基于高效时频分解的海面慢速微弱目标检测方法技术

本发明专利技术公开了一种基于高效时频分解的海面慢速微弱目标检测方法。其实现方案为：雷达接收机接收海面微弱目标的回波信号为f(n)，分别计算其维格纳分布WD和遮隔维格纳分布MWD；对f(n)进行快速信号合成FSSM，并将FSSM应用到MWD中，得到f(n)中的最大分量fk(n)；计算fk(n)的WD，并用WD最大值的平方与它的均值之比表示时频聚集性C；将C与时频聚集性门限P和回波信号持续时间门限T0及分解分量的持续时间T进行比较：若C＞P，且T＞T0，则判定fk(n)为目标信号；否则判定fk(n)是海杂波信号，并滤除掉，依次循环迭代，直到检测到目标或迭代次数达到3次为止。本发明专利技术能在信号分量之间能量差异大且在时频域接近时将目标信号和海杂波分离出来，可用于对海面慢速微弱目标的检测。

【技术实现步骤摘要】
基于高效时频分解的海面慢速微弱目标检测方法
本专利技术属于信号处理
，特别涉及一种海面目标检测方法，可用于对海面慢速微弱目标的检测。
技术介绍
业内周知，当待检测海面存在目标时，海面回波是目标回波和海杂波的叠加。这种海杂波的存在，会严重影响对海面微弱目标的检测性能。因此在目标检测过程中需要对海杂波进行分析，并对目标回波和海杂波加以区分。现有的比较成熟的海杂波分析方法是一种基于S-方法的时频分解算法，它是一种分析非平稳信号的时频分析方法。具体分解步骤如下：首先，选择合适的积分长度L，并应用与信号长度相同的矩形窗计算信号的S-方法分布；接着，通过传统的信号合成方法合成信号分量，对S-方法分布进行逆DFT变换，再对其结果插值后得到一个方阵；然后对该方阵进行特征值分解；最后，选取能量较大的M个特征向量作为信号的M个分量。该方法的优点是可以利用目标回波和海杂波在时频聚集性上的差异，即目标回波在时频分布图中比较聚集，而海杂波在时频分布图中比较发散，能够将海杂波和目标回波区分开。然而由于高频雷达下的海杂波和X-波段雷达下的海杂波时频特性不同，将基于S-方法的时频分解算法用来分析X-波段回波信号存在以下三个劣势：(1)当海杂波与目标信号在频域重叠，且时频域很接近时，基于S-方法的时频分解算法不再适用；(2)当海杂波与目标信号在频域和时频域都很接近时，基于S-方法的时频分解算法会将海杂波和目标信号分解成几个部分；(3)基于S-方法的时频分解算法的运算量很大，耗时较长。将基于S-方法的时频分解算法应用到海面慢速微弱目标检测时，回波信号会被分解为多个部分，当这些信号分量在时频域距离较近且能量差距较大时，该方法就无法正确区分目标回波和海杂波，检测性能大大下降。
技术实现思路
本专利技术的目的在于这对上述已有技术的不足，提出了一种基于高效时频分解IDM的海面慢速微弱目标检测方法，以正确区分目标回波和海杂波，提高对海面慢速微弱目标的检测性能。为实现上述技术目的，本专利技术的技术方案包括如下：(1)雷达接收机接收海面微弱目标的回波信号f(n)，并分别计算其维格纳分布WD和遮隔维格纳分布MWD；(2)对回波信号f(n)进行快速信号合成FSSM，得到回波信号f(n)中的最大分量fk(n)；(3)计算最大分量fk(n)的维格纳分布WD，并用其最大值的平方与它的均值之比来表示回波信号f(n)的时频聚集性C，即：式中表示回波信号f(n)中最大分量fk(n)的维格纳分布WD，n表示离散时间，k表示离散频率；(4)设时频聚集性门限P＝1，回波信号持续时间门限为T0＝0.3s，回波信号f(n)中最大分量fk(n)的持续时间为T，判断最大分量fk(n)是否为目标信号：若C＞P，且T＞T0，则判定fk(n)为目标信号；若C＜P，则判定fk(n)是海杂波信号，执行(5)；(5)将fk(n)从回波信号f(n)中滤除掉，得到滤除掉最大分量后的剩余信号fr(n)，返回(1)，令f(n)＝fr(n)，对f(n)进行循环迭代，直到检测到目标或迭代次数达到3次为止。