基于频率扫描天线的目标检测方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及雷达信号检测技术领域，更具体地涉及一种基于频率扫描天线的目标 检测方法。
【背景技术】
[0002] 目标检测一直是雷达、通信等相关领域研宄的重点问题，在诸如手机用户局部定 位、WiFi网络中基于位置的服务、雷达目标定位等许多应用场景，都有广泛需求。其中波达 方向估计（DOA)作为目标检测的一个重要方面，近年来一直备受关注。大部分波达方向估 计系统都利用阵列天线作为接收器，接收的阵列信号用MUSIC算法进行处理得到，然而这 种系统想要提高分辨率需要增加阵元个数，从而导致成本增加、功耗增大、电路结构复杂。
[0003] 频率扫描天线是波束指向随频率变化的一类天线，其中毫米波和太赫兹段的频率 扫描天线的主要应用场景有：用于战场、机场等的区域监视雷达，对二维区域扫描成像，其 中一个维度利用频率控制的波束扫描，另一个维度利用天线转动；用于航天器安全着陆的 地形检测雷达，利用频率扫描天线实现对着陆区域岩石、斜坡等障碍的探测；用于太赫兹二 维成像，其中方位向利用频率扫描探测目标。但是这些雷达都有一个缺陷，在频率扫描方向 的分辨率受制于波束宽度。提高频率扫描方向分辨率的方法通常是增大天线口径以降低天 线波束宽度，但这种方式会带来加工难度的提升，以及设计复杂度的增大，而且在很多时候 由于雷达系统整体的限制，不可能允许天线的尺寸很大。因此，从算法上提高频率扫描方向 目标分辨能力，成为亟待解决的问题。目前，尚未见到有将MUSIC算法应用到基于频率扫描 天线系统的报道。
【发明内容】
[0004] 有鉴于此，本发明的主要目的在于提出一种基于频率扫描天线的目标检测方法， 以通过处理原始回波数据实现目标快速检测及角度超分辨。本发明的方法不需要借助阵列 接收，只需要频率扫描天线发射信号，喇叭或波导端口接收信号，适合用于多个目标的快速 检测。本发明方法可以应用到太赫兹成像、区域监视雷达、无损检测、目标快速识别和跟踪 等领域。
[0005] 为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，本发明提供了一种基于频率扫描天 线的目标检测方法，包括以下步骤：
[0006] 步骤Sl :建立回波信号模型；
[0007] 步骤S2 :对原始回波信号进行子空间平均处理，获得信号矩阵；
[0008] 步骤S3 :对步骤S2中获得的信号矩阵求取自相关矩阵；
[0009] 步骤S4 :对步骤S3中获得的信号自相关矩阵进行特征值分解，得到特征值和特征 向量空间，并将所述特征向量空间分成信号子空间和噪声子空间；
[0010] 步骤S5 :将步骤S4中获得的所述信号子空间和噪声子空间正交，并构造FS-MUSIC 伪谱；
[0011] 步骤S6 :对步骤S5所得伪谱进行谱峰搜索，找出多个极大值点对应的角度就是目 标回波方向。
[0012] 其中，步骤Sl包括：
[0013] 将回波信号表示为 X = AS+U，其中 X = [X (f\)，X (f2)，X (f3) · · ·，X (fN) ]τ，是 N*1 维 回波信号向量，该向量中的每个元素为接收到的不同频率的信号，X(fn)简记为xn，η = 1， 2，·· ·，N ;
[0014] A= [a (f，D a (f，β2)... a (f，βΜ)]，为 N*M 维阵列导向矩阵，其中 A 的每一 列为一个阵列导向矢量；
[0015] a (f，0m) = [a^，|3m)a(f2，|3m)· · · a(fN，|3m)]T，m = 1，2· · ·，M，其中 a(fn，|3m) 为频率4下β m方向的双站方向性系数；
[0016] S= s(f3M)]T，S βπ方向目标的后向散射系数，S(f3 m)简记为 sm，m = 1，2, · · ·，M ;
[0017] U = · .u(fN)]T 为不同频率的噪声，x(fn)简记为 xn，n = 1，2，· · ·，N。
[0018] 其中，步骤SI中的所述双站方向性系数a(fn，βπ)包含幅度或相位信息。
[0019] 其中，步骤S2包括：
[0020] 对原始回波信号X进行子空间平均处理：X = [x{1}x{2}... x{P}]，
[0021] 其中：
[0022] x{1>= [x v x2, . . . , xQ]T
[0023] x{2}= [x 2, x3, · · ·，xQ+1]T，
[0024] ......
