本發(fā)明涉及一種非平穩(wěn)海雜波背景下子帶分段自適應(yīng)歸一化匹配濾波器(adaptive normalized matched filter,ANMF)檢測(cè)方法，屬于雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

在海面目標(biāo)檢測(cè)中，采用匹配于海雜波統(tǒng)計(jì)特性的自適應(yīng)目標(biāo)檢測(cè)算法是一種普遍采用的技術(shù)手段。在高分辨率、低擦地角條件下，實(shí)測(cè)海雜波的幅度不再服從瑞利分布，呈現(xiàn)出明顯的空時(shí)非平穩(wěn)特性，使得參考樣本數(shù)目受限于檢測(cè)器的積累時(shí)間，從而限制了檢測(cè)器的檢測(cè)性能。此外，在高掠海角條件下，目標(biāo)常常會(huì)被海雜波淹沒(méi)，容易造成漏檢情況的發(fā)生?，F(xiàn)有的海面目標(biāo)檢測(cè)方法大多無(wú)法很好解決上述問(wèn)題。例如，南京航空航天大學(xué)申請(qǐng)的發(fā)明專利：一種基于局部相關(guān)性的改進(jìn)子空間海雜波抑制方法(專利申請(qǐng)?zhí)枺篊N201410346178.1，公開(kāi)號(hào)：CN104155632A)，該專利申請(qǐng)通過(guò)計(jì)算待檢測(cè)距離單元與相鄰距離單元之間的相關(guān)系數(shù)，自適應(yīng)地確定組成協(xié)方差矩陣的參考單元，對(duì)構(gòu)成的協(xié)方差矩陣進(jìn)行奇異值分解(singular value decomposition,SVD)，得到海雜波所在的子空間，最終實(shí)現(xiàn)對(duì)海雜波的抑制。又例如南京信息工程大學(xué)申請(qǐng)的發(fā)明專利：一種基于參數(shù)選擇的雷達(dá)海雜波自適應(yīng)抑制處理方法(專利申請(qǐng)?zhí)枺篊N201410487752.5，公開(kāi)號(hào)：CN104215944A)，該專利申請(qǐng)通過(guò)對(duì)前N幀雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，得出這些數(shù)據(jù)的各種模型特征參數(shù)值；然后將參數(shù)值分別代入到瑞利分布模型、對(duì)數(shù)正態(tài)分布模型、韋布爾分布模型、K分布模型中，得到四種模型的分布曲線圖；再與雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的分布曲線圖作比較，選擇最接近的模型作為海雜波對(duì)消的背景。上述兩項(xiàng)專利申請(qǐng)存在的主要不足是：沒(méi)有利用目標(biāo)與雜波多普勒頻率之間可能存在差異這一特點(diǎn)來(lái)提高自適應(yīng)檢測(cè)器的信雜比；并沒(méi)有顯著增加檢測(cè)器的積累時(shí)間，導(dǎo)致性能提升并不明顯。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的在于解決了上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，提出一種非平穩(wěn)海雜波背景下子帶分段ANMF檢測(cè)方法。

1.要解決的技術(shù)問(wèn)題

本發(fā)明的目的是為非平穩(wěn)海雜波背景下的雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)提供一種自適應(yīng)檢測(cè)方法，其中要解決的主要技術(shù)問(wèn)題包括：

(1)雷達(dá)海面回波數(shù)據(jù)的分割方法。

(2)雷達(dá)海面回波數(shù)據(jù)的子帶分解方法。

(3)每個(gè)子帶上分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的導(dǎo)出，保證由短向量計(jì)算產(chǎn)生的海雜波協(xié)方差矩陣能準(zhǔn)確地反映海雜波特性。

(4)子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的導(dǎo)出，使得檢測(cè)器能在多普勒頻域?qū)崿F(xiàn)對(duì)目標(biāo)的跟蹤累積，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)變速目標(biāo)的檢測(cè)。

(5)子帶分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的導(dǎo)出。

2.技術(shù)方案

本發(fā)明解決其技術(shù)問(wèn)題所采取的技術(shù)方案是：一種非平穩(wěn)海雜波背景下子帶分段ANMF檢測(cè)方法，該方法采用子帶分解和時(shí)域分段累積相結(jié)合的方式，能在實(shí)測(cè)海雜波數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)中獲得更好的檢測(cè)性能，所述方法包括如下步驟：

步驟1：將待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)x(n)分割為一系列長(zhǎng)度為N的長(zhǎng)向量，再將長(zhǎng)向量分割為一系列長(zhǎng)度為I的短向量；

步驟2：采用線性相位離散傅里葉變換調(diào)制濾波器組對(duì)分割后的待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行子帶分解；

