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外辐射源雷达信号处理与目标跟踪方法研究

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作者:
武勇
导师:
王俊
学科专业:
信号与信息处理 
文献出处:
西安电子科技大学 2016年
关键词:
外辐射源雷达论文  目标检测论文  实时处理论文  粒子滤波论文  重采样论文  

摘要:外辐射源雷达利用目标反射非协作照射源信号这一特点,通过处理静默接收到的电磁信号,来实现对特定区域的目标探测。依赖于其寂静接收、收发分置及所使用照射源信号频段的特点,外辐射源雷达具有常规雷达不可比拟的“四抗”优势,是一类发展前景非常广泛的雷达系统。如利用外辐射源雷达不会产生电磁污染这一优点,可将其部署在城市、郊区或人口密集等区域,以实现对运动目标的监测。传统外辐射源雷达通常采用“一发一收”模式对目标进行检测、定位和跟踪。然而,随着技术的不断发展和更新换代,传统“一发一收”的探测方式逐渐跟不上社会需求日新月异的步伐。当前,为了能有效应对不断提高的民用或军事需求,外辐射源雷达技术研究逐步走向了宽带多源的发展之路。与传统探测方式相比,宽带多源外辐射源雷达带来的一个最直接变化就是信号处理规模呈数十倍甚至上百倍的增长,这种增长为传统硬件处理能力带来了不小的压力。另一方面,外辐射源雷达所使用照射源信号的非合作性和起伏性决定了其检测到的目标航迹会出现不规律的断续问题,“精细化”的跟踪滤波方法是弥补这一体制缺陷的有效途径。本文在某部委项目的支持下,围绕外辐射源雷达信号处理和目标跟踪滤波方法两方面开展研究工作,取得的成果可归纳为:1.研究了常规外辐射源雷达信号处理存在的若干实际问题。针对实际工程应用,分析了常规处理方法存在的不足之处,并提出了相应的优化或改进方法。如提出了一种幅度修正、单元平均、补偿、远近分区、二次排序选大相结合的综合目标检测方法,有效地克服了因近距离强杂波剩余使距离-多普勒检测平台呈“斜坡”状而影响目标检测的问题。对于实际中参考通道也可能接收到目标回波的情况,推导分析了此种情况下真实目标能量被抵消和产生虚假目标的机理,并提出了一种利用杂波抑制权系数消除参考信号中所含目标回波的方法,该方法能够有效解决因参考信号含有目标回波信号而出现的衍生虚假目标及部分真实目标被削弱的问题。2.研究了多源全向外辐射源雷达信号实时处理的实现技术。针对多源全向外辐射源雷达信号实时处理运算量大的问题,提出了一种基于通用处理器GPU架构的并行实现方法,经过多层次纵向优化后,所提方法的处理效率明显改善,在应用中达到了实时处理的水平。与传统DSP处理架构相比,所提方法具有成本低廉、易于调试、硬件规模小的优势,而且可移植、可扩展,符合目前主流发展的“软件化雷达”的设计原则。最后,一系列仿真和实测数据的处理结果表明,所提方法的实现效率远高于传统方法,验证了所提实现方法的可行性和高效性。3.提出了一种可用于但不限于外辐射源雷达目标跟踪的加权最小二乘粒子滤波方法。针对非线性粒子滤波在对目标状态迭代估计中出现的难以避免的粒子退化现象,提出通过最小二乘估计将当前观测信息以加权的方式集成到粒子采样过程中,避免了传统方法中当前观测仅仅用来评判粒子好坏的不足,并以此来促进粒子由先验区域向目标真实状态的高似然区域的移动,进而达到提高粒子分布质量,缓解粒子退化程度和改善滤波精度的目的。另外,在推导粒子采样函数的过程中,提出了一种利用状态向量扩展观测向量的方法来解决潜在的矩阵秩亏问题,保证了所提滤波方法的普适性。最后,经过仿真和实测数据的处理验证了所提方法的有效性。4.提出了一种并行重采样方法,解决了传统系统重采样限制粒子滤波并行度的问题。所提方法的基本思想和系统重采样类似,它们的不同之处在于,所提方法使用每个粒子归一化权值与粒子数量乘积的取整部分作为该粒子在重采样中被保留的次数,同时为了保持粒子数量的恒定,理论验证了直接舍弃归一化权值最小的若干个粒子的合理性。该方法具有结构简单、便于并行的优点。

摘要

ABSTRACT

符号对照表

缩略语对照表

第一章 绪论

1.1 研究背景及意义

1.2 外辐射源雷达技术国内外研究进展

1.2.1 国外研究进展

1.2.2 国内研究进展

1.3 本文主要工作及内容安排

第二章 外辐射源雷达信号处理基本原理及算法分析

2.1 引言

2.2 信号处理原理

2.2.1 杂波抑制

2.2.2 距离-多普勒二维相干处理

2.2.3 CFAR目标检测

2.3 信号处理算法分析

2.3.1 杂波抑制算法选择

2.3.2 距离-多普勒处理优化

2.3.3 改进的目标检测方法

2.4 参考信号掺杂目标回波情况下的目标检测方法

2.4.1 接收信号模型

2.4.2 含有目标回波的参考信号对常规处理的影响分析

2.4.3 考虑参考信号中目标回波影响时的目标检测方法

2.4.4 仿真分析

2.5 本章小结

第三章 GPU在外辐射源雷达信号实时处理中的应用

3.1 引言

3.2 GPU并行计算介绍

3.2.1 GPU简述

3.2.2 GPU编程模型和执行模式

3.2.3 GPU存储器模型

3.2.4 GPU硬件架构

3.2.5 并行优化策略

3.3 外辐射源雷达信号实时处理并行实现技术

3.3.1 多源全向外辐射源雷达信号处GPU并行实现

3.3.2 多源全向外辐射源雷达信号处GPU并行优化

3.4 性能分析

3.4.1 GPU并行实现精度分析

3.4.2 GPU并行实现加速性能分析

3.4.3 实测数据处理

3.5 本章小结

第四章 加权最小二乘粒子滤波及其在目标跟踪中的应用

4.1 引言

4.2 标准粒子滤波介绍

4.3 加权最小二乘粒子滤波算法设计与分析

4.4 实验分析

4.4.1 非线性、非高斯模型

4.4.2 仅测角跟踪模型

4.4.3 外辐射源雷达目标跟踪模型

4.5 本章小结

第五章 基于并行重采样的实时粒子滤波跟踪方法

5.1 引言

5.2 并行重采样方法的设计与分析

5.3 基于并行重采样的粒子滤波GPU实现

5.4 仿真实验及分析

5.5 本章小结

第六章 总结与展望

6.1 本文工作总结

6.2 工作展望

参考文献

致谢

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