基于混沌序列預(yù)測(cè)的天波雷達(dá)海雜波抑制方法
【專利摘要】本發(fā)明屬于天波雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，目的是為了解決目前天波雷達(dá)海雜波抑制方法中慢速艦船目標(biāo)檢測(cè)不理想，依賴多個(gè)雜波參考距離單元的相關(guān)性而導(dǎo)致工程實(shí)用性不強(qiáng)，循環(huán)迭代次數(shù)選取困難且精度較低等問題。本發(fā)明的基于混沌序列預(yù)測(cè)的天波雷達(dá)海雜波抑制方法，利用混沌預(yù)測(cè)器獲得海雜波內(nèi)在的混沌動(dòng)力學(xué)模型，通過非線性預(yù)測(cè)的方法對(duì)其進(jìn)行對(duì)消而保留目標(biāo)信號(hào)，包括兩個(gè)過程：訓(xùn)練過程和工作過程。在訓(xùn)練過程采用預(yù)測(cè)器對(duì)一段不包含目標(biāo)或目標(biāo)信號(hào)很弱的海雜波信號(hào)進(jìn)行內(nèi)在規(guī)律的學(xué)習(xí)，在工作過程將待檢測(cè)的目標(biāo)單元信號(hào)通過訓(xùn)練好的預(yù)測(cè)器實(shí)現(xiàn)對(duì)海雜波預(yù)測(cè)和對(duì)消，從而顯出目標(biāo)信息。本發(fā)明適用于天波雷達(dá)。
【專利說明】基于混沌序列預(yù)測(cè)的天波雷達(dá)海雜波抑制方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于天波雷達(dá)【技術(shù)領(lǐng)域】，主要應(yīng)用于天波超視距雷達(dá)中海雜波抑制方面?！颈尘凹夹g(shù)】
[0002]天波超視距雷達(dá)(OTHR,Over-The-Horizon Radar)利用電離層對(duì)高頻電波的反射作用自上而下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)，因此回波信號(hào)中往往帶有強(qiáng)大的海雜波干擾成分，嚴(yán)重影響目標(biāo)檢測(cè)，特別是低速艦船目標(biāo)。由于艦船目標(biāo)本身速度較低，產(chǎn)生的多普勒頻率靠近海雜波，在頻譜上容易被海雜波掩蓋，此外，海面洋流和電離層擾動(dòng)等因素還會(huì)造成海雜波頻譜的展寬，進(jìn)一步增大了目標(biāo)檢測(cè)的難度，因此，研究天波雷達(dá)海雜波抑制方法十分必要。
[0003]目前天波雷達(dá)海雜波抑制方法主要有以下三種:
[0004]I)動(dòng)目標(biāo)顯示(MTI, Moving Target Indication)方法，即多脈沖對(duì)消器
[0005]這種方法實(shí)質(zhì)上就是設(shè)計(jì)一個(gè)濾波器，利用運(yùn)動(dòng)目標(biāo)和雜波在頻譜上的區(qū)別，有效地抑制雜波從而提取出目標(biāo)信號(hào)。該方法包括兩脈沖對(duì)消器，三脈沖對(duì)消器和多脈沖對(duì)消器，對(duì)消器相當(dāng)于一個(gè)高通濾波器，能夠把低頻部分的海雜波抑制掉，而留下多普勒頻率較高的目標(biāo)信號(hào)。該方法使用于高速目標(biāo)的檢測(cè)，但是對(duì)于低速目標(biāo)的效果不理想，因?yàn)榈退倌繕?biāo)產(chǎn)生的多普勒頻率靠近海雜波，位于該濾波器的阻帶部分，無法在頻譜中和海雜波分辨出來，所以容易被當(dāng)成雜波對(duì)消掉。
[0006]2)子空間投影方法
[0007]該方法是利用相鄰距離單元回波信號(hào)具有較高的相似性這個(gè)特點(diǎn)來進(jìn)行雜波抑制的，研究表明相鄰距離單元的回波信號(hào)相似性可以達(dá)到0.8-0.9。因此，利用目標(biāo)所在單元附近相鄰的純海雜波信號(hào)來構(gòu)造濾波器，這樣就可以將目標(biāo)所在距離單元的海雜波信號(hào)濾掉而留下目標(biāo)信號(hào)。該方法的處理思路就是用多個(gè)參考距離單元的回波信號(hào)來構(gòu)造雜波協(xié)方差矩陣，然后對(duì)矩陣進(jìn)行特征分解，根據(jù)特征值大小來區(qū)分，得到回波信號(hào)的雜波子空間和信號(hào)子空間，將當(dāng)前單元帶有目標(biāo)的回波信號(hào)投影到信號(hào)子空間，從而實(shí)現(xiàn)雜波抑制，留下目標(biāo)信號(hào)。該方法可以有效地抑制海雜波，而且適用于低速目標(biāo)的檢測(cè)。但是該方法依賴于相鄰單元海雜波的相關(guān)性，實(shí)際情況下，海態(tài)情況復(fù)雜，海浪運(yùn)動(dòng)速度變化較快，降低了各個(gè)距離單元雜波之間的相關(guān)性，影響算法效果，使雜波抑制性能下降。
