窄带、宽带雷达机动目标检测技术研究

论文摘要

窄带、宽带雷达体制下的机动目标检测一直是雷达检测领域中的难点问题,现已成为雷达技术领域的一个研究热点。窄带雷达体制下,雷达距离分辨单元很长。因此,在相干处理时间内目标没有跨距离单元走动。长的相干处理时间对于噪声或者杂波中的雷达弱目标检测是有意义的,但是长时间观测中目标不可避免地会发生机动。目标的机动使得目标雷达回波的相位历史变得非常复杂,在这种情况下传统的傅里叶分析不能很好地有效积累目标回波。在本论文的工作中,分数阶傅里叶变换被用来有效地积累相位历史较为复杂的目标回波,并获得较好的检测性能。在宽带雷达体制下,雷达有着较高的距离分辨能力。因此,窄带情况下的“点目标”模型不适用于宽带情况。宽带雷达体制下,目标被分辨成多个散射单元。因此,该目标检测被称为距离扩展目标检测。目标的机动使得目标在不同的回波脉冲间会不可避免地出现跨距离单元走动,并且由于目标的转动和目标散射点的重组,使得目标在不同距离单元上的回波相位变得杂乱无章,很难建模。由于回波模型的缺失,本论文关于宽带机动目标检测的研究主要集中在多脉冲距离像的特征检测上,提出了一系列实际有效的宽带距离扩展目标检测器。本论文主要内容可概括为如下五部分:第一部分,我们简单介绍了窄带机动目标检测目前面临的问题,回顾了目前解决该问题的一些方法。然后,根据目前检测方法存在的问题,我们基于分数阶傅里叶变换、图像域去噪方法以及双特征检测器提出了一种在强噪声背景下微弱目标的非参数化检测方法。该方法将信号通过接连分数阶傅里叶变换进行二维灰度图像表示,并利用硬阈值滤波和多重中值滤波在滤除噪声的同时保留信号特征,最后提取滤噪后的幅度图像上的强像素点面积以及幅度峰值这两个特征来进行检测,进而提出了基于双特征的非参数化目标检测方案。对于各种典型的窄带机动目标回波信号的实验结果表明,提出的检测方案是有效的,与传统的检测方案相比有着更好的检测性能,并且具有更好的稳健性。第二部分,我们给出了高斯白噪声背景下检测距离扩展目标的一种特征检测方法。本章提出的检测方案是关于距离扩展目标的通用检测框架。该检测方法利用两个接连的混频器输出的Wigner-Ville分布（WVD）的几何特征。在该检测方法中,互时频分布操作被用于凸显目标回波的时频特征。两个简单的图像处理工具（门限操作和形态学滤波）被用来提取对应于目标的时频结构。本方法适用于目标发生距离走动的情况,并且对目标的如散射密度、目标类型以及高斯噪声的能量水平等先验信息没有特殊的要求。由于结合了能量信息和目标回波的特殊时频结构信息,提出的方法获得了很好的检测性能。第三部分,我们提出了在高斯白噪声背景下利用多脉冲距离像检测距离扩展目标的修正互相关矩阵（MCOM）检测器。它由用于噪声抑制的sigmoid型收缩映射和精炼距离像的互相关积累组成。基于目标高分辨距离像的强散射单元是稀疏的这一事实,我们设计了非线性收缩映射来精炼接收的高分辨距离像。通过该映射,接收距离像中的大部分噪声点得以去除,而与目标特性有关的强散射单元得以保留。因为除了距离走动之外目标的散射几何几乎保持不变,所以从连续脉冲中得到的精炼目标距离像是高度相似的,而噪声的随机性使得精炼的噪声距离像是不相似的。多脉冲精炼距离像的修正互相关矩阵被用来测量它们的相似性。我们构造修正互相关矩阵的所有元素的加权积累来作为检测统计量,从而进行检测。提出的检测器不依赖于严格的目标回波模型,并且可以应用在较为宽泛的情况下。实测数据和仿真的噪声数据被用来评估提出的距离扩展目标检测器。实验结果表明:与现有的检测方法相比,该方法获得了更好的目标检测性能。第四部分,我们提出了一种新的在高斯白噪声背景下的机动距离扩展目标检测器。它由用于噪声抑制的二维非线性收缩映射和几何平均积累组成。多个脉冲得到的距离像通过排序构成一个二维距离脉冲图像。基于该图像的局部统计特征,我们设计了一族有效的二维非线性收缩映射来抑制噪声并保留信号回波。滤波后的多脉冲精炼距离像的几何平均积累构成了该检测器的检测统计量。该检测统计量反映了目标距离像在波形上的相关性以及噪声精炼距离像的非零散射单元的稀疏性及位置随机性。理论分析和基于实测数据的实验表明,该检测器对白噪声背景下的空中机动飞行的距离扩展目标检测是非常有效的。第五部分,我们提出了一种基于波形交叉熵（waveform cross entropy,WCEN）的检测器在均匀气象杂波背景下检测高速飞行的机动目标。该检测器的输入由观测窗口中的一连串相参脉冲得到的复高分辨距离像构成。观测窗口包含了一个检测窗口和包围着该检测窗口的参考距离单元,并且该参考距离单元中的接收数据构成了仅含有杂波数据的次要数据。该检测器包含了一个沿着脉冲维的近似慢时间白化滤波器和一个在距离维基于WCEN的检测器。前者在每个接收数据的距离单元维进行操作,从而对杂波进行白化并增强目标的回波。接着,每对滤波后的高分辨距离像的WCEN挖掘了目标高分辨距离像的三个内在的特征:稀疏性、相似性和能量特征。每对高分辨距离像的WCEN的平均被用来作为检测统计量来判决目标是否存在。基于从一部高分辨雷达获得的实测目标数据和仿真气象杂波数据,我们完整地评估了基于WCEN的检测器。实验结果表明在目标高速机动飞行的情况下,相比其它已存在的检测器,基于WCEN的检测器获得了更好的检测性能。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• 1.1 机动目标检测的基本概念和研究意义
