当前课程知识点:分数域信号与信息处理及其应用 > 第8章 分数域探测信号处理 > 8.4 分数域海杂波抑制 > 8.4 分数域海杂波抑制
同学们好
FRFT在信号处理中有很广泛的应用
从这节课开始
我们将给大家介绍
FRFT在雷达信号处理中的应用
我们以雷达海上弱小目标探测为例
共分为三讲内容
第一讲为
FRFT域海杂波抑制
第二讲为
FRFT域动目标检测
第三讲为
分数域长时间相参积累
相信能帮助大家更深入地了解
FRFT的原理以及应用
第一讲
FRFT域海杂波抑制
包括哪些内容
首先简要介绍一下
雷达海上弱小目标
探测的背景和意义
及面临的挑战
然后介绍
FRFT域海杂波抑制的典型方法
包括FRFT谱
对消和谱增强两种方法
为什么要以海上弱小目标探测
为应用场景
大家知道
近年来 随着国家安全
国家利益拓展
和海洋资源的开发利用
对海上目标探测能力的要求大幅提升
例如在导航避碰
船舶 监视 预警探测 海上维权等
均需要有效的对海探测手段
但海上探测环境复杂
探测对象多样
面临着复杂环境下信息处理难题
其中关键技术
就是雷达海上目标信号处理技术
这也是世界性难题
雷达是对海探测的主要传感器
“看得见 看得远 看得清 辨得明”
是雷达探测的基本要求
但在海洋环境下
雷达是否能够实现这几个目标
让我们来看一个例子
一个典型的近岸环境
两个小船目标
有一个浮桥
还有遍布四周的防鲨网
雷达的回波会是什么样子
雷达的主要显示方式
为极坐标形式的P显
可以读出目标的距离和方位
同学们你们能找到目标吗
从这个P显图上
可以看到目标1和2
还有浮桥
但是防鲨网却没有显示出来
这是因为防鲨浮漂体积小
材料主要是泡沫
雷达反射截面积小
回波微弱
那么如何才能发现它
最常用的方法就是提高发射功率
这就是
增大雷达发射能量之后的P显图
大家仔细看
防鲨浮漂出来了
但好像又多了些斑斑点点的回波
这是什么
这些就是海面反射回波
称为海杂波
海况不同海杂波有强有弱
会给雷达造成误判和虚警
所以说
海杂波抑制
是弱小目标检测的前提
那么雷达海上弱小目标探测难点有哪些
首先就是海杂波
海杂波是海面电磁散射形成的
它是雷达海域气象条件等
诸多参数的非线性函数
机理非常复杂
特性认知与抑制极其困难
传统的海杂波抑制方法
多以时域幅值抑制
和频域多普勒滤波为主
多适合于低海况海杂波不强的情况
难以适用于高海况的海杂波
也就是海尖峰的抑制
图中我们看到
强海杂波不仅具有高幅值
而且其多普勒还有很宽的频带
因此目标的时域和频域中
均有可能被海杂波覆盖
导致发现难
第二个因素就是海上目标类型繁杂多样
包括 “高度低 速度慢 尺寸小
高机动和快速隐身” 等目标
特性复杂
那么在强海杂波
和复杂目标信号的共同作用下
回波信杂比低
信号微弱发现难
具有低可观测性
此外海上目标
由于海面起伏和自身运动
回波相位容易产生高阶相位项
传统的多普勒滤波的方法
如动目标检测(MTD)
仅适用于匀速运动目标
不能有效积累目标能量
导致雷达无法判决目标有无
因此需从海杂波抑制
和目标能量积累两个角度
改善回波信杂比
提高雷达探测能力
FRFT是传统傅里叶变换的扩展
能够体现信号时频域特性
海杂波和动目标
在FRFT域的特性如何
这里是X波段雷达数据
左图和右图分别为
海杂波和动目标的FRFT谱
海杂波幅值起伏变化剧烈
但在变换阶数p=1
也就是频域周围的能量分布相对集中
因此海杂波可认为与单频信号相似
虽然也具有微弱变化的加速度
但其持续时间较短
因此在FRFT域
能量得不到很好的聚集
