CN115656998B - 一种低样本数下阵列信号自适应检测方法与*** - Google Patents

一种低样本数下阵列信号自适应检测方法与*** Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种低样本数下阵列信号自适应检测方法与***,属于雷达目标检测领域,首先确定网格数,并根据阵列结构确定阵列信号数据模型;然后利用训练样本构造采样协方差矩阵;接着利用数据模型及采样协方差矩阵构造协方差矩阵初始估计值;再迭代估计协方差矩阵;进而利用协方差矩阵估计值及待检测数据构造检测统计量;然后利用检测统计量及***设定的虚警概率确定检测门限;最后比较检测统计量与检测门限之间的大小,并判决目标是否存在。本发明充分利用了阵列信号的结构信息,使所提出的方法能用于极低数据样本的情形,流程简便,性能优良,所提方法无需独立滤波过程,既可用于秩一信号也可以用于子空间信号的检测。

Description

一种低样本数下阵列信号自适应检测方法与***
技术领域
本发明属于雷达目标检测领域,更具体地,涉及一种低样本数下阵列信号自适应检测方法与***。
背景技术
随着硬件制造工艺的提升,以及信号处理理论的成熟,多通道雷达自适应处理技术逐渐成为雷达信号处理的主流,其中多通道自适应检测是重要内容。在真实环境中,往往存在大量干扰,严重影响目标检测性能,而为了消除掉干扰的影响,通常需要足够多的训练样本。然而,在实际环境中可用的数据样本往往十分有限,尤其是在非均匀环境以及阵列的阵元数较多的情形下。
因此,如何克服现有技术中数据样本不足时的目标检测难题,是本领域技术人员亟需解决问题。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求,本发明提供了一种低样本数下阵列信号自适应检测方法与***,其目的在于解决极低数据样本下的目标检测问题。
为实现上述目的,按照本发明的一个方面,提供了一种低样本数下阵列信号自适应检测方法,包括:
步骤1:确定网格数,并根据阵列结构确定阵列信号数据模型;
步骤2:利用阵列接收到的
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构造协方差矩阵的初始估计值;
步骤4:迭代估计协方差矩阵,直至达到最大迭代次数或满足协方差矩阵收敛条件;
步骤5:利用所述协方差矩阵估计值及待检测数据构造检测统计量;
步骤6:利用所述检测统计量及***设定的虚警概率确定检测门限;
步骤7:比较所述检测统计量与所述检测门限之间的大小,并判决目标是否存在;
所述步骤1中,网格数
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进一步,所述步骤7中,判决目标是否存在的方式为:
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,则判决目标存在;
Figure 175169DEST_PATH_IMAGE135
,则判决目标不存在。
进一步,一种低样本数下阵列信号自适应检测***,所述***用于实现低样本数下阵列信号自适应检测方法,
还包括:
网格数及数据模型确定模块,用于确定网格数,并根据阵列结构确定阵列信号数据模型;
采样协方差矩阵确定模块,用于利用阵列接收到的样本构造采样协方差矩阵;
协方差矩阵初始值构造模块,用于利用所述阵列信号数据模型及所述采样协方差矩阵构造协方差矩阵初始估计值;
协方差矩阵迭代估计模块,用于迭代估计协方差矩阵;
检测统计量构造模块,用于利用所述协方差矩阵估计值及待检测数据构造检测统计量;
检测门限确定模块,用于利用所述检测统计量及***设定的虚警概率确定检测门限;
目标判决模块,用于比较所述检测统计量与所述检测门限之间的大小,并判决目标是否存在。
总体而言,通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比,具有如下有益效果:
1)通过确定网格数及构建阵列信号数据模型,充分利用了数据的结构信息,使所提出的方法能用于极低数据样本的情形,即使一个训练样本也适用;
2)通过构造合理的协方差矩阵初始值,能够保证所提方法有效估计协方差矩阵;
3)通过协方差矩阵迭代估计,能够精确估计出未知协方差矩阵,为目标检测打下了良好基础;
4)通过设置协方差矩阵迭代终止方法,保证协方差矩阵的合理估计,避免迭代估计过程难以终止;
5)通过构造有效的检测统计量,同时实现了干扰抑制、信号积累和恒虚警处理,简化了流程,提高了检测概率。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案,下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍,显而易见地,下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据提供的附图获得其他的附图。
图1为本发明所述一种低样本数下阵列信号自适应检测方法原理示意图;
