本發(fā)明涉及一種雷達(dá)信號處理領(lǐng)域，特別是一種基于格雷互補(bǔ)波形的多目標(biāo)檢測方法。

背景技術(shù)：

格雷互補(bǔ)波形(Golay Complementary Waveforms)由兩個二值序列x(l)和y(l)組成，其中x(l)和y(l)的取值為1或-1，l＝0,1,...,L-1，L是每個二進(jìn)制序列的長度，這樣的兩個組成格雷互補(bǔ)波形的二進(jìn)制序列稱為格雷互補(bǔ)對(具體的格雷互補(bǔ)對生成方法可參考文獻(xiàn)：M.Golay,“Complementary series,”IRE Trans.Inform.Theory,vol.7,no.2,pp.82-87,Apr.1961.)。格雷互補(bǔ)對中每個1或-1值占據(jù)的時間寬度為T_c，因此每個格雷互補(bǔ)對的時間寬度為LT_c。對于k＝-(L-1),...,(L-1)，格雷互補(bǔ)波形滿足如下條件

C_x(k)+C_y(k)＝2Lδ(k)

其中C_x(k)和C_y(k)分別是x(l)和y(l)的在k處自相關(guān)函數(shù)值，δ(k)表示沖激函數(shù)。

為使格雷互補(bǔ)波形能在時域傳播，需要對x(l)和y(l)調(diào)制一個單位能量的基帶信號Ω(t)，如下所示

然后在發(fā)射端利用一個二進(jìn)制序列來確定發(fā)射信號z_P(t)的每個脈沖是x(t)還是y(t)，即確定格雷互補(bǔ)波形的發(fā)射順序

其中N為發(fā)射信號的脈沖數(shù)目，T是脈沖重復(fù)間隔。當(dāng)p_n＝1時，則發(fā)射信號z_P(t)的第n+1個脈沖發(fā)射x(t)；當(dāng)p_n＝0時，則第n+1個脈沖發(fā)射y(t)。如果n為偶數(shù)時p_n＝1、n為奇數(shù)時p_n＝0，則此時確定的序列P為格雷互補(bǔ)波形的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射順序。在接收端利用一個正數(shù)序列來確定用于匹配濾波的信號z_Q(t)在每個脈沖上的權(quán)重，即

對于標(biāo)準(zhǔn)的匹配濾波權(quán)重應(yīng)滿足序列Q的所有值均為1。

于是，利用下式進(jìn)行匹配濾波，求解格雷互補(bǔ)波形的模糊函數(shù)

則可以在時延—多普勒平面上進(jìn)行目標(biāo)檢測，其中“^*”表示共軛運(yùn)算。

需要指出的是，根據(jù)之前格雷互補(bǔ)波形滿足的條件，標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射順序的格雷互補(bǔ)波形雖然能在時延—多普勒平面的零多普勒線上實(shí)現(xiàn)距離旁瓣的完全抑制，在非零多普勒線上距離旁瓣依然非常顯著。為解決這個問題，一種現(xiàn)有方法是保持二進(jìn)制序列P為格雷互補(bǔ)波形的標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射順序，同時改變正數(shù)序列Q的值(即調(diào)節(jié)匹配濾波權(quán)重)來實(shí)現(xiàn)非零多普勒線上的距離旁瓣抑制以獲得更大的距離旁瓣抑制區(qū)域，稱為“二項式設(shè)計方法”(該方法的具體過程可參考文獻(xiàn)：W.Dang,A.Pezeshki,S.Howard,et.al.,“Coordinating complementary waveforms for sidelobe suppression,”45th Asilomar Conf.Signals,Systems and Computers,2011,pp.2096-2100.)，此時序列Q的值滿足利用該方法獲得的模糊函數(shù)圖像比較于標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射順序的格雷互補(bǔ)波形的模糊函數(shù)圖像的具體效果改善如圖1(a)和圖1(b)所示，其中所有子圖的橫坐標(biāo)均表示多普勒，單位為“弧度”；縱坐標(biāo)均表示時延，單位為“秒”；幅度單位均為“dB”；圖1(a)表示按標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射順序發(fā)射格雷互補(bǔ)波形信號然后按標(biāo)準(zhǔn)的匹配濾波權(quán)重進(jìn)行匹配濾波獲得模糊函數(shù)圖像，圖1(b)表示按標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射順序發(fā)射格雷互補(bǔ)波形信號然后按“二項式設(shè)計方法”的匹配濾波權(quán)重進(jìn)行匹配濾波獲得模糊函數(shù)圖像。然而，基于模糊函數(shù)的能量不會被線性操作改變的原則，該方法實(shí)際上是把被抑制了的距離旁瓣的能量疊加在了其他沒有被抑制的距離旁瓣上，這使得該方法獲得的模糊函數(shù)圖像中殘留的距離旁瓣能量相較標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射順序的格雷互補(bǔ)波形圖像中距離旁瓣的能量更高，因此在多目標(biāo)情況下，該方法獲得的模糊函數(shù)圖像中的弱目標(biāo)有可能被淹沒在由強(qiáng)目標(biāo)產(chǎn)生的距離旁瓣中，從而造成漏檢。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是，針對現(xiàn)有技術(shù)不足，提供一種基于格雷互補(bǔ)波形的多目標(biāo)檢測方法。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：一種基于格雷互補(bǔ)波形的多目標(biāo)檢測方法，包括以下步驟：

