本發(fā)明屬于雷達技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種用于接收海面、船舶和低空目標雷達回波的緊湊天線陣，與一種雷達信號增強、雜波抑制以及目標檢測的方法，具體為一種基于緊湊天線陣的高頻海洋雷達目標檢測方法。

背景技術(shù)：

高頻海洋雷達不僅可以實現(xiàn)對海洋表面環(huán)境的全天候、大面積、超視距監(jiān)測，還能對海面艦船及低空目標進行探測。

由于傳統(tǒng)的相控天線陣天線數(shù)目多、占地面積大、建設(shè)和維護成本高，所以單極子/交叉環(huán)天線組成的小型化緊湊天線陣以其體積小、易于安裝和維護等優(yōu)點得到了越來越多的關(guān)注。主要以美國CODAR公司生產(chǎn)的SeaSonde系統(tǒng)和武漢大學研制的OSMAR-S系統(tǒng)為代表。

高頻雷達目標檢測通常采用恒虛警率(CFAR)的方法。首先生成雷達距離多普勒譜——RD譜，然后在待檢測單元附近選取若干個參考單元來估計噪聲水平，并設(shè)定具有一定恒虛警率的門限閾值，最后通過比較待檢測單元的幅值與門限閾值的大小來判斷其是否為目標點。但在實際情況中，若參考單元中含有海雜波、零頻雜波，或多個相鄰目標點時，會嚴重影響這種方法的檢測性能。尤其在高頻段，雷達系統(tǒng)外部干擾較多，噪聲水平較高，同樣使基于CFAR的檢測方法難以獲取令人滿意的檢測結(jié)果。海雜波是由海洋表面的后向散射引起的，在RD譜上的分布通常是脊狀的，即在距離維上連續(xù)帶狀分布，在多普勒維上有一定的展寬。零頻雜波通常是由靜止不動的小島、船只等的回波引起的，通常在較近的某幾個固定的距離元上分布。目標信號通常在RD譜上呈零星分布，且不會在距離或多普勒維上有明顯的大范圍展寬。因此，在目標檢測時，應(yīng)當采取適當?shù)姆椒ㄒ种齐s波的影響，同時增強目標信號的信噪比。

基于緊湊天線陣的高頻海洋雷達與傳統(tǒng)相控陣天線陣高頻雷達還有一些不同。后者可以通過波束形成技術(shù)可以將波束寬度集中在很窄的角度范圍內(nèi)，得到的RD圖中海雜波多普勒展寬不明顯，目標點較少，目標信噪比較大，可以較為容易的檢測出目標點。而前者的天線系統(tǒng)本身就具有方向性，其方向圖呈“8”字型，且波束寬度很寬，因而得到的RD圖中信號來自于多個方向，海雜波多普勒展寬明顯，目標點較多，目標信噪比較小，這更加增大了目標檢測的難度。目前，對于緊湊天線陣的高頻海洋雷達尚無有效的目標檢測方法。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對背景技術(shù)存在的問題，本發(fā)明的目的是設(shè)計一種新的適用于緊湊陣高頻海洋雷達的目標檢測方法，本發(fā)明采用了兩根相同的單極子/交叉環(huán)天線組成緊湊天線陣，在同一段時間內(nèi)可以接收到兩組相干的雷達回波信號，通過對兩組信號的主成分分析和提取來抑制噪聲，提高目標信噪比。然后采用小波濾波的方法，在尺度上抑制雜波并保留目標信號。最后采用自適應(yīng)門限來檢測目標點，實現(xiàn)復(fù)雜背景或多目標情況下的目標檢測。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種基于緊湊天線陣的高頻海洋雷達目標檢測方法，所述高頻海洋雷達的接收天線是由兩根相同的單極子交叉環(huán)天線組成的緊湊天線陣。在同一時間內(nèi)可以接收到兩組相干的雷達回波信號。通過對兩組雷達回波信號依次進行主成分分析，小波濾波，自適應(yīng)門限檢測三步操作實現(xiàn)目標的檢測，同時提取目標距離和多普勒信息。

所述緊湊天線陣的兩根單極子交叉環(huán)天線必須是相同的，即必須保證兩根天線具有相同的方向性和增益，且經(jīng)由兩根天線所接收到的雷達回波信號具有相同的噪聲水平。兩根天線相距為半個雷達工作波長。分別為天線1和天線2，天線1和天線2各包含三個通道，天線1包含通道1、2、3，天線2包含通道4、5、6；其中通道1和通道4代表對應(yīng)的單極子通道，通道2和5以及通道3和6代表對應(yīng)的交叉環(huán)通道。

目標檢測方法包括以下步驟：

步驟1、取同一時段t_i內(nèi)兩根天線中對應(yīng)通道的雷達回波數(shù)據(jù)，經(jīng)過兩次傅里葉變換得到結(jié)果f_c(r,d)和f_c+3(r,d)，其中c(c＝1,2,3)代表通道號，r代表距離元，d代表多普勒元。

