本发明专利技术公开的基于短时傅里叶变换和分数阶傅里叶变换的多目标检测方法属雷达目标探测技术领域，本方法首先利用短时傅里叶变换进行信号初步检测，然后采用二值化方法对初检结果进行处理，在处理中保留信号的相位信息，接着对短时傅里叶逆变换还原后的信号，采用分数阶傅里叶变换进行检测，采用多种方法进行联合处理的优点是可以克服强信号旁瓣对弱信号主瓣的压制现象，提高待检测信号的信噪比，解决其它已有方法在低信噪比下检测信号时出现的虚警概率较大的问题；同时图像对比度方法和逐步消去法的采用，利用了信号的空间和功率强度信息，能够检测调频率不同或相同的多个强弱信号，进一步提高检测概率和计算效率，易于工程实现，值得采用和推广。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术公开的属雷达目标探測
，具体涉及的是ー种利用短时傅里叶变换和分数阶傅里叶变换完成对匀加速/匀减速多目标的检测，解决弱目标信号主瓣被强目标旁瓣干扰的问题，提高复杂环境中多目标的检测能力。ニ.
技术介绍
线性调频信号(LFM)的检测问题在非平稳信号处理领域中占有重要地位，它有以下两点原因(I) LFM信号具有时宽带宽积大，抗干扰性能強，频移不敏感等性质，可作为雷达、声纳、通信等系统的发射调制信号；(2)在雷达、声纳和通信等领域，变速运动目标的反 射信号可近似为LFM信号或近似为分段LFM信号。因此，上述系统的性能与LFM信号检测方法的优劣有直接关系。针对单目标环境中的LFM信号检测问题，国内外已有很多研究成果可应用于实际系统；但在雷达、通信及电子对抗系统中，经常需要处理未知參数的多分量线性调频信号。如弾道导弹逼近告警雷达系统时，导弹会释放多个诱饵或“子弹头”，这些多目标相对于雷达具有不同的径向加速度，其回波表现为多个LFM信号的叠加。而在电子对抗系统中，为了对敌方雷达系统实施干扰，经常需要在复杂的电磁环境中对未知參数的多个LFM雷达信号进行检測。多弹头、多诱饵、编队飞行等目标具有在空间维和距离维上分布较近的特点，现有窄带雷达无法分辨，可通过加长积累时间从频率维上进行分辨，这ー问题能等效为调频率相同，初始频率不同的多个LFM信号的检测问题。目前国内外学者对多分量LFM信号的分析主要集中于线性变换的短时傅里叶变换(STFT)和基于时频分布的魏格纳(WVD)方法。STFT的基本思想是首先对观测信号进行加窗移位，然后求取加窗信号的傅里叶变换，因此，STFT可用一段时间信号来表示观测信号在这个时段的频谱特性，但受到不确定性定理的约束，时间分辨率和频率分辨率不可能同时提高。窗越宽，时间分辨率越低；窗宽度越窄，时间分辨率会提高，但频率分辨率又会降低。为了提高时频分辨率，WVD分布被广泛研究，它作为一种双线性时频分布，对单分量LFM信号具有很好的能量聚集性，但是在分析多分量LFM信号时会产生严重的交叉项，使得时频分布的能量聚集性也随之下降，尽管目前已提出许多抑制交叉项的有效方法，但是它们是以降低信号的时频聚集性为代价。近年来分数阶傅里叶变换(FRFT)作为ー种广义的傅里叶变换具有较强的LFM信号分析能力和良好的噪声抑制能力受到关注。分数傅里叶变换将信号转换到一维參数空间获取LFM信号的调频率估计，然后采用解调频的方法获得其它參数估计值。但对多分量的LFM信号检测会存在强目标信号旁瓣对弱目标信号主瓣的干扰，或者主瓣信号被旁瓣信号干扰，为此有研究者提出利用逐次消去法(CLEAN)进行迭代求解，以获得多个信号的參数信息，但该方法仍存在低信噪比下检测性能低，且运算量较大的问题。本专利技术在分析多种方法基础上，提出采用多种方法进行联合处理，可进一步提高检测概率和计算效率。本专利技术针对线性调频窄带雷达在角度维、距离维无法分辨多个目标的问题，提出通过多普勒频率维对多目标进行检测。在FRFT基础上，提出了一种首先利用STFT进行信号初步检测，提取可能的目标信号，然后采用二值化方法对其进行处理，这里与图像处理中二值化方法不同的是要保留信号的相位信息，然后利用STFT的可逆性进行信号还原，接下来对还原后的信号利用分数阶核函数角度旋转的特点，在最优旋转角时得到信号的最佳能量集聚，同时配合图像对比度方法和CLEAN方法进行逐次滤波检测，多方法的联合使用过程如图一所示。本方法不仅能够检测调频率不同的多个强弱信号，而且也能检测调频率相同的多个强弱信号，计算量较小，易于工程实现。三.
