【摘要】：隨著隱身技術(shù)的發(fā)展和許多目標(biāo)的小型化,海面弱目標(biāo)已成為雷達(dá)執(zhí)行預(yù)警、搜索、警戒的重點(diǎn)對(duì)象。弱目標(biāo)泛指雷達(dá)橫截面積小、雷達(dá)回波往往淹沒在強(qiáng)海雜波中的各類海面或海上低空目標(biāo)。為探測(cè)這類弱目標(biāo),常常采用高分辨雷達(dá)降低海雜波水平和提高目標(biāo)回波的信雜比。高分辨海雜波表現(xiàn)出概率分布上的非高斯性、時(shí)間上的非平穩(wěn)性、空間上的非均勻性、以及模型參數(shù)的空時(shí)變特性等復(fù)雜特性,這些增大了目標(biāo)檢測(cè)的難度。針對(duì)傳統(tǒng)算法常常出現(xiàn)目標(biāo)探測(cè)性能低和虛警點(diǎn)多的問題,論文研究了海面弱目標(biāo)的最優(yōu)相干檢測(cè)理論和聯(lián)合特征檢測(cè)方法。前者注重海雜波統(tǒng)計(jì)模型建立和匹配于海雜波統(tǒng)計(jì)模型的最優(yōu)、近最優(yōu)檢測(cè)器的設(shè)計(jì)方法;后者著重于長(zhǎng)時(shí)累積/觀測(cè)下的多特征或多幀聯(lián)合檢測(cè)方法。研究成果可應(yīng)用于機(jī)載對(duì)海預(yù)警雷達(dá)、海岸警戒雷達(dá)、高分辨島礁、艦船反入侵雷達(dá)、高分辨反潛雷達(dá)等,提升這些雷達(dá)系統(tǒng)的對(duì)海探測(cè)能力。論文的主要研究成果可概括如下:1.針對(duì)K-分布雜波下最優(yōu)相干檢測(cè)器(OKD)應(yīng)用于均勻雜波環(huán)境導(dǎo)致性能損失的問題,構(gòu)造了均勻K-分布雜波環(huán)境下的最優(yōu)相干檢測(cè)器(Hom-OKD)和相應(yīng)的自適應(yīng)檢測(cè)器。均勻性是指待檢測(cè)單元和參考單元的雜波向量共享相同的功率,這種情況經(jīng)常出現(xiàn)在低海況、高分辨海雜波之中。通過把參考單元雜波向量引入似然函數(shù),構(gòu)造了Hom-OKD,推導(dǎo)證明了Hom-OKD和自適應(yīng)Hom-OKD對(duì)于伽馬紋理的尺度參數(shù)、多普勒導(dǎo)向矢量、以及散斑協(xié)方差矩陣具有恒虛警特性,并給出了非迭代最大似然協(xié)方差矩陣估計(jì)方法。仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明了Hom-OKD在均勻雜波環(huán)境下的最優(yōu)性以及在實(shí)際海雜波環(huán)境下和OKD的互補(bǔ)性。2.針對(duì)傳統(tǒng)自適應(yīng)檢測(cè)器假設(shè)海雜波紋理獨(dú)立同分布造成的性能損失問題,分別提出了逆伽馬紋理和逆高斯紋理復(fù)合高斯雜波下基于紋理結(jié)構(gòu)的自適應(yīng)相干檢測(cè)器�；谙闰�(yàn)知識(shí),紋理是由大尺度的涌浪調(diào)制產(chǎn)生,因此引入了相關(guān)系數(shù)衡量海雜波紋理在距離單元上的相關(guān)性。根據(jù)這一相關(guān)系數(shù),確定與待檢測(cè)單元紋理相同的距離單元數(shù)目,從而為待檢測(cè)單元提供紋理信息。基于公開實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:對(duì)比現(xiàn)有的獨(dú)立同分布紋理下的檢測(cè)器,基于紋理結(jié)構(gòu)的檢測(cè)器充分利用了參考單元傳遞的紋理信息,能有效提高對(duì)海雷達(dá)的探測(cè)性能。3.針對(duì)高分辨海雜波背景下低速漂浮小目標(biāo)檢測(cè)概率低的問題,提出了一種基于前-后向收益參考粒子濾波(FB-IRPF)狀態(tài)估計(jì)的自適應(yīng)組合廣義似然比(GLRT)檢測(cè)方法。長(zhǎng)時(shí)觀測(cè)是提高弱小目標(biāo)累積增益的有效途徑,但它同時(shí)導(dǎo)致了目標(biāo)多普勒偏移的非線性和海雜波的非平穩(wěn)性,往往造成目標(biāo)漏檢。為此,建立了分段線性調(diào)頻信號(hào)模型和分段球不變隨機(jī)變量雜波模型,并在此模型基礎(chǔ)上提出了自適應(yīng)組合GLRT檢測(cè)器。為了有效估計(jì)所提檢測(cè)器中目標(biāo)的瞬時(shí)多普勒頻率,構(gòu)建了海雜波背景下具有逆伽馬紋理最優(yōu)相干檢測(cè)器作為收益函數(shù)的FB-IRPF算法。由此,將FB-IRPF的狀態(tài)估計(jì)值代入自適應(yīng)組合GLRT檢測(cè)器中形成了新提出的檢測(cè)器,能同時(shí)實(shí)現(xiàn)短時(shí)相干累積和長(zhǎng)時(shí)非相干累積。利用實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),結(jié)果表明:提出的檢測(cè)器能有效地探測(cè)海雜波背景下的低速漂浮小目標(biāo),且在目標(biāo)和海雜波的多普勒譜分離時(shí)具有明顯的性能提升。4.針對(duì)復(fù)雜環(huán)境下單個(gè)特征無法穩(wěn)健探測(cè)海面小目標(biāo)的問題,提出了時(shí)頻特征空間的多特征聯(lián)合檢測(cè)方法。為了有效降低海雜波功率水平,首先對(duì)待檢測(cè)單元的時(shí)頻分布作歸一化處理。在歸一化時(shí)頻分布平面內(nèi),海雜波的能量隨機(jī)分散在整個(gè)平面;而目標(biāo)的能量規(guī)則地聚集在其瞬時(shí)多普勒曲線周圍。為反映上述這種特性差異,從歸一化時(shí)頻分布中提取了三個(gè)定量的時(shí)頻特征。然后,目標(biāo)檢測(cè)問題就轉(zhuǎn)化為三維時(shí)頻特征空間中的單分類器設(shè)計(jì)問題。結(jié)合改進(jìn)的凸包學(xué)習(xí)算法,提出了基于時(shí)頻三特征的檢測(cè)器,能有效提高海雜波和目標(biāo)在時(shí)頻特征空間中的可分性。最后,基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:相對(duì)于現(xiàn)有的分形、一致性因子以及三特征檢測(cè)器,新提出的檢測(cè)器具有穩(wěn)健而明顯的整體性能提升。5.針對(duì)快掃描模式下無法實(shí)現(xiàn)長(zhǎng)時(shí)累積和高分辨模式下海尖峰造成虛警的問題,提出了一種基于多普勒引導(dǎo)的多幀累積海面小目標(biāo)檢測(cè)器。該檢測(cè)器由掃描周期內(nèi)和掃描周期間兩步檢測(cè)組成,多普勒信息是連接兩者的橋梁。掃描周期內(nèi)采用最優(yōu)相干檢測(cè)獲取多普勒信息,并在高的虛警率下盡可能地突顯小目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡。由于海尖峰秒級(jí)去相關(guān),多幀聯(lián)合處理能有效地抑制海尖峰,降低虛警率。它沿著多普勒引導(dǎo)的主方向進(jìn)行小范圍的多幀累積,實(shí)現(xiàn)了小目標(biāo)的長(zhǎng)時(shí)累積增益和計(jì)算代價(jià)的降低。此外,提出了一種海尖峰仿真模型,包含了海尖峰的持續(xù)時(shí)間、幅度調(diào)制、隨機(jī)分布等特性。最后,基于仿真數(shù)據(jù)和實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的實(shí)驗(yàn)結(jié)果都證實(shí)了所提檢測(cè)器具有很好的性能提升,能穩(wěn)定而高效地探測(cè)高分辨海雜波背景下的運(yùn)動(dòng)小目標(biāo)。
【學(xué)位授予單位】：西安電子科技大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN957.51
【圖文】：

