宽带雷达检测的若干问题研究

论文摘要

宽带雷达最基本的优势在于增加了回波中关于目标的信息量,这些信息包括目标存在与否、位置以及目标特征。通过提高信号带宽,可以实现目标成像或地形测绘、提高雷达对杂波中目标的检测能力以及提高目标参数的估计精度。但是,由于宽带雷达的目标回波特性完全不同于窄带雷达,因此,如何利用宽带雷达的回波信息进行杂波抑制和目标检测,实现雷达目标的检测、跟踪、成像、识别一体化,已经成为雷达技术研究的新课题。其中,宽带雷达检测技术的研究具有重要的理论意义和工程价值。本文系统研究了宽带雷达体制下的距离分布式目标检测问题,对其中的非相参积累、时域相参积累、频域相参积累及稳健检测等方面进行了重点研究。本文的主要工作包括以下几个方面内容:1.分析了宽带雷达的雷达方程、回波模型以及杂波模型。首先讨论了宽带雷达方程和目标散射截面积(RCS);随后推导出宽带雷达目标多次回波模型,按照目标转动速度的影响将其进一步化简为三种不同形式;最后,介绍了适用于宽带雷达体制下的几种杂波模型及其生成方法,设计了一种基于期望最大化(EM)算法的K分布杂波参数估计器,通过实验比较可看出,该算法在估计样本数较少情况下的性能优于传统算法,因而更有实用价值。2.研究了宽带雷达非相参检测问题。首先回顾了一些常用的传统宽带雷达非相参检测算法,分析了它们各自的优缺点和存在的问题,设计了一种基于拟合优度(GOF)方法的单次脉冲回波检测算法,该算法摆脱了基于能量积累的现有传统非相参检测算法思路,充分利用目标回波对背景杂波统计特性的影响,提高了在低信杂比和杂波包络起伏较大情况下的检测性能;然后,利用多次非相参脉冲回波,设计了一种基于双向维特比方法的积累检测算法,该算法利用改进的双向维特比算法估计目标速度及强散射点位置,然后在强散射点周围选取待检测单元进行非相参积累,通过实验验证了该算法与传统的非相参检测算法相比具有更好更稳健的检测性能。3.研究了相参处理期间存在目标越距离单元走动问题时的时域相参积累检测算法。首先,通过实测数据分析了宽带雷达体制下的目标越距离单元走动问题,从解决这一问题出发,采用广义似然函数与极大似然方法对不同预设速度下各个距离单元的信号参数进行了估计,设计了两步广义似然比检测器,分析了该检测器对噪声功率的恒虚警性能;随后,为了避免检测窗长度对检测性能的影响,利用目标强散射单元特性和相邻预设速度相关性,设计了改进的广义似然比检测器;在以上两种检测算法基础上,进一步考虑在目标转动引起多普勒扩展情况下的相参积累问题,设计了一种基于信息论准则的检测算法,该算法基于信息论准则判断各距离单元目标回波是否存在多普勒扩展以及多普勒扩展的个数,利用期望最大化(EM)和离子分解(AD)算法估计参数,实现了存在多普勒扩展时的宽带雷达时域相参积累。4.研究了宽带雷达频域相参积累问题。介绍了宽带雷达目标回波和非均匀高斯杂波的频域形式,说明了时域越距离单元走动问题在频域表现为相邻频率单元多普勒的线性变化,而次优假设下时域非均匀高斯杂波在频域服从均匀分布,根据以上结论设计了频域相参积累检测器,分析了检测算子的统计特性,通过实验验证了该检测器有效实现了非均匀高斯杂波环境中基于多次脉冲回波的相参积累检。5.研究了宽带雷达稳健检测问题。首先介绍了稳健广义似然比检测算法(RGLRT),分析了导向矢量误差对检测性能的影响,基于拉格朗日乘子式推导了一种低运算复杂度的简化稳健检测算法,实测数据证明存在导向矢量误差的情况下,该算法检测性能相比传统广义似然算法有明显的提高;然后分析了实测数据并指出需设定搜索范围的传统稳健算法在分布式目标稳健检测问题上的局限性,针对这一问题,基于半正定规划设计了一种稳健检测算法,该算法对随着搜索范围变化的检测门限曲线做分段拟合,利用半正定规划将相参积累后的能量与拟合后门限相比较,获得了更加稳健的检测性能,并结合双门限方法,进一步减少了运算量。对实测数据的多个仿真结果表明,与传统的广义似然算法及稳健广义似然算法相比,该算法检测性能有明显的提高。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 绪论