而动目标可在一定的变换角度下
形成峰值
进而根据峰值检测到目标
S波段的数据也是如此
海杂波能量相对分散
因此我们可以利用
FRFT域特性差异
来区分海杂波和动目标
下面介绍
FRFT域海杂波抑制的方法
第一种是利用FRFT延时特性
设计的抑制方法
通过数学推导可以发现
当延迟一定的时间τ时
LFM信号及其延时信号
在FRFT峰值
出现在相同阶数的变换域中
但峰值位置不相同
而单频信号
与其延时信号的FRFT谱
模函数特性一致
与延迟无关
大家可以思考一下
如何利用这个特性抑制海杂波
海上目标在一定观测时间范围内
具有一定的加速度
可建模为LFM信号
而海杂波
可用多分量单频信号近似
因此两者FRFT模值之差后
动目标能量得到了保留
而海杂波中
单频信号的能量被对消
因此利用这一特性
就能抑制海杂波
下面我们来举个例子
先来验证目标与杂波在FRFT域
可分的情况
这里分别给出了
回波信号经过0.1秒延时
以及延时对消后的FRFT幅值
对消以后海杂波得到较好的抑制
而目标能量基本没有被削弱
后续可设定门限
检测出目标
再来看看
目标与杂波在FRFT域不可分的情况
也就是FRFT谱重叠
依然能有效地抑制海杂波
通过这样的操作
就可以提高
雷达弱小目标的探测概率
如何进一步减少海杂波剩余
降低虚警
下面再介绍一种
海杂波抑制方法
FRFT域杂波图技术
时域杂波图是一种常用的
雷达目标检测的方法
对于一个固定的雷达
不同扫描周期
得到的地物回波位置是相同的
多次迭代可形成一个检测阈值
最常用的就是平均值
这样再有新的雷达回波
就可以与这个杂波图阈值相减
从而目标得以保留
杂波被剔除
大家想一想
时域杂波图处理后
剩余的是什么类型目标
没错 是运动目标
我们来看看实际的雷达回波
这是一个对海雷达部分P显图像
可以看到
有陆地和海面产生的
地杂波和海杂波
海面还有多批目标
通过时域杂波图处理后
这些目标保留了下来
而地杂波和海杂波被抑制掉了
那么能否受此启发
进一步降低FRFT域海杂波虚警
答案是可以的
前面已经介绍了
FRFT的延迟特性
因此我们可以多次迭代
求其海杂波
在某一FRFT域的功率水平估计
动目标幅值位置不同
对杂波图建立贡献很小
作对消后
就可以抑制大部分海杂波能量
如果输出结果再接上检测器
那么就可以实现
海杂波抑制的同时检测动目标了
这里给出了一组雷达数据的处理结果
图1和图2
表明动目标被海杂波幅值所淹没
干扰比较严重
对检测性能影响很大
而采用FRFT域杂波图对消的方法
海杂波得到了明显的抑制
而动目标能量基本没有被削弱
更易于检测目标
进而提高检测概率
这里给出的是检测性能曲线
横坐标是信杂比
值越大代表目标回波越强
纵坐标代表检测概率
与时域恒虚警方法对比
在相同信杂比条件下
检测概率更高
接下来这种方法
是从FRFT域滤波的角度
实现海杂波抑制的
大家都知道
时域最小均方自适应LMS滤波算法
那么我们可以将
LMS算法和FRFT方法结合
实现FRFT域
LFM信号的滤波和谱线增强
这里我们就不详细阐述原理了
同学们可利用前面的基础
参考下面的文献去学习研究
我们来看一下实际处理效果如何
这里是一个
S波段雷达的对海观测数据
左图为时域回波
右图为不同距离的多普勒分布
在74海里附近
有一个强幅值区域
但多普勒发散
是否有目标无法判定
进一步研究74海里的目标回波
分别采用
经典的傅里叶变换
和FRFT域海杂波抑制方法
可以看出
虚警降低 目标的谱线清晰
进而实现了
弱小目标的有效检测