技术实现思路
本专利技术的目的是向社会提供这种。本专利技术在分析多种方法基础上，提出采用多种方法进行联合处理，可进一步提高检测概率和计算效率。本方法不仅能够检测调频率不同的多个强弱信号，而且也能检测调频率相同的多个强弱信号，具有计算量较小、易于工程实现等优点。 本专利技术的技术方案是这样的这种，技术特点在于所述的该多目标检测方法包括如下步骤步骤一、利用线性调频信号雷达，对P个目标的回波信号进行数据采集，得到的第η次多目标回波信号可表示为s(m, n) = ^ πμ(ηι - τηρ )2)](I) Z7 = I(I)式中m为快时间域采样单元，即目标回波时延单元，η为慢时间域积累时间单元，即积累脉冲数，P为目标个数，f。为载波频率，单位为赫兹，μ为发射信号调频率，单位为赫兹/秒，τ ηρ为第η次回波中第P个目标相对于雷达的延迟时间，单位为秒，表示为τη = 2^0np - ν°ηρ~Τ—-'5αΛηΡ (^)2 ](2) npC(2)式中Rtlnp为第η次回波中第P个目标相对于雷达的初始距离，单位为米，V0np为第η次回波中第P个目标相对于雷达的初始径向速度，单位为米/秒，a0np为第η次回波中第P个目标相对于雷达的初始径向加速度，单位为米/秒2，这个加速度是由目标机动引起，或是由目标相对雷达视线夹角的变化引起，T为线性调频信号脉冲重复时间，单位为秒，c为电磁波传播速度，等于3 X IO8米/秒。该步骤完成了对雷达回波信号的离散采集，方便后续的数字化处理。步骤二、(I)式经过下变频和脉压处理后组成的时延-积累时间单元矩阵Snm可表示为 ^2 ···Snm = 2 lm , m = 1,2,…Μ, η = 1,2,…N (3) _Χη\ ^η2 ... ^nm _(3)式中Tta代表第η次目标回波经脉压处理后在第m个时延单元的值，单位为秒，即Krn =^ {j￥dnp —sin c nB(m - 七7^■ nT + ^-) ^ijnfd m)c L cc a」 P (4)· exp(ゾ 2ザ却《Γ) exp(4)式中D = BT0为时宽带宽积，单位为赫兹 秒，B为线性调频信号带宽，近似于接收机带宽，単位为赫兹，Ttl为线性调频信号脉冲宽度，单位为秒，/#为第η次回波中第P个目标速度引起的多普勒频率，单位为赫兹，V为第η次回波中第P个目标加速度引起的调频率，単位为赫兹/秒。该步骤完成了雷达回波信号的脉压处理，提高了信号的信噪比，有利于目标在低信噪比环境中的检测。步骤三、对矩阵Snm内元素Ynm按列进行短时傅里叶变换，然后对其绝对值进行恒虚警处理，虚警门限设置为Th1，単位为相对值，无量纲，这里Th1取低值，以保证微弱目标信号的信息保留，门限Th1的取值满足虚警概率为10_4 10_3 ;该步骤不但可以检测匀变速的目标，也可以检测非匀变速的目标，该步骤具体过程分为以下2歩 (a)矩阵Snm中m列元素分别作短时傅里叶变换，变换结果f 可表示为 M Nf m =ΣΣ— —I) exp(- jlrfnT)( 5 ノw=l =ι该步骤可以提高信号在所分析信号时段内的信噪比，利于弱目标信号的检测。(5)式中g(n)为高斯窗函数，I是窗函数滑动步进，这里取值为窗宽度的四分之一或二分之一。(b)对(5)式进行恒虚警处理的结果f' 可表示为f J1丨ム叫(6)Jnm ~{ο 其它该步骤经过归一化的处理后，可克服强目标信号旁瓣对弱目标信号主瓣的压制现象。步骤四、利用短时傅里叶变换的逆变换性质还原(6)式的相位信息，(6)式还原后的时域形式S' Μ可表示为S' = IST本文档来自技高网...
