一种MIMO雷达扩展目标的检测方法技术

本发明专利技术一种MIMO雷达扩展目标的检测方法，目的在于利用MIMO雷达的多通道处理优势，使得复合高斯杂波中的扩展目标能够被更好地检测。本方法的核心思想是：根据MIMO雷达接收到的目标回波，进行目标运动参数和杂波参数的估计，然后利用GLRT基本原理，获得检验统计量，并最终完成检测。由于目标多普勒失配、复合高斯杂波形状参数等都会对GLRT的检测性能产生影响，首先采用最大似然估计(MLE)的方法，得到目标的多普勒及杂波形状参数的估计值，然后进行目标检测。最后，利用MIMO雷达多通道处理的优势，实现目标回波能量的累积，从而大大提高GLRT检测器的性能，性能的提高与MIMO雷达收发天线的数目有关。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术属于传统的雷达目标检测领域，具体涉及到当前在多输入多输出(Multi-inputMulti-output,MIMO)雷达体制下的抗杂波及目标检测技术。更进一步来说是在复合高斯杂波中，针对采用线性调频等宽带信号的MIMO雷达，提出了一种扩展目标的检测方法。
技术介绍
传统雷达采用单个天线发射和接收信号，进行目标探测；而MIMO雷达采用多个发射天线和多个接收天线进行目标探测，因而具备了良好的空间分集特性和波形分集优势。一般而言，MIMO雷达可以分为分布式和集中式两种。对不同的配置方式，当前主要采用窄带信号，对高斯杂波下的点目标检测方法进行了研究。但是，当MIMO雷达发射信号的带宽增加，分辨率不断提升，目标散射点分布呈现扩展的特性，点目标模型已经难以精确模拟真实的目标特征，采用扩展目标模型将更为精确。此外，在高分辨率背景下，对低空目标进行探测时，杂波回波的统计分布出现了严重的拖尾，偏离了常用的高斯分布模型。在低入射余角情况下，采用复合高斯分布可以更加真实地描述高分辨率背景下的杂波分布特性。复合高斯分布由快时间变化的散斑分量(通常为零均值高斯过程)和慢时间变化的纹理分量(通常为非负实随机过程)进行描述。由于宽带MIMO雷达采用了宽带发射信号，具备了高分辨能力，复合高斯杂波模型考虑了样本间的相关特性，且解析特性良好，更适于描述宽带MIMO雷达所面临的杂波环境。当前，宽带信号已被广泛的使用，研究宽带MIMO雷达在复合高斯杂波环境中的目标检测方法，具有十分重要的应用价值。在雷达领域，针对目标检测问题，基于广义似然比(generalizedlikelihoodratiotest,GLRT)的方法能够获得良好的性能。在复合高斯杂波中，采用GLRT基本原理，对扩展目标参数进行估计并进行目标检测的方法已经比较常见。但是，在MIMO雷达体制下，随着接收机处理通道数目的增加，GLRT方法变得更加复杂，目标及杂波的特性不同，检测器的处理方式也呈现出不同的特点。为利用MIMO雷达多通道处理的优势，针对复合高斯杂波中的扩展目标，提出了基于GLRT的MIMO雷达目标检测方法。
技术实现思路
本方法的目的在于利用MIMO雷达的多通道处理优势，使得复合高斯杂波中的扩展目标能够被更好地检测。本方法的核心思想是：根据MIMO雷达接收到的目标回波，进行目标运动参数和杂波参数的估计，然后利用GLRT基本原理，获得检验统计量，并最终完成检测。由于目标多普勒失配、复合高斯杂波形状参数等都会对GLRT的检测性能产生影响，首先采用最大似然估计(MLE)的方法，得到目标的多普勒及杂波形状参数的估计值，然后进行目标检测。最后，利用MIMO雷达多通道处理的优势，实现目标回波能量的累积，从而大大提高GLRT检测器的性能，性能的提高与MIMO雷达收发天线的数目有关。为实现上述目标检测过程，本方法采用如下步骤实现：步骤一：将MIMO雷达接收到的信号进行预处理：首先，对接收机收到的信号进行滤波和低噪放大等预处理。考虑集中式MIMO雷达，具有M个发射天线和N个接收天线，发射信号采用M个相互正交的宽带信号，脉冲个数为K。对于每个接收天线，包含M个匹配滤波器，将收到的目标回波进行匹配滤波，则每个接收天线可以获得M个回波，N个接收天线共可获得M×N路回波信号。假设第m个发射天线的发射信号经过第n个接收天线进行匹配滤波后，得到回波信号xm,n。若对每个脉冲进行一次采样，则xm,n为K×1的矢量。针对扩展目标，忽略噪声及距离单元走动的影响，当目标的散射单元个数为L时，第t个目标散射单元的假设检验问题可以表述如下：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表示待检测距离单元没有目标，H1表示存在目标。其中，xm,n,t是第t个散射单元的回波信号，cm,n,t是杂波信号；αt是目标散射系数；fd为目标的多普勒频率；这里，dt与dr分别表示是发射天线与接收天线之间的间距，θtm与是发射天线与接收天线与水平线的夹角，Tp表示脉冲重复周期；m∈[1,M]；n∈[1,N]。由于MIMO雷达为集中式，可以认为每个发射天线与接收天线对应的目标散射系数αt相同，而每个散射单元之间的散射系数不同，从而αt由L决定；R为辅助单元个数，只包含杂波信号，为求得较为准确的杂波协方差矩阵，通常要求R≥K。