一种单脉冲雷达导引头的不可分辨多目标检测方法

摘要

本发明公开了一种单脉冲雷达导引头不可分辨多目标检测方法，包括如下步骤：对不可分辨多目标建模，建立信号向量与参数向量的关系；根据所建模型中的参数，采用粒子集合描述跟踪信息；将该粒子集合作为粒子的先验集合，对该粒子集合进行重采样，所得到的粒子复制到后验粒子集合中，并重复此操作Np次，得到k-1时刻的后验粒子集合；计算先验粒子的权值并归一化，并通过计算目标观测量下的边缘后验密度，得到k时刻雷达天线指向向量，本发明通过将跟踪状态信息和粒子滤波有效结合，实现了雷达波束内同一距离和速度单元内对多目标的分辨能力，获取多个不可分辨多目标的角度信息，提高了雷达导引头角跟踪精度和稳定度，同时提高了抗角闪烁的能力。

说明书

技术领域

本发明涉及目标跟踪技术，特别是涉及一种单脉冲雷达导引头的不可分辨多目标检测方法。

背景技术

目标跟踪技术无论是在军事领域还是民用领域如防空、空中交通管制、空中导弹防御、卫星监控、空中目标攻击、机载预警、地面预警系统等均有广泛的应用。改善现有装备的硬件设备，比如采用阵列天线、高分辨力雷达等能显著提高目标跟踪能力，但目前单脉冲雷达广泛装备于制导武器中，若是整体更新换代，将带来巨大的费用，因此不改变现有装备，实现导引头的多目标检测是较为经济的手段。

传统单脉冲雷达导引头目标检测的方法主要有比幅法（振幅定向法）、比相法、相位-幅度比较法三种。

比幅法（振幅定向法）单脉冲雷达中，为了确定一个平面内的角坐标，就需要形成两个互相叠交的天线方向图，并且它们的中心线对等强信号方向偏离的角度分别为±θ°。当目标在偏离等强信号方向θ处时，由两个波束收到信号的振幅差即表示目标对等强信号方向的偏移量，振幅差值的符号表示等强信号方向相对于目标的偏离方向。当等强信号方向与目标重合时，由两个波束收到回波信号的振幅相等，其差值就等于零。

比相法是将两个天线所收到信号的相位加以比较来确定目标在一个坐标平面内的方向。在较远的区域内，两个天线都照射着同一空间范围。因此，由点目标反射回来的信号，实际上是振幅相同，而相位不同。根据两个分开的天线所收到回波信号的相位差来确定到达角。

相位-幅度比较法中，采用两个跟踪坐标，一个跟踪坐标内用比幅法，另一个跟踪坐标内用比相法。该方法除了因目标噪声而存在交调失真项和可能发生模糊跟踪点外，其他与比幅、比相法相同。

上述三种方法为传统的单脉冲雷达常用的目标检测跟踪方法，但这些方法在检测目标数量上受到限制，即最多可检测两个目标，远远不能满足现代战场对武器装备的需求。

传统单脉冲雷达的偏离角度是复角度表示的实部，而不可分辨目标或多路径的存在使其实部变形，即使角度表示产生误差或错误，从而使其存在虚部，该虚部可通过处理差信号的正交相位部分而非常容易地得到。因此，两个不可分辨目标的角度、幅度比和相对相位从理论上可通过两个脉冲间隔的复角度表示的测量而得到，且这种复角度表示方法无需改变天线方向图从而获取角误差，但该方法通过复匹配滤波器最多可提取两个不可分辨目标。

对于多目标的检测问题一直是单脉冲雷达所需解决的棘手问题，应用于服役的单脉冲雷达大多采用传统的比幅、比相，或更进一步采用最大似然法，但最多只可检测出2个目标。

另外，角闪烁问题是影响单脉冲雷达导引头目标检测、角度跟踪精度的重要因素之一，当导引头接近目标时，复杂目标不同部位的散射强度和相对相位的随机变化，必然造成目标回波相位随机波前面的畸变，波前在接收天线口径面上的倾斜和随机摆动必然引起测角误差。目标角闪烁在本质上属于目标的特征信号，是跟踪雷达本身无法克服的问题，从目标特性研究的角度上来看，凡尺寸与波长相比拟，具有两个或以上等效散射中心的任何体目标，都会产生角闪烁线偏差。