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术由于在海面慢速微弱目标检测过程中，首先采取对回波信号进行快速信号合成FSSM，然后对合成信号应用遮隔维格纳分布MWD，将回波信号中的最大分量提取出来，然后对最大分量进行判断，并将最大分量滤除，对剩余信号进行循环迭代，直到检测出目标信号的技术方案，提高了海面目标检测概率，即能在信号分量之间能量差异较大且在时频域距离较近时，将海杂波信号和目标信号分离出来。实验结果表明，本专利技术不仅能在信杂比SCR低于-5dB的情况下检测微弱目标，还能显示目标的瞬时运动状态。附图说明图1为本专利技术的实现流程图；图2为本专利技术和现有基于数据块V1的几种检测方法的目标检测概率随信杂比SCR变化对比图；图3为本专利技术和现有基于数据块V2的几种检测方法的目标检测概率随虚警率变化的对比图；图4为本专利技术基于数据块V1的第8距离单元中一小段数据中的微弱目标检测结果图；图5为本专利技术基于数据块V2的第11距离单元中一小段数据中的微弱目标检测结果图。具体实施方式下面结合附图对本专利技术的实施例和效果作进一步详细描述。参照图1，为本专利技术的实现步骤如下：步骤1，雷达接收机接收海面微弱目标的回波信号f(n)，并分别计算其维格纳分布WD和遮隔维格纳分布MWD。当待检测海面存在微弱慢速目标时，目标信号和海杂波信号叠加后通过雷达发射机发射出去，经过收发天线传输后，雷达接收机接收到回波信号f(n)，由于该回波信号f(n)是非平稳的，则可以利用维格纳分布WD对f(n)进行时频分析，并利用遮隔维格纳分布MWD滤除f(n)中的交叉项，其实现如下：1a)计算回波信号f(n)的维格纳分布WD：式中WD(n,k)是指f(n)在离散时间为n，离散频率为k时的维格纳分布，N表示回波信号f(n)的长度，m为自变量，且m＝0，1，2，……N-1，j为虚数单位，fn+m表示f(n)在n+m时刻的信号分量，表示对f(n)在n-m时刻的信号分量取共轭，()*表示共轭；1b)对回波信号f(n)的末尾补零，使其信号长度从N变为2N，得到补零信号f1(n)；1c)计算补零信号f1(n)的短时傅立叶变换STFT，即式中STFT(n,k)表示f1(n)在离散时间为n、离散频率为k时的短时傅立叶变换，b为自变量，且-∞＜b＜+∞，h(b)为窗函数；1d)对1c)中得到的STFT(n,k)进行频谱折叠，得到f1(n)的能量分布C(n,k)，即C(n,k)＝|STFT(n,k)|2；1e)将能量分布C(n,k)与设定的阈值Q进行比较，得到遮隔模板CM(n,k)，即：其中阈值Q的定义为：Q＝αE(|C(n,k)|)，式中E(|C(n,k)|)是|C(n,k)|的整体均值，α是一个调整阈值Q的参数；1f)将1a)中得到的回波信号f(n)的维格纳分布WD(n,k)与1d)中的遮隔模板CM(n,k)相乘，得到遮隔维格纳分布：MWD(n,k)＝CM(n,k)WD(n,k)。步骤2，对回波信号f(n)进行快速信号合成FSSM，得到回波信号f(n)中的最大分量fk(n)。在传统的信号合成方法中，构造矩阵时需要进行插值操作并且矩阵的每一个元素都要逐一计算，运算量大，耗时长。