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一种基于广义似然比的拖曳式诱饵存在性检测方法.pdf

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一种 基于 广义 拖曳 诱饵 存在 检测 方法
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摘要
申请专利号:

CN201510536558.6

申请日:

2015.08.27

公开号:

CN106483509A

公开日:

2017.03.08

当前法律状态:

实审

有效性:

审中

法?#19978;?#24773;: 实质审查的生效IPC(主分类):G01S 7/36申请日:20150827|||公开
IPC分类号: G01S7/36 主分类号: G01S7/36
申请人: 南京理工大学
发明人: 李静; 张仁李; 盛卫星; 马晓峰
地址: 210094 江苏省南京?#34892;?#27494;区孝陵卫200号
优?#28909;ǎ?/td>
专利代理机构: 南京理工大学专利中心 32203 代理人: 唐代盛;孟睿
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法律状态
申请(专利)号:

CN201510536558.6

授权公告号:

|||

法律状态公告日:

2017.04.05|||2017.03.08

法律状态类型:

实质审查的生效|||公开

摘要

本发明提出一种基于广义似然比的拖曳式诱饵存在性检测方法,仅需根据和通道与差通道的数据,记录每个采样点的信噪比和单脉冲比,获得广义似然比的检测统计量TN与参数p的估计值通过观测是否超过检测门限λ来确定是否存在拖曳式干扰。本发明方法不需要知道目标的信噪比、干扰的干噪比及目标和干扰的角度,能够有效实时地检测出拖曳式诱饵的存在,运算量小,检测结果可靠。

权利要求书

1.一种基于广义似然比的拖曳式诱饵存在性检测方法,其特征在于,包括以下步
骤:
步骤1,分别取?#29366;?#25509;收机输出的和通道和差通道数据的N个采样点,根据单脉冲
测角的方法分别计算出和通道与差通道数据N个采样点的单脉冲比的实部yIi和虚部
yQi,然后计算获得单脉冲比实部的最大似然估计的计算方法如下式所示,
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其中,i=1,…,N,Roi为第i采样点的观测信噪比;
步骤2,使用单脉冲比的实部yIi、虚部yQi以及单脉冲比实部的最大似然估计
根据造构矩阵XN,矩阵XN如?#28388;?#31034;,
<mrow> <msub> <mi>X</mi> <mi>N</mi> </msub> <mo>=</mo> <msup> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>I</mi> </msub> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>N</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <msub> <mover> <mi>y</mi> <mo>^</mo> </mover> <mi>I</mi> </msub> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>Q</mi> <mn>1</mn> </mrow> </msub> <mo>,</mo> <mo>...</mo> <mo>,</mo> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>Q</mi> <mi>N</mi> </mrow> </msub> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mi>T</mi> </msup> </mrow>
同时,记录N个采样点的观测信噪比Roi并构造矩阵RN,矩阵RN如?#28388;?#31034;,
RN=diag[2Ro1,…,2RoN,2Ro1,…,2RoN]
最后计算获得广义似然比的检测统计量TN,且
步骤3,根据N个采样点单脉冲比的实部yIi和观测信噪比Roi计算获得参数p的估
计值计算方法如下式所示,
<mrow> <mover> <mi>p</mi> <mo>^</mo> </mover> <mo>=</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mo>&lsqb;</mo> <mn>1</mn> <mo>+</mo> <mfrac> <mn>1</mn> <mrow> <mfrac> <mn>1</mn> <mi>N</mi> </mfrac> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <mo>-</mo> <mn>1</mn> </mrow> </mfrac> <mo>&rsqb;</mo> <msup> <mrow> <mo>&lsqb;</mo> <mfrac> <mrow> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> <msub> <mi>y</mi> <mrow> <mi>I</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mrow> <mrow> <munderover> <mo>&Sigma;</mo> <mrow> <mi>i</mi> <mo>=</mo> <mn>1</mn> </mrow> <mi>N</mi> </munderover> <msub> <mi>R</mi> <mrow> <mi>o</mi> <mi>i</mi> </mrow> </msub> </mrow> </mfrac> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mn>2</mn> </msup> <mo>;</mo> </mrow>
步骤4,根据采样点个数N和预先设定的虚警概率pFDMT,通过下式解算获得检测门
限λ,
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步骤5,比较与λ的大小,若则认为存在拖曳式诱饵;若
则认为不存在拖曳式诱饵。