步驟3：在每個(gè)子帶上，構(gòu)建子帶短向量對(duì)應(yīng)的分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量；

步驟4：取所有子帶上，相同子帶短向量時(shí)段對(duì)應(yīng)的分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的最大值作為子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量；

步驟5：在長(zhǎng)向量對(duì)應(yīng)時(shí)段內(nèi)，對(duì)連續(xù)的Q個(gè)子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量求和，得到子帶分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量ξ。

進(jìn)一步，步驟1中所述的長(zhǎng)向量N與短向量I滿足關(guān)系式：

N＝I*Q

其中，N、Q、I均為正整數(shù)。

進(jìn)一步，步驟2中所述的線性相位離散傅里葉變換調(diào)制濾波器組包含有2P+1個(gè)子帶濾波器，第p個(gè)子帶濾波器的結(jié)構(gòu)為：

其中，P為某一正整數(shù)，p表示子帶序號(hào)，ω表示數(shù)字角頻率，H(ω)為低通原型濾波器的頻率響應(yīng)形式，H(ω)＝∑h(l)e^-jlω，h(l)是通帶位于[-π/(2P+1),π/(2P+1)]的低通原型濾波器的時(shí)域表達(dá)式，l＝0,1,…,2L，L為某一正整數(shù)；分解所得的2P+1組子帶分解信號(hào)中，第p組子帶信號(hào)x_p(n)的表達(dá)式為：

其中，表示卷積運(yùn)算，h_p(l)為第p個(gè)子帶濾波器對(duì)應(yīng)的時(shí)域表達(dá)式，x(n)為待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)。

進(jìn)一步，步驟3中所述的分段檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，在一個(gè)長(zhǎng)向量時(shí)段內(nèi)，第p個(gè)子帶上的第q個(gè)分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量ξ_q(x_q,p|p)的表達(dá)式為：

其中，x_q,p表示第p個(gè)子帶上，長(zhǎng)向量中的第q個(gè)短向量，|·|表示取模值，H表示共軛轉(zhuǎn)置，(·)^-1表示矩陣求逆，稱為多普勒導(dǎo)向矢量，f_d表示多普勒頻率，T_r表示脈沖重復(fù)周期，[·]^T表示取轉(zhuǎn)置，Ω_p表示第p個(gè)子帶的多普勒頻率取值范圍：

其中，f_r＝1/T_r為脈沖重復(fù)頻率；在第p個(gè)子帶上，長(zhǎng)向量中的第q個(gè)短向量對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣的表達(dá)式為：

其中，K表示參考單元數(shù)目，r為參考樣本數(shù)據(jù)，r_q,p；k表示由第k個(gè)參考樣本數(shù)據(jù)得到的第p個(gè)子帶上，長(zhǎng)向量中的第q個(gè)短向量。

進(jìn)一步，步驟4中所述的子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的表達(dá)式為：

其中，Θ_p為子帶序號(hào)所有可能取值的集合。

進(jìn)一步，步驟5中所述的子帶分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量ξ表達(dá)式為：

其中，ξ即為本發(fā)明得到的子帶分段ANMF檢測(cè)器。

3.有益效果

本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)比較具有以下優(yōu)點(diǎn)：

(1)本發(fā)明提出的子帶分段ANMF檢測(cè)方法，將積累時(shí)間對(duì)應(yīng)的長(zhǎng)向量分割成一系列連續(xù)的短向量，并采用復(fù)合高斯模型對(duì)短向量進(jìn)行建模。因?yàn)榉指铌P(guān)系式只需滿足N＝I*Q，所以短向量長(zhǎng)度I的設(shè)置具有較大的靈活性。當(dāng)I取值合適時(shí)，計(jì)算得到的雜波協(xié)方差矩陣能夠充分反應(yīng)海雜波特性。

(2)本發(fā)明提出的子帶分段ANMF檢測(cè)方法，通過(guò)在同一短向量時(shí)段內(nèi)，取分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量在所有子帶上的最大值作為子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，在多普勒頻域角度實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)能量的跟蹤累積。因此，子帶分段ANMF檢測(cè)方法不僅適合用于勻速目標(biāo)的檢測(cè)，而且還適用于變速目標(biāo)的檢測(cè)。

(3)本發(fā)明提出的子帶分段ANMF檢測(cè)方法，因?yàn)獒槍?duì)短向量進(jìn)行建模，所以參考樣本數(shù)將不再受限于累積脈沖數(shù)N，而只與I有關(guān)。采用對(duì)子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量求和的方式可以在不增加參考樣本的前提下，有效地延長(zhǎng)檢測(cè)器的累積時(shí)間，從而使檢測(cè)性能得到較大的提升。理論上，當(dāng)I取值合適時(shí)，N取得越大，性能提升越明顯。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明提出的非平穩(wěn)海雜波背景下子帶分段ANMF檢測(cè)方法流程圖。