图2为本发明所述一种低样本数下阵列信号自适应检测***结构框架图;
图3为本发明所提方法与常规检测方法对秩一信号检测的性能比较示意图;
图4为本发明所提方法与常规检测方法对子空间信号检测的性能比较示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本发明进行进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。此外,下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
假设阵列天线含有
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表示共轭;干扰功率很强,往往高于信号功率及噪声功率几个数量级。
式(1)中的数据模型是在待检测数据单元不含目标的前提下得到的,若待检测单元含有目标,则式(1)应该修正为
Figure 727931DEST_PATH_IMAGE163
(4)
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时子空间模型退化为秩一信号模型。以子空间模型为例,检测问题可用下式所示的二元假设检验表示:
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(6)
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Figure 399772DEST_PATH_IMAGE178
表示目标存在的假设检验。
对于式(6)中的检测问题,最优检测器为子空间匹配滤波检测器:
Figure 402364DEST_PATH_IMAGE179
(7)
然而,式(7)中的协方差矩阵
Figure 456907DEST_PATH_IMAGE180
在实际中是未知的。式(6)对应的一个次优检测器为基于子空间的自适应匹配滤波器(Subspace-based Adaptive Matched Filter,SAMF),其检测统计量为:
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,然而这一要求往往在实际中很难满足,例如由于阵元数较大,或者地形非均匀特性严重。
本发明的目的在于解决极低样本下的阵列雷达目标检测难题。为了实现上述目的;
请参阅图1所示,本实施例提供了一种低样本数下阵列信号自适应检测方法,包括:
步骤1:确定网格数,并根据阵列结构确定阵列信号数据模型;
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构造协方差矩阵的初始估计值;
步骤4:迭代估计协方差矩阵,直至达到最大迭代次数或满足协方差矩阵收敛条件;
步骤5:利用所述协方差矩阵估计值及待检测数据构造检测统计量;
步骤6:利用所述检测统计量及***设定的虚警概率确定检测门限;
步骤7:比较所述检测统计量与所述检测门限之间的大小,并判决目标是否存在;
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Figure 188430DEST_PATH_IMAGE026
、/>
Figure 464690DEST_PATH_IMAGE027
、…、/>
Figure 698226DEST_PATH_IMAGE028
,/>
Figure 59937DEST_PATH_IMAGE029
的表达式为:
Figure 37120DEST_PATH_IMAGE030
,/>
Figure 433466DEST_PATH_IMAGE031
Figure 103482DEST_PATH_IMAGE032
表示/>
Figure 952489DEST_PATH_IMAGE033
的第/>
Figure 733364DEST_PATH_IMAGE034
列,在/>
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、/>
Figure 825133DEST_PATH_IMAGE036
和/>
Figure 161437DEST_PATH_IMAGE037
的表达式中,上标/>
Figure 746002DEST_PATH_IMAGE038
表示初始值;
所述步骤4中通过迭代方式估计协方差矩阵,当下述条件满足其中一个时,迭代过程终止:
条件一:
Figure 851361DEST_PATH_IMAGE039
条件二:
Figure 863180DEST_PATH_IMAGE040
,其中,/>
Figure 421200DEST_PATH_IMAGE041
为迭代次数,表示/>
Figure 543877DEST_PATH_IMAGE042
表示绝对值,/>
Figure 769322DEST_PATH_IMAGE043
所述步骤4中,迭代估计协方差矩阵具体为:
Figure 686462DEST_PATH_IMAGE044
Figure 997358DEST_PATH_IMAGE045
Figure 658146DEST_PATH_IMAGE046
Figure 738098DEST_PATH_IMAGE047
其中,
Figure 91719DEST_PATH_IMAGE048
,/>
Figure 889910DEST_PATH_IMAGE049
,/>
Figure 88810DEST_PATH_IMAGE050
为最大迭代次数,上标
Figure 288848DEST_PATH_IMAGE051
表示矩阵的逆,/>
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为向量欧拉范数,上标/>
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表示第/>
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次迭代的值;迭代/>
Figure 890413DEST_PATH_IMAGE055
次后,最终的协方差矩阵估计结果为:
Figure 320258DEST_PATH_IMAGE056
其中,
Figure 827462DEST_PATH_IMAGE057
为/>
Figure 899323DEST_PATH_IMAGE058
的前/>
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列,即:/>
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,/>
Figure 403620DEST_PATH_IMAGE061
为/>
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维单位矩阵,
Figure 42729DEST_PATH_IMAGE063
Figure 79955DEST_PATH_IMAGE064
为/>
Figure 561752DEST_PATH_IMAGE065
的中值。
所述步骤5中,检测统计量为:
Figure 975416DEST_PATH_IMAGE066
其中,
Figure 593479DEST_PATH_IMAGE067
为待检测数据向量,/>
Figure 536027DEST_PATH_IMAGE068
为最终的协方差矩阵估计结果,/>
Figure 505120DEST_PATH_IMAGE069
为信号矩阵,上标/>
Figure 456896DEST_PATH_IMAGE070
表示矩阵求逆。
所述步骤6中,检测门限为:
Figure 929465DEST_PATH_IMAGE071
式中,
Figure 574073DEST_PATH_IMAGE072
,/>
Figure 764883DEST_PATH_IMAGE073
为蒙特卡洛仿真次数,/>
Figure 848246DEST_PATH_IMAGE074
为***设定的虚警概率值,/>
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为取整操作,/>
Figure 256410DEST_PATH_IMAGE076
为序列/>
Figure 668937DEST_PATH_IMAGE077
由大到小排列第/>
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个最大值,
Figure 409677DEST_PATH_IMAGE079
为仅含干扰和噪声分量的待检测数据的第/>
Figure 396088DEST_PATH_IMAGE080
次实现,/>
Figure 561490DEST_PATH_IMAGE081
为第/>
Figure 393179DEST_PATH_IMAGE082
次蒙特卡洛仿真时的协方差矩阵估计值,所述协方差矩阵估计值的表达式为:
Figure 694848DEST_PATH_IMAGE083
其中,
Figure 852160DEST_PATH_IMAGE084
为/>
Figure 239279DEST_PATH_IMAGE085
的前/>
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列,即:/>
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;/>
Figure 624627DEST_PATH_IMAGE088
为/>
Figure 764621DEST_PATH_IMAGE089
维单位矩阵,
Figure 938113DEST_PATH_IMAGE090
Figure 214374DEST_PATH_IMAGE091
为/>
Figure 725207DEST_PATH_IMAGE092
,/>
