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《西安电子科技大学》 2011年
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窄带、宽带雷达机动目标检测技术研究

许述文  
【摘要】:窄带、宽带雷达体制下的机动目标检测一直是雷达检测领域中的难点问题,现已成为雷达技术领域的一个研究热点。窄带雷达体制下,雷达距离分辨单元很长。因此,在相干处理时间内目标没有跨距离单元走动。长的相干处理时间对于噪声或者杂波中的雷达弱目标检测是有意义的,但是长时间观测中目标不可避免地会发生机动。目标的机动使得目标雷达回波的相位历史变得非常复杂,在这种情况下传统的傅里叶分析不能很好地有效积累目标回波。在本论文的工作中,分数阶傅里叶变换被用来有效地积累相位历史较为复杂的目标回波,并获得较好的检测性能。 在宽带雷达体制下,雷达有着较高的距离分辨能力。因此,窄带情况下的“点目标”模型不适用于宽带情况。宽带雷达体制下,目标被分辨成多个散射单元。因此,该目标检测被称为距离扩展目标检测。目标的机动使得目标在不同的回波脉冲间会不可避免地出现跨距离单元走动,并且由于目标的转动和目标散射点的重组,使得目标在不同距离单元上的回波相位变得杂乱无章,很难建模。由于回波模型的缺失,本论文关于宽带机动目标检测的研究主要集中在多脉冲距离像的特征检测上,提出了一系列实际有效的宽带距离扩展目标检测器。 本论文主要内容可概括为如下五部分: 第一部分,我们简单介绍了窄带机动目标检测目前面临的问题,回顾了目前解决该问题的一些方法。然后,根据目前检测方法存在的问题,我们基于分数阶傅里叶变换、图像域去噪方法以及双特征检测器提出了一种在强噪声背景下微弱目标的非参数化检测方法。该方法将信号通过接连分数阶傅里叶变换进行二维灰度图像表示,并利用硬阈值滤波和多重中值滤波在滤除噪声的同时保留信号特征,最后提取滤噪后的幅度图像上的强像素点面积以及幅度峰值这两个特征来进行检测,进而提出了基于双特征的非参数化目标检测方案。对于各种典型的窄带机动目标回波信号的实验结果表明,提出的检测方案是有效的,与传统的检测方案相比有着更好的检测性能,并且具有更好的稳健性。 第二部分,我们给出了高斯白噪声背景下检测距离扩展目标的一种特征检测方法。本章提出的检测方案是关于距离扩展目标的通用检测框架。该检测方法利用两个接连的混频器输出的Wigner-Ville分布(WVD)的几何特征。在该检测方法中,互时频分布操作被用于凸显目标回波的时频特征。两个简单的图像处理工具(门限操作和形态学滤波)被用来提取对应于目标的时频结构。本方法适用于目标发生距离走动的情况,并且对目标的如散射密度、目标类型以及高斯噪声的能量水平等先验信息没有特殊的要求。由于结合了能量信息和目标回波的特殊时频结构信息,提出的方法获得了很好的检测性能。 第三部分,我们提出了在高斯白噪声背景下利用多脉冲距离像检测距离扩展目标的修正互相关矩阵(MCOM)检测器。它由用于噪声抑制的sigmoid型收缩映射和精炼距离像的互相关积累组成。基于目标高分辨距离像的强散射单元是稀疏的这一事实,我们设计了非线性收缩映射来精炼接收的高分辨距离像。通过该映射,接收距离像中的大部分噪声点得以去除,而与目标特性有关的强散射单元得以保留。因为除了距离走动之外目标的散射几何几乎保持不变,所以从连续脉冲中得到的精炼目标距离像是高度相似的,而噪声的随机性使得精炼的噪声距离像是不相似的。多脉冲精炼距离像的修正互相关矩阵被用来测量它们的相似性。我们构造修正互相关矩阵的所有元素的加权积累来作为检测统计量,从而进行检测。提出的检测器不依赖于严格的目标回波模型,并且可以应用在较为宽泛的情况下。实测数据和仿真的噪声数据被用来评估提出的距离扩展目标检测器。实验结果表明:与现有的检测方法相比,该方法获得了更好的目标检测性能。 第四部分,我们提出了一种新的在高斯白噪声背景下的机动距离扩展目标检测器。它由用于噪声抑制的二维非线性收缩映射和几何平均积累组成。多个脉冲得到的距离像通过排序构成一个二维距离脉冲图像。基于该图像的局部统计特征,我们设计了一族有效的二维非线性收缩映射来抑制噪声并保留信号回波。滤波后的多脉冲精炼距离像的几何平均积累构成了该检测器的检测统计量。该检测统计量反映了目标距离像在波形上的相关性以及噪声精炼距离像的非零散射单元的稀疏性及位置随机性。理论分析和基于实测数据的实验表明,该检测器对白噪声背景下的空中机动飞行的距离扩展目标检测是非常有效的。 第五部分,我们提出了一种基于波形交叉熵(waveform cross entropy,WCEN)的检测器在均匀气象杂波背景下检测高速飞行的机动目标。该检测器的输入由观测窗口中的一连串相参脉冲得到的复高分辨距离像构成。观测窗口包含了一个检测窗口和包围着该检测窗口的参考距离单元,并且该参考距离单元中的接收数据构成了仅含有杂波数据的次要数据。该检测器包含了一个沿着脉冲维的近似慢时间白化滤波器和一个在距离维基于WCEN的检测器。前者在每个接收数据的距离单元维进行操作,从而对杂波进行白化并增强目标的回波。接着,每对滤波后的高分辨距离像的WCEN挖掘了目标高分辨距离像的三个内在的特征:稀疏性、相似性和能量特征。每对高分辨距离像的WCEN的平均被用来作为检测统计量来判决目标是否存在。基于从一部高分辨雷达获得的实测目标数据和仿真气象杂波数据,我们完整地评估了基于WCEN的检测器。实验结果表明在目标高速机动飞行的情况下,相比其它已存在的检测器,基于WCEN的检测器获得了更好的检测性能。
【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】:2011
【分类号】:TN957.51

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