圖2為本發(fā)明提出的子帶分段ANMF檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明與組合自適應(yīng)廣義似然比線性門限檢測(cè)器(combined adaptive generalized likelihood ratio test-linear threshold detector,CA-GLRT-LTD)的性能對(duì)比圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合說(shuō)明書附圖1、附圖2對(duì)本發(fā)明創(chuàng)造作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明。

本發(fā)明所述的非平穩(wěn)海雜波背景下子帶分段ANMF檢測(cè)方法包括以下技術(shù)措施：首先，將待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)分割為一系列長(zhǎng)度為N的長(zhǎng)向量，再將每個(gè)長(zhǎng)向量分解為Q個(gè)長(zhǎng)度為I的短向量，分割方式滿足N＝I*Q；其次，利用包含2P+1個(gè)通道的線性相位DFT調(diào)制濾波器組對(duì)經(jīng)過(guò)分割的待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行子帶分解，獲得2P+1組子帶分解信號(hào)；然后，在每個(gè)子帶上獲得子帶短向量對(duì)應(yīng)的分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量；接著，取所有子帶上相同短向量時(shí)段對(duì)應(yīng)的分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的最大值作為子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量；最后，對(duì)長(zhǎng)向量時(shí)段對(duì)應(yīng)的Q個(gè)子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量求和，獲得子帶分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量。

如圖1所示，本發(fā)明提供了一種非平穩(wěn)海雜波背景下子帶分段ANMF檢測(cè)方法，該方法包括：

步驟1：將待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)分割為一系列長(zhǎng)度為N的長(zhǎng)向量，再將每個(gè)長(zhǎng)向量分割為Q個(gè)長(zhǎng)度為I的短向量，分割方式滿足N＝I*Q。其中，N、Q、I均為正整數(shù)，I的取值應(yīng)使估計(jì)產(chǎn)生的協(xié)方差矩陣與真實(shí)雜波協(xié)方差矩陣接近。

步驟2：利用包含2P+1個(gè)子帶濾波器的線性相位DFT調(diào)制濾波器組對(duì)分割后的待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行子帶分解，獲得2P+1組子帶信號(hào)。每組子帶信號(hào)仍保留原待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)的分割形式，即待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)上的長(zhǎng)、短向量分解為相同時(shí)段上的2P+1個(gè)子帶長(zhǎng)、短向量。包含2P+1個(gè)子帶濾波器的DFT調(diào)制濾波器組中，第p個(gè)子帶濾波器的結(jié)構(gòu)為：

其中，P為某一正整數(shù)，p表示子帶序號(hào)，ω表示數(shù)字角頻率。H(ω)為低通原型濾波器的頻率響應(yīng)形式，H(ω)＝∑h(l)e^-jlω，h(l)是通帶位于[-π/(2P+1),π/(2P+1)]的低通原型濾波器的時(shí)域表達(dá)式，l＝0,1,…,2L，L為某一正整數(shù)。分解所得的2P+1組子帶信號(hào)中，第p組子帶信號(hào)x_p(n)的表達(dá)式為：

其中，x(n)為待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)，h_p(l)為第p個(gè)子帶濾波器對(duì)應(yīng)的時(shí)域表達(dá)式，表示卷積運(yùn)算。

步驟3：在每個(gè)子帶上，獲得子帶短向量時(shí)段對(duì)應(yīng)的分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量。在一個(gè)長(zhǎng)向量時(shí)段內(nèi)，第p個(gè)子帶上的第q個(gè)分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量ξ_q(x_q,p|p)的表達(dá)式為：

其中，x_q,p表示第p個(gè)子帶上，長(zhǎng)向量中的第q個(gè)短向量，|·|表示取模值，H表示共軛轉(zhuǎn)置，(·)^-1表示矩陣求逆，稱為多普勒導(dǎo)向矢量，f_d表示多普勒頻率，T_r表示脈沖重復(fù)周期，[·]^T表示取轉(zhuǎn)置，Ω_p表示第p個(gè)子帶的多普勒頻率取值范圍：

其中f_r＝1/T_r為脈沖重復(fù)頻率。在第p個(gè)子帶上，長(zhǎng)向量中的第q個(gè)短向量對(duì)應(yīng)的協(xié)方差矩陣的表達(dá)式為：

其中，K表示參考單元數(shù)目，r為參考樣本數(shù)據(jù)，r_q,p；k表示由第k個(gè)參考樣本數(shù)據(jù)得到的第p個(gè)子帶上，長(zhǎng)向量中的第q個(gè)短向量。

