海面弱目标最优相干和联合特征检测方法研究

发布时间：2020-07-10 11:36

【摘要】：随着隐身技术的发展和许多目标的小型化,海面弱目标已成为雷达执行预警、搜索、警戒的重点对象。弱目标泛指雷达横截面积小、雷达回波往往淹没在强海杂波中的各类海面或海上低空目标。为探测这类弱目标,常常采用高分辨雷达降低海杂波水平和提高目标回波的信杂比。高分辨海杂波表现出概率分布上的非高斯性、时间上的非平稳性、空间上的非均匀性、以及模型参数的空时变特性等复杂特性,这些增大了目标检测的难度。针对传统算法常常出现目标探测性能低和虚警点多的问题,论文研究了海面弱目标的最优相干检测理论和联合特征检测方法。前者注重海杂波统计模型建立和匹配于海杂波统计模型的最优、近最优检测器的设计方法;后者着重于长时累积/观测下的多特征或多帧联合检测方法。研究成果可应用于机载对海预警雷达、海岸警戒雷达、高分辨岛礁、舰船反入侵雷达、高分辨反潜雷达等,提升这些雷达系统的对海探测能力。论文的主要研究成果可概括如下:1.针对K-分布杂波下最优相干检测器(OKD)应用于均匀杂波环境导致性能损失的问题,构造了均匀K-分布杂波环境下的最优相干检测器(Hom-OKD)和相应的自适应检测器。均匀性是指待检测单元和参考单元的杂波向量共享相同的功率,这种情况经常出现在低海况、高分辨海杂波之中。通过把参考单元杂波向量引入似然函数,构造了Hom-OKD,推导证明了Hom-OKD和自适应Hom-OKD对于伽马纹理的尺度参数、多普勒导向矢量、以及散斑协方差矩阵具有恒虚警特性,并给出了非迭代最大似然协方差矩阵估计方法。仿真数据和实测数据的实验结果表明了Hom-OKD在均匀杂波环境下的最优性以及在实际海杂波环境下和OKD的互补性。2.针对传统自适应检测器假设海杂波纹理独立同分布造成的性能损失问题,分别提出了逆伽马纹理和逆高斯纹理复合高斯杂波下基于纹理结构的自适应相干检测器。基于先验知识,纹理是由大尺度的涌浪调制产生,因此引入了相关系数衡量海杂波纹理在距离单元上的相关性。根据这一相关系数,确定与待检测单元纹理相同的距离单元数目,从而为待检测单元提供纹理信息。基于公开实测数据的实验结果表明:对比现有的独立同分布纹理下的检测器,基于纹理结构的检测器充分利用了参考单元传递的纹理信息,能有效提高对海雷达的探测性能。3.针对高分辨海杂波背景下低速漂浮小目标检测概率低的问题,提出了一种基于前-后向收益参考粒子滤波(FB-IRPF)状态估计的自适应组合广义似然比(GLRT)检测方法。长时观测是提高弱小目标累积增益的有效途径,但它同时导致了目标多普勒偏移的非线性和海杂波的非平稳性,往往造成目标漏检。为此,建立了分段线性调频信号模型和分段球不变随机变量杂波模型,并在此模型基础上提出了自适应组合GLRT检测器。为了有效估计所提检测器中目标的瞬时多普勒频率,构建了海杂波背景下具有逆伽马纹理最优相干检测器作为收益函数的FB-IRPF算法。由此,将FB-IRPF的状态估计值代入自适应组合GLRT检测器中形成了新提出的检测器,能同时实现短时相干累积和长时非相干累积。利用实测数据进行实验,结果表明:提出的检测器能有效地探测海杂波背景下的低速漂浮小目标,且在目标和海杂波的多普勒谱分离时具有明显的性能提升。4.针对复杂环境下单个特征无法稳健探测海面小目标的问题,提出了时频特征空间的多特征联合检测方法。为了有效降低海杂波功率水平,首先对待检测单元的时频分布作归一化处理。在归一化时频分布平面内,海杂波的能量随机分散在整个平面;而目标的能量规则地聚集在其瞬时多普勒曲线周围。为反映上述这种特性差异,从归一化时频分布中提取了三个定量的时频特征。然后,目标检测问题就转化为三维时频特征空间中的单分类器设计问题。结合改进的凸包学习算法,提出了基于时频三特征的检测器,能有效提高海杂波和目标在时频特征空间中的可分性。最后,基于实测数据的实验结果表明:相对于现有的分形、一致性因子以及三特征检测器,新提出的检测器具有稳健而明显的整体性能提升。5.针对快扫描模式下无法实现长时累积和高分辨模式下海尖峰造成虚警的问题,提出了一种基于多普勒引导的多帧累积海面小目标检测器。该检测器由扫描周期内和扫描周期间两步检测组成,多普勒信息是连接两者的桥梁。扫描周期内采用最优相干检测获取多普勒信息,并在高的虚警率下尽可能地突显小目标的运动轨迹。由于海尖峰秒级去相关,多帧联合处理能有效地抑制海尖峰,降低虚警率。它沿着多普勒引导的主方向进行小范围的多帧累积,实现了小目标的长时累积增益和计算代价的降低。此外,提出了一种海尖峰仿真模型,包含了海尖峰的持续时间、幅度调制、随机分布等特性。最后,基于仿真数据和实测数据的实验结果都证实了所提检测器具有很好的性能提升,能稳定而高效地探测高分辨海杂波背景下的运动小目标。
【学位授予单位】：西安电子科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN957.51
【图文】：