這些海面弱目標(biāo)與目標(biāo)本身的物理尺寸、自身材料、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及電磁散射特性都緊密相關(guān)，一直是對(duì)海雷達(dá)探測(cè)和警戒的重點(diǎn)和難點(diǎn)對(duì)象。圖1.1 典型的海面或海上低空目標(biāo)海雜波定義為雷達(dá)電磁波照射到感興趣區(qū)域時(shí)接收到的海表面后向散射回波[5-8]。因此，對(duì)海洋雷達(dá)來說，無論接收到的回波是否含有目標(biāo)，海雜波都固定存在，嚴(yán)重影響目標(biāo)存在性判定。受海洋環(huán)境參數(shù)（風(fēng)速、風(fēng)向、涌浪、溫度等）和雷達(dá)設(shè)備參數(shù)（擦地角、雷達(dá)波長(zhǎng)、極化方式等）的影響，海雜波的物理機(jī)制和統(tǒng)計(jì)模型建立都比較復(fù)雜，難以用簡(jiǎn)單的數(shù)學(xué)模型構(gòu)建。在空間維和時(shí)間維上，海雜波表現(xiàn)為長(zhǎng)時(shí)非平穩(wěn)而短時(shí)平穩(wěn)、整體非均勻而局部均勻；在多普勒頻域上，它具有時(shí)變的多普勒偏移和較大的帶寬，這也是低速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)難以檢測(cè)的主要原因。國(guó)外學(xué)者們對(duì)海雜波的研究比較早，并公開了兩個(gè)極其重要的實(shí)測(cè)海雜波數(shù)據(jù)庫(kù)：加拿大McMaster大學(xué)IPIX（Intelligent Pixel Processing X-band）數(shù)據(jù)庫(kù)[9]和南非的科學(xué)與工業(yè)研究委員會(huì)（Council for Scientific and Industrial Research, CSIR）數(shù)據(jù)庫(kù)[10]，為實(shí)測(cè)海雜波特性研究和各類新檢測(cè)算法的驗(yàn)證提供了非常寶貴的資源。近年來