快速信号合成FSSM只需要对回波信号的维格纳分布WD进行逆傅立叶变换，并将其中的非零元素进行位置调整，进而得到自相关矩阵，并且在该矩阵中的非零元素个数是传统信号合成方法所得矩阵的一半，因此快速合成信号FSSM更加省时，所以本专利技术采用FSSM对回波信号进行信号合成，其实现如下：2a)将回波信号f(n)看做一个列向量f＝[f1,...fn,...,fN]T，计算f的维格纳分布其中WDf(n,k)表示列向量f在离散时间为n，离散频率为k时的维格纳分布，Fn(m)是一个n×m的矩阵，且该矩阵内的任意元素可以表示为其中fn+m表示f(n)在n+m时刻的信号分量，表示对f(n)在n-m时刻的信号分量取共轭，()*表示共轭，N为f(n)长度，j为虚数单位，m为自变量，且m＝0，1，2，……N-1；2b)构造列向量f的不完整的自相关矩阵R：对Fn(m)进行补零，得到一个N阶方阵设N为奇数，并把的第n维的所有非零元素放置在一个零矩阵的第2n-本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于高效时频分解的海面慢速微弱目标检测方法，其特征在于，包括如下：(1)雷达接收机接收海面微弱目标的回波信号f(n)，并分别计算其维格纳分布WD和遮隔维格纳分布MWD；(2)对回波信号f(n)进行快速信号合成FSSM，得到回波信号f(n)中的最大分量fk(n)；(3)计算最大分量fk(n)的维格纳分布WD，并用其最大值的平方与它的均值之比来表示回波信号f(n)的时频聚集性C，即：

【技术特征摘要】
2018.11.09 CN 20181132834921.基于高效时频分解的海面慢速微弱目标检测方法，其特征在于，包括如下：(1)雷达接收机接收海面微弱目标的回波信号f(n)，并分别计算其维格纳分布WD和遮隔维格纳分布MWD；(2)对回波信号f(n)进行快速信号合成FSSM，得到回波信号f(n)中的最大分量fk(n)；(3)计算最大分量fk(n)的维格纳分布WD，并用其最大值的平方与它的均值之比来表示回波信号f(n)的时频聚集性C，即：式中表示回波信号f(n)中最大分量fk(n)的维格纳分布WD，n表示离散时间，k表示离散频率；(4)设时频聚集性门限P＝1，回波信号持续时间门限为T0＝0.3s，回波信号f(n)中最大分量fk(n)的持续时间为T，判断最大分量fk(n)是否为目标信号：若C＞P，且T＞T0，则判定fk(n)为目标信号；若C＜P，则判定fk(n)是海杂波信号，执行(5)；(5)将fk(n)从回波信号f(n)中滤除掉，得到滤除掉最大分量后的剩余信号fr(n)，返回(1)，令f(n)＝fr(n)，依次循环迭代，直到检测到目标或迭代次数达到3次为止。2.如权利要求1所述的方法，其中(1)中计算回波信号f(n)维格纳分布WD和遮隔维格纳分布MWD，其实现如下：1a)计算回波信号f(n)的维格纳分布WD：式中WD(n,k)是指f(n)在离散时间为n，离散频率为k时的维格纳分布，N表示回波信号f(n)的长度，m为自变量，且m＝0，1，2，……N-1，j为虚数单位，Fn(m)为n×m阶矩阵；1b)将回波信号f(n)通过末尾补零到信号的两倍长度，得到补零信号f1(n)；1c)计算补零信号f1(n)的短时傅立叶变换STFT，并进行频谱折叠得到f1(n)的能量分布C(n,k)；1d)将能量分布C(n,k)与设定的阈值Q进行比较，得到遮隔模板CM(n,k)，即：其中阈值Q的定义为：Q＝αE(|C(n,k)|)，式中E(|C(n,...

【专利技术属性】
技术研发人员：左磊，产秀秀，李明，张鹏，孙浩，
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