1)估計檢測場景中所有目標(biāo)的多普勒，得到所有目標(biāo)的多普勒估計值；

2)根據(jù)所有目標(biāo)的多普勒估計值，按特定發(fā)射順序發(fā)射格雷互補(bǔ)波形信號，然后將所述格雷互補(bǔ)波形信號與具有標(biāo)準(zhǔn)匹配濾波權(quán)重的匹配濾波信號進(jìn)行匹配濾波，獲得模糊函數(shù)圖像；

3)發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射順序的格雷互補(bǔ)波形信號，然后按“二項式設(shè)計方法”的匹配濾波權(quán)重對該標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射順序的格雷互補(bǔ)波形信號進(jìn)行匹配濾波，獲得模糊函數(shù)圖像；

4)對步驟2)和步驟3)獲得的兩幅模糊函數(shù)圖像按圖像的每個像素進(jìn)行逐點(diǎn)取最小值處理，獲得一幅最終的模糊函數(shù)圖像作為最終結(jié)果。

步驟2)中，選用威爾士矩陣的第x+1行的所有值作為格雷互補(bǔ)波形的特定發(fā)射順序；所述威爾士矩陣的計算式為：

其中，b＝1,2,...,M，M與發(fā)射信號的脈沖數(shù)目N滿足如下關(guān)系：N＝2^M。

θ_b的計算過程包括：初始化從b＝2開始，利用θ_b＝2θ_b-1迭代計算，得到θ_b的值；其中，為所有目標(biāo)的多普勒估計值的加權(quán)平均多普勒值。

的計算公式如下：

其中，A_h和分別是第h個目標(biāo)的歸一化幅度和多普勒估計值，h＝1,2,...,H。

步驟2)中，具有標(biāo)準(zhǔn)匹配濾波權(quán)重的匹配濾波信號z_Q(t)的表達(dá)式為：

其中，n為偶數(shù)時p_n＝1，n為奇數(shù)時p_n＝0；為一個正數(shù)序列；N為發(fā)射信號的脈沖數(shù)目；x(t-nT)和y(t-nT)表示具有nT長度延時的經(jīng)過一個單位能量的基帶信號調(diào)制后的格雷互補(bǔ)對，T表示脈沖重復(fù)間隔。

步驟3)中，對于所述的二項式設(shè)計方法的匹配濾波權(quán)重，匹配濾波權(quán)重滿足表示從N-1不同脈沖數(shù)目中取出n個脈沖數(shù)目的組合數(shù)。

與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明所具有的有益效果為：本發(fā)明可以有效降低最終結(jié)果中距離旁瓣的能量，使得多目標(biāo)中的弱目標(biāo)更容易被檢測，減少了目標(biāo)的漏檢情況。本發(fā)明計算簡便，效果良好，便于實(shí)際應(yīng)用。

附圖說明

圖1(a)和圖1(b)是利用“二項式設(shè)計”方法獲得的模糊函數(shù)圖像；圖1(b)是利用標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射順序的格雷互補(bǔ)波形的模糊函數(shù)圖像；

圖2是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖；

圖3(a)～圖3(c)是利用本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行仿真實(shí)驗的仿真結(jié)果。

具體實(shí)施方式

圖2是本發(fā)明的實(shí)現(xiàn)流程圖。具體實(shí)施方式包括以下步驟：

第一步，估計檢測場景中所有目標(biāo)的多普勒，得到所有目標(biāo)的多普勒估計值。具體估計方法可以參考文獻(xiàn)W.Dang,Signal Design for Active Sensing,Ph.D Dissertation,Colorado State University,2014.的2.3.4章節(jié)，這里不再贅述。

第二步，根據(jù)所有目標(biāo)的多普勒估計值按特定發(fā)射順序發(fā)射格雷互補(bǔ)波形信號然后按標(biāo)準(zhǔn)的匹配濾波權(quán)重進(jìn)行匹配濾波獲得模糊函數(shù)圖像。

設(shè)檢測場景中共有H個目標(biāo)，A_h和分別是第h個目標(biāo)的歸一化幅度(歸一化幅度值可以直接從回波頻譜中目標(biāo)多普勒估計值處的幅度值讀出)和多普勒估計值，h＝1,2,...,H。然后，根據(jù)所有目標(biāo)的多普勒估計值計算它們的加權(quán)平均多普勒值如下：

