第6期2008年12月Journal of C AE I TVol .3No .6Dec .2008收稿日期:2008207210 修订日期:2008209223工程与应用一种改进的高频雷达机动目标检测方法杨 飞,朱炳元,黄银和,雷志勇(南京电子技术研究所,南京 210013)摘 要:为了解决多项式相位法检测机动目标时存在计算复杂度过高、伪谱峰干扰严重、系统检测效率过低等问题,提出了改进的算法。
在此基础上给出了基于改进算法的距离-加速度谱图检测目标机动信息的模式并证明了该检测模式的合理性。
利用实测数据进行了仿真,仿真结果验证了该改进算法在高频雷达机动目标检测方面的有效性。
关键词:高频雷达;机动目标检测;多项式相位法;距离-加速度谱中图分类号:T N958 文献标识码:A 文章编号:167325692(2008)062627204An Im proved M et hod of Maneuver i n g Target D etecti on forH i gh 2Frequency RadarY ANG Fei ,Z HU B ing 2yuan ,HUANG Yin 2he ,LE I Zhi 2yong(Nanjing Research I nstitute of Electr onics Technol ogy,Nanjing 210013,China )Abstract:To s olve the existing p r oble m s with the algorithm of polynom ial phase on maneuvering target detecti on,such as high computati on comp lexity,seri ous p seudo s pectrum peak interference and l ow de 2tecti on efficiency of the syste m ,an i m p r oved algorith m is given in this paper .Based on that,a ne w mode of detecti on of infor mati on about maneuvering target on the basis of range 2accelerati on s pectru m of the i m 2p r oved algorithm is p r oposed and its rati onality is testified .Si m ulati on based on real data is done and the result validates the efficiency of the i m p r oved alg orithm on maneuvering target detecti on f or high 2frequen 2cy radar .Key words:high 2frequency radar;maneuvering target detecti on;polynom ial phase;range 2accelerati on s pectru m0 引 言高频天波雷达通过电离层对高频电磁波的反射来获取视距外的目标信息。
对于非机动目标,由于其速度近似不变,回波信号相位呈线性变化,此类目标的检测可以通过相干积累提高回波信噪比(S NR )来实现;机动目标在相干积累时间内速度发生变化,其回波信号相位呈非线性变化,相干积累性能下降,表现为多普勒频谱展宽、S NR 降低、系统检测性能下降。
多项式相位法[1]是一种较为有效的机动目标检测算法。
该算法利用多项式为目标回波相位建模,通过高阶模糊函数[2]估计多项式的各阶系数、逐步消除相位的高次项,并对最终的线性相位信号进行相干积累、在零频处进行恒虚警检测。
该算法存在不足之处,当存在多个机动目标时,多分量信号的高阶瞬时矩会产生大量伪谱峰,当伪谱峰峰值超过自相关项的峰值时会造成相位的高次项系数估计错误,并影响最终的相干积累效果。
在检测多目标时该算法首先检测出最强分量目标,将其剔除,之后检测次强目标,如此循环至检测出所有目标,即算法循环一次只能检测一个目标,整个检测过程计算复6282008年第6期杂度过大;此外,由于预先并不知道回波所含目标的个数,因此算法对某一距离单元回波的检测次数都为系统所容许处理的上限,从而极大降低了系统的检测效率、浪费系统资源。
本文针对上述问题对该算法进行改进,改进后的算法在不改变噪声统计特性的同时能有效抑制多目标产生的伪谱峰、形成距离-加速度谱图,基于距离-加速度谱图的信号检测可直接获取目标的距离和加速度信息,并可大大降低原算法的计算复杂度、提高系统的检测效率。
1 多项式相位法检测机动目标假设高频雷达回波中含M 个机动目标,则回波信号可表示为s (n )=6Mp =1s p (n )=6Mp =1b p exp j62k =0a k,p (n )k(1)对于如式(1)形式的多分量信号,多项式相位法按照如下的步骤进行参数估计及目标检测。
(1)令p =1,估计第p 个目标回波的参数b p ,a 0,p ,a 2,p 。
