求。

发明内容

为了解决信号失配下扩展目标检测的难题，本发明提供一种信号失配下的扩展目标参数可调检测方法与系统，用以克服现有技术中目标检测能力不足的问题。

本发明提供一种信号失配下的扩展目标参数可调检测方法，包括以下步骤：

步骤1：构造信号导向矢量、待检测数据矩阵和训练样本矩阵；

步骤2：利用所述训练样本矩阵构造采样协方差矩阵；

步骤3：利用所述采样协方差矩阵构造白化矩阵；

步骤4：利用所述白化矩阵对信号导向矢量和待检测数据矩阵进行白化处理；

步骤5：确定可调参数；

步骤6：构造检测统计量；

步骤7：利用所述检测统计量和虚警概率确定检测门限；

步骤8：比较所述检测统计量与所述检测门限之间的大小，判决目标是否存在；

所述步骤1中构造的信号导向矢量、待检测数据矩阵和训练样本矩阵分别为

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X＝[x

式中，j表示虚数，即

所述步骤2中利用所述训练样本矩阵构造的采样协方差矩阵为

S＝YY

式中，上标[·]

所述步骤3中根据所述采样协方差矩阵构造的白化矩阵为

D＝UΛ

其中，UΛU

所述步骤4中利用所述白化矩阵对信号导向矢量和待检测数据矩阵进行白化处理分别通过下面两式实现：

和/>

所述步骤8中比较所述检测统计量与所述检测门限之间的大小，判决目标是否存在分以下两种情况进行判定：

若检测统计量Detector大于等于检测门限η，则判定目标存在；

若检测统计量Detector小于检测门限η，则判定目标不存在。

进一步地，所述步骤5中确定可调参数γ按照下述两种情形设置：

若系统需要稳健检测器，则0≤γ＜0.5；

若系统需要失配敏感检测器，则0.5≤γ＜2。

进一步地，所述步骤6中构造的检测统计量为

式中，tr(·)表示矩阵的迹。

进一步地，所述步骤7中利用所述检测统计量和虚警概率确定检测门限通过下式实现

η＝t(n

式中，

另一方面，本发明提供了一种信号失配下的扩展目标参数可调检测系统，用于实现信号失配下的扩展目标参数可调检测方法，以及包括：

数据矩阵构造模块，用于构造待检测数据矩阵、训练样本矩阵、和信号导向矢量；

采样协方差矩阵构造模块，用于利用训练样本构造采样协方差矩阵；

白化矩阵构造模块，用于利用采样协方差矩阵构造白化矩阵；

数据白化模块，用于利用白化矩阵对待检测数据矩阵和信号导向矢量进行白化处理；

可调参数确定模块，用于确定构造检测器所需的可调参数；

检测统计量构造模块，用于根据可调参数和白化后的数据构造检测统计量；

检测门限确定模块，用于根据检测统计量和系统设定的虚警概率值确定检测门限；

目标判决模块，用于比较检测统计量与检测门限的大小，并做出目标是否存在的判决。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于:

(1)本发明设计的检测器以目标检测为唯一目的，而不以滤波为目的，也无需独立的杂波抑制步骤，使检测器的工作流程更加简便，且具有更优的检测性能；

(2)本发明设计的检测器具有恒虚警特性，无需额外的恒虚警处理流程；

(3)本发明设计的检测器能够根据系统需求进行参数调整，以达到调整检测器对失配信号检测特性的目的；

(4)即使不存在信号失配，在合适的可调参数下，本发明提供的检测器也能够提供比现有检测器更高的检测概率。

附图说明

图1为本发明一种信号失配下的扩展目标参数可调检测方法与系统的流程示意图；

图2为本发明一种信号失配下的扩展目标参数可调检测方法与系统的结构框架图；

图3为本发明所提供的可调检测方法在不同信号失配量下的检测性能示意图；

图4为本发明所提供的可调检测方法在无信号失配量下不同可调参数时的检测性能示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的和优点更加清楚明白，下面结合实施例对本发明作进一步描述；应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

下面参照附图来描述本发明的优选实施方式。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用于解释本发明的技术原理，并非在限制本发明的保护范围。

对于系统通道数为N的相控阵雷达，假设目标占据K个连续距离单元，则雷达接收数据可用N×K维矩阵X表示。假设目标相对于雷达天线阵面法线方向的角度为θ，则目标的导向矢量可表示为

式中，j表示虚数，即

雷达回波中除了可能的目标信号外，还往往还有杂波分量和热噪声分量。因此，待检测数据可表示为

X＝sa

式中，a为K×1维未知列向量，表示目标在K个距离单元的强度，W表示K个距离单元中的噪声，通常包括杂波和热噪声分量之和，上标[·]