在MIMO雷达体制下，第t个散射单元的杂波向量cm,n,t采用复合高斯模型，可以表示为cm,n,t=τtηt---(2)]]>其中，τt是第t个散射单元的纹理分量，该分量是慢变化的，可以描述不同距离单元的杂波功率起伏；ηt是第t个散射单元的散斑分量，是独立同分布的复高斯随机变量，纹理分量与散斑分量相互独立。对于第t个散射单元，杂波协方差矩阵Ct可以表示为Ct=E{cm,n,tcm,n,tH本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种MIMO雷达扩展目标的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤一：将MIMO雷达接收到的信号进行预处理：首先，对接收机收到的信号进行滤波和低噪放大的预处理；针对扩展目标，忽略噪声及距离单元走动的影响，当目标的散射单元个数为L时，第t个目标散射单元的假设检验问题表述如下：H0:xm,n,t＝cm,n,t t＝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表示待检测距离单元没有目标，H1表示存在目标；其中，xm,n,t是第t个散射单元的回波信号，cm,n,t是杂波信号；αt是目标散射系数；fd为目标的多普勒频率；这里，dt与dr分别表示是发射天线与接收天线之间的间距，θtm与是发射天线与接收天线与水平线的夹角，Tp表示脉冲重复周期；m∈[1,M]；n∈[1,N]；在MIMO雷达体制下，第t个散射单元的杂波向量cm,n,t采用复合高斯模型，表示为cm,n,t=τtηt---(2)]]>其中，τt是第t个散射单元的纹理分量，该分量是慢变化的，描述不同距离单元的杂波功率起伏；ηt是第t个散射单元的散斑分量，是独立同分布的复高斯随机变量，纹理分量与散斑分量相互独立；对于第t个散射单元，杂波协方差矩阵Ct表示为Ct=E{Cm,n,tCm,n,tH}=τtE{ηtηtH}=τtΣ---(3)]]>其中，(·)H表示矩阵的共轭转置运算；不限定散射单元，若纹理分量τ满足Gamma分布，其概率密度函数表示为p(τ)=2b2vτ2v-1Γ(v)exp(-b2τ2),τ≥0---(4)]]>其中，b是尺度参数，表示杂波平均功率的大小；v是形状参数；Γ(v)为Gamma函数；exp(·)为指数运算；形状参数v表征了杂波幅度的非高斯程度，v越小，杂波幅度分布越尖锐，杂波起伏特性更剧烈，非高斯程度越大；反之杂波幅度分布越接近高斯分布；在H0和H1假设下，联合概率密度函数p(x|τt,H0)和p(x|τt,αt,fd,H1)表示为p(x|τt,H0)=Πt=1LΠm=1MΠn=1N1(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，Φm,n,t(αt,fd)＝xm,n,t‑αtsm,n,t(fd)；det(·)是行列式运算；(·)H为共轭转置运算；步骤二：对接收到的信号进行参数估计，为进一步的目标检测做准备；参数估计的方法如下：根据目标回波及复合高斯杂波特征，在目标不存在条件下，即为H0时，由(5)式得杂波纹理分量的为τ^t,H0=1MNKΣm=1MΣn=1Nxm,n,tHΣ-1xm,n,t---(7)]]>在目标存在条件下，即为H1时，由(6)式得目标多普勒、目标散射系数及杂波纹理分量的MLE依次表示为和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=1HKΣm=1MΣn=1NΦm,n,t(α^t,f^d)HΣ-1Φm,n,t(α^t,f^d)---(10)]]>其中，xm,n,t是目标第t个散射单元对应的第m个发射天线的发射信号经过第n个接收天线匹配滤波后，得到回波信号；sm,n,t(fd)表示包含了目标多普勒信息和信号导向矢量的回波信号；由于每对收发天线对应的目标多普勒信息相同，且同一目标在不同散射单元的多普勒信息也固定不变，因此用fd表示目标的多普勒；步骤三：根据在H0和H1条件下的回波数据，由前面得到的联合概率密度函数(5)和(6)及GLRT准则，得到检验统计量为GLR=maxτt,&...

【技术特征摘要】
1.一种MIMO雷达扩展目标的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：将MIMO雷达接收到的信号进行预处理：
首先，对接收机收到的信号进行滤波和低噪放大的预处理；
针对扩展目标，忽略噪声及距离单元走动的影响，当目标的散射单元个数为L时，第t个
目标散射单元的假设检验问题表述如下：
H0:xm,n,t＝cm,n,tt＝1,...,L+R
H1:xm,n,t=αtsm,n,t(fd)+cm,n,tt=1,...,Lxm,n,t=cm,n,tt=L+1,...,L+R---(1)]]>H0表示待检测距离单元没有目标，H1表示存在目标；其中，xm,n,t是第t个散射单元的回波
信号，cm,n,t是杂波信号；...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵锋，刘进，刘晓斌，杨建华，艾小锋，冯德军，肖顺平，王雪松，欧健，吴其华，王俊杰，尹艳娟，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科学技术大学，
类型：发明
国别省市：湖南;43