海杂波,雷达电磁波,低空目标,感兴趣区域

这些海面弱目标与目标本身的物理尺寸、自身材料、结构设计以及电磁散射特性都紧密相关，一直是对海雷达探测和警戒的重点和难点对象。图1.1 典型的海面或海上低空目标海杂波定义为雷达电磁波照射到感兴趣区域时接收到的海表面后向散射回波[5-8]。因此，对海洋雷达来说，无论接收到的回波是否含有目标，海杂波都固定存在，严重影响目标存在性判定。受海洋环境参数（风速、风向、涌浪、温度等）和雷达设备参数（擦地角、雷达波长、极化方式等）的影响，海杂波的物理机制和统计模型建立都比较复杂，难以用简单的数学模型构建。在空间维和时间维上，海杂波表现为长时非平稳而短时平稳、整体非均匀而局部均匀；在多普勒频域上，它具有时变的多普勒偏移和较大的带宽，这也是低速运动目标难以检测的主要原因。国外学者们对海杂波的研究比较早，并公开了两个极其重要的实测海杂波数据库：加拿大McMaster大学IPIX（Intelligent Pixel Processing X-band）数据库[9]和南非的科学与工业研究委员会（Council for Scientific and Industrial Research, CSIR）数据库[10]，为实测海杂波特性研究和各类新检测算法的验证提供了非常宝贵的资源。近年来

框架图,论文,框架

船反入侵雷达和高分辨反潜雷达的对海性能提升。论文的总体研究框架见图 1.2，全文共七章内容，每章安排如下。图1.2 论文总体研究框架第一章为绪论。首先，简要介绍海面弱目标探测的研究背景和重要意义，分析海杂波的物理形成机理及其统计特性，为后续的检测方法奠定基础。其次，结合目前海面目标的研究状况，归纳总结了三类检测方法的特点和适用条件。最后，简单回顾CGM 杂波下的最优相干检测结构，并安排各章内容。第二章针对高分辨、低海况下的局部均匀杂波环境，提出一种均匀 K-分布杂波背景下的最优检测器，称为 Hom-OKD。考虑到实际雷达探测环境，给出具有非迭代最大似然协方差估计的自适应 Hom-OKD。并且

流程图,自适应,流程图,最优相干

但是，目前没有确切的结论说明，自适应 OKD 在 IID 纹理下是否具有对散斑协方差矩阵的 CFAR 特性。图2.1 自适应 OKD 和自适应 Hom-OKD 的流程图接下来，我们需要进一步阐述 Hom-OKD 和自适应 Hom-OKD 在均匀杂波背景下的最优性。众所周知，在推导最优相干检测时，我们假设完全获知了目标和杂波统计

【参考文献】