接下來的獲得格雷互補(bǔ)波形特定發(fā)射順序的方法要求發(fā)射信號的脈沖數(shù)目N必須是2的冪次方，即滿足N＝2^M，并假設(shè)在整個雷達(dá)照射過程中所有目標(biāo)的時延值和多普勒值均保持不變。將的單位轉(zhuǎn)換為弧度rad后設(shè)并通過加減若干個2π弧度使之滿足θ₁∈[0,2π]rad，接著構(gòu)造一個二進(jìn)制序列[a_M,a_M-1,...,a₁]并按照下式計算它們的值

從b＝2開始，計算a_b前需要先令θ_b＝2θ_b-1并同樣將θ_b的值調(diào)整至[0,2π]rad區(qū)間。重復(fù)這個流程直至得到θ_M，然后將這個二進(jìn)制序列的值化成一個十進(jìn)制數(shù)x，即

接下來，利用下式生成一個2^M階的威爾士(Walsh)矩陣

其中至此，選用威爾士矩陣的第x+1行的所有值作為格雷互補(bǔ)波形的特定發(fā)射順序，即將這一行的所有值作為一個特定的二進(jìn)制序列P，并按這個特定發(fā)射順序發(fā)射格雷互補(bǔ)波形信號然后按標(biāo)準(zhǔn)的匹配濾波權(quán)重進(jìn)行匹配濾波獲得模糊函數(shù)圖像。

第三步，發(fā)射標(biāo)準(zhǔn)發(fā)射順序的格雷互補(bǔ)波形信號然后按“二項式設(shè)計方法”的匹配濾波權(quán)重進(jìn)行匹配濾波獲得模糊函數(shù)圖像。

第四步，對第二步和第三步獲得的兩幅模糊函數(shù)圖像按圖像的每個像素進(jìn)行逐點(diǎn)取最小值處理，獲得一幅最終模糊函數(shù)圖像作為最終結(jié)果。

設(shè)第二步和第三步中獲得的模糊函數(shù)圖像分別為χ₁(t,F_D)和χ₂(t,F_D)，則經(jīng)過逐點(diǎn)最小值處理獲得的最終結(jié)果χ(t,F_D)表示為

χ(t,F_D)＝min[χ₁(t,F_D),χ₂(t,F_D)]

圖3(a)～圖3(c)是利用本發(fā)明的具體實(shí)施方式進(jìn)行仿真實(shí)驗的仿真結(jié)果，其中所有子圖的橫坐標(biāo)均表示多普勒，單位為“弧度”；縱坐標(biāo)均表示時延，單位為“秒”；幅度單位均為“dB”。不失一般性地，這里假設(shè)檢測場景中有5個目標(biāo)，其中有3個強(qiáng)目標(biāo)和2個弱目標(biāo)，強(qiáng)、弱目標(biāo)的幅度分別為0dB和-20dB。各目標(biāo)的歸一化幅度、時延和多普勒值設(shè)置如下

目標(biāo)1:0dB,τ₁＝12.4μs,

目標(biāo)2:0dB,τ₂＝16.6μs,

目標(biāo)3:0dB,τ₃＝16.6μs,

目標(biāo)4:-20dB,τ₄＝20μs,

目標(biāo)5:-20dB,τ₅＝9.4μs,

圖3(a)表示了檢測場景中所有目標(biāo)在時延—多普勒平面上的歸一化幅度和位置。從圖3(a)所示的目標(biāo)位置可以看出，目標(biāo)2和目標(biāo)3的位置只能通過它們多普勒值的不同來區(qū)分。

發(fā)射信號的參數(shù)設(shè)置如下：雷達(dá)的工作頻率為f_c＝1GHz，格雷互補(bǔ)波形信號的帶寬為B＝50MHz，采樣率f_s＝2B，脈沖重復(fù)間隔T＝50μs，脈沖數(shù)目為N＝32。格雷互補(bǔ)波形中的每個格雷互補(bǔ)對有L＝64個時間寬度為T_c＝0.1μs的1或-1值。檢測場景中的復(fù)高斯白噪聲服從CN(0,1)分布，信噪比SNR＝10dB。圖3(b)是利用第三步得到的模糊函數(shù)圖像χ₂(t,F_D)(現(xiàn)有方法)，圖3(c)是利用第四步得到的最終結(jié)果χ(t,F_D)(本發(fā)明方法)。比較圖3(b)與圖3(c)的結(jié)果可以看出，現(xiàn)有方法獲得的模糊函數(shù)圖像中，設(shè)置的兩個弱目標(biāo)(目標(biāo)4和目標(biāo)5)完全被淹沒在了強(qiáng)目標(biāo)產(chǎn)生的距離旁瓣中不能被檢測，而利用本發(fā)明方法獲得的最終結(jié)果可以使設(shè)置的兩個弱目標(biāo)更容易被檢測到。同時，本發(fā)明方法可以獲得比現(xiàn)有方法更高的多普勒分辨率，使得目標(biāo)2和目標(biāo)3不會像現(xiàn)有方法獲得的模糊函數(shù)圖像中一樣有可能被誤認(rèn)為是一個目標(biāo)。