CN104535977A - 一种基于gsm信号的雷达目标探测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于基于GSM信号的雷达目标探测方法，尤其涉及一种基于GSM宏基站分布条件下的双（多）基地雷达目标探测的方法。本发明提出了一种工程上可实现的基于GSM信号的雷达目标探测方法，本方法通过将雷达原始数据分为若干较短的数据段，在对直达波进行分段对消后，将相消后的分段回波信号拼接成原长度，本发明还优化了数据滤波的方法和距离多普勒关联算法实现了基于GSM信号探测动目标的工程化应用。

Description

一种基于GSM信号的雷达目标探测方法

技术领域

本发明属于基于GSM信号的雷达目标探测方法，尤其涉及一种基于GSM宏基站分布条件下的双（多）基地雷达目标探测的方法。

背景技术

双（多）基地雷达目标探测技术研究始于20世纪20年代，几十年来，随着外辐射源种类的不断增多，外辐射源的信号特征和分布特征也同步在被加以研究和利用，在先进的现代信号处理技术条件下，从而建立起对应不同类别外辐射源的信号处理方法。近年来理论研究和实际应用比较成功的外辐射源双（多）基地雷达目标探测可分为以下两类:1）合作式的双（多）基地雷达目标探测。2）非合作式的双（多）基地雷达目标探测。

由于GSM信号为低功率、窄带宽、连续波信号，且存在较强的地面多径反射信号，因此针对这种信号远距离探测的要求，需要克服接收信号中参考信号及其多径信号的串扰及长时间相干积累带来的大数据量计算等实时信号处理的困难，这些技术目前尚未解决。

发明内容

针对背景技术的不足，本发明提出了一种工程上可实现的基于GSM信号的雷达目标探测方法，本方法通过将雷达原始数据分为若干较短的数据段，在对直达波进行分段对消后，将相消后的分段回波信号拼接成原长度，本发明还优化了数据滤波的方法和距离多普勒关联算法实现了基于GSM信号探测动目标的工程化应用。

本发明的技术方案是：一种基于GSM信号的雷达目标探测方法，顺序包括主基站直达波对消步骤、距离多普勒处理步骤和目标检测处理步骤，其特征在于：

所述的主基站直达波对消步骤包括：

1.1构造直达波的分段延迟矩阵子步骤：将***接收到的主基站直达波参考信号和回波信号分别进行时域上的分段，将分段后的主基站直达波参考信号通过不同采样点的延迟构建各自的直达波分段延迟矩阵；

1.2回波通道直达波对消子步骤：将延迟矩阵变换成直达波的信号子空间的正交投影算子，并计算得出消除直达波及其多径信号后的分段回波信号，然后在还原为回波信号；

所述的距离多普勒处理步骤，使用相干积累技术和滤波抽取完成数据的距离多普勒处理，包括下述子步骤：

2.1共轭点乘子步骤；

将步骤1.1中的直达波样本的延迟数据矩阵取共轭；将步骤1.2中拼接得到的回波信号与共轭后的延迟数据矩阵相乘，得到不同延迟时刻的时域相干矩阵Y；

2.2抽取滤波子步骤；

将步骤2.1中的Y每一行进行相隔M点的h阶滤波抽取运算，得到Y'；

2.3距离多普勒维度变换子步骤；

将步骤2.2中的Y'每一行进行快速傅里叶变换(FFT)，得到回波的距离多普勒平面其中：为N×Q阶的矩阵；

所述的目标检测处理步骤，使用恒虚警处理完成非零多普勒目标的检测，再使用基于GSM信号帧结构特征的目标检测算法完成动目标的检测，包括下述子步骤：

3.1恒虚警检测(CFAR)子步骤；

将距离多普勒平面每一列进行N点的恒虚警处理，得到非零多普 勒目标所在的距离单元和多普勒值，

3.2前T帧生成临时航迹子步骤；

将步骤3.1中第一帧数据产生的非零多普勒目标作为生成临时航迹的第一点；将步骤3.1中非第一帧数据产生的非零多普勒目标与临时航迹关联，若能关联上则作为临时航迹更新保留，若不能关联上则作为一条新的临时航迹首点生成；

3.3T帧之后的航迹关联子步骤；

若步骤3.2中的某条临时航迹在消亡前存在共有超过T次的航迹点更新则升级为真实航迹；每一帧数据产生的非零多普勒目标按照先与真实航迹关联，再和临时航迹关联，最后自成一条新临时航迹的首点的次序进行航迹关联。

