一种实现分布式无源雷达目标检测的方法
【专利摘要】本发明公开了一种实现分布式无源雷达目标检测的方法，该方法属于无源雷达目标检测技术领域。现有的目标检测是对每个双基地对单独进行相关和过门限处理完成目标检测，再利用估计得到目标的双基地距离和多普勒信息开展目标定位，导致后续在实现目标准确定位的过程中需解决复杂的定位模糊问题。为此，本发明引入目标位置和速度矢量，构造了一种集中式目标检测统计量，使得在实现目标检测的同时也实现了对目标的定位，不需要再处理目标定位模糊问题。此外，本方法在检测前对多个发射接收对进行非相参积累，从而获得空间分集增益，可以提高目标检测概率，获得更稳定的目标检测性能，为实现对目标的连续稳定跟踪提供了基础。
【专利说明】
一种实现分布式无源雷达目标检测的方法
技术领域
[0001 ]本发明属于无源雷达目标检测技术领域，特别涉及一种实现分布式无源雷达目标 检测的方法。
【背景技术】
[0002] 无源雷达系统采用第三方辐射源发射的信号，如FM广播、DAB、DVB-T、GPS信号、各 种移动通信基站发射的信号，对目标进行照射实现对空中小目标和低空飞行目标的探测和 定位，因此也称为外辐射源雷达。在过去十几年里，无源雷达系统的目标检测和定位性能一 直在稳步提高。但是，从系统体制上看，近些年公开的无源雷达系统主要是基于单发单收的 双基地几何架构，目标检测性能受目标的几何位置和姿态变化的影响很大，进而使其在目 标探测稳定性和跟踪连续性上存在不足。为了弥补无源雷达在实际应用中存在的差距，进 一步推动无源雷达的作战应用，欧洲和美国许多研究机构都已开展了基于FM、DAB、DVB-T信 号的辐射源的多发多收体制的分布式无源雷达技术的研究。
[0003] 分布式无源雷达经典的目标检测过程是利用每个发射机-目标-接收机双基地对， 通过使天线定向指向发射机和预计目标出现的区域来获取目标回波信号，然后计算参考通 道和监视通道接收信号间的互模糊函数或广义互相关来实现目标检测。由于其目标检测过 程是在每个双基地发射接收对内分别进行的，因此是分布式目标检测。此外，采用多发多收 几何架构的分布式无源雷达系统的目标检测和定位处理分两步进行，即首先对每个双基地 发射机和接收机对单独进行相关和过门限处理完成目标检测，然后利用得到的双基地距离 多普勒图估计得到目标的双基地距离和多普勒信息，再采用交叉定位和多步迭代的思想进 一步实现对目标的精确定位。这种传统处理方法的最大缺陷就是多步迭代处理耗时较长， 且定位过程中存在的定位模糊问题即目标"鬼点"，需要复杂的去"鬼点"逻辑，通过后续进 一步的处理加以去除。在实际运用中，由于多个接收机布站受复杂地形环境的影响，存在不 同接收机阵列间很难解决的定位模糊问题。
【发明内容】
[0004] 本发明的目的是提供一种实现分布式无源雷达目标检测的方法，能够用于解决多 发多收几何架构下分布式无源雷达系统的目标检测问题，其中要解决的技术问题包括：
[0005] (1)给出多发多收几何架构下，建立分布式无源雷达直达波信号分量和目标回波 信号分量的实施过程；
[0006] (2)在多发多收几何架构下，构建分布式无源雷达实现集中式目标检测统计量和 目标检测的实施过程。
[0007] 本发明所述的一种实现分布式无源雷达目标检测的方法，包括以下步骤：
[0008] (1)建立多发多收几何架构下分布式无源雷达直达波信号分量和目标回波信号分 量，具体实施过程包括如下步骤：
[0009] A1.构建多发多收几何架构下，分布式无源雷达系统中第i个辐射源发射的信号被 第j个接收机阵列的第n阵元接收到并经基带处理后的直达波信号分量歧"
[0010] A2.构建目标运动时，分布式无源雷达系统中第i个辐射源发射的信号经目标反射 后被第j个接收机阵列的第n阵元接收到并经基带处理后的目标回波信号分量.tG);
[0011 ] A3.对第ij个双基地对中，第j个接收机的第n个阵元接收到的由直达波和目标回 波及接收机噪声的和组成的信号巧（〇进行量化采样，采用时延多普勒算子表示其离散形 式，并给出波束形成后的目标回波信号<和直达波参考信号:sf;