Figure 86918DEST_PATH_IMAGE093
,/>
Figure 329681DEST_PATH_IMAGE094
,/>
Figure 726027DEST_PATH_IMAGE095
的中值;
Figure 130463DEST_PATH_IMAGE096
为第/>
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次实现过程中迭代/>
Figure 760345DEST_PATH_IMAGE098
次后的估计结果;
Figure 11198DEST_PATH_IMAGE099
次实现的第/>
Figure 852115DEST_PATH_IMAGE100
次迭代过程为:
Figure 922839DEST_PATH_IMAGE101
Figure 507404DEST_PATH_IMAGE102
Figure 612763DEST_PATH_IMAGE103
Figure 624582DEST_PATH_IMAGE104
其中,
Figure 448181DEST_PATH_IMAGE105
,/>
Figure 305279DEST_PATH_IMAGE106
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Figure 530724DEST_PATH_IMAGE107
为最大迭代次数,上标
Figure 713443DEST_PATH_IMAGE108
表示矩阵的逆,/>
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为向量欧拉范数,上标/>
Figure 419548DEST_PATH_IMAGE110
表示第/>
Figure 499500DEST_PATH_IMAGE111
次迭代的值;
在第
Figure 853121DEST_PATH_IMAGE112
次蒙特卡洛仿真迭代过程,初始值设置为:
Figure 385733DEST_PATH_IMAGE113
其中,
Figure 850213DEST_PATH_IMAGE114
Figure 784671DEST_PATH_IMAGE115
表示对角矩阵,且对角元素分别为/>
Figure 309193DEST_PATH_IMAGE116
、/>
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、…、/>
Figure 597272DEST_PATH_IMAGE118
;其中/>
Figure 386236DEST_PATH_IMAGE119
的表达式为:
Figure 816080DEST_PATH_IMAGE120
,/>
Figure 323285DEST_PATH_IMAGE121
/>
Figure 395146DEST_PATH_IMAGE122
表示/>
Figure 38617DEST_PATH_IMAGE123
的第/>
Figure 904942DEST_PATH_IMAGE124
列,
Figure 633864DEST_PATH_IMAGE125
其中,
Figure 243837DEST_PATH_IMAGE126
为阵列接收到的第/>
Figure 741814DEST_PATH_IMAGE127
个真实样本在第/>
Figure 779040DEST_PATH_IMAGE128
次仿真中的实现,在/>
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、/>
Figure 408922DEST_PATH_IMAGE130
和/>
Figure 26985DEST_PATH_IMAGE131
的表达式中,上标/>
Figure 235112DEST_PATH_IMAGE132
表示初始值,/>
Figure 938626DEST_PATH_IMAGE133
所述步骤7中,判决目标是否存在的方式为:
Figure 155981DEST_PATH_IMAGE134
,则判决目标存在;
Figure 628550DEST_PATH_IMAGE135
,则判决目标不存在。
请参阅图2所示,本发明提供了一种低样本数下阵列信号自适应检测***,所述***用于实现低样本数下阵列信号自适应检测方法,
还包括:
网格数及数据模型确定模块,用于确定网格数,并根据阵列结构确定阵列信号数据模型;
采样协方差矩阵确定模块,用于利用阵列接收到的样本构造采样协方差矩阵;
协方差矩阵初始值构造模块,用于利用所述阵列信号数据模型及所述采样协方差矩阵构造协方差矩阵初始估计值;
协方差矩阵迭代估计模块,用于迭代估计协方差矩阵;
检测统计量构造模块,用于利用所述协方差矩阵估计值及待检测数据构造检测统计量;
检测门限确定模块,用于利用所述检测统计量及***设定的虚警概率确定检测门限;
目标判决模块,用于比较所述检测统计量与所述检测门限之间的大小,并判决目标是否存在。
