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一种基于Gibbs抽样的多信号源分辨方法

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第22卷第4期 信号处理 SIGNAL PROCESSING Vo1.22. No.4 Aug.2006 2006年8月 一种基于Gibbs抽样的多信号源分辨方法 李朝伟 王宏强 黎湘 庄钊文 (国防科学技术大学电子科学与工程学院,长沙410073) 摘要:对落在同一距离单元、同一波束内且多卜勒参数相近的多个目标回波,常规单冲雷达是难以区分的。本文提 出一种分辨多个信号源的新方法,即采用Gibbs抽样方法对多信号源进行角估计,利用最小描述长度(MDL)准则检测信 号源数目。仿真结果证实所提方法对多信号源的分辨是有效的,如当目标信噪比为20dB、目标数为2个时,町达100%的 分辨。 关键词:单脉冲雷达;Gibbs抽样;多信号源 A Method of Distinguishing Multi—sources Based on the Gibbs Sampling Li Chaowei Wang Hongqiang Li Xiang Zhuang Zhaowen (ATR lab.,National University of Defense Technology,Changsha,Hunan Province,410073) Abstract: when multiple targets’returns with the unresolved Doppler ̄equency fall into the same range bin and beam,it is very diicultf to distinguish them for conventional monopulse.A new method of discriminating the multi—sources is provided that can finish the ngulaar estimation of multi—solxrces based on the Gibbs sampling and detect the number of the sources by using the minimum description length(MDL)criterion.Simulations presented to show the effectiveness of the new method of distinguishing multi—sources.For exam— pie,the approximate 100 percent of detection Can be achieved under the case of two targets where target’SNR is 20dB. Key words: monopulse radar;Gibbs sampling;multi—sources 而言,这仍是一个难题。国外有关学者对单脉冲雷达中的 1 引言 由于测角精度高而被广泛应用于对目标精确跟踪中的 常规单脉冲体制雷达,当多个目标回波落在同一距离分辨 单元、同一波束内且多卜勒参数接近时,则很难对多个目 标进行区分,见图1。 多目标分辨和估计做了不少有益的研究” ,其中Blair建 立了基于Neyman—Pearson准则的广义似然比检测法,并提 出了对两点源进行角估计的矩估计法。Sinha 针对Swerling I和Swerling III型目标提出了最大似然角估计方法。 无论Blair还是Sinha所提方法都是基于一个前提,即 假设多个目标回波滤波输出均位于一个采样点上,在相邻 的采样点上没有目标回波能量。这只是一种理想情况,实 际相邻采样点上仍有回波的能量。Xing Zhang 提出了对目 标回波滤波输出取两个采样点,利用最大似然估计法,可 对多达五个目标的参数进行估计。 本文以文献[4]的信号数学模型为基础,提出利用 Gibbs抽样法进行目标的参数估计,并利用最小描述长度 (MDL)准则确定目标数目。 图1 单脉冲雷达跟踪中多目标不可分辨示意图 2信号数学模型 首先简要介绍文献[4]中的信号数学模型。设接收机匹 目前复杂的阵列信号处理技术及多波束数字形成技术 可较好解决多目标的分辨及定位,但对于常规单脉冲雷达 收稿日期:2004年4月13日;修回日期: 基金项目:国防预研基金项目4130304----03(A) 维普资讯 http://www.cqvip.com

