基于gcv的機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種基于GCV的機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)方法，用于解 決機(jī)載雷達(dá)中基于對(duì)角加載估計(jì)協(xié)方差矩陣估計(jì)時(shí)計(jì)算對(duì)角加載參數(shù)的問題，可用于改善 空時(shí)自適應(yīng)處理性能。
【背景技術(shù)】
[0002] 空時(shí)自適應(yīng)處理（Space Time Adaptive Processing，STAP)是一種聯(lián)合空域和時(shí) 域的濾波方法，其可以有效抑制地面雜波，提高機(jī)載雷達(dá)對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的檢測(cè)能力。STAP在計(jì) 算自適應(yīng)濾波權(quán)值矢量時(shí)，需要利用雜波分布和噪聲分布的期望協(xié)方差矩陣，實(shí)際情況中 該期望協(xié)方差矩陣無法獲得，這時(shí)STAP通常利用距離維的數(shù)據(jù)作為訓(xùn)練樣本來估計(jì)協(xié)方 差矩陣；當(dāng)訓(xùn)練樣本數(shù)充足且滿足獨(dú)立同分布的條件時(shí)，估計(jì)的協(xié)方差矩陣可以收斂于期 望協(xié)方差矩陣，此時(shí)自適應(yīng)濾波可以取得較好的性能，因此，協(xié)方差矩陣的估計(jì)在STAP中 占有重要的位置。
[0003] 機(jī)載雷達(dá)在實(shí)際中面臨的雜波環(huán)境常常呈現(xiàn)非均勻性。地表覆蓋類型變化、地形 高程起伏、訓(xùn)練樣本中的目標(biāo)信號(hào)以及強(qiáng)雜波離散點(diǎn)等破環(huán)了訓(xùn)練樣本的均勻假設(shè)，這些 非理想的因素使得機(jī)載雷達(dá)接收數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)特性隨時(shí)間和空間產(chǎn)生變化，在這種情況下， 機(jī)載雷達(dá)獲取大量的獨(dú)立同分布的訓(xùn)練樣本是不切實(shí)際的。當(dāng)均勻訓(xùn)練樣本數(shù)目不足時(shí)， 估計(jì)的協(xié)方差矩陣相對(duì)于真實(shí)的協(xié)方差矩陣會(huì)產(chǎn)生較大的偏差，從而導(dǎo)致機(jī)載雷達(dá)的雜波 抑制與目標(biāo)檢測(cè)性能下降。
[0004] 為了克服均勻訓(xùn)練樣本數(shù)目不足的問題，研究人員提出了多種解決辦法。Guerci J R、Zhu C等人提出了降秩處理方法，該方法是一種基于特征子空間的方法，其利用了空時(shí) 協(xié)方差矩陣的低秩特性，然而，該方法中雜波秩的確定是一個(gè)較為復(fù)雜的問題；由于雜波子 空間的泄漏問題，按照理論計(jì)算的雜波秩與實(shí)際的雜波秩不一致，從而造成降秩處理方法 性能下降。Yang Z C、馬澤強(qiáng)等人提出了基于稀疏恢復(fù)的直接數(shù)據(jù)域方法，該方法利用空時(shí) 快拍數(shù)據(jù)在角度多普勒域的稀疏性，采用稀疏恢復(fù)的方法獲得雜波的空時(shí)二維譜，接著利 用雜波的空時(shí)二維譜與字典矩陣重構(gòu)雜波的協(xié)方差矩陣，然而，陣元誤差和通道誤差會(huì)導(dǎo) 致構(gòu)造的字典矩陣與實(shí)際的數(shù)據(jù)不匹配，從而造成了稀疏恢復(fù)的雜波的空時(shí)二維譜的不準(zhǔn) 確以及重構(gòu)的協(xié)方差矩陣的誤差。Carlson B D提出了基于對(duì)角加載的協(xié)方差矩陣估計(jì)方 法，該方法通過融合采樣協(xié)方差矩陣與結(jié)構(gòu)化的對(duì)角矩陣來提高協(xié)方差矩陣的估計(jì)精度， 該方法運(yùn)算量低、實(shí)用性強(qiáng)，在穩(wěn)健波束形成與動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)等方面均取得了明顯的增益，其 中，結(jié)構(gòu)化的對(duì)角矩陣中的對(duì)角加載參數(shù)通?？梢愿鶕?jù)機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)的噪聲功率水平來確 定，然而，實(shí)際工程應(yīng)用中噪聲功率的實(shí)時(shí)、準(zhǔn)確測(cè)定非常困難。