[0008]3)海雜波循環(huán)對(duì)消方法
[0009]該方法通過循環(huán)迭代的方法在時(shí)域上依次減去雜波峰值，從而實(shí)現(xiàn)雜波抑制。在艦船檢測(cè)前，直接利用傅里葉譜估計(jì)搜索最大譜峰來雜波分量頻率、幅度和相位，從而重構(gòu)出雜波的時(shí)域信號(hào)，通過循環(huán)迭代的方法在時(shí)域?qū)⒑ｋs波的主峰減去。研究表明，循環(huán)對(duì)消法能夠在短相干積累條件下實(shí)現(xiàn)慢速艦船目標(biāo)的檢測(cè)，有一定的效果。但是具體實(shí)現(xiàn)方面仍然存在以下問題:第一，該方法需要循環(huán)迭代進(jìn)行，需要一個(gè)判決門限來決定何時(shí)停止對(duì)消，不然目標(biāo)信號(hào)也會(huì)被誤認(rèn)為雜波而被對(duì)消掉，但是該門限目前只能根據(jù)經(jīng)驗(yàn)選??；第二，在估計(jì)雜波分量參數(shù)的時(shí)候，由于數(shù)據(jù)序列長度較短，僅利用傳統(tǒng)的傅里葉譜分析估計(jì)雜波參數(shù)，精度不高，造成對(duì)消性能降低。
【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]技術(shù)問題:針對(duì)目前天波雷達(dá)海雜波抑制方法中慢速艦船目標(biāo)檢測(cè)不理想，依賴多個(gè)雜波參考距離單元的相關(guān)性而導(dǎo)致工程實(shí)用性不強(qiáng)，循環(huán)迭代次數(shù)選取困難且精度較低等問題。本發(fā)明的目的就是提供一種天波雷達(dá)海雜波抑制方法以解決上述技術(shù)問題。
[0011]為達(dá)到所述目的，本發(fā)明提供一種基于混沌序列預(yù)測(cè)的天波雷達(dá)海雜波抑制方法，具體方法包括如下步驟:
[0012]A.將臨近目標(biāo)單元的一段不包含目標(biāo)信息或目標(biāo)信息很弱的海雜波信號(hào)作為訓(xùn)練信號(hào)樣本對(duì)預(yù)測(cè)器進(jìn)行訓(xùn)練，收集訓(xùn)練過程中預(yù)測(cè)器的各個(gè)狀態(tài)向量；
[0013]B.根據(jù)預(yù)測(cè)器的狀態(tài)向量計(jì)算預(yù)測(cè)器的最優(yōu)輸出權(quán)值矩陣；
[0014]C.在預(yù)測(cè)器的各個(gè)狀態(tài)向量對(duì)應(yīng)所述最優(yōu)權(quán)值矩陣的狀態(tài)下，將需要檢測(cè)的目標(biāo)單元的回波信號(hào)作為工作信號(hào)通過訓(xùn)練好的預(yù)測(cè)器，得到預(yù)測(cè)器的輸出信號(hào)；
[0015]D.將工作信號(hào)與預(yù)測(cè)器的輸出信號(hào)相減得到預(yù)測(cè)誤差序列，對(duì)預(yù)測(cè)誤差序列作快速傅里葉變換(FFT, Fast Fourier Transform)得到預(yù)測(cè)誤差序列的頻譜,設(shè)置合適的檢測(cè)門限從頻譜中得到目標(biāo)信息。
[0016]具體地，步驟A中對(duì)預(yù)測(cè)器進(jìn)行訓(xùn)練之前需要初始化預(yù)測(cè)器中的各個(gè)參數(shù)，包括預(yù)測(cè)器中儲(chǔ)備池內(nèi)部預(yù)測(cè)單元的個(gè)數(shù)、儲(chǔ)備池預(yù)測(cè)單元權(quán)值矩陣、輸入單元的權(quán)值矩陣和反饋單元的權(quán)值矩陣、輸入單元的個(gè)數(shù)及輸出單元個(gè)數(shù)。
[0017]具體地，所述輸出單元個(gè)數(shù)為I個(gè)。