船反入侵雷達(dá)和高分辨反潛雷達(dá)的對(duì)海性能提升。論文的總體研究框架見圖 1.2，全文共七章內(nèi)容，每章安排如下。圖1.2 論文總體研究框架第一章為緒論。首先，簡(jiǎn)要介紹海面弱目標(biāo)探測(cè)的研究背景和重要意義，分析海雜波的物理形成機(jī)理及其統(tǒng)計(jì)特性，為后續(xù)的檢測(cè)方法奠定基礎(chǔ)。其次，結(jié)合目前海面目標(biāo)的研究狀況，歸納總結(jié)了三類檢測(cè)方法的特點(diǎn)和適用條件。最后，簡(jiǎn)單回顧C(jī)GM 雜波下的最優(yōu)相干檢測(cè)結(jié)構(gòu)，并安排各章內(nèi)容。第二章針對(duì)高分辨、低海況下的局部均勻雜波環(huán)境，提出一種均勻 K-分布雜波背景下的最優(yōu)檢測(cè)器，稱為 Hom-OKD�？紤]到實(shí)際雷達(dá)探測(cè)環(huán)境，給出具有非迭代最大似然協(xié)方差估計(jì)的自適應(yīng) Hom-OKD。并且

但是，目前沒有確切的結(jié)論說明，自適應(yīng) OKD 在 IID 紋理下是否具有對(duì)散斑協(xié)方差矩陣的 CFAR 特性。圖2.1 自適應(yīng) OKD 和自適應(yīng) Hom-OKD 的流程圖接下來，我們需要進(jìn)一步闡述 Hom-OKD 和自適應(yīng) Hom-OKD 在均勻雜波背景下的最優(yōu)性。眾所周知，在推導(dǎo)最優(yōu)相干檢測(cè)時(shí)，我們假設(shè)完全獲知了目標(biāo)和雜波統(tǒng)計(jì)

【參考文獻(xiàn)】

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相關(guān)博士學(xué)位論文 前2條

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本文編號(hào)：2748863