步驟2、根據(jù)步驟1中的結(jié)果，構(gòu)造樣本矩陣P_c(r,d)＝[f_c(r,d),f_c+3(r,d)]^T，然后對樣本矩陣進行主成分分析并提取主成分以抑制噪聲，得到的結(jié)果為

步驟3、根據(jù)步驟2的結(jié)果，得到時段t_i雷達距離多普勒譜——RD譜，表示為將該RD譜乘以增強因子g(g≥1)以進一步提高信噪比，得到增強后的RD譜，表示為

步驟4、對步驟3得到的RD譜進行距離維的L(通常取L＝4或L＝5)層小波分解，得到每一層分解后的高頻分量D_L和低頻分量A_L。然后重構(gòu)部分低頻分量(通常重構(gòu)A₄或A₅)以得到重構(gòu)后的RD譜，表示為R_c′。將步驟3中的RD譜R_c減去重構(gòu)后的RD譜R_c′以消除海雜波和零頻雜波，得到主要含有目標信息的差譜，表示為ΔR_c；

步驟5、設(shè)定自適應(yīng)門限閾值T_i＝μ_i+wσ_i，其中i代表時間段t_i，μ_i和σ_i分別代表ΔR_c中噪聲功率的平均值和標準差，w代表門限因子。然后將步驟4中得到的ΔR_c(r,d)與T_i相比較，大于門限閾值的點將被檢測出，若某一距離多普勒坐標上的點在三個通道的RD譜中被檢測出至少兩次，則該點將被視為目標點，同時提取該點距離和多普勒坐標，經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換得到真實的目標距離和速度信息。

所述步驟2中得到的f_c(r,d)和f_c+3(r,d)是對應(yīng)通道的兩次傅里葉變換結(jié)果。主成分分析具體方法為：求樣本矩陣P_c(r,d)的協(xié)方差矩陣X_c，并對X_c進行特征值分解，表示為其中e為特征向量，Λ為特征矩陣。提取P_c(r,d)的主成分，表示為其中e_max為對應(yīng)于最大特征值λ_max的特征向量。

所述步驟2的主成分提取，目標和雜波信號同樣會被輕微抑制，因此在步驟3中乘以增強因子g以彌補信噪比損失。增強因子g的大小應(yīng)滿足：g·N_PCA≤N_org，其中N_PCA和N_org分別為步驟3中和R_c的噪聲平均功率。

所述步驟4中，海雜波和零頻雜波在距離維是連續(xù)分布的，小波分解與重構(gòu)僅在距離維進行。小波分解中小波母函數(shù)通?？刹捎贸Ｓ眯〔ê瘮?shù)(如Daubechies小波)，選擇分解和重構(gòu)的層數(shù)時，應(yīng)保證處理后的海雜波盡可能地被抑制，目標信號盡可能地被保留，通常為4-6層。

所述步驟5中，門限因子w為設(shè)定值，w的值應(yīng)使得目標被檢出而噪聲不能被檢出，可通過一段時間雷達數(shù)據(jù)的預(yù)處理得到，通常取2-4。

本發(fā)明具有以下優(yōu)點和積極效果：

1、本發(fā)明的緊湊天線陣系統(tǒng)能在同一段時間內(nèi)獲取兩組相干雷達回波信號。通過主成分分析與提取和小波濾波技術(shù)，該系統(tǒng)能夠有效抑制RD譜中的海雜波和零頻雜波，并能降低背景噪聲，同時極大地增強目標點信噪比和信雜比。尤其適用于緊湊高頻海洋雷達系統(tǒng)。

2、本發(fā)明的目標檢測技術(shù)能夠在多目標情況下高效地檢測出目標。當多個目標同時落入RD譜中相距較近的距離或多普勒單元中時，該方法能夠有效避免較強目標對較弱目標的遮蔽效應(yīng)，實現(xiàn)目標的高效檢測。

附圖說明

圖1是緊湊天線陣示意圖；

圖2是雷達通道1和通道4距離-多普勒譜實例；

圖3是圖2實例經(jīng)過主成分提取后的距離-多普勒譜；

圖4是圖3實例經(jīng)過小波濾波后的距離-多普勒譜；

圖5是圖4實例經(jīng)過自適應(yīng)門限檢測后的檢測結(jié)果；

圖6是本發(fā)明方法實施步驟流程圖；

其中，1-單極子天線，2-交叉環(huán)天線盒子，3-天線支撐桿(與天線系統(tǒng)絕緣)，4-地面。

具體實施方式

下面結(jié)合附圖和實施例詳細說明：

如圖1所示，本方法中，高頻海洋雷達的接收天線是由兩根相同的單極子交叉環(huán)天線組成的緊湊天線陣。在同一時間內(nèi)可以接受到兩組相干的雷達回波信號。兩根單極子交叉環(huán)天線必須是相同的，即必須保證兩根天線具有相同的方向性和增益，且經(jīng)由兩根天線所接受到的雷達回波信號具有相同的噪聲水平。相距為半個雷達工作波長。天線1和天線2各包含三個通道，其中通道1和通道4代表對應(yīng)的單極子通道，通道2和5以及通道3和6代表對應(yīng)的交叉環(huán)通道。