其有益效果是：所述直达波对消子步骤1.1和1.2中，由于雷达***需要长时间相干积累，使得矩阵X相乘的计算量过于巨大(X的快时间维度长度一般为10万点以上)，在实时信号处理实现时难度较大。因此可以将X沿快时间维度划分为若干较短长度的矩阵，在对直达波进行分段对消后，将相消后的分段回波信号拼接成原长度。

如上所述的的雷达目标探测方法，其特征在于：

所述步骤2.2中滤波抽取运算方法为：将需要抽取的点位置计算出来，再将该点用滤波得到，其余点可以不用处理。

其有益效果是：由于Y'的快时间维度长度一般为10万点以上，若使用普通的先滤波后抽取的方式计算量较大，在实时信号处理实现时难度较大。由于***在GSM信号相干积累后的所需带宽由200KHz降低为2KHz，使得Y'中大部分的点在抽取过程中被舍弃，故可以先将需要抽取的点位置计算出来，再将该点用滤波得到，其余点可以不用处理，从而大大的降低了计算量。

如上所述的的雷达目标探测方法，其特征在于：所述步骤3.2和步骤3.3采用距离移动和多普勒关联算法降低虚警率。其有益效果是：由于GSM信号帧结构的相关性，使得在距离多普勒平面上CFAR后会产生非零多普勒的虚假目标。这种虚假目标虽然在单帧或较少帧内表现为动目标特性，但在多帧积累过程中，其距离变化与多普勒变化特性与真实目标不同。因此，可以利用步骤3.2和步骤3.3所述方法将这样大量产生的虚假目标滤除。

附图说明

图1为本发明流程框图；

图2为抽取滤波时的取数示意图；

图3为CFAR的示意图；

图4为航迹关联流程示意图；

图5为检测到的一架民航飞机的距离多普勒图；

图6为检测到的一架民航飞机的时间距离图。

图7为收发双基地示意图。

具体实施方式

名词解释：双（多）基地雷达***：发射***和接收***不是在同一地理位置的雷达***，见图7。

双基地夹角：发射站——接收站——目标之间的夹角见图7。

以下结合附图对本发明做进一步的说明。

本发明提供一种基于GSM信号的雷达目标探测方法,实现利用现有的基站信号探测低空移动目标的目的。

如果要求尽量提探测威力，则对输入信号的要求：

1.直达波天线接收的主基站参考信号的信干噪比尽量大。主基站是指选择探测方法所需参考信号发射的基站。在不同的探测方向可以选择不同的基站发射的广播业务信道信号作为参考信号。

2.雷达目标回波通道天线需指向探测空域方向。

如图1所示，本发明顺序包括主基站直达波对消步骤、距离多普勒处理步骤和目标检测处理步骤，其中主基站直达波对消步骤包括构造直达波的分段延迟矩阵子步骤、回波通道直达波对消子步骤；距离多普勒处理步骤包括共轭点乘子步骤、抽取滤波子步骤和距离多普勒维度变换子步骤；目标检测处理步骤包括恒虚警检测(CFAR)子步骤、前T帧生成临时航迹子步骤和T帧之后的航迹关联子步骤。

以下结合附图和具体实施例对本发明进一步说明。

本发明的一个具体实施例：

一. 主基站直达波对消步骤：

1.1构造直达波的分段延迟矩阵子步骤；

将***接收到的主基站直达波参考信号和回波信号分别进行时域上的分段，将分段后的主基站直达波参考信号通过不同采样点的延迟构建各自的直达波分段延迟矩阵。

本实施例采用200KHz采样率0.5s时间的数据点作为一帧信号进行处理；将一帧数据中的直达波和回波信号各100K个数据点分别划分10段，每段10K点；根据GSM信号的分辨率ρ(在双基地夹角为0°时ρ≈1.8km，在双基地夹角为60°时ρ≈2.1km)、雷达所需的双基地探测距离R(R＝r_R+r_T＝110km)，见图7，确定由直达波天线收到的直达波样本S_dir的延迟阶数N,N＝R/ρ(N＝110/1.8≈62)，形成分段后的直达波数据矩阵X_i(X_i为10K*62阶矩阵，i＝1,2,3,...,10)。矩阵X_i的延迟形成方法是取数据点N到N+10000作为不延迟，N-1到N-1+10000作为一阶延迟，N-2到N-2+10000作为二阶延迟，以此类推，N为延迟阶数。

其中，C为光速，B为GSM信号带宽，为双基地夹角。

1.2回波通道直达波对消子步骤；

对将步骤1.1中的延迟矩阵X_i运用以下公式形成直达波的信号子空间的正交投影算子

$P_{\mathrm{xi}}^{\&perp;}=I-X_i{<X_i,X_i>}^{-1}{X}_i^H$

式中，I为单位阵，<X_i,X_i>为矩阵X_i的自相关运算，(·)^-1为求逆运算，(·)^H为共轭转置运算，为10K*10K阶的矩阵，i＝1,2,3,...,10。