450 信号处理 第22卷 配滤波器输出的单目标雷达回波为三角形包络(发射波形 为矩形包络),雷达发射脉冲宽度为 ,匹配滤波输出的采 1 目标回波第二个采样点处的观测,Jlf为目标回波子脉冲数 目。同样也可以得到正交支路输出的6组观测数据{s 样率为 rp,如图2(a)所示,则每个目标回波能量至多出现 在相邻两个采样点上,如图2(b)所示。对应两采样点上回 (m)}:: 、{ (m)}:: 、{叱 (m)}:: 、{s (m)}::。、{叱 (m)}:: 、{d (m)}:: 。假设各观测噪声{n 。}、{n曲。}、 {ndvi}相互独立,服从零均值的高斯分布,且E(n )=E(n 2) =fir ,E(n2曲 1)=E、2曲。2)=E(n 2 1)=E、2 2) 2d。 波的幅度为(1一 ) 和 ,式中 代表接收机输出的目 1 』 标回波信号(对于同相支路 =卢cos( );对于正交支路 Y=卢sin( ),幅度卢服从瑞利分布,相位 在[0,27r]之 设目标 的第m个子脉冲幅度xj(m)服从标准高斯分 布,则同相支路的观测量为 间均匀分布)。令分辨单元内的距离 = ,则两次采样值 分别为(1一 ) 和似。每个目标需要估计三个参数,即 、水乎到达方向町 (为方便,后面称方位角)和垂赢到 达方向町 (后面称为俯仰角)。 (a) 单目标雷达回波幅度 目标真实位置 (b) 图2单目标回波位于两个采样点上的示意图 现假定在雷达分辨单元内同时存在Ⅳ个Swerling II型目 标,则接收机同相支路输出为(下面表达式中下标i代表同 相,g代表正交) Ⅳ s (m)= (1一 )薯(m)+n (m) Ⅳ s (m)=三q (m)+n (m) Ⅳ dhil(m)=互(1一 )町^f (m)+ndhn(m) Ⅳ d^ (m)= ; 町坷 (m)+rid/ ̄(m) Ⅳ 。 (m)= (1一 )町 (m)+n (m) Ⅳ d (m) j ̄m.jxj(m)"4-ndu2(m) (1) 其中{ } 、{ } 、{ } 为3Ⅳ个待估计参数,{s (m)}:: 、{d^ (m)}:: 、{d (m)}:: 为目标回波第一个采 样点处的观测,{ (m)}::。、{d^ (m)}: { (m)}:: 为 。( 。)=[ l(m) 。2(m)d^。l(m)d艟(m) ( 。) 2(m)] (2) 其中待估计参数0=[ l TI^1 TI 1 … ⅣTI^ⅣTI Ⅳr。 0的对数似然函数为 ,J( )=In(p(ZZlO))=I=(n( ,童,‘ exp(一 兰 ! )) ) :一 l。g({2 1)一 1兰(m)rR~ (m)  .(3) 根据最大似然估计原理, =arg max{L(0)},但同时 也要满足以下条件 . 0 aj 1;一1 T/^, 1;一1-<-T/ s1 =1,...,N (4) 由于互相关矩阵R中只有17个独立成分,因此通过 (3)式最多只能估计17个参数,而模型中每个目标有3个 参数,故基于极大似然式最多可以估计出5个目标的参数。 基于上述数学模型,下面介绍采用Gibbs抽样的参数估 计方法及MDL准则。 3 基于Gibbs抽样的参数估计及目标数确定 3.1 Gibbs抽样理论 在过去的十多年里,Gibbs抽样仅局限于数学领域,近 几年来才被引入统计信号处理领域,并成为国际热点。现 对该方法作一简要概述。 所谓Gibbs抽样 是从多元分布中反复生成近似于服从 此分布的一个样本的过程,是Markov Chain Monte Carlo方法 的一种,最早是由Geman.D和Geman.S(1984)在一篇 讨论图像恢复的文章中提出,主要应用于画像修复、神经 网络、专家系统等方面。80年代末,有些学者开始使用 Gibbs sampler方法估计参数的边缘后验分布。目前。Gibbs 抽样算法处理复杂统计模型的能力正逐渐为人们所认识。 Gibbs抽样算法的基本思想是:从完全条件分布中迭代地进 行抽样,当迭代次数足够大时,就可以得到来自联合分布 的样本。进而也得到了来自边缘分布的样本。 假定已知联合密度P( , ,…,0 ,X),要获得边缘后 验分布P(0^IX),则Gibbs sampler主要有以下四个步骤: (1)通过联合后验分布,求出所有参数的条件后验分 布P( J0…,X),k=1,2,…,n; (2)给出0的一组随机初始值即( ∞, ∞ ., : ,), 维普资讯 http://www.cqvip.com