发明内容

为克服上述现有技术存在的不足，本发明之一目的在于提供一种单脉冲雷达导引头的不可分辨多目标检测方法，通过将跟踪状态信息和粒子滤波有效结合，实现了雷达波束内同一距离和速度单元内对多目标的分辨能力，获取多个不可分辨多目标的角度信息，提高了雷达导引头角跟踪精度和稳定度，同时提高了抗角闪烁的能力。

本发明之另一目的在于提供一种单脉冲雷达导引头的不可分辨多目标检测方法，其可降低信号处理的计算量，满足单脉冲雷达导引头跟踪实时性要求。

为达上述及其它目的，本发明提出一种单脉冲雷达导引头不可分辨多目标检测方法，包括如下步骤：

步骤一，对不可分辨多目标建模，建立信号向量与参数向量的关系；

步骤二，根据所建模型中的参数，采用粒子集合$>{\{x_{k-1}^{j,i},w_{k-1}^{j,i}\}}_{\left(\begin{array}{cc}j=1& i=1\end{array}\right)}^{\left(\begin{array}{cc}{N}_p& N_{k-1}\end{array}\right)}$>描述跟踪信息，其中，N_k-1为跟踪数，由前面k-1次递归决定，N_p为每次跟踪的粒子数，状态向量x包括目标的运动状态和平均雷达截面积，为加权系数；

步骤三，将该粒子集合作为粒子的先验集合，对该粒子集合进行重采样，所得到的粒子复制到后验粒子集合中，并重复此操作N_p次，得到k-1时刻的后验粒子集合$>{\{x_{k-1}^{j,i},w_{k-1}^{j,i}\}}_{\left(\begin{array}{cc}j=1& i=1\end{array}\right)}^{\left(\begin{array}{cc}{N}_p& N_{k-1}\end{array}\right)};$>

步骤四，计算先验粒子的权值并归一化，并通过计算目标观测量下的边缘后验密度，得到k时刻雷达天线指向向量$>{\hat{p}}_k={\left(\begin{array}{ccc}{\hat{r}}_k& {\hat{a}}_k& {\hat{e}}_k\end{array}\right)}^T,$>其中分别为指向距离、方位、俯仰。

进一步地，信号向量z＝[s_I d_aI d_eI s_Q d_aQ d_eQ]^T；参数向量φ^N＝[α₀₁,...,α_0N,η_a1,...,η_aN,η_e1,...,η_eN]^T，其中，s_I、s_Q分别为和信号的I相和Q相；d_aI、d_aQ分别为方位差信号的I相和Q相；d_eI、d_eQ分别为俯仰差信号的I相和Q相；N为不可分辨目标数；α_i、η_ai、η_ei分别为信号的幅度、方位向DOA、俯仰向DOA。

进一步地，于步骤一中，假设目标为斯威林类型，建立信号向量与参数向量的关系。

进一步地，于步骤四之前，采用距离门对跟踪检测进行分组，每组对应一个验证矩阵。

进一步地，于步骤三中，每次递归中采用贝叶斯模型选择确定检测事件。

与现有技术相比，本发明一种单脉冲雷达导引头不可分辨多目标检测方法在建立不可分辨多目标模型的基础上，借助跟踪信息来实现不可分辨多目标的检测，实现了雷达波束内同一处理单元内的多目标检测，获取多个不可分辨目标的角度信息，提高了雷达导引头角跟踪精度和稳定度，同时提高了抗角闪烁的能力。

附图说明

图1为本发明一种单脉冲雷达导引头不可分辨多目标检测方法的步骤流程图。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例并结合附图说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭示的内容轻易地了解本发明的其它优点与功效。本发明亦可通过其它不同的具体实例加以施行或应用，本说明书中的各项细节亦可基于不同观点与应用，在不背离本发明的精神下进行各种修饰与变更。

图1为本发明一种单脉冲雷达导引头不可分辨多目标检测方法的步骤流程图。如图1所示，本发明一种单脉冲雷达导引头不可分辨多目标检测方法，包括如下步骤:

步骤101，对不可分辨多目标建模。

典型的单脉冲雷达对每个定向坐标平面都要采用两个独立的接收支路，即方位平面内两个支路，俯仰平面内两个支路，因此本发明为二维角度测量，采用四个斜视子脉冲，则接收端可得到三个信号，即和信号s、方位差信号d_a、俯仰差信号d_e，分别表示为：

$>s=\frac{1}{2}(A+B+C+D)---\left(1\right)$>

$>d_a=\frac{1}{2}[(C+D)-(A+B)]---\left(2\right)$>

$>d_e=\frac{1}{2}[(A+C)-(B+D)]---\left(3\right)$>

上面三个通道的信号经过解调和匹配滤波后的输出为：

$>s_I=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\alpha }_i\cos {\phi }_i+n_{\mathrm{sI}}---\left(4\right)$>

$>s_Q=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\alpha }_i\sin {\phi }_i+n_{\mathrm{sQ}}---\left(5\right)$>

$>d_{\mathrm{aI}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\eta }_{\mathrm{ai}}{\alpha }_i\cos {\phi }_i+n_{\mathrm{daI}}---\left(6\right)$>

$>d_{\mathrm{aQ}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\eta }_{\mathrm{ai}}{\alpha }_i\sin {\phi }_i+n_{\mathrm{daQ}}---\left(7\right)$>

$>d_{\mathrm{eI}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\eta }_{\mathrm{ei}}{\alpha }_i\cos {\phi }_i+n_{\mathrm{deI}}---\left(8\right)$>

$>d_{\mathrm{eQ}}=\underset{i=1}{\overset{N}{\Sigma }}{\eta }_{\mathrm{ei}}{\alpha }_i\sin {\phi }_i+n_{\mathrm{deQ}}---\left(9\right)$>

其中，s_I、s_Q分别为和信号的I相和Q相；d_aI、d_aQ分别为方位差信号的I相和Q相；d_eI、d_eQ分别为俯仰差信号的I相和Q相；N为不可分辨目标数；α_i、η_ai、η_ei分别为信号的幅度、方位向DOA（Direction of Arrival，波达角）、俯仰向DOA；φ_i为第i个目标的相位角；通道噪声n_sI、n_sQ为零均值，方差为的高斯分布；通道噪声n_daI、n_daQ、n_deI、n_deQ为零均值，方差为的高斯分布。

根据公式（4）-（9），可得到信号向量z＝[s_I d_aI d_eI s_Q d_aQ d_eQ]^T和参数向量φ^N＝[α₀₁,...,α_0N,η_a1,...,η_aN,η_e1,...,η_eN]^T。然后假设目标为斯威林（Swerling）类型，从而建立信号向量与参数向量的关系。

通过上述途径得到的信号模型，具有实际可操作性，便于分析和后续处理。

步骤102，采用粒子集合$>{\{x_{k-1}^{j,i},w_{k-1}^{j,i}\}}_{\left(\begin{array}{cc}j=1& i=1\end{array}\right)}^{\left(\begin{array}{cc}{N}_p& N_{k-1}\end{array}\right)}$>（其中，N_k-1为跟踪数，由前面k-1次递归决定；N_p为每次跟踪的粒子数；状态向量x包括目标的运动状态和平均雷达截面积；为加权系数）来描述跟踪信息，此描述信息决定了下次驻留时间内天线指向。

步骤103，将该粒子集合作为粒子的先验集合，对该集合进行重采样，所得到的粒子复制到后验粒子集合中，重复此操作N_p次，得到k-1时刻的后验粒子集合$>{\{x_{k-1}^{j,i},w_{k-1}^{j,i}\}}_{\left(\begin{array}{cc}j=1& i=1\end{array}\right)}^{\left(\begin{array}{cc}{N}_p& N_{k-1}\end{array}\right)}.$>

步骤104，计算先验粒子的权值并归一化。此时，通过计算目标观测量下的边缘后验密度可得到k时刻雷达天线指向向量$>{\hat{p}}_k={\left(\begin{array}{ccc}{\hat{r}}_k& {\hat{a}}_k& {\hat{e}}_k\end{array}\right)}^T$>（其中分别为指向距离、方位、俯仰）。