在实际中，噪声具有随机性，且统计特性未知。令噪声协方差矩阵为R，在实际中R通常未知。为了消除噪声的影响，需要用到训练样本，以对R进行有效估计，训练样本一般从待检测单元附近选取。假设存在L个不含目标信号的训练样本，分别记作y

其中，H

针对式(3)中的检测问题，在假设检验H

其中，e为自然指数，tr(·)表示矩阵的迹，|R|和|R

Wald准则是解决目标检测最常用的检测器设计准则之一。当待检测数据中的噪声与训练样本中的噪声具有相同的协方差矩阵时，即R＝R

式(6)中的检测器通常被称为广义自适应匹配滤波检测器(GAMF)。尽管该检测器不是专门针对失配信号而设计，但该检测器具有对失配信号良好的稳健检测特性。

此外，当待检测数据中的噪声分量与训练样本中的噪声具有未知的功率失配，则R＝ρR

式(7)中的检测器等价于：

需要指出的是，在实际工作环境中，难以选择到底采用式(6)中的检测器还是式(7)或者(8)中的检测器。

本发明的目的在于解决信号失配下扩展目标检测难题，为了实现上述目的，请参阅图1所示，本发明提供了一种信号失配下的扩展目标参数可调检测方法，包括：

步骤1：构造信号导向矢量、待检测数据矩阵和训练样本矩阵；

步骤2：利用所述训练样本矩阵构造采样协方差矩阵；

步骤3：利用所述采样协方差矩阵构造白化矩阵；

步骤4：利用所述白化矩阵对信号导向矢量和待检测数据矩阵进行白化处理；

步骤5：确定可调参数；

步骤6：构造检测统计量；

步骤7：利用所述检测统计量和虚警概率确定检测门限；

步骤8：比较所述检测统计量与所述检测门限之间的大小，判决目标是否存在；

所述步骤1中构造的信号导向矢量、待检测数据矩阵和训练样本矩阵分别为

X＝[x

式中，j表示虚数，即

所述步骤2中利用所述训练样本矩阵构造的采样协方差矩阵为

S＝YY

式中，上标[·]

所述步骤3中根据所述采样协方差矩阵构造的白化矩阵为

D＝UΛ

其中，UΛU

所述步骤4中利用所述白化矩阵对信号导向矢量和待检测数据矩阵进行白化处理分别通过下面两式实现：

和/>

所述步骤8中比较所述检测统计量与所述检测门限之间的大小，判决目标是否存在分以下两种情况进行判定：

若检测统计量Detector大于等于检测门限η，则判定目标存在；

若检测统计量Detector小于检测门限η，则判定目标不存在。

具体而言，所述步骤5中确定可调参数γ按照下述两种情形设置：

若系统需要稳健检测器，则0≤γ＜0.5；

若系统需要失配敏感检测器，则0.5≤γ＜2。

具体而言，所述步骤6中构造的检测统计量为

式中，tr(·)表示矩阵的迹。

具体而言，所述步骤7中利用所述检测统计量和虚警概率确定检测门限通过下式实现

η＝t(n

式中，

请参阅图2所示，本发明提供了一种信号失配下的扩展目标参数可调检测系统，包括以下模块：

数据矩阵构造模块，用于构造待检测数据矩阵、训练样本矩阵、和信号导向矢量；

采样协方差矩阵构造模块，用于利用训练样本构造采样协方差矩阵；

白化矩阵构造模块，用于利用采样协方差矩阵构造白化矩阵；

数据白化模块，用于利用白化矩阵对待检测数据矩阵和信号导向矢量进行白化处理；

可调参数确定模块，用于确定构造检测器所需的可调参数；

检测统计量构造模块，用于构造检测统计量；

检测门限确定模块，用于根据检测统计量和系统设定的虚警概率值确定检测门限；

目标判决模块，用于比较检测统计量与检测门限的大小，并做出目标是否存在的判决。

请参阅图3所示，其为本发明所提供的可调检测方法在不同信号失配量下的检测性能示意图，其中，横坐标cos

请参阅图4所示，其为本发明所提供的可调检测方法在无信号失配量下不同可调参数时的检测性能示意图，从图中可以看出，当可调参数在范围0＜γ＜0.89内时，本发明所提供的检测方法其检测概率均高于现有的两种检测方法。

至此，已经结合附图所示的优选实施方式描述了本发明的技术方案，但是，本领域技术人员容易理解的是，本发明的保护范围显然不局限于这些具体实施方式。在不偏离本发明的原理的前提下，本领域技术人员可以对相关技术特征做出等同的更改或替换，这些更改或替换之后的技术方案都将落入本发明的保护范围之内。

以上所述仅为本发明的优选实施例，并不用于限制本发明；对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。