[0012] A4.利用分布式无源雷达系统中Nr个接收机阵列接收到的与Nt个非合作雷达辐射 源对应的所有直达波和目标回波信号采样，构造由直达波和目标回波信号组成的矩阵s;
[0013] (2)多发多收几何架构下，分布式无源雷达开展集中式目标检测的实施步骤，具体 包括如下子步骤：
[0014] B1.引入待检测目标的位置和速度信息，作为目标检测单元，利用回波信号矩阵s 构建二元备择假设检验；
[0015] B2.利用已构建的假设检验，推导其广义对数似然比，得到分布式无源雷达目标检 测的集中式检测统计量Is;
[0016] B3.根据分布式无源雷达系统中所有信号的实际采样，计算出目标检测统计量|rs， 通过比较检测统计量Is与门限的大小，然后判定目标是否存在，完成目标检测。
[0017]优选的，步骤(1)中的每个接收机阵列都同时接收直达波信号和目标回波信号，再 通过波束形成算法分别得到直达波信号分量和目标回波信号分量；
[0018] 优选的，步骤(1)中不同接收机阵列之间是非相参的，且目标检测过程中不同接收 机阵列之间不需要开展相位同步处理。
[0019] 与分布式无源雷达目标检测的经典方法相比，本发明在构造的集中式目标检测器 时，引入了目标位置和速度矢量，使得在实现目标检测的同时，间接实现了对目标的定位， 不需要再进行额外的定位和解模糊处理，节省了定位时间；目标检测过程获得了空间分集 增益，提高了目标检测概率，获得了更稳定的目标检测性能，为实现对目标的连续稳定跟踪 提供了基础。此外，本发明采用接收机阵列天线同时接收直达波信号和目标回波信号，再通 过波束形成分别得到直达波信号分量和目标回波信号分量，不需要两个单独的天线分别接 收直达波信号和目标回波信号，在开展目标检测过程中不同接收机阵列间是非相参的，不 同接收机阵列间不需要开展相位同步处理。
【附图说明】
[0020] 图1是本发明的分布式无源雷达的拓扑结构示意图。
[0021] 图2是本发明的分布式无源雷达第ij对发射机-目标-接收机的几何关系图。
[0022] 图3是本发明的第ij个双基地对对应直达波和目标回波信号的波束形成示意图。
[0023] 图4是本发明的分布式无源雷达目标检测方法实施流程图。
[0024] 图5是本发明实施例的计算机仿真结果示意图。
【具体实施方式】
[0025]以下结合说明书附图对本发明作进一步详细描述。
[0026] 如图1所示，分布式无源雷达系统包括Nt个发射机，发射机在无源雷达领域中也称 为非合作辐射源，Nr个接收机阵列，1个目标，其中Nt彡2，Nr>2。
[0027] 如图2所示，分布式无源雷达系统中的第ij对发射机-目标-接收机也称为第ij个 双基地对，第i个发射机的位置和速度分别记为心和# :，i = 1，…，Nt，第j个接收机阵列的位 置和速度分别记为4和户，j = l，-_，Nr，而目标的位置和速度分别记为t和丨，其中、rj、 P、t、i[都是时间的函数。一般情况下，发射机和接收机、目标都是运动的。第i个发射机到第 j个接收机的距离为苽(，)=|^'-皮|。类似地，巧(?) = |卜叫|和祀(?) = |p-t|分别表示第i 个发射机到目标的距离和目标到第j个接收机的距离。第j个接收天线是有个阵元的阵 列，$》2，1彡j彡Nr，第n个阵元的位置为rf=r/ + 8丨，1 < ? < 其中r/ = P是参考阵元 的位置，8;(是第n个阵元相对参考阵元的指向偏移矢量，而S/ =0 ;接收天线阵列的阵元数都 相同，即W ，j = 1，…，Nr。第j个接收机的第n个阵元到位置x的单位指向矢量为，
。在远场，对于给定的x，，即从阵列阵元到远场某一 位置的单位指向矢量近似相等。
[0028] 如图3所示，多发多收几何架构下分布式无源雷达系统中，所有无源接收机均采用 阵列天线，通过波束形成的方法分别形成参考通道和目标监视通道，从而实现直达波信号 和目标回波信号的分别接收。
[0029] 第i个辐射源发射的信号为
[0030] ".' (，）= "，(z)，".，e [(),，] (I )
[0031 ]其中，屹为载频，T为信号持续时间，#为第i个发射机对应的信号，u1 (t)为对应 的复包络，频域为UUco)，带宽为B1，且当| ? l〉^1时，1]1(?)~0，丨，7/(/):/ = 1,.、％}在频 域没有重叠。