虽然粒子滤波技术对处理非高斯非线性问题具有较好的效果，但其存在粒子退化、计算量较大、计算复杂等缺点。为了实现粒子滤波多目标检测的有效性和实时性，本发明于步骤103中采用重采样方法，使低加权的粒子被舍弃，那些高权重相乘得到的粒子具有相同的权重，从而减弱粒子衰退。根据雷达回波可得到各种目标检测事件，这就增加了信号处理的负担。同时，为了减少计算量，于步骤104之前，本发明使用距离门对跟踪检测进行分组，每组对应一个验证矩阵，而通过验证矩阵可构建所有可能目标检验事件的不同假设。在粒子滤波的每次递归中采用贝叶斯模型选择来确定检测事件，这样有利于通过蒙特卡洛法计算多重积分。

为有效评估本发明之不可分辨多目标检测方法的好坏，本发明利用Cramer-Rao下限（CRLB）来评价无偏估计量，即为无偏估计量的方差确定一个下限。根据CRLB定理，推导被估计参数的方差所需满足的最小值，用于分析跟踪误差性能。同时，本发明利用Matlab对本发明进行仿真，并在外场对本发明进行原理性验证。

利用Matlab对本发明之不可分辨多目标检测方法进行仿真，采用如下方法进行试验与验证：

第一，假定一个目标、两个不可分辨目标、三个不可分辨目标三种情况下分析算法的性能，并利用推导的CRLB来评估检测算法，绘出跟踪误差曲线；

第二，理论上最大似然估计器只能估计两个不可分辨目标，而对于多个不可分辨目标的估计无能为力。为了更好地说明项目所提出的算法的性能，我们将该算法与最大似然估计器作对比分析。该分析在存在两个、三个不可分辨目标情况下进行，绘出两种算法的误差曲线，同时比较两种算法的实时性；

第三，假设最开始三个目标是可分辨的，并以线性运动持续相互接近，然后其中两个目标持续协调转弯。在持续时间内，三个目标开始变为不可分辨目标，待三个目标完全变为不可分辨目标后，目标开始持续协调转弯，然后作持续线性运动。在该场景下，仿真分析算法的跟踪性能；

第四，假设当前仅存在一个目标，而后出现另外一个目标，两个目标运动轨迹平行，且不可分辨，分析该场景下算法检测性能。

在Matlab理论仿真的基础上，充分利用实验室资源，对算法进行外场试验验证。采用四路接收机为四个幅相特性相同的一次变频双边带接收机，四路接收机共用同一个3GHz的锁相本振进行混频，接收机输出频率为20MHz、带宽为±3MHz的射频信号。首先用E4422B型信号发生器产生2.98GHz的高频信号，再用喇叭发射天线将此信号辐射出去。设置三个不可分辨多目标，其RCS不同，即一个角反射器、一个球形金属、一个矩形金属体，且按照预设的规律将目标放置在不同距离上。不可分辨多目标的辐射信号，经天线进入接收机，利用数据采集卡得到原始数据，最后利用本发明进行目标波达角DOA的估计。

本发明通过蒙特卡洛仿真25000次，具有如下结果：

（1）当只存在一个目标时，且信噪比SNR=20dB，探测概率为90%，虚警概率为1%；

（2）当存在两个目标时，且两个目标的信噪比SNR=13dB，探测概率为%92，虚警概率为1%，探测概率的大小取决于两个目标分离的角度；

（3）当存在三个目标时，且目标1的信噪比SNR=20dB，目标2和目标3的信噪比SNR=13dB，则探测概率为94%，虚警概率为5%。

基于蒙特卡洛仿真的结果，在外场试验中，三个目标分别为角反射器、球形金属、矩形金属体。试验结果基本与蒙特卡洛仿真结果相同，但需要特别指出，当信噪比小于13dB时，且目标的波达角DOA偏离天线的半波束宽度，虚警概率会有所增高。

综上所述，本发明一种单脉冲雷达导引头不可分辨多目标检测方法实现了一种可有效进行多个不可分辨目标检测的方法，该方法可使在不改变现有装备配置前提下，实现单脉冲雷达导引头对3个及以上多目标的检测，且可有效提高抗角闪烁及对机群目标的检测能力。

上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何本领域技术人员均可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰与改变。因此，本发明的权利保护范围，应如权利要求书所列。