下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。
假设雷达阵列为均匀线阵,阵元间距为半个波长。假设存在
Figure 7579DEST_PATH_IMAGE189
个干扰,信号来向相对阵列法线方向的夹角分别为,-20°、12°和27°,各干扰的干噪比(Jammer-to-NoiseRatio,JNR)分别为10 dB、20 dB和30 dB,第/>
Figure 463968DEST_PATH_IMAGE190
个干扰的JNR被定义为/>
Figure 953856DEST_PATH_IMAGE191
,其中
Figure 546511DEST_PATH_IMAGE192
为第/>
Figure 96441DEST_PATH_IMAGE193
个干扰的功率,/>
Figure 40126DEST_PATH_IMAGE194
为噪声功率。网格数设定为/>
Figure 333704DEST_PATH_IMAGE195
,训练样本数为/>
Figure 46445DEST_PATH_IMAGE196
。虚警概率为/>
Figure 767277DEST_PATH_IMAGE197
图3给出了本发明所提方法与对角加载自适应匹配滤波器(Diagonally LoadedAdaptive Matched Filter,DL-AMF)在检测秩一信号时的检测性能比较,其中,目标的角度为0°,阵元数为
Figure 932679DEST_PATH_IMAGE198
,最大迭代次数为10次。从图中可以明显看出本发明所提方法比DL-AMF具有更高的检测概率。
图4给出了本发明所提方法与对角加载SAMF(Diagonally Loaded SAMF,DL-SAMF)在检测子空间信号时的检测性能比较,其中,子空间的维数为
Figure 764369DEST_PATH_IMAGE199
,阵元数为/>
Figure 597195DEST_PATH_IMAGE200
,最大迭代次数为12次。从图中可以明显看出本发明所提方法比DL-SAMF具有更高的检测概率。
本领域的技术人员容易理解,以上所述仅为本发明的较佳实施例而已,并不用以限制本发明,凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种低样本数下阵列信号自适应检测方法,其特征在于,包括:
步骤1:确定网格数,并根据阵列结构确定阵列信号数据模型;
步骤2:利用阵列接收到的L个样本构造采样协方差矩阵T;
步骤3:利用所述阵列信号数据模型及所述采样协方差矩阵T构造协方差矩阵的初始估计值;
步骤4:迭代估计协方差矩阵,直至达到最大迭代次数或满足协方差矩阵收敛条件;
步骤5:利用所述协方差矩阵估计值及待检测数据构造检测统计量;
步骤6:利用所述检测统计量及***设定的虚警概率确定检测门限;
步骤7:比较所述检测统计量与所述检测门限之间的大小,并判决目标是否存在;
所述步骤1中,网格数K的范围选择为阵元数N的10~20倍,相应的阵列流型为:
A=[a(θ1),a(θ2),…,a(θK),IN]
其中,
Figure FDA0004121819360000011
j为虚数单位,d2,…,dN分别为第2,…,N个阵元相对第1个阵元的距离,λ为阵列所发射电磁波的波长,θk为第k个网格相对阵列法线的角度,上标(·)T表示转置,IN为N×N维单位矩阵;
所述步骤2中,采样协方差矩阵T为:
Figure FDA0004121819360000012
其中,yl为阵列接收到的第l个真实样本,l=1,2,…,L,L为阵列接收到快拍数,即:训练样本数;上标(·)H表示共轭转置;
所述步骤3中,协方差矩阵的初始估计值为:
Figure FDA0004121819360000013
其中,
Figure FDA0004121819360000021
Figure FDA0004121819360000022
表示对角矩阵,且对角元素分别为/>
Figure FDA0004121819360000023
Figure FDA0004121819360000024
的表达式为:
Figure FDA0004121819360000025
ak表示A的第k列,在
Figure FDA0004121819360000026
和/>
Figure FDA0004121819360000027
的表达式中,上标(·)(0)表示初始值;
所述步骤4中通过迭代方式估计协方差矩阵,当下述条件满足其中一个时,迭代过程终止:
条件一:Q>20
条件二:
Figure FDA0004121819360000028
其中,Q为迭代次数,表示|·|表示绝对值,δ=0.005。
2.根据权利要求1所述的一种低样本数下阵列信号自适应检测方法,其特征在于,所述步骤4中,迭代估计协方差矩阵具体为:
Figure FDA0004121819360000029
Figure FDA00041218193600000210
Figure FDA0004121819360000031