[0018]具體地，步驟A中所述訓(xùn)練過程中預(yù)測(cè)器的各個(gè)狀態(tài)向量包括預(yù)測(cè)器儲(chǔ)備池內(nèi)部狀態(tài)向量、輸入信號(hào)向量和期望輸出信號(hào)向量，其具體收集方法包括如下步驟:
[0019]Al.初始化x(0) = O, d(0) = O, X(η)是儲(chǔ)備池的內(nèi)部狀態(tài)，d(n)是期望輸出信號(hào);
[0020]A2.令η = 1，2，...，M，根據(jù)狀態(tài)更新方程:
[0021]X (n+1) = tanh (ffmu (n+1) +Wx (n) +ffbackd (η) +ν (η))
[0022]更新儲(chǔ)備池內(nèi)部的狀態(tài)向量，M為訓(xùn)練信號(hào)長度，W為預(yù)測(cè)單元權(quán)值矩陣，Win為輸入單元的權(quán)值矩陣，Wback為反饋單元的權(quán)值矩陣，ν (η)為隨機(jī)噪聲信號(hào)；
[0023]A3.從η為Mtl時(shí)開始收集狀態(tài)向量X (η)、輸入信號(hào)向量u (η)以及期望輸出信號(hào)向量d(n)，構(gòu)成狀態(tài)矩陣S = [S(Mtl) ；s(M0+1) ；...A(M1)]和期望輸出向量d = [d(M0)；d(M0+l) ；...J(M1)L 其中 s (i) = [x(i) ；u(i) ；d(1-l)]T, M1 = M-K+l，設(shè)信號(hào)的長度 T =M-Mtl+1，則狀態(tài)矩陣S e RTX(N+K+1)，期望輸出向量d e RTX1，其中，K為輸入單元個(gè)數(shù)，N為儲(chǔ)備池內(nèi)部預(yù)測(cè)單元的個(gè)數(shù)，M0為大于I小于或等于M的整數(shù)。
[0024]具體地，步驟B中根據(jù)預(yù)測(cè)器的輸出方程d(n+l) = Wout (u (n+1) ；x(n+l) ；d(n))T,采用遞歸最小二乘算法計(jì)算最優(yōu)輸出權(quán)值矩陣，其思路為:在n-Ι時(shí)刻估計(jì)出的所求權(quán)向量的最小二乘估計(jì)?’(/7-1)的基礎(chǔ)上，利用當(dāng)前η時(shí)刻引入的觀測(cè)數(shù)據(jù)，用迭代的方法得到η時(shí)刻所求權(quán)向量的最小二乘估計(jì)何《),根據(jù)遞推算法不斷修正，不斷減少輸出信號(hào)與期望信號(hào)的誤差，直到輸出信號(hào)達(dá)到所要求的精度為止；
[0025]具體方法包括如下步驟:[0026]B1.初始化Ww"(0) = 0, P(O) = S-1I, δ是小的正數(shù)，I是單位矩陣；
[0027]Β2.更新η = 1，2，...，Τ，完成如下運(yùn)算:.P(" —l)s(")
【權(quán)利要求】
1.基于混沌序列預(yù)測(cè)的天波雷達(dá)海雜波抑制方法，其特征在于，包括如下步驟: A.將臨近目標(biāo)單元的一段不包含目標(biāo)信息或目標(biāo)信息很弱的海雜波信號(hào)作為訓(xùn)練信號(hào)樣本對(duì)預(yù)測(cè)器進(jìn)行訓(xùn)練，收集訓(xùn)練過程中預(yù)測(cè)器的各個(gè)狀態(tài)向量； B.根據(jù)預(yù)測(cè)器的各個(gè)狀態(tài)向量計(jì)算預(yù)測(cè)器的最優(yōu)輸出權(quán)值矩陣； C.在預(yù)測(cè)器的各個(gè)狀態(tài)向量對(duì)應(yīng)所述最優(yōu)權(quán)值矩陣的狀態(tài)下，將需要檢測(cè)的目標(biāo)單元的回波信號(hào)作為工作信號(hào)通過訓(xùn)練好的預(yù)測(cè)器，得到預(yù)測(cè)器的輸出信號(hào)； D.將工作信號(hào)與預(yù)測(cè)器的輸出信號(hào)相減得到預(yù)測(cè)誤差序列，對(duì)預(yù)測(cè)誤差序列作快速傅里葉變換得到預(yù)測(cè)誤差序列的頻譜，設(shè)置合適的檢測(cè)門限從頻譜中得到目標(biāo)信息。
2.如權(quán)利要求1所述的基于混沌序列預(yù)測(cè)的天波雷達(dá)海雜波抑制方法，其特征在于，步驟A中對(duì)預(yù)測(cè)器進(jìn)行訓(xùn)練之前需要初始化預(yù)測(cè)器中的各個(gè)參數(shù)，包括預(yù)測(cè)器中儲(chǔ)備池內(nèi)部預(yù)測(cè)單元的個(gè)數(shù)、預(yù)測(cè)單元權(quán)值矩陣、輸入單元的權(quán)值矩陣和反饋單元的權(quán)值矩陣、輸入單元的個(gè)數(shù)及輸出單元個(gè)數(shù)。