[0032]信号沿着直达路径和目标路径通道传播到第j个接收机，第j个接收机阵列的第n 个阵元接收到的信号是来自所有在接收机带内的直达波信号和目标回波及接收机噪 声之和，即
[0034]其中，< ⑷和 分别为直达路径和目标路径通道的幅度系数，P为与第ij个 双基地对对应目标的复双基地反射系数，和分别对应直达路径和目标路径通 道的传播时延，$ W是功率谱密度为巧|?-?/卜的广义平稳高斯白噪声， 带宽为F，载频为_ at道系数和⑷考虑了发射、传播以及直达路径和目标路径 通道的影响，
，其中，《 为第i个发射机指向X的有效辐射功率^ =r/./::为第i个发射机发射信号的波长，C为光速， 乂:'二。在[0，T]内，< ⑴、《(/)和咫⑴都不会有显著变化，因此，a:;~:;（〇|_和 。信号K⑷经下变频和频域信道化处理后，提取每个发射信号的复基带信号， 记第i个通道的复基带信号为 <，利用式（1)和(2)，第j个接收机的第n个阵元接收到的信号 为
[0035]
[0036] 其中，03为第j个接收机下变频处理时本振的未知相位，表明不同接收机间是非相 参的，不同接收机阵列间不需要开展相位同步处理。
[0037] 如图4所示，本发明提供一种实现分布式无源雷达目标检测定位的方法，具体实施 方式包括以下步骤：
[0038] A1.构建多发多收几何架构下，分布式无源雷达系统中第i个辐射源的发射信号被 第j个接收机阵列的第n阵元接收到并经基带处理后直达波信号分量具体过程如下：
[0040] 其中，4 (/)=被"⑴/c，私⑷为第i个发射机到第j个接收机阵列的第n阵元间的 距离，考虑阵元间距后，进一步表示为
[0041]
[0042] 复指数项^^^⑷只与阵元数n有关。令碑卞')为复指数项的相位，
[0044]其中，。对式(5)进行窄带近似，即信号复包络在整个阵列 内都近似为常数，则
[0048]其中，4 =蹲/c，= 1 -忠 /r为时间尺度因子，为非合作辐射源和接收机阵列 间相对运动导致的多普勒频率，定义为
[0050]则第j个接收机的第n阵元接收到的由第i个辐射源发射的经基带处理后直达波信 号分量为
[0052]式中，（a)为幅度尺度因子，（b)为未知本振相位，（c)为第n个阵元接收直达波信号 相对参考阵元的相位差，（d)为参考载频延时引入的相位差，（e)为时延后的复基带信号， (f)为多普勒调制因子。
[0053]因此，直达波信号分量构建为
[0055] 其中，/丨是第ij个直达路径通道传播系数
[0056] A2.构建目标运动且目标各向散射不同时，第i个辐射源发射的信号经目标反射后 被第j个接收机阵列的第n阵元接收到并经基带处理后的目标回波信号分量，具体过 程如下：
[0060]式中（a)为幅度尺度因子，（b)为未知本振相位，（c)为第n个阵元接收目标回波信 号相对参考阵元的相位差，（d)参考载频相位因子，（e)时延后复基带信号，（f)多普勒频率 因子，而rf为从第i个发射机到目标到第j个接收机的双基地时间延迟，即
[0062] >9,f⑴为第n个阵元接收目标回波信号相对参考阵元的相位差，即
[0064] 为目标的双基地多普勒频移
[0066]因此，第i个辐射源发射的信号经目标反射后被第j个接收机阵列的第n阵元接收 到，并经基带处理后的目标回波信号分量构建为
[0068]其中，ff是第ij个目标路径通道系数，
[0069] A3.对第ij个双基地对中，第j个接收机的第n个阵元接收到的由直达波和目标回 波及接收机噪声的和组成的信号进行量化采样，采用时延多普勒算子表示其离散形 式，并给出波束形成后的目标回波信号<和直达波参考信号，具体过程如下：
[0070] 以// =1/7：=灰的采样频率进行量化采样，则=彳卜幻，得离散信号形式为
[0072]其中，为总采样点数，直达波stM和目标回波AW的量化形式分别为
[0075]其中，vf 分别为每个样本的归一化多普勒频率，单位为弧度， S ，分别为每个样本的归一化时延。记|>f = sf [，]，[<" ]; = ([/]， 1。噪声采样序列~为平均噪声功率， 五{? ，Si^Kronecker符号。 u!eCrxl 为发射波形，第1 个元素为
