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原文传递高分辨雷达舰船距离像估计和遮蔽小目标检测方法研究

论文题名：	高分辨雷达舰船距离像估计和遮蔽小目标检测方法研究
关键词：	高分辨雷达;舰船距离像估计;遮蔽小目标检测
摘要：	对海雷达通常设计为具有高距离分辨率或者低距离分辨率的目标检测和高距离分辨率识别的双工作模式。由于海杂波功率水平与雷达分辨单元的面积成正比，在高分辨对海雷达中，海杂波功率水平低，使得海面小目标和低可观测目标的检测成为可能。通常情况下，高分辨对海雷达发射大时宽-带宽积的线性或者非线性调频脉冲，并通过脉冲压缩技术实现高距离分辨率。然而，在获得高距离分辨率的同时也带来了难以避免的副作用：海杂波的强非高斯性和距离副瓣效应。高分辨海杂波的强非高斯性部分抵消了低海杂波功率水平在目标检测中的优势。距离副瓣效应是指脉冲压缩的距离副瓣会被误认为真实的目标或者遮蔽距离副瓣区域内的小目标。距离副瓣效应是脉冲压缩雷达的固有属性，会不可避免地发生，区别在于距离副瓣效应发生的严重程度。距离副瓣效应的严重程度取决于目标信杂比（Signal-to-ClutterRatio,SCR)和脉冲压缩距离副瓣的水平。海杂波的非高斯性和距离副瓣效应使得被大目标距离副瓣遮蔽的海面小目标的检测变得极其复杂。在高分辨对海雷达中，除了目标检测以外，舰船的分类和识别也是其重要任务。舰船长度是舰船分类和识别的重要特征之一，可以通过舰船径向尺寸估计值和跟踪模式下的航向角得到。然而由于距离副瓣效应的存在，使得估计舰船径向尺寸时出现过估计现象。因此，为了在非高斯海杂波和副瓣效应存在的复杂环境中提升高分辨对海雷达的目标检测和分类能力，本文研究了舰船高分辨距离像（High-ResolutionRangeProfile,HRRP)和径向尺寸的估计方法以及遮蔽小目标检测方法。本文主要研究工作和成果如下：　　1.针对广义Pareto分布（GeneralizedParetoDistribution,GPD)海杂波背景下非相干检测器的恒虚警（ConstantFalseAlarmRate,CFAR)问题，以单元平均（Cell-Average,CA)和序贯统计量（Order-Statistic,OS)两种非相干检测器为例，推导了两种非相干检测器的虚警概率公式，发现了两种非相干检测器关于杂波功率水平是CFAR的。然而，两种非相干检测器关于杂波的非高斯性和散斑协方差矩阵是非CFAR的。为了实现全场景的CFAR检测，提出了使用估计的散斑协方差矩阵在非相干累积前进行块白化的方法。块白化的非相干检测器关于杂波功率和散斑协方差矩阵是CFAR的。在这种情况下，使用匹配海杂波形状参数的检测门限，可以确保非相干检测器的全场景CFAR特性，并且通过实验结果进行了验证。　　2.针对高分辨对海监视雷达中距离副瓣效应导致的舰船径向尺寸过估计问题，提出了一种新的舰船径向尺寸估计方案。该方案包括舰船的检测和定位、严重距离副瓣效应的判定、舰船HRRP的稀疏恢复以及舰船径向尺寸估计。当严重距离副瓣效应发生时，检测到的舰船强回波所占据的距离区间的长度会远大于其径向尺寸。在这种情况下，当使用传统的通过确定强回波的边界来估计目标径向尺寸的方法时，会发生过估计现象。解决舰船径向尺寸严重过估计问题的一种方法是通过确定舰船HRRP的边界来估计舰船径向尺寸。如此，舰船径向尺寸估计问题可以归结为非高斯海杂波背景下舰船HRRP的稀疏恢复问题。在本文中，提出了一种基于线性规划（LinearProgramming,LP)的稀疏恢复方法用于在非高斯海杂波中估计舰船的HRRP，然后通过确定估计的舰船HRRP的边界来估计舰船的径向尺寸。仿真数据和实测数据的实验结果表明，与传统方法相比，提出的方法可以提供更高的舰船径向尺寸估计精度。　　3.针对舰船HRRP估计问题，提出了一种迭代最小化稀疏恢复（SparseRecoveryviaIterativeMinimization,SRIM)方法用于在非高斯海杂波背景下估计舰船的HRRP。从带噪观测值中恢复稀疏信号一直是一个重要的问题，并且进行了广泛的研究。然而，现有的稀疏恢复方法的关注重点是信号而不是干扰背景，均假定干扰背景为高斯噪声。由于背景模型的失配，当使用这些方法在非高斯海杂波背景下估计舰船HRRP时，不可避免地会有性能损失。SRIM方法使用逆伽马纹理的复合高斯模型（CompoundGaussianModel,CGM)匹配了干扰背景的非高斯特性，并通过双参数的广义高斯分布（GeneralizedGaussianDistribution,GGD)(0lt;p《1，p是稀疏参数，决定了舰船HRRP的稀疏性）模型描述了舰船HRRP的特征。此外，在SRIM方法中，通过残差和干扰模型之间的K-S距离）Kolmogorov-SmirnovDistance,KSD)的最小准则搜索GGD模型的最优稀疏参数。通过仿真数据和实测数据验证了SRIM方法的有效性，实验结果表明SRIM方法能够取得比现有方法更好的舰船HRRP估计性能。　　4.针对高分辨对海雷达中被大目标的距离副瓣遮蔽的海面小目标难以被检测的问题，提出了一种有效的遮蔽小目标检测方法。该方法包括第一重目标检测、大目标定位、大目标回波的高精度重构、大目标回波消除、遮蔽小目标检测。海面上除了感兴趣的小目标外，还有许多不感兴趣的大目标，例如大型船只、礁石和海上石油钻探平台。由于大目标的雷达回波太强，其距离副瓣通常会遮蔽一个相当宽的距离区间。当小目标位于该距离区间内时，小目标的弱回波难以与大目标的强回波竞争，使得小目标难以被检测到。在遮蔽小目标检测方法中，大目标回波的高精度重构至关重要，因为微小的重构误差都足以遮蔽小目标的弱回波。因此，提出了一种使用线性规划和过采样HRRP模型的算法用于大目标回波的高精度重构。实验结果表明，提出的检测方法可以有效地检测遮蔽小目标，但是当小目标落入大目标自身所占据的距离区间并且其径向速度与大目标相同时，遮蔽小目标不能被有效检测。
作者：	张坤
专业：	信息与通信工程;信号与信息处理
导师：	水鹏朗
授予学位：	博士
授予学位单位：	西安电子科技大学
学位年度：	2021