一种基于概率统计的低信噪比条件下目标检测方法技术

本发明专利技术属于雷达信号处理技术领域，尤其涉及一种基于概率统计的低信噪比条件下的目标检测方法。本发明专利技术以观测时间内的单个脉冲为处理对象，采用同时多波束方法覆盖感兴趣观测区域，通过对观测区域内的所有脉冲回波经脉冲压缩之后获取目标回波包络，然后对回波包络做恒虚警检测后统计记录不同方位单元和距离单元的回波包络检测频度，最后绘制概率直方图根据不同方位单元和距离单元的过门限的频度分布进行检测判决从而完成目标检测过程。本发明专利技术提出的方法不仅适应于低信噪比下的单脉冲目标检测，还可以作为多脉冲长时间积累后目标检测不理想的辅助检测手段。本发明专利技术提出的方法数据处理量小，满足硬件平台的实时处理要求，适于工程化实现。

A target detection method based on probability statistics and low SNR condition

The invention belongs to the technical field of radar signal processing, in particular to a target detection method under the condition of low signal-to-noise ratio based on probability statistics. The invention takes a single pulse in the observation time as the processing object, covers the region of interest with the simultaneous multi-beam method, obtains the target echo envelope by compressing all the pulse echoes in the observation area, and then makes the CFAR detection on the echo envelope and records the different azimuth units and the distance units statistically. At last, the probability histogram is drawn to detect and judge the target according to the frequency distribution of different azimuth and distance units. The method proposed by the invention is not only suitable for single pulse target detection under low signal-to-noise ratio, but also can be used as an auxiliary detection method for target detection which is not ideal after long time accumulation of multi-pulse. The method presented in the invention has small amount of data processing, meets the real-time processing requirements of the hardware platform, and is suitable for engineering implementation.

