基于Minkowski距离的距离扩展目标检测方法技术

本发明专利技术公开了一种高斯白噪声背景下基于Minkowski距离的距离扩展目标检测方法，主要解决现有技术在低信噪比下检测概率低的问题。其实现方案是：1)利用雷达发射机发射P个窄带脉冲串X(t)，使用雷达接收机接收回波数据s(t)；2)对接收的回波数据s(t)进行运动补偿，计算得到目标的高分辨距离像Z；3)通过滑动互相关对高分辨距离像Z进行对齐，4)使用Sigmoid型非线性收缩映射抑制对齐的高分辨距离像Z的噪声，并进行归一化，得到精炼距离像

Distance extended target detection method based on Minkowski distance

The invention discloses a distance expansion target detection method based on Minkowski distance in the background of Gauss white noise, which mainly solves the problem of low detection probability under the low signal to noise ratio of the existing technology. The actual schemes are as follows: 1) use radar transmitters to transmit P narrow band X (T), use radar receiver to receive echo data s (T); 2) carry out motion compensation to received echo data (T), calculate the high resolution range image Z of the target; 3) use sliding cross correlation to align high resolution range image Z, 4) use Sigmoid type non The linear shrinkage map suppresses the noise of the aligned high resolution range profile Z and normalizes it to get the refining range image.