[u' ], = w; (/) = "' (,7^), / =，Z/ -1.。
[0076]定义
[0077] DL(x) = diag([ej(0)x，ej(1)x，."，ej(L-1)x]) (21)
[0078] 其中，diag(x)中对角线元素 x_.eC1，是LXL的方阵，因此[diag(x)]n,n=[x] n。最 后，令WteCixi为酉离散傅里叶变换矩阵，其第(m，n)个元素为
[0082] 定义时延多普勒算子〇((.{;)￡(^^为
[0084] 由于 ￡>(/\，{；1)0(/~，{；2) = 1>(((;1 + /?2，{；1+认），1)；?(〇)=1>(-''，-{；)，因此时延多 普勒算子D(以)为酉算子，即炉（以)=ZT 1 (，炉（以)=[￡1，其中Ie是1/X L1的 单位矩阵。
[0085] 因此，直达波和目标回波信号的分量的离散形式分别为
[0088]因为直达波信号和目标回波信号是通过相同的接收机阵列接收的，所以第j个接 收机阵列第n阵元接收到信号的离散形式为
[0090] 其中，<~ 0^0厂〇%)是长度为L1的零矢量。
[0091] 因此，分别通过波束形成而获得的目标回波信号sf和直达波参考信号<为
[0094] bf，b《分别为目标监视通道和直达波参考通道的波束形成器。
[0095] A4.利用分布式无源雷达系统中Nr个接收机阵列接收到的与Nt个非合作雷达辐射 源对应的所有直达波和目标回波信号采样，构造由直达波和目标回波信号组成的矩阵s，具 体过程如下：
[0096] 令a^x) e C&1为在x方向的空间指向矢量
，记 a:; < =ay(t)，则第j个接收机阵列所有队个阵元接收到的与第i个辐射源对应的
[0098]
，方差为〇2,矩阵M:;和Mf
，發表示Kronecker积，时延多 普勒算子增和釋分别为辦=〇卜|，of)。
[0099] 因此，所有Nr个接收机阵列收到的与第i个辐射源对应的采样s1为：
[0101]而与所有Nt个非合作辐射源和Nr个接收机阵列对应的所有采样组成的矩阵为
[0103] 即s为所有Nt个非合作辐射源对应s1组成的矩阵。
[0104] B1.引入待检测目标的位置和速度信息，作为目标检测单元，利用回波信号矩阵s 构建二元备择假设检验，具体过程如下：
[0105] 令待检测目标的位置和速度对应在(P.P)单元，即检测单元，其中p，p:分别表示目 标的位置和速度。构建二元备择假设检验，BP
[0107]
示在P方向的空间指向矢量
，而M为目标位置为P时对应目 标路径通道的系数，g为目标状态为(p,：^对应的时延多普勒算子。
[0108] B2.利用已构建的假设检验，推导其广义对数似然比，得到分布式无源雷达目标检 测的集中式检测统计量U，具体过程如下；
[0109] 由于接收机噪声与发射机通道无关，所以#假设下的条件概率密度?1(8| yd，YP， u)为
[0111]
且Mf =M|+M^同理给出 在假设下的条件概率密度P〇(s | y d，u)。发射信号u和通道系数y d和y斤卩是确定性的未 知参量。因此，耗:是以发射信号u和通道系数yd、yPS参数的复合假设，？4是以发射信号u 和通道系数Yd为参数的复合假设，而似然比检验中的未知量采用其最大似然估计替换。
[0112] 令li( yd, yP，u|s) = logpi(s| yd, yP，u)，lo( yd，u|s) = logp〇(s| yd，u)，则广义 对数似然函数以写为
[0114]分别推导得到lKyd，yP，u|s)和l〇(yd，U|s)的解析表达式后，得到集中式目标检 测统计量U为
[0116] 其中山（?）为矩阵参量的最大特征值；G( 为Gram矩阵，（?）H 表示厄米特转置，#丨? ，① i=@，…，Sf ，§f是时延多普勒补偿后的目 标回波信号sf，广sf，即去除时延和多普勒频移的监视通道目标回波信号， _二[§;:V ，苟'是时延多普勒补偿后的参考信号：s:f，§f =(%)%:?，即去除时 延和多普勒频移的直达波通道信号；G%.=(少丨.f 0>丨.e ks为检测门限，由分布式无源 雷达系统的虚警概率决定。