【技术实现步骤摘要】
一种基于概率统计的低信噪比条件下目标检测方法
本专利技术属于雷达信号处理
，尤其涉及一种基于概率统计的低信噪比条件下的目标检测方法。
技术介绍
低信噪比目标检测是现代雷达研究的热点问题。雷达作为现代战争中主要电子信息装备，一直担负着战场信息获取、处理及电路实现任务，只有确定感兴趣的目标是否存在，并获取目标速度、角度等相关信息，才能对目标进行定位跟踪，成像识别。随着战场中的电磁环境越来越复杂，杂波和噪声干扰严重，隐身技术的运用降低了目标的可探测特征，低可截获技术运用极宽带调频技术、类噪声调制和间或方向图伪随机扫描，这些因素将导致接收到的目标信号信噪比非常低，使得雷达的探测变得非常困难。在目标信号被接收的同时，一些不需要的干扰信号不可避免的被接收，而且电磁环境中的背景噪声干扰是雷达信号处理时固有的，因此为了确定目标信号是否存在于雷达回波中，雷达信号处理器必须有对目标的有无进行判断的环节。早期的雷达目标检测系统对目标的判断能力全取决于操作人员的经验，现代雷达系统采用了自动检测系统，克服了目标检测性能受工作人员能力限制这一缺点。自动检测系统将统计决策理论应用到目标检测中，事先设定一个检测门限，然后依据判决准则来检测目标。然而，若检测门限设置为常数，那么在非平稳杂波下，当背景杂波的平均功率增加几个分贝时，虚警概率会急速上升，以至于计算机处理能力饱和，影响雷达系统正常工作。所以雷达目标检测过程中采用恒虚警率检测方法，根据杂波强度的变化自适应地改变检测门限，以获得最大化的检测概率和恒定的虚警概率，但是恒虚警率目标检测技术对信噪比有要求，低信噪比条件下检测结果不佳。不少学者针对低信噪比条件下的目标检测问题提出长时间积累方法，但随着新体制雷达的发展和日趋复杂的电磁干扰环境，长时间积累的目标检测方法有时也不一定有效提高信噪比，因此目标检测效果不理想。
技术实现思路
本专利技术针对上述现代雷达研究中的目标检测问题，提出一种基于概率统计的低信噪比条件下目标检测方法。本专利技术一般不限于雷达的工作体制，不仅适用于单脉冲的低信噪比目标检测，而且适用于多脉冲长时间积累后的低信噪比目标检测。本专利技术能有效提高低信噪比条件下目标检测准确率，而且算法处理的数据量小，易于工程化实现。本专利技术的技术方案包含以下步骤：S1.根据雷达工作中威力覆盖的方位和距离范围，对感兴趣的观测区域进行方位单元和距离单元划分，其中方位单元θ∈{θi|i＝1,2,…,M}和距离单元r∈{rj|j＝1,2，…,N}，M和N分别表示该区域方位单元数目和距离单元数目；S2.根据步骤S1中雷达天线朝向的感兴趣观测区域的单元划分，接收机天线各个单元通道采用带通正交采样采集不同方位单元和距离单元的回波信号；S3.对步骤S2采集接收到的回波信号进行数据预处理，再经数字下变频得到基带回波信号，对基带回波信号进行低通滤波，消除带宽以外的干扰和噪声；S4.根据步骤S1中感兴趣的观测区域划分的方位单元{θi|i＝1,2,…,M}，为形成第i个方位单元对应的波束，采取同时多波束的方法进行覆盖观测区域中划分的方位单元{θi|i＝1,2,…,M}得到第i个方位单元对应的波束权矢量Wi＝[w0i,w1i,…,w1i,…,wLi]，wli为第l(l∈(0,1,…L-1))个单元通道加权系数，L为接收机采用的阵列天线的单元数；S5.将步骤S4得到的波束权矢量和步骤S3得到的基带回波信号相乘得到含有方位信息的基带回波信号；S6.对步骤S5中含有方位信息的基带回波信号进行脉冲压缩处理，脉冲压缩利用匹配滤波方法实现，最后得到含有方位信息的脉冲压缩后的基带回波信号；S7.根据步骤S6中得到的含有方位信息的脉冲压缩后的基带回波信号，对观测时间内所有回波信号的包络进行门限检测，统计记录每一条回波包络过门限的距离单元和方位单元；S8.根据步骤S7中回波包络过门限的距离单元和方位单元统计结果，分别对不同方位单元和不同距离单元对应的检测频度做概率直方图；S9.根据步骤S8中得到的不同方位单元和不同距离单元概率直方图进行检测判决，对比不同方位单元和距离单元对应的概率直方图中检测频度分布，概率直方图中过门限检频度明显高于其他判决目标存在的，其对应的方位单元和距离单元即为目标的方位和距离信息；S10.如果步骤S9中概率直方图的检测判决无法给出准确的目标检测结果，则采用如下所述经过改进的概率直方图检测判决方法：根据步骤S1中方位和距离单元大小调整概率直方图的窗宽，再重复进行步骤S9的概率直方图检测判决，直到概率直方图的频度分布能明显给出目标检测结果，最后将目标检测结果输出；对于采用长时间积累的低信噪比条件下的目标检测，将步骤S6中得到脉冲压缩后的回波信号进行长时间积累，得到长时间积累后的回波信号后，重复步骤S7-S10。本专利技术具有以下优点：(1)本专利技术所提出的方法能够在信噪比低和虚警概率高的情况下，提高雷达对观测区域的目标检测性能。(2)本专利技术所提出的方法适用于单脉冲目标检测。(3)本专利技术所提出的方法适用于长时间积累后的低信噪比目标检测。(4)本专利技术所提出的方法可用于多目标检测。(5)本专利技术所提出的方法数据处理量小，适合实时处理，易于工程化实现。附图说明图1是本专利技术提出的方法实施流程图；图2是本专利技术提出的方法所涉及的观测区域方位单元和距离单元划分示意图；图3是本专利技术的一个具体实施例中接收信号的同时多波束方法示意图；图4是本专利技术的一个具体实施例中恒虚警目标检测示意图；图5是本专利技术的一个具体实施例中实测数据的方位单元1概率直方图；图6是本专利技术的一个具体实施例中实测数据的方位单元2概率直方图；图7是本专利技术的一个具体实施例中距离单元变化后的概率直方图；图8是本专利技术仿真不同虚警概率下检测概率与信噪比的关系图；图9是本专利技术仿真不同信噪比下检测概率与虚警概率的关系图；具体实施方式下面结合附图及具体实施例对本专利技术做进一步阐述。本例以脉冲体制雷达为例，信号调制形式为线性调频，载波频率300MHz，带宽5MHz,接收机采用10单元等间距水平布阵的线性阵列天线，波长λ为1m，单元间距d为0.5m，天线安装伺服控制系统，可以控制天线朝向感兴趣的观测区域，观测区域的方位范围为-45°到45°，距离范围为130Km到200Km，方位单元大小为10°，距离单元为30m。参照图1中本专利技术涉及的方法实施流程图，基于概率统计的低信噪比条件下目标检测方法主要包含以下步骤：S1.根据雷达的系统参数确定雷达威力覆盖的方位和距离范围，利用天线伺服系统控制雷达天线朝向雷达威力覆盖范围内感兴趣的观测区域，对该区域进行单元划分，其中方位单元θ∈{θi|i＝1,2,…,M}和距离单元r∈{rj|j＝1,2…,N}，M和N分别表示该区域方位单元数目和距离单元数目，图2是本专利技术提出的方法所涉及的观测区域中方位单元和距离单元划分示意图；S2.根据步骤S1中雷达天线朝向的感兴趣观测区域的单元划分，接收机天线各个单元通道采用带通正交采样采集不同方位单元和距离单元的回波信号；S3.对步骤S2中采集到的回波信号进行放大和滤波等数据预处理，再经数字下变频后得到基带回波信号，对基带回波信号进行低通滤波，消除带宽以外的干扰和噪声：基带回波信号通过光纤传输到信号处理板进行实时处理，同时可以通过本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于概率统计的低信噪比条件下目标检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1.根据雷达工作中威力覆盖的方位和距离范围，对感兴趣的观测区域进行方位单元和距离单元划分，其中方位单元θ∈{θi|i＝1,2,…,M}和距离单元r∈{rj|j＝1,2，…,N}，M和N分别表示该区域方位单元数目和距离单元数目；S2.根据步骤S1中观测区域内的单元划分，接收机天线采集接收不同单元内的回波信号；S3.对步骤S2采集接收到的回波信号进行数据预处理，再经数字下变频得到基带回波信号，对基带回波信号进行低通滤波，消除带宽以外的干扰和噪声；S4.根据步骤S1中感兴趣的观测区域划分的方位单元{θi|i＝1,2,…,M}，为形成第i个方位单元对应的波束，采取同时多波束的方法覆盖观测区域中划分的方位单元{θi|i＝1,2,…,M}，得到第i个方位单元对应的波束权矢量Wi＝[w0i,w1i,…,w1i,…,wLi]，wli为第l(l∈(0,1,…L‑1))个单元通道加权系数，L为接收机采用的阵列天线的单元数；S5.将步骤S4得到的波束权矢量和步骤S3得到的基带回波信号相乘得到含有方位信息的回波信号；S6.对步骤S5中含有方位信息的回波信号进行脉冲压缩处理，脉冲压缩利用匹配滤波方法实现，最后得到含有方位信息的脉冲压缩后的回波信号；S7.根据步骤S6中得到的含有方位信息的脉冲压缩后的回波信号，对观测时间内所有回波信号的包络进行门限检测，统计记录每一条回波包络过门限的距离单元和方位单元；S8.根据步骤S7中回波包络过门限的距离单元和方位单元统计结果，分别对不同方位单元和不同距离单元对应的检测频度做概率直方图；S9.根据步骤S8中得到的不同方位单元和不同距离单元概率直方图进行检测判决，对比不同方位单元和距离单元对应的概率直方图中检测频度分布，概率直方图中过门限检频度明显高于其他判决目标存在的，其对应的方位单元和距离单元即为目标的方位和距离信息；S10.如果步骤S9中概率直方图的检测判决无法给出准确的目标检测结果，则采用如下所述经过改进的概率直方图检测判决方法：根据步骤S1中方位和距离单元大小调整概率直方图的窗宽，再重复进行步骤S9的概率直方图检测判决，直到概率直方图的频度分布能明显给出目标检测结果，最后将目标检测结果输出。...