[0025] x{P} = [x p，xP+1，. . .，xN]T，P为子空间个数，P > D (设D为目标个数），Q为每个子 空间元素个数，且P+Q+l = M。
[0026] 其中，步骤S3包括：
[0027] 对步骤S2中获得的信号矩阵根据下式求取自相关矩阵：
【主权项】
1. 一种基于频率扫描天线的目标检测方法，包括以下步骤： 步骤S1:建立回波信号模型； 步骤S2:对原始回波信号进行子空间平均处理，获得信号矩阵： 步骤S3 :对步骤S2中获得的信号矩阵求取自相关矩阵： 步骤S4:对步骤S3中获得的信号自相关矩阵进行特征值分解，得到特征值和特征向量 空间，并将所述特征向量空间分成信号子空间和噪声子空间； 步骤S5:将步骤S4中获得的所述信号子空间和噪声子空间正交，并构造FS-MUSIC伪 谱： 步骤S6:对步骤S5所得伪谱进行谱峰搜索，找出多个极大值点对应的角度就是目标回 波方向。
2. 根据权利要求1所述的基于频率扫描天线的目标检测方法，其中步骤S1包括： 将回波信号表示为父=45+1其中父=匕江1)，以4)，1(匕)...，以心)] 1，是淋1维回波 信号向量，该向量中的每个元素为接收到的不同频率的信号，x(fn)简记为xn，n= 1，2,…， N； A=[a(f，02)…a(f，0M)]，为N*M维阵列导向矩阵，其中A的每一列为 一个阵列导向矢量； a(f，0m) = [a^，|3m)a(f2，|3m)…a(fN，|3m)]T，m= 1，2...，M，其中a(fn，|3m)为频 率4下0m方向的双站方向性系数； S= [sWXh)…s(f3M)]T，为方向目标的后向散射系数，s(0m)简记为sm，m= 1，2， U= [iKfXfJ…u(fN)]T为不同频率的噪声，x(fn)简记为xn，n= 1，2，…，N。
3. 根据权利要求2所述的基于频率扫描天线的目标检测方法，其中步骤S1中的所述双 站方向性系数a(fn，包含幅度或相位信息。
4. 根据权利要求2所述的基于频率扫描天线的目标检测方法，其中步骤S2包括： 对原始回波信号X进行子空间平均处理：X= [x{1}x{2}…x{p}]， 其中： X [X i，Xg，? ? ?，Xq]， X - [X2, x3，…，Xq+1], x{P} =[xP，xP+1，…，xN]T，P为子空间个数，P>D(设D为目标个数），Q为每个子空间 元素个数，且P+Q+l=M。
5. 根据权利要求4所述的基于频率扫描天线的目标检测方法，其中步骤S3包括： 对步骤S2中获得的信号矩阵根据下式求取自相关矩阵：
其中，P为子空间个数，H表示共轭转置。
6. 根据权利要求5所述的基于频率扫描天线的目标检测方法，其中步骤S4包括： 对步骤S3中获得的所述信号自相关矩阵进行特征值分解，得到特征值i和特征向量
八 空间五，其中. 且h彡X2彡…彡AQ，特征值对应的特征向量空间
为特征值\(i= 1，2,…，Q)对应的特征向量； 已知目标个数为D，所以只有最大的D个特征值与信号有关，记做信号特征值 _同样与噪声相关的特征值为 9 将特征向量空间分成信号子空间和噪声子空间，其中信号子空间
维度为Q*(Q_D)。 9
7. 根据权利要求6所述的基于频率扫描天线的目标检测方法，其中步骤S5包括： 将步骤S1中阵列导向矢量记做更普遍的形式：a(f，0 ); 将步骤S4中获得的所述信号子空间和噪声子空间正交，由此可知阵列导向矢量与噪 声子空间也正交，即||2=s其中e是一个非常小的数；以及 构造FS-MUSIC伪谱：
其中，0 = { 0p0 2，…，0 M}。
8. 根据权利要求7所述的基于频率扫描天线的目标检测方法，其中步骤S5中所述构造 FS-MUSIC伪谱的公式为具有加权形式的伪谱公式。
9. 根据权利要求7所述的基于频率扫描天线的目标检测方法，其中在步骤S6之后还包 括： 步骤S7 :由频扫天线的发射频率与扫描角度关系，将步骤S6得到的所述多个目标回波 方向换算成多个频点；以及 步骤S8 :将步骤S7得到的所述多个频点及附近频带的信号提取出来，进行脉冲压缩， 得到目标的二维图像。
10. 根据权利要求1所述的基于频率扫描天线的目标检测方法，其中所述目标检测方 法应用到太赫兹成像、区域监视雷达、无损检测、目标快速识别和跟踪领域。
【专利摘要】本发明公开了一种基于频率扫描天线的目标检测方法，通过处理原始回波数据实现目标快速检测及角度超分辨，具体包括：建立回波信号模型；对原始回波信号进行子空间平均处理，获得信号矩阵；对获得的信号矩阵求取自相关矩阵；对获得的信号自相关矩阵进行特征值分解，得到特征值和特征向量空间，并将所述特征向量空间分成信号子空间和噪声子空间；将获得的信号子空间和噪声子空间正交，并构造FS-MUSIC伪谱；对所得伪谱进行谱峰搜索，找出多个极大值点对应的角度就是目标回波方向。本发明的方法不需要借助阵列接收，只需要频率扫描天线发射信号、喇叭或波导端口接收信号，处理简单快速，适合用于多个目标的快速检测。
【IPC分类】G01S7-41
【公开号】CN104777467
【申请号】CN201510158700
【发明人】李超, 李世超, 张晓娟, 方广有
【申请人】中国科学院电子学研究所
【公开日】2015年7月15日
【申请日】2015年4月3日