3.如權(quán)利要求2所述的基于混沌序列預(yù)測(cè)的天波雷達(dá)海雜波抑制方法，其特征在于，所述輸出單元個(gè)數(shù)為I個(gè)。
4.如權(quán)利要求1所述的基于混沌序列預(yù)測(cè)的天波雷達(dá)海雜波抑制方法，其特征在于，步驟A中所述訓(xùn)練過程中預(yù)測(cè)器的各個(gè)狀態(tài)向量包括預(yù)測(cè)器儲(chǔ)備池內(nèi)部狀態(tài)向量、輸入信號(hào)向量和期望輸出信號(hào)向量，其具體收集方法包括如下步驟: Al.初始化X (O) = O, d(0) = O, X (η)是儲(chǔ)備池的內(nèi)部狀態(tài)，d(n)是期望輸出信號(hào)； A2.令η = 1，2，...，M，根據(jù)狀態(tài)更新方程:
X (n+1) = tanh (ffmu (η+1) +Wx (n) +Wback d (η) +ν (η)) 更新儲(chǔ)備池內(nèi)部的狀態(tài)向量，M為訓(xùn)練信號(hào)長度，W為預(yù)測(cè)單元權(quán)值矩陣，Win為輸入單元的權(quán)值矩陣，Wback為反饋單元的權(quán)值矩陣，ν (η)為隨機(jī)噪聲信號(hào)； A3.從η為Mtl時(shí)開始收集狀態(tài)向量χ(η)、輸入信號(hào)向量u(n)以及期望輸出信號(hào)向量d(n)，構(gòu)成狀態(tài)矩陣S = [S(Mtl) ；s(M0+1) ；...^(M1)]和期望輸出向量d= [d(M0)；d(M0+l) ；...J(M1)L 其中 s (i) = [x(i) ；u(i) ；d(1-l)]T, M1 = M-K+l，設(shè)信號(hào)的長度 T =M-Mtl+1，則狀態(tài)矩陣S e RTX(N+K+1)，期望輸出向量d e RTX1，其中，K為輸入單元個(gè)數(shù)，N為儲(chǔ)備池內(nèi)部預(yù)測(cè)單元的個(gè)數(shù)，M0為大于I小于或等于M的整數(shù)。
5.如權(quán)利要求1所述的基于混沌序列預(yù)測(cè)的天波雷達(dá)海雜波抑制方法，其特征在于，步驟B中根據(jù)預(yù)測(cè)器的輸出方程d(n+l) =ff0Ut(u(n+l) ；x(n+l) ;d(η))τ，采用遞歸最小二乘算法計(jì)算最優(yōu)輸出權(quán)值矩陣W°ut，其思路為:在n-Ι時(shí)刻估計(jì)出的所求權(quán)向量的最小二乘估計(jì)W(n-1)的基礎(chǔ)上，利用當(dāng)前η時(shí)刻引入的觀測(cè)數(shù)據(jù)，用迭代的方法得到η時(shí)刻所求權(quán)向量的最小二乘估計(jì)耐《)，根據(jù)遞推算法不斷修正，不斷減少輸出信號(hào)與期望信號(hào)的誤差，直到輸出信號(hào)達(dá)到所要求的精度為止； 具體方法包括如下步驟: B1.初始化W°u;(O) = O, P(O) = δ^Ι, δ是小的正數(shù)，I是單位矩陣； Β2.更新η = 1，2，...，Τ,完成如下運(yùn)算:
增碰矢里:
6.如權(quán)利要求4或5所述的基于混沌序列預(yù)測(cè)的天波雷達(dá)海雜波抑制方法，其特征在于，步驟C中所述預(yù)測(cè)器的輸出信號(hào)的具體獲得方法為:利用預(yù)測(cè)器的狀態(tài)更新方程:x(n + l)- tanh(Winu(n + 1) + Wx(n) + Wbacky(n) + v(n)) 和輸出方程:
y(n +1) = Wout (U(n + l);x(n + l); y(n))T， 通過不斷迭代求得工作階段預(yù)測(cè)器輸出信號(hào), n = \,2,...,M , M為工作信號(hào)長度。
【文檔編號(hào)】G01S7/36GK104007423SQ201410227772
【公開日】2014年8月27日 申請(qǐng)日期:2014年5月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年5月27日
【發(fā)明者】張亞璇, 林志榕, 李萬閣, 艾慧, 胡進(jìn)峰 申請(qǐng)人:電子科技大學(xué)