【技术保护点】
一种基于短时傅里叶变换和分数阶傅里叶变换的多目标检测方法，特征在于：所述的该多目标检测方法包括如下步骤：步骤一、利用线性调频信号雷达，对P个目标的回波信号进行数据采集，得到的第n次多目标回波信号可表示为：s(m,n)=Σp=1P[exp(j2πfc(m-τnp))exp(jπμ(m-τnp)2)]---(1)(1)式中m为快时间域采样单元，即目标回波时延单元，n为慢时间域积累时间单元，即积累脉冲数，p为目标个数，fc为载波频率，μ为发射信号调频率，τnp为第n次回波中第p个目标相对于雷达的延迟时间，表示为：τnp=2[R0np-v0npnT-0.5a0np(nT)2]c---(2)(2)式中R0np为第n次回波中第p个目标相对于雷达的初始距离，v0np为第n次回波中第p个目标相对于雷达的初始径向速度，a0np为第n次回波中第p个目标相对于雷达的初始径向加速度，T为线性调频信号脉冲重复时间，c为电磁波传播速度；步骤二、(1)式经过下变频和脉压处理后组成的时延？积累时间单元矩阵Snm可表示为：Snm=Y11Y12...Y1mY21Y22...Y2m............Yn1Yn2...Ynm,m＝1，2，…M，n＝1，2，…N？？？？(3)(3)式中Ynm代表第n次目标回波经脉压处理后在第m个时延单元的值：Ynm=DΣp=1Pexp(jπfdnp2R0npc)sinc[πB(m-2R0npc+2v0npcnT+fdnpμ)]exp(jπfdnpm)---(4)·exp(j2πfdnpnT)exp[jπknp(nT)2](4)式中D＝BT0为时宽带宽积，B为线性调频信号带宽，T0为线性调频信号脉 冲宽度，为第n次回波中第p个目标速度引起的多普勒频率，为第n次回波中第p个目标加速度引起的调频率；步骤三、对矩阵Snm内元素Ynm按列进行短时傅里叶变换，然后对其绝对值进行恒虚警处理，虚警门限设置为Th1，这里Th1取低值，以保证微弱目标信号的信息保留，门限Th1的取值满足虚警概率为10？4～10？3；该步骤具体过程分为以下2步：(a)矩阵Snm中m列元素分别作短时傅里叶变换，变换结果fnm可表示为：fnm=Σm=1MΣn=1NYnmg(n-l)exp(-j2πfnT)---(5)(5)式中g(n)为高斯窗函数，l是窗函数滑动步进；(b)对(5)式进行恒虚警处理的结果f′nm可表示为：步骤四、利用短时傅里叶变换的逆变换性质还原(6)式的相位信息，(6)式还原后的时域形式S′nm可表示为：S′nm＝ISTFT{f′nm·angle[Snm]}？？？？(7)(7)式中ISTFT表示为短时傅里叶变换的逆变换；步骤五、对步骤四结果进行归一化的分数阶傅里叶变换，其表达式为：F′α(u)＝Fα(S′nm/max|S′nm|)？？？？(8)(8)式中α为分数阶域变换阶次；步骤六、对步骤五的结果进行二维搜索，把超过门限Th2的点作为目标信号，其输出结果记为：(9)式中i为满足(9)式的目标数目，门限Th2取值满足虚警概率为10？6～10？5；步骤七、为了减少脉冲噪声或强信号对弱信号造成的虚警影响，对(9)式获得的i个点目标信号采用图像对比度方法来进行评价，图像对比度定义为：Di=1QΣ|[F′′(u‾i,α‾i),(a,b)]|2-|1QΣ[F′′(u‾i,α‾i),(a,b)]|2---(10)(10)式中Di表示图像对比度，值越大，代表变换阶次估计值越接近真实值；(a，b)代表空间搜索区域的范围，Q为(a，b)区域内总的点数；步骤八、对步骤七中获得的图像对比度进行降序排列，对超过门限Th3的目标点进行标记，并把对应的目标点记录下来，门限Th3取值满足虚警概率为10？6～10？5；步骤九、对步骤八中记录下来的点信号进行参数估计，其表达式如下：f^i=u‾icscα‾i,k^i=-cotα‾i---(11)(11)式中对应目标速度引起的多普勒频率，对应目标加速度引起的调频率；步骤十、采用逐次消去法去除步骤八中记录的所有点，然后重复步骤三到步骤九，直到所有目标点在分数阶傅里叶...
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：庞存锁，侯慧玲，王明泉，魏媛媛，张俊生，
申请(专利权)人：中北大学，
类型：发明
国别省市：
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