将分段后的回波通道信号S_suri使用对应分段标号i的正交投影算子 计算得到消除直达波及其多径信号后的分段回波信号S'_suri：

$S_{\mathrm{suri}}^{\&prime;}=P_{\mathrm{xi}}^{\&perp;}{S}_{\mathrm{suri}}-X_i{<X_i,X_i>}^{-1}{X}_i^H{S}_{\mathrm{suri}}$

式中，为正交投影算子，I为单位阵，X_i为直达波分段延迟矩阵，S_suri为分段后的回波通道信号，i＝1,2,3,...,10。

在上述的矩阵运算中，可以适当使用矩阵计算的结合律，从而减小中间变量的存储维数。将分段对消后的回波信号S'_suri按照分段标号i依次拼接，还原为长度为100K点的回波信号S'_sur。

二.距离多普勒处理步骤，使用相干积累技术和滤波抽取完成数据的距离多普勒处理，包括下述子步骤：

2.1共轭点乘子步骤；

将步骤1.1中的100K点直达波样本S_dir的延迟数据矩阵X(X为62*100K阶矩阵)取共轭；将步骤1.2中拼接得到的100K点回波信号S'_sur与共轭后的X相乘，得到不同延迟时刻的时域相干矩阵Y，顺序执行以下子步骤2.2、子步骤2.3。

Y(i:,)＝conj(X(i:,)).*S'_sur

式中，conj(·)表示共轭计算，Y为N×P阶的矩阵，P为相干积累点数(P＝100K)，N为延迟阶数N＝R/ρ(N＝62)，i＝1,2,3,...,N。

2.2抽取滤波子步骤；

将步骤2.1中的Y每一行(共N行)进行相隔M点的h阶滤波抽取运算。图2是Y的其中一行进行相隔M点的h阶滤波抽取运算的示意图。相隔的M点是抽取时所需滤波器输出的点数间隔；取以kM+1(k＝0,1,2,3,...)点为起点连续的h点进入h阶滤波器得到抽取的一个输出点。Y经过这样的抽取滤波后得到Y'，Y'为N×Q阶的矩阵，Q＝floor[(P-h)/M]，floor[·]表示向下取整。以M＝100、h＝128、P＝100K为例，Q＝998。

2.3距离多普勒维度变换子步骤；

将步骤2.2中的Y'每一行(共N行)补0至最近的的数据长度后，进行快速傅里叶变换(FFT)，得到回波的距离多普勒平面

$\tilde{Y}(i,:)=\mathrm{FFT}\left[Y^{\&prime;}(i,:)\right],i=\mathrm{1,2,3},...,N,2^{\mathrm{ceil}\left[{\log }_{2}Q\right]}=1024$

其中：为阶的矩阵，ceil[·]表示向上取整，Y'(i,:)表示Y'矩阵的第i行，表示矩阵的第i行，FFT[·]表示快速傅里叶变换。

三.目标检测处理步骤，使用恒虚警处理完成非零多普勒目标的检测，再使用基于GSM信号帧结构特征的目标检测算法完成动目标的检测，包括下述子步骤：

3.1恒虚警检测(CFAR)子步骤；

将步骤2.3中的每一列(共)列)进行N点的恒虚警处理，如图3所示。CFAR的操作方法是将的某一列中的所有距离单元的幅度值求平均和其中的最大值，将二者的差值与CFAR的门限比较，从而确定是否有过门限的目标。若没有过门限的目标，则进行的下一列CFAR计算；若存在过门限的目标，将该目标所在的距离单元值、多普勒单元值等信息保留，再将该目标所在平面上坐标位置周围相邻9点的值置零。将置零后操作的这一列再次进行步骤3.1中的CFAR运算。在得到一帧信号中的所有非零多普勒目标所的距离单元和多普勒值后，顺序执行以下子步骤3.2、子步骤3.3；

3.2前T帧生成临时航迹子步骤；

航迹关联的流程如图4所示，将步骤3.1中第一帧数据产生的非零多普勒目标作为生成临时航迹的第一点，并以该检测点的距离和多普勒作为该航迹的起始距离和多普勒。将步骤3.1中非第一帧数据产生的非零多普勒目标与临时航迹关联，若能关联上则作为临时航迹更新保留，若不能关联上则作为一条新的临时航迹首点生成。航迹关联的准则是通过判别检测点和原来某条航迹的目标点相差不超过一定的范围时既认为检测点与这条航迹关联上。当检测点与原有某条航迹时间最邻近的第k个有效点在距离上相差不超过两个单元(k＝1,2,...,T，T＝5)，且多普勒满足如下关系：