①取一延迟参数,根据二阶瞬时矩[2]求出二阶模糊函数,并求出二阶模糊函数最大值对应的频率,得到最强目标回波相位二次项的系数a ^2,p 。
②利用a ^2,p 补偿回波相位的二次项:s (n )=s (n )exp-j a ^2,p n 2,求出s (n )频谱最大值对应的频率,得到最强目标回波相位一次项系数a ^1,p 。
③利用a ^1,p 补偿回波相位的一次项:s (n )=s (n )exp-j a ^1,p n 并在零频处对目标进行恒虚警检测。
④剔除c 步骤留下的直流分量并利用a ^2,p 、a ^1,p补偿(b )、(c )步骤中对其他目标的相位影响。
(2)如果p =M ,则算法已经完成了所有目标的检测,否则令p =p +1,回到第(1)步,继续运行算法。
从上述过程可以看出,算法循环一次只能检测一个目标,整个检测过程计算复杂度过大;此外,由于预先并不知道回波所含目标的个数,因此算法对任一波束、距离单元的检测次数都为系统所容许处理的上限,从而降低了系统的检测效率。
当存在多机动目标时,上述多项式相位法会产生大量伪谱峰。
假设多机动目标的回波信号可表示如下。
s (n )=6Mi =1b i exp j4π(v i nT r +0.5a i n 2T 2r )λ+φi(2)其二阶瞬时矩为6Mi 1=16Mi 2=1b i 1b i 2exp ×{[j (b 0,i 1,i 2+b 1,i 1,i 2n +b 2,i 1,i 2n 2)]}(3)其中b 0,i 1,i 2=φi 1-φi 2+4πT r (v i 1+v i 2)τ2λ+2πT 2r (a i 1-a i 2)τ24λ(4)b 1,i 1,i 2=4πT r (v i 1-v i 2)λ+2πT 2r (a i 1+a i 2)τλ(5)b 2,i 1,i 2=2πT 2r (a i 1-a i 2)λ(6)式(4)～(6)中,i 1=i 2的加和项称作自相关项,是频率为2a i T 2r τ谐波信号;i 1≠i 2的项称作交叉项。
如果a i 1=a i 2且v i 1≠v i 2,则交叉项也退化成频率为2T r (v i 1-v i 2)λ+T 2r (a i 1+a i 2)τλ的谐波信号。
这样就无法区分自相关项和交叉项,从而会造成距离-加速度谱图上峰值误检,使算法失效。
2 改进多项式相位法检测机动目标为抑制伪谱峰,对算法进行改进。
采用多组延迟因子分别求二阶模糊函数,将所得加速度谱进行非相干积累。
在这一过程中,因子τi 对应的二阶瞬时矩频率值为f i =2τi aT 2r λ。
即对同一目标,不同的延迟因子将导致各次二阶模糊函数中目标的频率位置不同,无法将目标能量进行有效积累。
为了解决这一问题,使用频率尺度变换算子为τiτ1的Chir p 2Z 变换[3]代替快速傅里叶变换(FFT )求二阶模糊函数。
由于二阶瞬时矩中只有自相关项的频率与τi 成正比,所以Chir p 2Z 变换的尺度变化算子τiτ1将不同延时向量产生的自相关项的频率f i =2τi aT 2r λ对齐至 2008年第6期杨 飞等:一种改进的高频雷达机动目标检测方法629f1=2τ1aT2rλ。
非相干积累后这些自相关项得到加强;不同延迟因子下伪谱峰的频率由于不存在这种正比例关系而在加速度谱上呈随机分布(可称为“白化”),无法有效积累,从而通过增强自相关项达到抑制伪谱峰的目的。
在假设噪声是白噪声的情况下,上述非相干积累过程中,噪声由于其随机性得到平滑,从而降低了后续检测的虚警概率。
上述抑制伪谱峰的过程并没有改变噪声的统计特性。
证明如下。
设回波信号为x(n)=s(n)+N(n)。
其中, s(n)表示线性调频信号,N(n)是白噪声。
回波的二阶瞬时矩为H I M2=n2x3n-=2-21+n+2N3n-22+N n+2s3n-23+N n+2N3n-24(7)其中x3n-2为n-2的复共轭。
上式中第1项是线性调频信号的自相关函数,为谐波信号,且谐波频率与机动目标的加速度有关;第2、3项为信号与噪声的互相关;第4项是白噪声的自相关项,为一冲激函数,其对距离-加速度谱的影响是将噪声基底抬高一个常数。
由此可见,各延迟因子对应的谱图进行非相干积累后,所得到的结果为抑制了伪谱峰的距离-加速度谱图,且噪声的统计特性并未改变,在此谱图上检测目标是完全可行的,该检测模式已得到了仿真结果的证实。
与改进前的算法相比,改进后的算法在计算复杂度上亦有所改善。
设系统容许处理的目标个数为M,回波重复周期数为N,回波波束数为P,距离单元数为Q。
改进前的算法检测全部目标需要进行的复数乘法次数为PQM(4N+N l og2N),需要的复数加法次数为2PQMN l og2N,所需的恒虚警检测次数为PQM;改进后的算法所需复数乘法次数为2PQ K(2N+ N l og2N),所需的复数加法次数为PQ K N l og2N,所需的恒虚警检测次数为PQN,其中K为延迟参数的个数。
改进后的算法虽然增加了延迟参数,但是由于延迟参数的个数K与系统容许处理的上限M之间通常情况下满足M≥5K的关系,比较改进前后算法的计算量可知,改进后算法的计算复杂度至少可以下降一个数量级。
由于M一般小于回波采样点数N,使得恒虚警检测次数增多,综合考虑,改进后算法的计算复杂度得到了改善。