第4期 一种基于Gibbs抽样的多信号源分辨方法 45l 从p(0 l , …., : , )中产生随机数 ,,再从P (1一 2) 2] (02, “, …., ,X)中产生随机数, ”…….,一直 进行到从条件分布p(0 I , ”, “…., :l_】 , )中产生 随机数 ,。这样一个完整步骤称之为一次迭代,并令0” 表示( , ”, ”…., :_l)I, ,)。经过t次迭代后,可生 成一个马尔可夫链( ‘”,0‘ ,0‘”….,0‘‘’)。 (3)按上面的生成过程完全独立地进行m次,每一次 便称为一个重复。经过m次的重复,而且每次都经过t次迭 代之后,最后得到m个向量(ol“, “, …., )。 这些向量可以看成是从0的联合分布中抽到的随机样本。 (4)获取边缘后验分布P(0 l )的独立样本有两种 常用方法 j:一是在一条链达到均衡状态后,间隔一定距 离采样以消除样本之间的相关性;二是经过多次重复,得 到多条Markov链,取各链达到均衡状态时的最后一个样本。 尽管有时用第二种方法是必要的,但对大多数情况来讲, 第一种采样方法就足以分析问题。 经过以上四个步骤,便可近似地求得0 的边缘后验分 布P(0 l ),再经过简单的数学运算,便可得到各参数的 数字特征。Gibbs抽样方法对许多复杂的Bayes分析问题都 能直接地解决,不过,它要求各参数的全条件后验分布容 易抽样。若后验条件分布为正态或伽马等常见分布,可以 采用随机数产生的标准算法,否则可选用反演法、取舍法 等更一般的随机数产生法。 3.2参数估计 根据Gibbs抽样理论,下面首先推导各待估参数的后验 概率分布公式。 令 =[jl j2 d^l d^2 d l d 2] 代表观测向量 = (m)}:: ..,d ={d (m)}:: ..,d :={d (m)} M:。;令0={茁, ,面 ,面 }代表要估计的参数集,其中(茁 ={茸 营,为第 个目标的回波向量)a={ ,}, ={叼 },a ={叼 }。这里茁 是作为矢量来估计,而 、叼”叼 作为标量 来估计。假定 ,、 ,、叼”叼 的先验概率分布都服从标准正态 分布,其中 =1,2….,Ⅳ。 由(1)式可知 也服从高斯分布,且各参数的后验分 布也服从高斯分布。为便于说明,这里考虑两个瑞利目标 存在的情况。以为 例,详细说明其后验概率公式的推导。 根据统计信号处理中线性均方估计即最小方差估计理 论,可知参数 的条件后验均值及方差为 ( I l )= I+P .jP主‘( 一j) (5) cov(I l )=P;. I j=P7, ,-Pz :P三 P;.'; (6) 易知 I=0,PZ.';.= ^f (7) l2茁2 Il  (1一 2)莺2叼^2 l l=,P;El 1一 l( 一;) ]  .2 2叼^2 I  (1l 2)茁2叼 2 l 2茏2叼"2 J6^f (1一 1),^f ^f‘ 仪 lMxM (1一 i),7^lIM (8) l叼^l,^f×^f (1一 1)叼 l,^f ^f l叼 l,^f×^f — P;;=E[三一 (j (9) C —.................= . ... ..L 式中 =[船 0 0] (10) 门r。 ●L r● l l = 0 0d J4^f x4^f P 一 . : 其中B、c为对角矩阵。● ● P 将(7)~(10)式代人到(5)、(6)式中,则可以得到 的 条件后验均值及方差,从而得到相应的条件后验概率公式;0  同理可得到 :的条件后验概率公式。特别注意的是,当推导 A L 叼 ,的后验概率公式时,由于j 、芎:中不包含角度信息,这时 =[d^ d^: ;对于叼 ,也一样,不过此时 =[d d ] 。 