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 針對(duì)上述現(xiàn)有技術(shù)的不足，本發(fā)明的目的在于提出一種基于GCV的機(jī)載雷達(dá)目標(biāo) 檢測(cè)方法，該方法利用廣義交叉驗(yàn)證（generalized cross validation，GCV)準(zhǔn)則來計(jì)算對(duì) 角加載參數(shù)，能夠有效提高機(jī)載雷達(dá)在低樣本條件下的目標(biāo)檢測(cè)性能。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案予以實(shí)現(xiàn)。
[0007] -種基于GCV的機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)方法，其特征在于，包括以下步驟：
[0008] 步驟1，設(shè)定機(jī)載雷達(dá)工作在脈沖多普勒體制下，設(shè)定X為檢測(cè)單元的數(shù)據(jù)向量； 將機(jī)載雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)問題描述為二元假設(shè)檢驗(yàn)問題，判斷檢測(cè)單元是否存在目標(biāo)信 號(hào)；將所述二元假設(shè)檢驗(yàn)問題轉(zhuǎn)化為求解對(duì)角加載參數(shù)的約束優(yōu)化問題；所述二元假設(shè)檢 驗(yàn)問題包括H。假設(shè)和H i假設(shè)，若H。假設(shè)成立，則認(rèn)為檢測(cè)單元不存在目標(biāo)信號(hào)；若H i假設(shè) 成立，則認(rèn)為檢測(cè)單元存在目標(biāo)信號(hào)；
[0009] 步驟2,將求解對(duì)角加載參數(shù)的約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)變?yōu)門ikhonov規(guī)劃的罰函數(shù)系數(shù) 估計(jì)問題；
[0010] 步驟3,根據(jù)Tikhonov規(guī)劃的罰函數(shù)系數(shù)估計(jì)問題，基于廣義交叉驗(yàn)證（GCV)準(zhǔn) 貝ij，構(gòu)造求解罰函數(shù)系數(shù)的約束優(yōu)化問題；
[0011] 所述求解罰函數(shù)系數(shù)λ的約束優(yōu)化問題為：
[0012]
[0013] s.t.〇_㈧彡 λ<σ_(Α)
[0014] 其中，系數(shù)矩陣A =於1/2β，= .於為采樣協(xié)方差矩陣，B為阻塞矩陣， Ws為靜態(tài)權(quán)值矢量，N為陣元數(shù)，M為機(jī)載雷達(dá)在一個(gè)相干處理間隔內(nèi)發(fā)射的脈沖數(shù)， σ_( ·)和σ_( ·)表示矩陣的最小奇異值和最大奇異值，Wa為自適應(yīng)權(quán)值矢量，Wa = (ΑΗΑ+λ2Ι2) 1AV tr( ·)表示矩陣的跡，上標(biāo)H表示共輒轉(zhuǎn)置，12為（NM-I) X (NM-I)維的 單位矩陣，11 · 11表示2范數(shù)；
[0015] 步驟4,將系數(shù)矩陣進(jìn)行奇異值分解，根據(jù)系數(shù)矩陣的奇異值展開形式簡化求解罰 函數(shù)系數(shù)的約束優(yōu)化問題中的目標(biāo)函數(shù)，得到簡化的目標(biāo)函數(shù)；
[0016] 步驟5,根據(jù)簡化的目標(biāo)函數(shù)，采用割線法求得最終的罰函數(shù)系數(shù)和最終的對(duì)角加 載參數(shù)；
[0017] 步驟6,根據(jù)最終的對(duì)角加載參數(shù)求得濾波權(quán)值矢量，并根據(jù)濾波權(quán)值矢量計(jì)算檢 測(cè)單元的濾波輸出值；將檢測(cè)單元的濾波輸出值與預(yù)設(shè)的門限值比較，若檢測(cè)單元的濾波 輸出值大于或等于預(yù)設(shè)的門限值，則氏假設(shè)成立，認(rèn)為檢測(cè)單元不存在目標(biāo)信號(hào)；若檢測(cè)單 元的濾波輸出值小于預(yù)設(shè)的門限值，則H。假設(shè)成立，認(rèn)為檢測(cè)單元存在目標(biāo)信號(hào)。
[0018] 與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明具有以下優(yōu)點(diǎn)：