$\left\{\begin{array}{c}|d-d_k|\&le;k*S_d\\ 0\&le;\frac{\mathrm{sign}\left(d\right)*(R_k-R)}{C/\mathrm{fs}}<3\end{array}\right.$

即认为检测点与原有航迹关联上。式中，d为非零多普勒目标检测点的多普勒值，R为非零多普勒目标检测点的距离单元值，d_k为原有航迹上第k个点的多普勒值，R_k为原有航迹上第k个点的距离单元值，S_d为假设的两帧目标间的最大多普勒间隔，sign(·)为符号函数，C为光速，fs为采样率。

3.3 T帧之后的航迹关联子步骤；

若步骤3.2中的某条临时航迹在消亡前存在共有超过T次的航迹点更新则升级为真实航迹；每一帧数据产生的非零多普勒目标按照先与真实航迹关联，再和临时航迹关联，最后自成一条新临时航迹的首点的次序进行航迹关联。在上述的关联次序中，若某个检测点在其中的一步中完成关联，则停止该目标点的后续关联操作，并跳转至本帧数据中的下一个检测点进行航迹关联。真实航迹一旦形成需立即输出，并持续进行航迹更新与显示。无论真实航迹和临时航迹一旦连续S帧数据无新航迹更新，需进行航迹消亡。

图5表示的是***通过该方法检测到的一个真实飞行目标的航迹信息。该图清晰的表明了目标在一段时间内的距离和多普勒的变化趋势。图6表示的是该飞行目标的双基地距离与时间的关系。该图清晰的表明随着时间的变化，目标的双基地距离在减小，说明是向站飞行，与图5中的正多普勒值相对应。

Claims (3)

1.一种基于GSM信号的雷达目标探测方法，顺序包括主基站直达波对消步骤、距离多普勒处理步骤和目标检测处理步骤，其特征在于：

所述的主基站直达波对消步骤包括：

1.1构造直达波的分段延迟矩阵子步骤：将***接收到的主基站直达波参考信号和回波信号分别进行时域上的分段，将分段后的主基站直达波参考信号通过不同采样点的延迟构建各自的直达波分段延迟矩阵；

1.2回波通道直达波对消子步骤：将延迟矩阵变换成直达波的信号子空间的正交投影算子，并计算得出消除直达波及其多径信号后的分段回波信号，然后在还原为回波信号；

所述的距离多普勒处理步骤，使用相干积累技术和滤波抽取完成数据的距离多普勒处理，包括下述子步骤：

2.1共轭点乘子步骤；

将步骤1.1中的直达波样本的延迟数据矩阵取共轭；将步骤1.2中拼接得到的回波信号与共轭后的延迟数据矩阵相乘，得到不同延迟时刻的时域相干矩阵Y；

2.2抽取滤波子步骤；

将步骤2.1中的Y每一行进行相隔M点的h阶滤波抽取运算，得到Y'；

2.3距离多普勒维度变换子步骤；

将步骤2.2中的Y'每一行进行快速傅里叶变换(FFT)，得到回波的距离多普勒平面其中：为N×Q阶的矩阵；

所述的目标检测处理步骤，使用恒虚警处理完成非零多普勒目标的检测，再使用基于GSM信号帧结构特征的目标检测算法完成动目标的检测，包括下述子步骤：

3.1恒虚警检测(CFAR)子步骤；

将距离多普勒平面每一列进行N点的恒虚警处理，得到非零多普勒目标所在的距离单元和多普勒值，

3.2前T帧生成临时航迹子步骤；

将步骤3.1中第一帧数据产生的非零多普勒目标作为生成临时航迹的第一点；将步骤3.1中非第一帧数据产生的非零多普勒目标与临时航迹关联，若能关 联上则作为临时航迹更新保留，若不能关联上则作为一条新的临时航迹首点生成；

3.3T帧之后的航迹关联子步骤；

若步骤3.2中的某条临时航迹在消亡前存在共有超过T次的航迹点更新则升级为真实航迹；每一帧数据产生的非零多普勒目标按照先与真实航迹关联，再和临时航迹关联，最后自成一条新临时航迹的首点的次序进行航迹关联。

2.如权利要求1所述的雷达目标探测方法，其特征在于：所述步骤2.2中滤波抽取运算方法为：将需要抽取的点位置计算出来，再将该点用滤波得到，其余点可以不用处理。

3.如权利要求1或2所述的的雷达目标探测方法，其特征在于：所述步骤3.2和步骤3.3采用距离移动和多普勒关联算法降低虚警率。