• 1.1.1 机动目标检测的基本概念
• 1.1.2 机动目标检测的研究意义
• 1.2 机动目标检测的历史和现状
• 1.2.1 窄带超视距雷达的发展历史
• 1.2.2 宽带高分辨雷达的发展历史
• 1.2.3 窄带超视距雷达目标检测的研究现状
• 1.2.4 宽带雷达目标检测的研究现状
• 1.3 本文所用的宽带雷达目标数据介绍
• 1.4 论文的内容和安排
• 本章参考文献
• 第二章 窄带超视距雷达机动目标检测原理与非参数化检测方法
• 2.1 引言
• 2.2 超视距雷达机动目标回波模型
• 2.3 窄带超视距雷达目标回波非线性调频信号分析及其分数阶傅里叶变换
• 2.3.1 非线性调频信号的局部线性性质
• 2.3.2 分数阶傅里叶变换（FRFT）及其性质
• 2.4 基于FRFT 的非线性FM 信号二维表示和噪声抑制方法
• 2.4.1 基于FRFT 的信号二维表示
• 2.4.2 精炼图像的获取
• 2.5 检测统计量与双特征检测器的构造
• 2.5.1 检测统计量的选取
• 2.5.2 双特征检测器H0 判决区域的确定
• 2.5.3 双特征检测器的判决准则
• 2.5.4 本章提出的检测器的检测框图
• 2.6 实验结果及性能分析
• 2.7 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 基于时频变换和形态学滤波的高分辨雷达目标双脉冲检测器
• 3.1 引言
• 3.2 检测问题描述
• 3.3 实测数据说明
• 3.4 目标距离像的相关性分析
• 3.5 基于魏格纳变换的时频域相关和数学形态学滤波的检测方法
• 3.5.1 高分辨雷达目标回波的Wigner-Ville 变换
• 3.5.2 循环移位互Wigner-ville 分布
• 3.5.3 形态学滤波
• 3.5.4 混频器输出的归一化
• 3.5.5 检测统计量的构造
• 3.6 基于实测数据的实验分析
• 3.7 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 基于非线性映射和修正互相关矩阵的距离扩展目标检测
• 4.1 引言
• 4.2 检测问题描述
• 4.3 本章所用的实测数据说明
• 4.4 目标距离像的稀疏性和相关性
• 4.5 利用非线性映射的含噪距离像的提炼
• 4.5.1 Sigmoid 型非线性收缩映射
• 4.5.2 噪声抑制能力与形状参数的关系
• 4.6 基于多个连续精炼距离像的MCOM 检测器
• 4.6.1 距离像的修正互相关矩阵（Modified Correlation Matrix）
• 4.6.2 检测统计量和MCOM 检测器
• 4.7 实验结果及性能分析
• 4.7.1 非线性收缩映射的不可或缺性
• 4.7.2 复距离像和实距离像的对比
• 4.7.3 与MCOM 检测器及多脉冲SSD-GLRT 检测器的性能对比
• 4.7.4 互相关积累和能量积累的比较
• 4.8 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 基于二维模糊映射和几何平均积累的扩展目标检测
• 5.1 引言
• 5.2 检测问题描述和实测数据
• 5.3 二维非线性收缩映射
• 5.3.1 距离脉冲图像的局部特征
• 5.3.2 基于二维非线性收缩映射的噪声抑制和目标回波保持
• 5.4 几何平均积累和检测器框架
• 5.4.1 多个距离像的几何平均积累
• 5.4.2 几何平均积累的计算
• 5.4.3 检测器的构造
• 5.5 实验结果分析
• 5.5.1 比较NSMGAI 检测器和NSMEI 检测器
• 5.5.2 NSMGAI 检测器与MCOM 检测器的性能比较
• 5.5.3 单脉冲情况下的完整比较
• 5.6 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 均匀气象杂波中基于熵的机动距离扩展目标检测
• 6.1 引言
• 6.2 高速机动目标检测问题的描述
• 6.2.1 检测问题描述
• 6.2.2 高速机动目标的距离像特征
• 6.3 机动距离扩展目标的波形交叉熵检测器
• 6.3.1 检测器的框架
• 6.3.2 脉冲维的近似白化滤波器
• 6.3.3 功率距离像的波形互熵
• 6.3.4 检测统计量以及基于波形互熵的检测器
• 6.4 仿真结果和性能评价
• 6.4.1 气象杂波数据仿真
• 6.4.2 本章提出的检测器的性能
• 6.4.3 与MCOM 检测器的性能比较
• 6.4.4 与GLRT 检测器的比较
• 6.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第七章 总结与展望
• 7.1 全文内容总结
• 7.2 工作展望
• 附录A
• 附录B
• 致谢
• 作者在读期间的研究成果