最后,可得各参数的条件后验概率公式,即P( ,l )、P(叼 l )及P(叼 l2)√=1,2。 给定待估参数一组随机初始值0(0 ,基于Gibbs抽样方 法对上述各参数的后验概率密度公式进行抽样。该过程是 一个迭代过程,需要一个初始的振荡阶段,最终会收敛于一 个稳定的状态,而这个初始过渡阶段的‰个样本通常将忽略 不计。因此,为确保收敛,迭代次数要满足 =n。+Ⅳ,将Ⅳ 次迭代所得的样本每隔b个样本取样,用最后得到的样本来 计算各参数的最小均方误差(MMSE)估计。这里只给出两个 目标的方位角估计 ^N/b+n0 、 {叼^ } 』'l_一∑,,‘0十I 叼^f , =1,2 (11) 该抽样方法应用时,一个重要问题是如何判断迭代过 1 程是否已经收敛。这里采用常用的观察遍历均值—1 ∑ 0“ 』V 是否已经收敛的方法。 3.3基于MIlL准则的目标数目估计 上述多目标参数估计是在目标数已知情况下获得的, 但实际中目标的个数是未知的。下面利用最小描述长度 维普资讯 http://www.cqvip.com

452 信号处理 第22卷 (MDL)准则 来估计目标的数目。 最小描述长度准则:对于给定一组数据和一组关于待 迭代数据每隔4个抽取,对获得的数据进行遍历求均,求得参 数估计。这里只给出了部分仿真结果,见图4、图5所示的角 估计结果(目标信噪比都为20dB)及图6所示的目标1的方 位角估计误差曲线,图7为文献[4]在相同条件下获得的目 定参数的数据统计模型,则最佳的模型应该对数据提供最 小的描述长度。其中,描述长度定义为 ^ 1 MDL(巩)=一L(0 )+÷巩1n(Ⅳ) (12) 标1的方位角估计误差曲线。 厶 其中巩为模型中独立参数个数,N为观测数据个数,£( )为 模型的极大似然表达式。 本文设n为待估计的目标个数,k为每个目标待估计的 参数个数, 为每次获得的观测数据个数, 为积累 脉冲数 日,这时描述长度表达为: ^ 1 MDL(n)=一£( )+÷ n ln(LM) 最终确定的目标个数应该满足 五=arg min MDl(n) (13) Gibbs抽样与MDL准则结合起来对参数及目标数目进 行估计,其方框图如图3: ll准则确定目lI标的数目 l  .... .............__j 图3 Gibbs抽样与MDL准则结合应用框图 4仿真实验 利用Gibbs抽样算法估计多目标的方位和俯仰角,同时 利用MDL准则估计目标的数目。定义信噪比为SNR: O"0: d O"o, 为单目标回波的方差,这里取1。仿真中目标参数的选 fJ 5 取同文献[4],如表I所示。 表1真实目标的参数设置 目标代号 距离 方位 俯仰 1 0.15 —0.8 —0.9 2 0.35 —0.6 0.7 3 0.55 0.1 —0.4 4 0.75 0.5 0.8 5 0.95 0.9 0.8 4.1参数估计仿真 基于Gibbs抽样参数估计仿真中,回波子脉冲积累数为 50个,迭代次数为1000次(经观察迭代次数大约为200时, 遍历均值已经收敛),前200次作为过渡段应去掉,后800次 援 基 警 方位角 4 个目标时方位、俯仰角的估计结果 方位角 图5 5个目标时方他、俯仰角的估计结果 信噪比(dB) 图6基于Gibbs抽样对目标1的方位估计误差 图7基于ML方法对目标1的方位估计误差 维普资讯 http://www.cqvip.com

第4期 一种基于Gibbs抽样的多信号源分辨方法 *职罐霹 453 图4、图5中的“+”号代表真实目标的位置。通过对 比可看出,4个目标时每个目标所获得的角估计要好于5个 达到百分之百的正确检测率。换句话讲,本文所提方法对 多个目标源的分辨是有效的。进一步使这种方法工程化、 实用化,是下一步要研究的工作。 致谢:感谢Xin Zhang(ECE Dept.,University of Con— necticut Storrs,USA)给予的帮助。 目标时所获得的角估计;由图6可清楚看到,随着目标数目 的增加,目标1的角估计误差均方根也增大。对比图6与图 7的仿真结果,可看出本文所提方法在角估计精度方面要高 于文献[4]所提最大似然(ML)估计法,尤其是在低信噪比 情况下。 4.2目标数目估计仿真 基于图3的方框图,下面进行多目标的检测仿真。