本技术涉及一种基于平均谱半径的海面漂浮小目标检测方法,包括如下步骤:S1,将采样数据转化为随机矩阵模型;S2,计算S1得到的随机矩阵平均谱半径;S3,利用平均谱半径作为检测统计量进行海面漂浮小目标检测。本发明基于随机矩阵理论,采用平均谱半径作为检测统计量,利用有无目标情况下雷达回波数据相关性的差异实现目标距离门和杂波距离门的区分,有效提高海杂波背景下漂浮小目标的鲁棒性和检测概率。
背景技术
随着目标的小型化和隐身化,海面慢速、漂浮小目标和掠海飞行的低空慢速小目标已经成为了雷达警戒的重点对象。粗糙起伏的海表面与雷达发射的电磁波发生相互作用产生的强烈的后向散射回波被称为海杂波,回波强度高且空时变化复杂,对雷达的目标检测性能产生严重的影响。海杂波背景下的雷达弱目标检测在军事和民用领域都有着重要的实际意义,也是当前雷达信号处理领域的研究热点。
目前,海杂波背景下的弱目标检测方法可以分为四类,基于统计模型的方法、基于时频分析的方法、基于分形的方法和基于多特征融合的检测方法:
(1)基于统计模型的检测方法
经典的雷达目标检测方法是基于统计模型的恒虚警(Constant False AlarmRate,CFAR)检测算法,其基本思想是通过参考单元对待检测单元背景杂波的统计特性进行实时估计,如文献“Coherent Radar Target Detection in Heavy-Tailed Compound-Gaussian Clutter”(K.J.Sangston,F.Gini and M.S.Greco,in IEEE Transactions onAerospace and Electronic Systems,vol.48,no.1,pp.64-77,Jan.2012.)中提出的广义帕累托分布杂波中的最优检测器等。
(2)基于时频分析的检测方法
时频分析可以描述频率成分在各时刻的变化情况,适合非平稳信号的分析与处理,近年来,国内外有很多研究工作聚焦于利用目标与海杂波由于运动特性不同而在时频空间上产生的差异,实现海面目标检测,如文献“Detection and Extraction of TargetWith Micromotion in Spiky Sea Clutter Via Short-Time Fractional FourierTransform”(X.Chen,J.Guan,Z.Bao and Y.He,in IEEE Transactions on Geoscienceand Remote Sensing,vol.52,no.2,pp.1002-1018,Feb.2014.)中提出的基于短时分数阶傅里叶变换的检测方法。
(3)基于分形的检测方法
海表面的散射系数是一个分形函数,其散射回波具有分形结构,而规则的目标散射信号将影响回波的分形特征,使得分形维数降低,可以实现目标单元和杂波单元的区分。近年来,相关的研究工作提出了利用信号在不同域的分形特性设计检测方法,如文献“Fractal properties of autoregressive spectrum and its application on weaktarget detection in sea clutter background”(Fan,Y.,et al.,IET Radar,Sonar&Navigation,vol.9,no.8,pp.1070–1077,2015.)中讨论的海杂波自回归谱的分形特性。
(4)基于多特征融合的检测方法
随着观测手段的精细化,海杂波和目标回波特性变得复杂且难以进行精确的统计建模。基于多特征的检测器通过从时域和频域中提取能够有效区分目标单元和杂波单元的特征,构成多维特征空间,然后将目标检测的二元假设检验问题转化为异常检测问题或分类问题,实现对海面漂浮小目标的检测,包括文献“Anomaly Based Sea-Surface SmallTarget Detection Using K-Nearest Neighbor Classification”(Z.-X.Guo and P.-L.Shui,in IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,vol.56,no.6,pp.4947-4964,Dec.2020.)中利用8个特征构成特征空间,并基于最邻近结点的异常检测算法实现的海面小目标的特征检测方法等。
近年来,国内外学者尝试应用不同的信号处理算法解决这一问题的尝试取得了一系列具有启发性的研究成果,但是,由于海杂波的复杂变化和目标的多样性,目前还没有成熟的方法能够实现对海杂波中弱目标实时性、鲁棒性的检测。
综上所述,海面漂浮小目标检测主要有如下难题:
1.海杂波特性受到风速、浪高等环境因素,载频、距离分辨率和极化方式等雷达系统参数的影响,具有较强的非高斯和非平稳特性,变化复杂且回波强度高,采用传统的模型驱动的特征和检测方法难以实现具有鲁棒性的检测性能。
海面漂浮小目标RCS较小,且目标可能在某段时间内会部分被海浪遮挡,具有严重的RCS起伏。同时,目标的运动和姿态受到海风和海浪的严重干扰,没有明显的运动规律,难以被有效积累。目标回波在时域和频域都重叠在杂波中,严重影响目标检测性能。
实现思路