步驟4，在同一短向量時(shí)段內(nèi)，取所有子帶上分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的最大值作為子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量。在一個(gè)長(zhǎng)向量時(shí)段中，第q個(gè)短向量時(shí)段對(duì)應(yīng)的子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量表達(dá)式為：

其中，Θ_p為子帶序號(hào)所有可能取值的集合。

步驟5，在長(zhǎng)向量時(shí)段內(nèi)，對(duì)Q個(gè)連續(xù)的子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量求和，得到子帶分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量ξ，其表達(dá)式為：

步驟6，將子帶分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量ξ與門限進(jìn)行比較，

其中，η為檢測(cè)門限。當(dāng)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的值小于η時(shí)，則表示H₀假設(shè)成立，判定目標(biāo)不存在；當(dāng)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的值大于η時(shí)，則表示H₁假設(shè)成立，判定目標(biāo)存在。

如圖2所示是本發(fā)明提出的子帶分段ANMF檢測(cè)器的結(jié)構(gòu)圖，其中x(n)為待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)，x₁、x₂、……、x_Q為分割而成的Q個(gè)短向量，I為每個(gè)短向量包含的脈沖數(shù)。一組x₁、x₂、……、x_Q短向量組成一個(gè)長(zhǎng)向量。N表示一個(gè)長(zhǎng)向量包含的脈沖數(shù)，滿足關(guān)系式N＝I*Q。每個(gè)短向量經(jīng)過(guò)子帶分解(Subband Decomposition)后，得到2P+1個(gè)子帶短向量。例如x₁經(jīng)過(guò)子帶分解后得到x_1,-P、x_1,-P+1、……、x_1,P。圖中的表示ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量構(gòu)造器，子帶短向量通過(guò)ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量構(gòu)造器后得到分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量。圖中的表示在構(gòu)造產(chǎn)生的2P+1個(gè)檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量中取最大值。圖中的為求和器，表示對(duì)x₁、x₂、……、x_Q得到的2P+1個(gè)分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量最大值求和，為相加器，為判決器。求和器的輸出與門限的負(fù)值相加，得到的差值經(jīng)過(guò)判決器。若差值為正，則H₁假設(shè)成立，判目標(biāo)存在；若差值為負(fù)，則H₀假設(shè)成立，判目標(biāo)不存在。

本發(fā)明提出的非平穩(wěn)海雜波背景下子帶分段ANMF檢測(cè)方法可以通過(guò)下面的實(shí)驗(yàn)進(jìn)一步驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)使用IPIX雷達(dá)采集的海雜波數(shù)據(jù)來(lái)分析子帶分段ANMF的檢測(cè)性能，提供數(shù)據(jù)的網(wǎng)址：http://soma.mcmaster.ca/ipix.php，數(shù)據(jù)名為：19980223-170435(距離分辨率為15m)，HH極化，該數(shù)據(jù)共含有60000個(gè)時(shí)間脈沖，34個(gè)距離單元?？紤]到部分距離單元數(shù)據(jù)可能被污染，故而發(fā)明人選取了其中30個(gè)純海雜波單元的數(shù)據(jù)，仿真目標(biāo)被加在第10個(gè)距離單元上。

圖3是本發(fā)明提出的子帶分段ANMF檢測(cè)方法與CA-GLRT-LTD的檢測(cè)性能比較圖。顯然，在目標(biāo)多普勒頻率分別為59Hz，177Hz，413Hz時(shí)，子帶分段ANMF的檢測(cè)性能都要明顯優(yōu)于CA-GLRT-LTD。

綜上所述，本發(fā)明公開(kāi)了一種非平穩(wěn)海雜波背景下的子帶分段ANMF檢測(cè)方法，該方法是在非平穩(wěn)海雜波背景下，基于子帶分段ANMF檢測(cè)器的目標(biāo)檢測(cè)方法。首先，將待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)分解為一系列長(zhǎng)度為N的長(zhǎng)向量，再將每個(gè)長(zhǎng)向量分解為一系列長(zhǎng)度為I的短向量，分割方式滿足N＝I*Q。其次，利用包含2P+1個(gè)通道的線性相位離散傅里葉變換(DFT)調(diào)制濾波器組對(duì)經(jīng)過(guò)分割的待檢測(cè)單元數(shù)據(jù)進(jìn)行子帶分解，獲得2P+1組子帶分解信號(hào)。然后，在每個(gè)子帶上構(gòu)造短向量對(duì)應(yīng)的分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量。接著，取所有子帶上同一短向量時(shí)段對(duì)應(yīng)的分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量的最大值作為子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，最后，對(duì)長(zhǎng)向量時(shí)段內(nèi)的Q個(gè)子檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量求和，獲得子帶分段ANMF檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量。

以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明。凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。