回顾一下我们这节课所讲的内容
讲到了哪些知识点
第一我们以雷达海上目标探测为例
指出弱小目标检测的前提
是海杂波抑制
第二分析了海杂波
和动目标的FRFT域特性
两者FRFT谱分布不同
第三利用FRFT的延迟和滤波特性
设计了三种海杂波抑制方法
改善信杂比
下一节我们将介绍
FRFT域动目标检测方法
这里是本节课的相关课外资料
大家可以进一步研究学习
我们今天就讲到这里
谢谢大家
-1.1 分数傅里叶变换背景与理论
-1.2 分数傅里叶变换应用
-第1章 讨论题
--第1章 讨论题1
--第1章 讨论题2
-第1章 习题
--第1章 习题
-2.1 分数傅里变换的定义
-2.2 分数傅里叶变换的性质
-2.3 一维/二维分数傅里叶变换
-第2章 讨论题
--第2章 讨论题1
--第2章 讨论题2
-第2章 习题
--第2章 习题
-3.1 分数卷积I
-3.2 分数卷积II
-3.3 功率谱
--3.3 功率谱
-3.4 分数功率谱
-第3章 讨论题
--第3章 讨论题1
--第3章 讨论题2
-第3章 习题
--第3章 习题
-4.1 傅里叶域均匀采样定理
-4.2 分数域均匀采样定理I-采样信号的分数域谱分析
-4.3 分数域均匀采样定理II-信号重建
-4.4 傅里叶域带通采样定理
-4.5 分数域带通采样定理
-4.6 周期非均匀采样定理
-第4章 讨论题
--第4章 讨论题1
--第4章 讨论题2
--第4章 讨论题3
-第4章 习题
--第4章 习题
-5.1 多分量chirp信号检测与参数估计方法
-5.2 多分量chirp信号检测与参数估计背景及仿真
-5.3 基于分数傅里叶变换的时延估计
-5.4 立方相位信号参数估计理论与应用
-第5章 讨论题
--第5章 讨论题1
--第5章 讨论题2
-第5章 习题
--第5章 习题
-6.1 分数傅里叶变换离散算法
-6.2 离散分数变换
-6.3 广义Hilbert变换
-6.4 稀疏傅里叶变换的定义
-6.5 稀疏分数傅里叶变换
-第6章 讨论题
--第6章 讨论题1
--第6章 讨论题2
--第6章 讨论题3
-第6章 习题
--第6章 习题
-7.1 短时分数傅里叶变换
-7.2 分数小波变换I
-7.3 分数小波变换II
-7.4 基于分数阶相位匹配原理时频分布构造
-第7章 讨论题
--第7章 讨论题1
--第7章 讨论题2
--第7章 讨论题3
-第7章 习题
--第7章 习题
-8.1 分数傅里叶变换与模糊函数
-8.2 分数傅里叶变换与MIMO雷达模糊函数
-8.3 分数傅里叶变换与雷达通信一体化
-8.4 分数域海杂波抑制
-8.5 分数域雷达动目标检测
-8.6 分数域长时间相参积累及其应用
-8.7 分数域辐射源定位技术
-8.8 分数阶相位匹配时频分布的应用
-第8章 讨论题
--第8章 讨论题1
--第8章 讨论题2
--第8章 讨论题3
--第8章 讨论题4
-第8章 习题
--第8章 习题
-9.1 分数傅里叶光学
-9.2 分数域光学相干层析成像色散补偿技术
-9.3 基于分数傅里叶变换的牛顿环参数估计
-9.4 基于分数傅里叶变换的光纤端面检测仪
-第9章 讨论题
--第9章 讨论题1
--第9章 讨论题2
--第9章 讨论题3
--第9章 讨论题4
-第9章 习题
--第9章 习题
-10.1 分数域高光谱信号处理
-10.2 分数域高光谱异常检测
-10.3 分数域高光谱协同分类
-第10章 讨论题
-第10章 习题
--第10章 习题