说明书

一种基于广义似然比的拖曳式诱饵存在性检测方法

技术领域

本发明属于?#29366;?#20449;号处理技术领域,具体涉及?#29366;?#20449;号处理过程中,检测拖曳式诱
饵存在性的方法。

背景技术

在日趋复杂的电磁环境背景中,以先进的电子技术为基础的空中作战方式也在不断
更新。随着防空导弹制?#25216;?#26415;的发展,拖曳式?#29366;?#35825;饵(Towed Radar Active Decoy,TRAD)
为保护载机应运而生。拖曳式诱饵作为一种新型的自卫式干扰方式,能够非常有效地对
来袭导弹进行欺骗性或者压制性干扰,在现代电子对抗战中占据着非常重要的战略地
位。因此,对拖曳式诱饵的研究具有重大意义,而检测拖曳式诱饵是否存在是研究拖曳
式干扰中不可或缺的一部分,在?#26029;?#20195;防御技术》的《基于复单脉冲比的拖曳式诱饵存
在性检测》一文中,从单脉冲比的虚?#38752;?#34385;,在有干扰和无干扰时单脉冲比的虚部不同,
通过设置门限来检测有无干扰,但实际系统中影响单脉冲比虚部的因素很多,因此效果
不显著。在《电子与信息学报》的《基于回波幅度特征的拖曳式诱饵存在性检测》一文
中,基于?#29366;?#22238;波的构成以及幅度特征来检测是否存在干扰,但是这种方法的假设前提
是目标回波服从瑞利分布,干扰信号的幅度是一个固定值,所以对于不是固定幅度的诱
饵,检测方法就失效。在《航天电子对抗》的《基于数据融合抗拖曳式?#24615;?#35825;饵方法研
究?#20998;?#37319;用多模复合导引头实行抗干扰,如微波/红外双模复合导引头、毫米波/红外导
引头,实现难度比较大。本发明基于最大似然比检验的方法,对拖曳式诱饵的存在性进
行检测。推导了单脉冲比基于广义似然比检测量的概率密度表达式,并给出了检测干
扰的统计量及其门限,最后通过仿真验证了该方法的可行性。

发明内容

本发明提出一种基于广义似然比的拖曳式诱饵存在性检测方法,仅需根据和通道与
差通道的数据就可以实现对拖曳式诱饵干扰的识别。

为?#31169;?#20915;上述技术问题,本发明提供一种基于广义似然比的拖曳式诱饵存在性检测
方法,包括以下步骤:

步骤1,取?#29366;?#25509;收机输出的和通道和差通道数据的N个采样点,根据单脉冲测角
的方法分别计算出和通道与差通道数据N个采样点的单脉冲比的实部yIi和虚部yQi,
i=1,…,N,然后计算获得单脉冲比实部的最大似然估计且


其中,Roi为第i采样点的观测信噪比;

步骤2,利用N个采样点的单脉冲比的实部yIi、虚部yQi以及单脉冲比实部的最大
似然估计根据造构矩阵XN,且


记录N个采样点的观测信噪比Roi构造矩阵RN,且

RN=diag[2Ro1,…,2RoN,2Ro1,…,2RoN]

最后计算获得广义似然比(GLRT)的检测统计量TN,且

步骤3,根据N个采样点单脉冲比的实部yIi和观测信噪比Roi计算获得参数p的估
计值且

步骤4,根据采样点个数N和虚警概率pFDMT,通过下式计算获得检测门限λ,


步骤5,比较和λ的大小,根据式即确定是否存在拖曳式诱
饵,其中,

若则认为存在拖曳式诱饵,

若则认为不存在拖曳式诱饵。

本发明与现有技术相比,其显著优点在于,本发明方法不需要知道目标的信噪比、
干扰的干噪比及目标和干扰的角度,能够有效实时地检测出拖曳式诱饵的存在,运算量
小,检测结果可靠。