• §1.1 宽带雷达技术的发展概况及应用
• §1.2 宽带雷达检测技术的研究现状
• §1.3 本文的主要工作
• 本章参考文献
• 第二章 宽带雷达目标及杂波回波模型
• §2.1 宽带雷达方程与雷达目标散射截面积
• 2.1.1 宽带雷达方程
• 2.1.2 宽带雷达目标散射截面积
• §2.2 宽带雷达目标回波模型
• §2.3 宽带雷达杂波模型及生成方法
• 2.3.1 宽带雷达杂波幅度分布模型
• 2.3.2 球不变随机矢量模型及产生方法
• §2.4 K分布杂波参数估计方法
• §2.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第三章 宽带雷达非相参检测算法
• §3.1 现有宽带雷达目标检测算法
• 3.1.1 高分辨一维距离像
• 3.1.2 传统宽带非相参检测算法
• §3.2 基于拟合优度检测的宽带雷达单次回波脉内检测算法
• 3.2.1 拟合优度检测算子
• 3.2.2 待检测单元及辅助单元的选取
• §3.3 基于维特比的宽带雷达脉间非相参积累检测算法
• 3.3.1 目标运动参数估计
• 3.3.2 脉间非相参积累检测算法
• §3.4 仿真实验与实测数据分析
• §3.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第四章 宽带雷达时域相参积累检测算法
• §4.1 距离扩展目标时域广义似然检测算法
• 4.1.1 问题描述及待检测单元选取
• 4.1.2 距离扩展目标时域广义似然检测器
• 4.1.3 改进的时域广义似然检测器
• §4.2 距离-多普勒双扩展目标时域相参积累算法
• 4.2.1 问题描述及信号模型
• 4.2.2 单个距离单元强散射点个数判定及参数估计
• 4.2.3 距离-多普勒双扩展目标时域广义似然检测器及其改进算法
• §4.3 仿真及实测数据实验结果
• §4.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第五章 宽带雷达频域相参积累检测算法
• §5.1 宽带雷达目标回波及非均匀高斯杂波频域模型
• 5.1.1 宽带雷达目标多脉冲回波频域模型
• 5.1.2 非均匀高斯杂波频域模型
• §5.2 宽带雷达频域自适应检测器
• 5.2.1 频域检测算子的推导
• 5.2.2 检测算子统计特性分析
• 5.2.3 归一化协方差矩阵的估计
• 5.2.4 算法实现过程
• §5.3 仿真及实测数据实验结果
• §5.4 本章小结
• 本章参考文献
• 第六章 宽带雷达稳健检测算法
• §6.1 稳健GLRT检测算法
• 6.1.1 导向矢量误差对相参积累的影响
• 6.1.2 RGLRT检测算子
• §6.2 低运算复杂度的RGLRT检测算法
• §6.3 基于半正定规划的RGLRT检测算法
• 6.3.1 问题描述及信号模型
• 6.3.2 检测门限的计算及拟合方法
• 6.3.3 基于半正定规划和双门限的检测算法
• §6.4 仿真实验与实测数据分析
• §6.5 本章小结
• 本章参考文献
• 第七章 总结与展望
• §7.1 本文内容总结
• §7.2 工作展望
• 致谢
• 作者在读期间的研究成果