【技术实现步骤摘要】
基于Minkowski距离的距离扩展目标检测方法
本专利技术属于信号处理
，具体涉及一种目标检测方法，可用于宽带雷达系统。
技术介绍
在宽带雷达系统中，雷达的距离分辨单元远小于目标尺寸，因而目标的多个物理散射子将分布于雷达视线上的多个距离分辨单元之中，此时目标表现为距离扩展目标。雷达分辨率的提高在获取更多目标信息的同时，使得大部分基于窄带雷达的目标检测算法不再适用，所以亟待性能优良的宽带雷达距离扩展目标检测方法。高分辨雷达技术主要有超宽带极窄脉冲雷达、宽带线性调频信号雷达、相位编码连续波测距雷达和频率步进雷达等，其中频率步进雷达发射的信号具有瞬时窄带、合成宽带的特点，信号简单同时也易于工程实现。宽带高分辨雷达常常用于完成目标成像、分类和识别等任务，很少应用于目标检测与跟踪，这是由于宽带雷达的检测理论不够完善、算法缺失、评估检测性能较为困难。因而用宽带雷达进行目标检测有着更高的要求标准，要求不仅能够在复杂的环境背景下以较低的虚警概率进行检测，而且要求能够尽可能多地获取目标的结构信息。应用目标的高分辨距离像进行距离扩展目标检测的难点在于：目标与雷达之间的相对运动会导致目标高分辨距离像失真，包括距离走动、能量色散以及信噪比损失等，从而导致检测性能下降。因此，利用高分辨距离像检测目标需要对距离像进行运动补偿与噪声抑制，然后设计合适的检测统计量做出检测判决。近年来，很多研究学者对距离扩展目标检测进行了深入的研究，提出了一些基于目标高分辨距离像的距离扩展目标检测方法。文献“P.L.Shui,S.W.XuandH.W.Liu,"Range-SpreadTargetDetectionusingConsecutiveHRRPs,"inIEEETransactionsonAerospaceandElectronicSystems,vol.47,no.1,pp.647-665,January2011.”提出了多种基于修正互相关积累的距离扩展目标检测方法，对距离像进行了非线性收缩，具有较高的检测性能，但是未曾考虑目标运动对距离像的影响。文献“S.Xu,P.Shui,andX.Yan,CFARdetectionofrange-spreadtargetinwhiteGaussiannoiseusingwaveformentropy,"ElectronicsLetters,vol.46,pp.647-649,2010.”提出了一种基于波形熵的距离扩展目标检测方法，该方法使用波形熵作为检测统计量，取得了优于SSD-GLRT的检测性能，但是未做运动补偿，而且在信噪比较低时，目标存在和纯噪声的情况区分度不明显。文献“X.Yang,G.Wen,C.Ma,B.Hui,B.Ding,andY.Zhang,"CFARDetectionofMovingRange-SpreadTargetinWhiteGaussianNoiseUsingWaveformContrast,"IEEEGeoscienceandRemoteSensingLetters,vol.13,pp.282-286,2016.”提出了一种基于波形差异的距离扩展目标检测方法，该方法基于波形差异做了运动补偿，使用一个目标高分辨距离像、以波形差异为检测统计量，取得了优于基于波形熵检测器的性能，但是在检测概率要求更高的宽带雷达系统中，该方法未能充分利用目标高分辨距离像的信息，从而不能达到更高的检测概率。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于Minkowki距离的距离扩展目标检测方法，以对目标运动进行补偿，抑制距离像中的噪声，提高高速距离扩展目标的检测概率。为实现上述技术目的，本专利技术的技术方案包括如下：(1)利用雷达发射机发射P个窄带脉冲串X(t)，利用雷达接收机接收经过目标散射形成的回波信号si(t)，并对其混频后得到模拟基带信号(2)对模拟基带信号依次进行采样和运动补偿，利用补偿后的回波数据计算得到目标的P个高分辨距离像Z；(3)对P个高分辨距离像Z利用滑动互相关进行距离像对齐，记对齐高分辨距离像为Z；(4)通过非线性收缩映射的方法将对齐后的高分辨距离像Z进行精炼，得精炼距离像Z，并对Z归一化，得到归一化精炼高分辨距离像(5)定义归一化精炼高分辨距离像中连续的第X组距离像和第Y组距离像的Minkowski检测统计量为：其中为距离像中第m个距离单元幅度值，为距离像中第m个距离单元幅度值，k为Minkowski检测统计量的变参数；(6)根据Neyman-Pearson准则，在给定恒虚警概率Pf的条件下利用蒙特卡洛实验得到检测门限T，将检测统计量与检测门限T进行比较：若小于T，则判决为目标存在；若大于T，则判决为目标不存在。本专利技术与现有技术相比具有以下优点：1)本专利技术基于频率步进雷达体制，发射瞬时窄带信号，易于工程实现；2)本专利技术利用滑动互相关进行目标距离单元的对齐，消除了雷达与目标之间相对运动对距离像走动的影响；3)本专利技术使用非线性收缩映射来抑制高分辨距离像中的噪声，使得检测性能有了大幅度提高；4)本专利技术基于多个连续高分辨距离像的相似性，并结合Minkowski距离构造了检测统计量，不仅具有恒虚警率检测的性质，而且获得了很好的检测性能。附图说明图1为本专利技术的实现流程图；图2为用本专利技术和现有方法检测距离扩展目标的性能对比图；图3为本专利技术使用不同脉冲串数目时的检测性能对比图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术作进一步说明：参照图1，本专利技术的实现步骤如下：步骤1，获取模拟基带信号(1.1)利用雷达发射机发射P个窄带脉冲串X(t)，发射的窄带脉冲串信号表达式为：其中i为每个脉冲串中的子脉冲序号，j为虚数单位，Ai为第i个子脉冲的幅度，g(t)表示子脉冲包络，..为子脉冲重复周期，fi＝f0+iΔf为第i个子脉冲的载频，f0表示基础载频，Δf表示频率步进量，θi表示第i个子脉冲的初相，N表示子脉冲个数。本专利技术实例中脉冲串中的子脉冲个数取N＝128；(1.2)利用雷达接收机接收经过目标散射形成的回波信号si(t)，其表示如下：si(t)＝Ai'exp(j2πfi(t-τ(t))+θi)iTr+τ(t)≤t≤iTr+T+τ(t)其中，A'i为第i个子脉冲的回波幅度，为回波延时，R0为目标到雷达的起始距离，v为目标与雷达之间的相对速度，c为光速，T为子脉冲宽度，T为子脉冲宽度；(1.3)将回波信号si(t)与本振信号zi(t)的共轭信号相乘，得到的混频后的模拟基带信号如下：iTr+τ(t)≤t≤iTr+T+τ(t)其中，*表示共轭，A”i为第i个子脉冲混频后模拟基带信号的幅度；zi(t′)＝Aiexp(j2πfit′+θi)表示本振信号，t′的取值范围为[iTr,(i+1)Tr]。步骤2，根据混频后的模拟基带信号计算得到目标的高分辨距离像Z。(2.1)对混频后的模拟基带信号进行A/D采样，得到一个脉冲串中连续N个子脉冲回波的复采样序列为：其中q为脉冲串序号，i为每个脉冲串中的子脉冲序号，为第i个子脉冲混频后模拟基带信号的采样幅度；(2.2)引入速度加权因子：其中是目标与雷达之间相对速度的估计值；(2.3)使用速度加权因子进行运动补偿，将步骤(2.1)得到的复采样序列m本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于Minkowski距离的距离扩展目标检测方法，其特征在于，包括：