这里 进行Gibbs抽样估计,除回波子脉冲积累数为30个外,其 余条件同上;得到角估计后,通过MDL准则估计目标的数 目。作Monte Carlo仿真1000次,获得仿真结果如图8所 示。所谓正确检测率是指通过仿真获得的正确目标数的次 数与仿真次数的比值。由图8可知,随着目标数目的增多, 其相应的正确检测率降低(这与前面角估计误差增大是相 吻合的);由表2可看出,本文基于Gibbs抽样 MDL准则 结合获得的正确榆测率大于文献[4]基于ML与MDI 准则所 获得的检测率。不过,目标数较少时,两者的检测率很接 近;当目标数较大时,检测率有较大差异。 图8基于Gibbs抽样与MDL准则的多I1标正确检测率 表2信噪比为20dB时两种方法的正确检测率 目标数目 ML+MDL Gibbs+MDL 2 0.999 1.0o0 3 0.996 0.999 4 0.924 0.967 5 0.864 0.899 5结述语 文章基于文献[4]中多目标分辨和参数估计信号模型, 提出一种基于Gibbs抽样的角估计方法,并利用MDL准则 进行目标数目的估计,从而达到对多个目标源的分辨。通 过仿真,证实文中所提的角估计方法精度高(优于文献[4] 中的最大似然估计方法),同时利用MDL准则可以得到较 高的目标正确检测率,如两个目标且信噪比为20dB时,可 参考文献 [1] W.D.Blair,M.Brandt—Pearce.Unresolved Rayleigh Detection Using Monopulse Measurements.IEEE Transac— tions on Aerospace and Electronic Systems,Vo1.34,No 2,April,1998,543~552. [2] W.D.Blair,M.Brandt—Pearce.Monopulse DOA Esti— mation of Two Unresolved Rayleigh Targets.IEEE Transac— tions on Aerospace and Electronic Systems,Vo1.37,No 2,April,2001,452~469. [3] A.Sinha,T.Kirubarajan.Maximum Likelihood Angle Ex— tractor for Two Closely Spaced Targets.IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems,Vo1.38,No 1, January,2002,183~203. [4]Xin Zhang,peter Willett,and Yaakov Bar—shalom.Mo— nopulse Radar Detection and Localization of Multiple Tar— gets via Joint Multi—Bin Processing. Proceedings of the 2003 IEEE Radar Conference,Hunts— ville Alabama,232~237. [5] George Casella and Edeard I.George.Explaining the Gibbs Sampler.The American Statistician,August 1992, Vo146.No.3:167~174. [6]Tanner,M.,Tools ofr Statistical Ifnerence,Mehtod ofr the Exploration of Posterior Distribution and Likelihood Func— tion,Springer—Verlag,2nd Edication. [7] S.Haykin,Adaptive Filter Theory,3 ed.,Prentice Hall,1996. 作者简介 李朝伟,男,1970年生。现在中国电子科技集团公司 第五十四研究所作博士后研究工作,丰要从事雷达及通信 方面的信号处理、数据融合及抗干扰等技术的研究。 

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