基于壓縮感知的寬帶雷達距離擴展目標檢測方法研究.pdf

1、寬帶雷達通過發(fā)射寬帶信號來獲得更多、更詳盡的目標信息，在軍事和民用領(lǐng)域中發(fā)揮越來越重要的作用。然而，隨著發(fā)射信號帶寬的增加，基于傳統(tǒng)奈奎斯特采樣定理的寬帶雷達信號處理子系統(tǒng)需要面對海量數(shù)據(jù)，這給寬帶雷達要求信號處理子系統(tǒng)滿足低成本和實時性帶來了新的問題和挑戰(zhàn)。
　　近年來，基于信號稀疏性這一先驗知識的壓縮感知新理論，從信息論、矩陣論、最優(yōu)化理論和線性規(guī)劃等出發(fā)，突破了傳統(tǒng)的基于奈奎斯特采樣定理的信號最低采樣率限制，可以以較低的碼率

2、采樣信號，然后通過重構(gòu)算法實現(xiàn)信號重構(gòu)，但不丟失原信號信息。雖然壓縮感知新理論已經(jīng)在通信、雷達、圖像等領(lǐng)域得到越來越廣泛的應(yīng)用，但是還處于起步階段，許多問題還需要進一步研究。本論文在分析了寬帶雷達回波信號稀疏性的基礎(chǔ)上，以在高斯白噪聲背景下基于壓縮感知的距離擴展目標檢測為核心，重點圍繞基于L-1,2兩類范數(shù)的稀疏信號重構(gòu)算法、基于壓縮感知測量值、基于準互模糊函數(shù)（Cross quasi-ambiguity function,CQAF）和

3、基于Sinc基的距離擴展目標檢測等問題進行了較為系統(tǒng)和深入的研究，其中針對基于L-1,2兩類范數(shù)的稀疏信號重構(gòu)算法的討論是對于壓縮感知新理論能否應(yīng)用于寬帶雷達距離擴展目標檢測的可行性分析。本論文的主要研究成果和主要貢獻可概括如下：
　　第一部分針對基于L-1類范數(shù)的稀疏信號重構(gòu)算法重構(gòu)誤差較大這一問題，本論文提出了基于基追蹤—Moore-Penrose逆矩陣的稀疏信號重構(gòu)新算法。新算法包括兩個步驟，首先由基追蹤得到稀疏信號支撐集（

4、稀疏信號非零元素的位置，對應(yīng)測量矩陣的列），其次通過Moore-Penrose逆矩陣求解由壓縮感知測量值和支撐集所對應(yīng)的測量矩陣子矩陣所組成的超定線性方程組來實現(xiàn)稀疏信號重構(gòu)，同時，證明了由新算法所重構(gòu)的稀疏信號是其唯一的最小二次范數(shù)解。在不同類型測量矩陣情形下，基于仿真的不同類型稀疏信號和實測寬帶雷達回波數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果表明：新算法可以有效的實現(xiàn)稀疏信號重構(gòu)，其重構(gòu)誤差最小且誤差只存在于支撐集內(nèi)。
　　第二部分針對在每次迭代時，基

5、于L?2范數(shù)的壓縮感知匹配追蹤算法只是通過簡單排序選取稀疏度的兩倍作為新原子，而不存在迭代量化標準這一問題，本論文提出了分步壓縮感知匹配追蹤算法。新算法從塊矩陣的定義和性質(zhì)出發(fā)，推導(dǎo)出每次迭代時支撐集所對應(yīng)稀疏信號重構(gòu)誤差的L-2范數(shù)的閉合表達式，將貪婪增加算法和貪婪刪除算法引入到每次迭代選取新原子中，從而減小重構(gòu)稀疏信號所需的測量維數(shù)。在不同類型測量矩陣情形下，基于仿真的不同類型稀疏信號和實測的寬帶雷達回波數(shù)據(jù)實驗結(jié)果表明：新算法可以

6、有效地實現(xiàn)稀疏信號的重構(gòu)，且要求更低的測量維數(shù)，同時具有較好的魯棒性。
　　第三部分針對在高斯白噪聲背景下距離擴展目標檢測這一問題，本論文提出了基于壓縮感知測量值的寬帶雷達距離擴展目標檢測新方法。新方法通過構(gòu)造的Sinc基來稀疏表示距離擴展目標的一維距離像，再由復(fù)的信息逼近傳遞（Complex approximate message passing,CAMP）算法從壓縮感知測量值中得到一維距離像由Sinc基線性表示的相關(guān)系數(shù)，最后

7、通過基于L-0范數(shù)的檢測器實現(xiàn)距離擴展目標檢測，同時經(jīng)過推導(dǎo)得到其虛警概率和檢測概率?；趯崪y寬帶雷達回波數(shù)據(jù)的實驗結(jié)果表明：相對于一維距離像在距離向上的稀疏性而言，距離擴展目標的一維距離像可以由Sinc基更好地稀疏表示；和傳統(tǒng)的檢測器相比，新方法不僅可以由較少的測量值實現(xiàn)距離擴展目標的檢測，而且具有更好的檢測性能。
　　第四部分針對發(fā)射寬帶線性調(diào)頻信號的寬帶雷達常進行去斜處理，回波信號為一系列復(fù)單頻信號之和，本論文通過構(gòu)造由不同

8、頻率的復(fù)單頻信號組成的基來稀疏表示回波信號，提出了在高斯白噪聲背景下壓縮感知寬帶雷達接收機數(shù)學(xué)模型，從而距離擴展目標的一維距離像可以由基于L-1范數(shù)的重構(gòu)算法直接從壓縮感知測量值中得到；同時，搭建了基于CQAF的壓縮感知寬帶雷達距離擴展目標恒虛警檢測器。在所提出的檢測器中，由主散射點所對應(yīng)的基和回波信號的CQAF提取距離擴展目標的特征，以此區(qū)分目標和噪聲，進而實現(xiàn)距離擴展目標的檢測。基于實測的寬帶雷達回波數(shù)據(jù)表明：所構(gòu)造的復(fù)單頻信號基可

9、以很好地稀疏表示距離擴展目標的回波信號，所提出的壓縮感知寬帶雷達接收機可以有效地降低采樣率；和傳統(tǒng)的距離擴展目標檢測器相比，所提出的基于CQAF的檢測器可以更好地實現(xiàn)距離擴展目標檢測，且不依賴于某個稀疏信號重構(gòu)算法。
　　第五部分針對keystone變換不能很好地校正由復(fù)雜運動目標所產(chǎn)生距離走動這一問題，本論文提出了在高斯白噪聲背景下基于Sinc基的復(fù)雜運動目標相參積累的檢測新方法。新方法通過構(gòu)造Sinc基來稀疏表示距離擴展目標的

10、一維距離像，將稀疏表示理論引入到相參積累領(lǐng)域；首先由基追蹤算法估計噪聲功率，其次由基追蹤去噪算法重構(gòu)距離擴展目標的一維距離像，從而可以由基于最小相鄰相關(guān)系數(shù)的一維熵實現(xiàn)包絡(luò)對齊，然后由遞歸的多散射點算法（Recursive multi-scatterer algorithm，RSMA）校正相位誤差，最后通過較小運算復(fù)雜度的基于Sinc基的自適應(yīng)子空間檢測器實現(xiàn)距離擴展目標的檢測。基于實測的寬帶雷達回波數(shù)據(jù)實驗結(jié)果表明：新方法可以在較低信