[0019] 本發(fā)明中，首先，將機(jī)載雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)問題轉(zhuǎn)化為求解對(duì)角加載參數(shù)的約束 優(yōu)化問題；接著，將計(jì)算對(duì)角加載參數(shù)的約束優(yōu)化問題轉(zhuǎn)化為Tikhonov規(guī)劃的罰函數(shù)系數(shù) 估計(jì)問題，并利用廣義交叉驗(yàn)證準(zhǔn)則構(gòu)造求解罰函數(shù)系數(shù)的約束優(yōu)化問題；然后，采用割線 法求解罰函數(shù)系數(shù)的約束優(yōu)化問題，計(jì)算得到最終的對(duì)角加載參數(shù)；最后，根據(jù)最終的對(duì)角 加載參數(shù)計(jì)算檢測(cè)單元的濾波輸出值，從而判斷檢測(cè)單元是否存在目標(biāo)；本發(fā)明方法具有 良好的參數(shù)估計(jì)性能，并且顯著提高了機(jī)載雷達(dá)在低樣本條件下的目標(biāo)檢測(cè)性能。
【附圖說明】
[0020] 下面結(jié)合【附圖說明】和【具體實(shí)施方式】對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說明。
[0021 ] 圖1為本發(fā)明的流程圖；
[0022] 圖2為四種方法在理想情況下的輸出檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量結(jié)果示意圖，橫坐標(biāo)為距離單元 序號(hào)；縱坐標(biāo)為檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，單位為分貝（ dB);
[0023] 圖3為四種方法在考慮陣元幅相誤差時(shí)的輸出檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量結(jié)果示意圖，橫坐標(biāo)為 距離單元序號(hào)；縱坐標(biāo)為檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，單位為分貝（dB);
[0024] 圖4為四種方法在考慮雜波內(nèi)部運(yùn)動(dòng)時(shí)的輸出檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量結(jié)果示意圖，橫坐標(biāo)為 距離單元序號(hào)；縱坐標(biāo)為檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，單位為分貝（dB);
[0025] 圖5為四種方法對(duì)MCARM數(shù)據(jù)的輸出檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量結(jié)果示意圖，橫坐標(biāo)為距離單元 序號(hào)；縱坐標(biāo)為檢測(cè)統(tǒng)計(jì)量，單位為分貝（dB)。
【具體實(shí)施方式】
[0026] 參照?qǐng)D1，本發(fā)明的一種基于GCV的機(jī)載雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)方法，包括以下具體步驟：
[0027] 步驟1，設(shè)定機(jī)載雷達(dá)工作在脈沖多普勒體制下，設(shè)定X為檢測(cè)單元的數(shù)據(jù)向量； 將機(jī)載雷達(dá)對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)問題描述為二元假設(shè)檢驗(yàn)問題，判斷檢測(cè)單元是否存在目標(biāo)信 號(hào)；將所述二元假設(shè)檢驗(yàn)問題轉(zhuǎn)化為求解對(duì)角加載參數(shù)的約束優(yōu)化問題；所述二元假設(shè)檢 驗(yàn)問題包括H。假設(shè)和H i假設(shè)，若H。假設(shè)成立，則認(rèn)為檢測(cè)單元不存在目標(biāo)信號(hào)；若H i假設(shè) 成立，則認(rèn)為檢測(cè)單元存在目標(biāo)信號(hào)。
[0028] 步驟1的具體子步驟為：
[0029] I. 1設(shè)定機(jī)載雷達(dá)陣列為均勻線陣，陣元數(shù)為N，陣元間距為d，機(jī)載雷達(dá)的工作波 長為λ，