如圖6所示，目標檢測方法包括以下步驟：

步驟1、取同一時段t_i中兩根天線中對應(yīng)通道的雷達回波數(shù)據(jù)，經(jīng)過兩次傅里葉變換得到結(jié)果f_c(r,d)和f_c+3(r,d)，其中c(c＝1,2,3)代表通道號，r代表距離元，d代表多普勒元。圖2給出了一個雷達距離-多普勒譜實例。步驟2、根據(jù)步驟1中的結(jié)果，構(gòu)造形成樣本矩陣P_c(r,d)＝[f_c(r,d),f_c+3(r,d)]^T，由于雜波和目標信號是相干的，被視為有用信號，占據(jù)回波信號的主要成分，而噪聲信號是非相干的，被視為無用信號，占據(jù)回波信號的次要成分。通常認為噪聲信號與有用信號是不相關(guān)的。因此，對樣本矩陣進行主成分分析可以保留有用信號，并抑制噪聲成分，得到的結(jié)果表示為其中f_c(r,d)和f_c+3(r,d)是對應(yīng)通道的兩次傅里葉變換結(jié)果。主成分分析具體方法為：求樣本矩陣P_c(r,d)的協(xié)方差矩陣X_c，并對X_c進行特征值分解，表示為其中e為特征向量，Λ為特征矩陣。提取P_c(r,d)的主成分，表示為其中e_max為對應(yīng)于最大特征值λ_max的特征向量。

步驟3、根據(jù)步驟2的結(jié)果，得到時段t_i雷達距離多普勒譜——RD譜，表示為圖3給出了圖2中的實例經(jīng)過主成分提取后的距離-多普勒譜。由于在實際情況中，提取雷達回波的主成分同樣會損失部分有用信號，因此為了補償這一損失，將該RD譜乘以增強因子g(g≥1)，得到增強后的RD譜，表示為其中增強因子g的大小應(yīng)滿足：g·N_PCA≤N_org，其中N_PCA和N_org分別為步驟3中和R_c的噪聲平均功率。

步驟4、海雜波在RD譜上的分布通常是脊狀的，即在距離維上連續(xù)帶狀分布，在多普勒維上有一定的展寬。零頻雜波通常是由靜止不動的小島、船只等的回波引起的，通常在較近的某幾個固定的距離元上分布。目標信號通常在RD譜上呈零星分布，且不會在距離或多普勒維上有明顯的大范圍展寬。因此可以對距離維的RD譜進行不同尺度的小波分解與重構(gòu)，即可分離出雜波與目標信號。

小波分解中小波母函數(shù)通常可采用常用小波函數(shù)(如Daubechies小波)，選擇分解和重構(gòu)的層數(shù)時，應(yīng)保證處理后的海雜波盡可能地被抑制，目標信號盡可能地被保留，通常為4-6層。

對步驟3得到的RD譜進行距離維的L(通常取L＝4或L＝5)層小波分解，得到每一層分解后的高頻分量D_L和低頻分量A_L。然后重構(gòu)部分低頻分量(通常重構(gòu)A₄或A₅)以得到重構(gòu)后的RD譜，表示為R′_c。重構(gòu)的這部分低頻分量應(yīng)使得海雜波和零頻雜波盡可能地被保留，而目標信號盡可能地被剔除。將步驟3中的RD譜R_c減去重構(gòu)后的RD譜R′_c以消除海雜波和零頻雜波，得到主要含有目標信息的差譜，表示為ΔR_c。圖4給出了圖3實例經(jīng)過小波濾波后的距離-多普勒譜。

步驟5、雜波抑制后的RD譜相對平坦，在多目標情況下，為了防止鄰近較強目標對較弱目標的遮蔽效應(yīng)，采用自適應(yīng)門限方法檢測目標。設(shè)定自適應(yīng)門限閾值T_i＝μ_i+wσ_i，其中i代表時間段t_i，μ_i和σ_i分別代表ΔR_c中噪聲功率的平均值和標準差，w代表門限因子。然后將步驟4中得到的ΔR_c(r,d)與T_i相比較，大于門限閾值的點將被檢測出，若某一距離多普勒坐標上的點在三個通道的RD譜中至少被檢測出兩次，則該點將被視為目標點，同時提取該點距離和多普勒坐標，經(jīng)過坐標轉(zhuǎn)換得到真實的目標距離和多普勒信息。圖5給出了圖4實例經(jīng)過自適應(yīng)門限檢測后的檢測結(jié)果。其中門限因子w為設(shè)定值，w的值應(yīng)使得目標被檢出而噪聲不能被檢出，可通過一段時間雷達數(shù)據(jù)的預(yù)處理得到，通常取2-4。