【技术特征摘要】
1.一种基于Minkowski距离的距离扩展目标检测方法，其特征在于，包括：(1)利用雷达发射机发射P个窄带脉冲串X(t)，利用雷达接收机接收经过目标散射形成的回波信号si(t)，并对其混频后得到模拟基带信号(2)对模拟基带信号依次进行采样和运动补偿，利用补偿后的回波数据计算得到目标的P个高分辨距离像Z；(3)对P个高分辨距离像Z利用滑动互相关进行距离像对齐，记对齐高分辨距离像为Z；(4)通过非线性收缩映射的方法将对齐后的高分辨距离像Z进行精炼，得精炼距离像Z，并对Z归一化，得到归一化精炼高分辨距离像(5)定义归一化精炼高分辨距离像中连续的第X组距离像和第Y组距离像的Minkowski检测统计量为：其中为距离像中第m个距离单元幅度值，为距离像中第m个距离单元幅度值，k为Minkowski检测统计量的变参数；(6)根据Neyman-Pearson准则，在给定恒虚警概率Pf的条件下利用蒙特卡洛实验得到检测门限T，将检测统计量与检测门限T进行比较：若小于T，则判决为目标存在；若大于T，则判决为目标不存在。2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中雷达发射机发射的P个窄带脉冲串X(t)，表示如下：其中i为每个脉冲串中的子脉冲序号，j为虚数单位，Ai为第i个子脉冲的幅度，g(t)表示子脉冲包络，Tr为子脉冲重复周期，fi＝f0+iΔf为第i个子脉冲的载频，f0表示基础载频，Δf表示频率步进量，θi表示第i个子脉冲的初相，N表示子脉冲个数。3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤(1)中经过目标散射形成的第i个子脉冲的回波信号si(t)，表示如下：si(t)＝A′iexp(j2πfi(t-τ(t))+θi)，iTr+τ(t)≤t≤iTr+T+τ(t)其中i为每个脉冲串中的子脉冲序号，A′i为第i个子脉冲的回波幅度，j为虚数单位，fi＝f0+iΔf为第i个子脉冲的载频，f0表示基础载频，Δf表示频率步进量，为回波延时，式中R0为目标到雷达的起始距离，v为目标与雷达之间的相对速度，c为光速，θi表示第i个子脉冲的初相，Tr为子脉冲重复周期，T为子脉冲宽度。4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，对步骤(1)中的回波信号si(t)进行混频，是将回波信号si(t)与本振信号的共轭信号相乘，得到的模拟基带信号表示如下：其中i为每个脉冲串中的子脉冲序号，*表示共轭，A”i为第i个子脉冲混频后模拟基带信号的幅度，j为虚数单位，fi＝f0+iΔf为第i个子脉冲的载频，f0表示基础载频，Δf表示频率步进量，为回波延时，式中R0为目标到雷达的起始距离，v为目标与雷达之间的相对速度，c为光速，Tr为子脉冲重复周期，T为子脉冲宽度，zi(t)为本振信号，表示如下：zi(t′)＝Aiexp(j2πfit′+θi)，iTr...

【专利技术属性】
技术研发人员：许述文，朱佳男，水鹏朗，夏晓云，
申请(专利权)人：西安电子科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61