Figure FDA0004121819360000032
其中,k=1,2,…,K+N,q=0,1,…,Q-1,Q为最大迭代次数,上标(·)-1表示矩阵的逆,||·||为向量欧拉范数,上标(·)(q)表示第q次迭代的值;迭代Q次后,最终的协方差矩阵估计结果为:
Figure FDA0004121819360000033
其中,AK为A的前K列,即:AK=[a(θ1),a(θ2),…,a(θK)],IN为N×N维单位矩阵,
Figure FDA0004121819360000034
Figure FDA0004121819360000035
为/>
Figure FDA0004121819360000036
的中值。
3.根据权利要求2所述的一种低样本数下阵列信号自适应检测方法,其特征在于,所述步骤5中,检测统计量为:
Figure FDA0004121819360000037
其中,X为待检测数据向量,
Figure FDA0004121819360000038
为最终的协方差矩阵估计结果,H为信号矩阵,上标(·)-1表示矩阵求逆。
4.根据权利要求3所述的一种低样本数下阵列信号自适应检测方法,其特征在于,所述步骤6中,检测门限为:
η=t(n*)
式中,
Figure FDA0004121819360000039
V为蒙特卡洛仿真次数,μ为***设定的虚警概率值,/>
Figure FDA00041218193600000310
为取整操作,t(i)为序列/>
Figure FDA00041218193600000311
由大到小排列第i个最大值,Xv为仅含干扰和噪声分量的待检测数据的第v次实现,/>
Figure FDA0004121819360000041
为第v次蒙特卡洛仿真时的协方差矩阵估计值,所述协方差矩阵估计值的表达式为:
Figure FDA0004121819360000042
其中,AK为A的前K列,即:AK=[a(θ1),a(θ2),…,a(θK)];IN为N×N维单位矩阵,
Figure FDA0004121819360000043
Figure FDA0004121819360000044
为/>
Figure FDA0004121819360000045
的中值;
Figure FDA0004121819360000046
为第v次实现过程中迭代Q次后的估计结果;
第v次实现的第q次迭代过程为:
Figure FDA0004121819360000047
Figure FDA0004121819360000048
Figure FDA0004121819360000049
Figure FDA00041218193600000410
其中,k=1,2,…,K+N,q=0,1,…,Q-1,Q为最大迭代次数,上标(·)-1表示矩阵的逆,||·||为向量欧拉范数,上标(·)(q)表示第q次迭代的值;
在第v次蒙特卡洛仿真迭代过程,初始值设置为:
Figure FDA00041218193600000411
其中,
Figure FDA0004121819360000051
Figure FDA0004121819360000052
表示对角矩阵,且对角元素分别为/>
Figure FDA0004121819360000053
Figure FDA0004121819360000054
其中/>
Figure FDA0004121819360000055
的表达式为:
Figure FDA0004121819360000056
/>
ak表示A的第k列,
Figure FDA0004121819360000057
其中,yl,v为阵列接收到的第l个真实样本在第v次仿真中的实现,在
Figure FDA0004121819360000058
Figure FDA0004121819360000059
的表达式中,上标(·)(0)表示初始值,v=1,2,…,V。
5.根据权利要求4所述的一种低样本数下阵列信号自适应检测方法,其特征在于,所述步骤7中,判决目标是否存在的方式为:
若t≥η,则判决目标存在;
若t<η,则判决目标不存在。
6.一种低样本数下阵列信号自适应检测***,其特征在于,所述***用于实现如权利要求1至5中任一项所述的低样本数下阵列信号自适应检测方法,
还包括:
网格数及数据模型确定模块,用于确定网格数,并根据阵列结构确定阵列信号数据模型;
采样协方差矩阵确定模块,用于利用阵列接收到的样本构造采样协方差矩阵;
协方差矩阵初始值构造模块,用于利用所述阵列信号数据模型及所述采样协方差矩阵构造协方差矩阵初始估计值;
协方差矩阵迭代估计模块,用于迭代估计协方差矩阵;
检测统计量构造模块,用于利用所述协方差矩阵估计值及待检测数据构造检测统计量;
检测门限确定模块,用于利用所述检测统计量及***设定的虚警概率确定检测门限;
目标判决模块,用于比较所述检测统计量与所述检测门限之间的大小,并判决目标是否存在。
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