附图说明

图1是本发明仿真实验中不同的采样点数下的检测门限和虚警概率的关系示意图。

图2是本发明仿真实验一的检测统计量的结果曲线示意图。

图3是本发明仿真实验二的检测统计量的结果曲线示意图。

具体实施方式

容易理解,依据本发明的技术方案,在不变更本发明的实质精神的情况下,本领域
的一般技术人员可以想象出本发明基于广义似然比的拖曳式诱饵存在性检测方法的多
种实施方式。因此,以下具体实施方式和附图仅是对本发明的技术方案的示例性说明,
而不应当视为本发明的全部或者视为对本发明技术方案的限制或限定。

一、目标和干扰信号建模

1、和通道输出信号模型与差通道输出信号模型

拖曳式诱饵对?#29366;?#25152;形成的干扰实质上是一种两点源的干扰,因此对于单脉冲雷
达,可以做如?#24405;?#35774;:当目标和拖曳式干扰都位于导弹的?#29366;?#20027;波束内时,接收机的和
通道输出信号记为s,差通道输出信号记为d,则

s可用式(1)表示:

s=sI+i·sQ (1)

式(1)中,sI为和通道输出的同相信号,sQ为和通道输出的正交信号;

d可用式(2)表示:

d=dI+i·dQ (2)

式(2)中,dI为差通道输出的同相信号,dQ为差通道输出的正交信号,sI,sQ,dI,dQ
分别如式(3)和式(4)所示:

sI=α1cosφ1+α2cosφ2+nsI,sQ=α1sinφ1+α2sinφ2+nsQ (3)

dI=α1η1cosφ1+α2η2cosφ2+ndI,dQ=α1η1sinφ1+α2η2sinφ2+ndQ (4)

式(3)和式(4)中,η1,η2分别表示目标和诱饵的归一化的电轴角,nsI,nsQ,ndI,ndQ分别
为?#29366;?#31995;统中和通道与差通道的噪声,噪声均服从高斯分布:



N(μ,σ2)表示一个期望为μ方差为σ2的高斯分布;φ1和φ2为载机回波信号和拖曳式
诱饵干扰信号经和通道与差通道输出的相位,φ1和φ2服从(-π,π]区间内的均?#30830;?#24067;;α1和
α2为载机回波信号和拖曳式诱饵干扰信号经和通道与差通道输出的幅度。

2、和通道输出信号与差通道输出信号的分布

在实?#26159;?#20917;下,载机回波信号和拖曳式诱饵干扰信号经和通道与差通道输出的幅度
α1和α2服从瑞利分布,令α1和α2瑞利分布的参数分别为α10、α20,根据瑞利分布的性质
可得α1的期望E(α1)和方差D(α1),以及α2的期望E(α2)和方差D(α2),如式(5)所示:


根据以上分析可得和通道输出的同相信号sI和正交信号sQ是独立的高斯随机变量,
和通道输出的同相信号sI的数学期望E(sI)如式(6)所示、方差D(sI)如式(7)所示

E(sI)=E(α1cosφ1+α2cosφ2+nsI)=0 (6)

D(sI)=α102+α202+σs2 (7)

和通道输出的正交信号sQ的期望E(sQ)和方差D(sQ)如式(8)所示:


将和通道输出的同相信号sI和正交信号sQ换一种表达方式如式(9)所示:

sI=Λcosψ,sQ=Λsinψ (9)

式(9)中,Λ、ψ分别表示实际测得的信号的幅度?#25302;?#20301;,因为sI、sQ为均值为0、方
差为α102+α202+σs2的独立高斯随机变量,所以幅度Λ服从参数为的瑞利分
布,实际测得信号幅度Λ的分布函数f(Λ|α10,α20,σs)如式(10)所示:


3、观测信噪比的最大似然估计

定义观测信噪比Ro为实际测得的信号和噪声的功率之比,记为定义目标
信号信噪比R1为目标反射回波信号和噪声的功率之比,记为定义干噪比
R2为诱饵干扰和噪声的功率之比,记为将Ro,R1,R2代入式(10)得到观
测信噪比Ro的条件概率密度函数f(Ro|R1,R2,σs)如式(11)所示:


其中令参数R=R1+R2,因此对于N个独立采样点的参数R的最大似然估计如式(12)
所示:


式(12)中Roi代表第i个采样点的观测信噪比。

二、单脉冲比的分布

1、单脉冲比的计算

比幅单脉冲比的测量方法是差波束信号d除以和波束信号s,即d/s,因此单脉冲
比的实部yI和虚部yQ如式(13)所示:


2、单脉冲比的概率密度函数

由于和通道输出信号和差通道输出信号都是数学期望为零的高斯变量,因此单脉冲
比的概率密度函数可由协方差矩阵P=E[XXT]求得,其中矩阵X=[sI dI sQ dQ]T,将协方
差矩阵P进行分解得到式(14)如下:


又因为接收机的和通道同相信号sI、正交信号sQ,以及差通道的同相信号dI、正交
信号dQ分别为独立的高斯变量,且均值均为零,对式(14)中的元素分别进行如下详细计
算:




由于正?#36824;?#31995;,式(14)中的其余项均为零。由式(14)~(17)代入协方差矩阵P得到式(18)
如?#28388;?#31034;:


可求得协方差矩阵P的行列式|P|及矩阵P的逆矩阵P-1分别式(19)和式(20)所示:



因为sI,dI,sQ,dQ是期望均为零的独立的高斯变量,因此满足式(21)的关系:


式(21)中,ρ表示两个变量之间的相关系数,因此联合概率密度函数f(X|Φ)如式(22)
所示:


由式(9)和式(13)可得差通道输出的同相信号dI为和差通道输出的正交信号dQ的表达
式如式(23)和(24)所示:

dI=sIyI-sQyQ=yIΛcosψ-yQΛsinΨ (23)

dQ=sIyQ+sQyI=yQΛcosψ+yIΛsinΨ (24)

代入式(22)得Λ,ψ,yI,yQ的联合概率密度函数f(Λ,ψ,yI,yQ|Φ)如式(25)所示:


将式(25)的左右两边对相位Ψ在(-π,π]区间作积分,得到式(26)如?#28388;?#31034;:


因为幅度Λ是已知的,由概率论条件分布定理可得到式(27):

f(yI,yQ|Λ,Φ)=f(Λ,yI,yQ|Φ)/f(Λ|Φ) (27)

因测得信号的幅度Λ的概率密度函数f(Λ|Φ)如式(28)所示:


因为单脉冲比的实部yI和虚部yQ是正交的,因此yI和yQ的概率密度函数满足式(29)
所示:

f(yI,yQ|Λ,Φ)=f(yI|Λ,Φ)f(yQ|Λ,Φ) (29)

由式(26)和式(29)可推导出单脉冲比实部的概率密度函数f(yI|Λ,Φ)和虚部的概率密
度函数f(yQ|Λ,Φ)如式(30)所示:


通过以上分析,对于单个瑞利分布的目标,在幅度Λ已知情况下,单脉冲比的实部yI、
虚部yQ服从高斯分布,且是独立的高斯随机变量;当诱饵干扰存在时,根据式(15)~(17)
即可求出拖曳式诱饵干扰存在时单脉冲比实部和虚部的概率密度函数,因此根据单脉冲
比的分?#35760;?#20917;即可判别拖曳式诱饵干扰是否存在。

三、拖曳式诱饵干扰是否存在的假设检验

由于单脉冲比的实部yI、虚部yQ是独立的高斯随机变量,因此根据波束内诱饵存在
与否建立如?#24405;?#35774;检验:

H0:诱饵不存在,回波中只包含目标信号;

H1:诱饵存在,回波内包含目标和干扰信号。

在H0情况下满足式(31)和式(32):



在H1情况下满足式(33)和式(34):



因此单脉冲比的实部yI是一个条件高斯随机变量,则基于N次独立的采样,yI的最
大似然估计如式(35)所示:


在H0的情况下,根据式(31)、(32)和(35)可得:


将式(36)代入到式(32)得到参数p的估计值如式(37)所示:


在H0的情况下,是目标信号信噪比R1的最大似然估计,由式(12)可得,

四、广义似然比(GLRT)检测

前述给出了H0和H1两种假设条件下单脉冲比实部和虚部的分布,根据式(31)~式(34)
可以得出干扰是否存在这两种假设条件下N次独立采样的广义似然比(GLRT)的值
L(yI1,…,yIN,yQ1,…,yQN|Ro1,…,RoN,Φ),如式(38)所示:


式(38)中,矩阵XN、RN定义如式(39)和式(40)所示:


RN=diag[2Ro1,…,2RoN,2Ro1,…,2RoN] (40)

yIi和yQi分别表?#38236;趇次采样的单脉冲比的实部和虚部,Roi表?#38236;趇次采样的观测
信噪比,对式(38)两边取对数,得到GLRT的检测统计量TN,如式(41)所示:


在H0假设条件下,TN/p是服?#24212;?分布的随机变量,pFDMT表示没有干扰而检测结果
为存在干扰的概率(虚警概率),可用式(42)表示:


式(38)中,?#23435;?#35774;置的门限,由虚警概率确定。给出拖曳式诱饵干扰是否存判定准则
?#27169;?#22914;式(43)所示:


式(39)中参数的值如式(44)所示:


在本系统中,认为和、差通道中的噪声服从同一分布,即代入式(44)可得:


为方便观测仿真结果,将式(43)变换成式(46)如?#28388;?#31034;:


式(46)就是拖曳式诱饵干扰否存在的判别条件。

本发明可以通过以下仿真实验进一步说明。

利用式(42)进行干扰检测时,首先要确定检测门限,由式(41)可知,检测门限由采样
点数N和虚警概?#31034;?#23450;,对于不同的采样点数,检测门限和虚警概率的关系图1所示。

仿真过程中,每个处理周期的窄带数据取12点做处理,虚警概率取0.01,因此可
得检测门限为λ=41.2,记录每个采样点的信噪比和单脉冲比,由此可以得到TN和
观测是否超过λ来确定是否存在拖曳式干扰。

仿真条件:当载机检测到威胁信号时会立即?#22836;?#35825;饵,并?#19968;?#21160;形成“三角态势",
以确保对?#29366;?#23548;引头的干扰效果,因?#23435;?#20102;模拟真实场景,制定如下参数的轨迹(测角
坐标系):?#29366;?#30340;发射功率为307.2w,天线的发射增益和接收增益由阵元方向图决定,
工作频率为35GHz,信号衰减因子为0.877dB,综合损耗为0dB。诱饵转发功率比为5,
拖曳线的长度为100m。导弹和载机的初始距离为7000m,导弹速度大小为1000m/s,做
?#20154;?#30452;线运动,载机在x轴和z轴均做?#20154;?#30452;线运动,大小分别为160m/s和80m/s,在
y轴做曲线运动。诱饵的速度和载机相同,诱饵和载机的连线和载机的运动方向保持一
致,采取迎头攻击的场景。为了模拟真实场景,载机反射回波的幅度满足swerling1型
分布,为了满足条件,仿真过程?#24615;?#26426;和诱饵的RCS服从均值为0.03m2的指数分布.
在系统仿真过程中,仿真一是在第50次加入干扰,仿真二是在第150次加入干扰,得
到的检测统计量的结果如图2和图3所示。

仿真一中,在加入干扰之前,检测统计量在-10dB~13dB范围内变化,第50
次开?#36857;?#26816;测统计量立即增大,从5.5dB上升到56.33dB,超过了检测门限λ=41.2,因
而能够检测出存在干扰。仿真二中,在加入干扰之前,检测统计量在-10dB~15dB
范围内变化,第150次开?#36857;?#26816;测统计量立即增大,从8.64dB上升到53.67dB,超过了
检测门限λ=41.2,因而能够检测出存在干扰。两次实验检测结果都和?#22836;?#25302;曳式诱饵
的时机一致,因此本发明方法可以有效实时地检测出诱饵的存在。

本发明方法仅需根据和通道与差通道的数据就可以实现对拖曳式诱饵干扰的识别。
这种检测方法不需要知道目标的信噪比、干扰的干噪比及目标和干扰的角度,能够有效
实时地检测出拖曳式诱饵的存在,运算量小,检测结果可靠。

关于本文
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