【技术特征摘要】
1.一种基于概率统计的低信噪比条件下目标检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：S1.根据雷达工作中威力覆盖的方位和距离范围，对感兴趣的观测区域进行方位单元和距离单元划分，其中方位单元θ∈{θi|i＝1,2,…,M}和距离单元r∈{rj|j＝1,2，…,N}，M和N分别表示该区域方位单元数目和距离单元数目；S2.根据步骤S1中观测区域内的单元划分，接收机天线采集接收不同单元内的回波信号；S3.对步骤S2采集接收到的回波信号进行数据预处理，再经数字下变频得到基带回波信号，对基带回波信号进行低通滤波，消除带宽以外的干扰和噪声；S4.根据步骤S1中感兴趣的观测区域划分的方位单元{θi|i＝1,2,…,M}，为形成第i个方位单元对应的波束，采取同时多波束的方法覆盖观测区域中划分的方位单元{θi|i＝1,2,…,M}，得到第i个方位单元对应的波束权矢量Wi＝[w0i,w1i,…,w1i,…,wLi]，wli为第l(l∈(0,1,…L-1))个单元通道加权系数，L为接收机采用的阵列天线的单元数；S5.将步骤S4得到的波束权矢量和步骤S3得到的基带回波信号相乘得到含有方位信息的回波信号；S6.对步骤S5中含有方位信息的回波信号进行脉冲压缩处理，脉冲压缩利用匹配滤波方法实现，最后得到含有方位信息的脉冲压缩后的回波信号；S7.根据步骤S6中得到的含有方位信息的脉冲压缩后的回波信号，对观测时间内所有回波信号的包络进行门限检测，统计记录每一条回波包络过门限的距离单元和方位单元；S8.根据步骤S7中回波包络过门限的距离单元和方位单元统计结果，分别对不同方位单元和不同距离单元对应的检测频度做概率直方图；S9.根据步骤S8中得到的不同方位单元和不同距离单元概率直方图进行检测判决，对比不同方位单元和距离单元对应的概率直方图中检测频度分布，概率直方图中过门限检频度明显高于其他判决目标存在的，其对应的方位单元和距离单元即为目标的方位和距离信息；S10.如果步骤S9中概率直方图的检测判决无法给出准确的目标检测结果，则采用如下所述经过改进的概率直方图检测判决...

【专利技术属性】
技术研发人员：户盼鹤，鲍庆龙，潘嘉蒙，陈曾平，林财永，田瑞琦，王森，潘圣森，
申请(专利权)人：中国人民解放军国防科技大学，
类型：发明
国别省市：湖南,43