[0117] B3.根据实际分布式无源雷达系统中所有信号的采样，计算出目标检测统计量|rs， 通过比较检测统计量U与门限k的大小，然后判定目标是否存在，完成目标检测，具体过 程如下：
[0118]利用分布式无源雷达系统中Nr个接收机阵列对应Nt个非合作雷达辐射源的所有采 样构造回波信号矩阵，目标检测统计量U，当。>"时，则判断目标存在，且目标位置和速 度状态为(p.oh而当u<Krs时，则判断目标不存在。
[0119]如图5所示，本发明实施例的计算机仿真结果示意图。图中BRng等值线表示双基地 距离等值线，目标出现在真实目标位置附近，因此本方法在实现目标检测的同时还实现了 对目标的定位。在此仿真环境背景中，两个发射机的位置分别为diitO.SJlkm和d 2=[-0.5，-4]1〇11，三个接收机的位置分别为1'1 = [-4,2]，1'2=[-4,0.5]和1'3=[-4，-2.5]1〇11，目标 在t=[4,0]km，目标运动速度为〖 = 375,375] m/s。:发射机信号载频分别为8.0GHz 和8.1GHz，全向辐射功率均为=50 W。均匀线性阵列由6个阵元组成，所有接收机天线都 是阵元间隔为1.875cm的均勾线性阵列，指向+px方向，各阵元的波瓣图为(/';'(/) = 1，接收机 间没有相位同步。复基带信号sf采样率fs = 500kHz，相参积累时间为T = 2ms，目标回波的平 均信噪比为SNRavg = -15dB，直达波的平均信噪比为DNRavg = 15dB，％2 = -l06:,99dBni，u1 = exp{ jP}，_0; e!Eixl是相互独立的随机相位矢量，在[0,2jt]间服从均勾分布，L = fsT=1000， 目标散射截面积为lOdBsm。
【主权项】
1. 一种实现分布式无源雷达目标检测的方法，其特征在于，包括以下步骤： (1) 多发多收几何架构下，建立分布式无源雷达直达波信号分量和目标回波信号分量 的实施步骤，具体包括如下子步骤： A1.构建多发多收几何架构下，分布式无源雷达系统中第i个辐射源发射的信号被第j 个接收机阵列的第n阵元接收到并经基带处理后的直达波信号分量 A2.构建目标运动时，分布式无源雷达系统中第i个辐射源发射的信号经目标反射后被 第j个接收机阵列的第n阵元接收到并经基带处理后的目标回波信号分量 A3.对第ij个双基地对中，第j个接收机阵列的第n个阵元接收到的由直达波和目标回 波及接收机噪声的和组成的信号# G)进行量化采样，引入时延多普勒算子表示其离散形 式，并给出波束形成后的目标回波信号<和直达波参考信号 A4.利用分布式无源雷达系统中Nr个接收机阵列接收到的与Nt个非合作雷达辐射源对 应的所有直达波和目标回波信号采样，构造由直达波和目标回波信号组成的矩阵s; (2) 多发多收几何架构下，分布式无源雷达开展集中式目标检测的实施步骤，具体包括 如下子步骤： B1.引入待检测目标的位置和速度信息，作为目标检测单元，利用回波信号矩阵s构建 二元备择假设检验； B2.利用已构建的假设检验，推导其广义对数似然比，得到分布式无源雷达目标检测的 集中式检测统计量ls; B3.根据分布式无源雷达系统中所有信号的实际采样，计算出目标检测统计量|rs，通过 比较检测统计量Is与门限的大小，然后判定目标是否存在，完成目标检测。2. 如权利要求1所述的一种实现分布式无源雷达目标检测的方法，其特征在于，所述步 骤（1)的每个接收机阵列都同时接收直达波信号和目标回波信号，再通过波束形成算法分 别得到直达波信号分量和目标回波信号分量。3. 如权利要求1所述的一种实现分布式无源雷达目标检测的方法，其特征在于，所述步 骤（1)中不同接收机阵列之间是非相参的，且目标检测过程中不同接收机阵列之间不需要 开展相位同步处理。
【文档编号】G01S13/04GK106054165SQ201610402234
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年6月8日
【发明人】张财生, 朱洪伟, 唐小明, 刘明春, 李国君, 张涛, 宋洪良
【申请人】中国人民解放军海军航空工程学院