CN102628936A - 一种基于信息互反馈的机动弱目标检测跟踪一体化方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于信息互反馈的机动弱目标检测跟踪一体化方法。现有的方法对检测信噪比、信杂比要求较低，实现起来复杂。本发明首先得到一个波束驻留时间内雷达回波信号的脉冲压缩输出信号，将上一个波束驻留时间内进行的检测跟踪一体化得到的目标多普勒估计反馈到信号积累端，与脉冲重复频率、波束驻留时间和带宽一起确定目标不发生跨单元走动条件下的最大允许相参积累时间。比较最大允许相参积累时间和检测跟踪一体化方法单帧处理时间的大小。根据比较结果对脉冲压缩输出信号分别采用全相参或分段相参积累。最后对积累结果进行一级低门限恒虚警处理。本发明增强了方法的自适应性，避免使用穷举法带来的大量计算和存储问题，提高了实用性。

Description

一种基于信息互反馈的机动弱目标检测跟踪一体化方法

技术领域

本发明属于雷达信号获取与处理技术领域，涉及一种基于信息互反馈的机动弱目标检测跟踪一体化方法。

背景技术

复杂背景下弱目标检测跟踪一体化技术是指在复杂杂波背景下，利用雷达信号处理与数据处理一体化技术，对隐身目标、远程目标、低空小目标等微弱目标实现同时检测和跟踪。该项技术对改善机载预警雷达在复杂地海杂波下对低空目标的探测性能和增强雷达反隐身、反低空突防以及远程侦察预警能力方面都具有十分重要的研究意义和实用价值。

针对复杂背景下对弱目标进行及时检测和准确跟踪，国内外雷达领域的专家学者和工程技术人员开展了大量的研究。传统的检测跟踪一体化处理方法采用先检测后跟踪。首先通过对获取的数据进行杂波抑制和抖动补偿等预处理，尽可能滤除背景杂波和系统噪声，减少随机因素影响。然后通过对每帧数据设定固定或自适应阈值，将超过阈值的数据单元作为量测值输出。跟踪环节利用这些量测值进行航迹初始、数据关联和航迹维持，并通过滤波手段降低量测噪声的影响。该方法结构简单易实现，在信噪比较高时（SNR>10dB）有较好的效果。然而，阈值检测在简化数据的同时，也丢失了潜在有用信息。

近年来出现的一种被称为检测前跟踪方法，对低信噪比下的目标有较好的检测跟踪性能。通过将跟踪思想引入信号检测，利用时间积累换取能量，有助于发现微弱目标信号。它对单帧数据不设门限或设置较低的门限，保留全部或绝大多数的雷达原始回波信息，借助目标跟踪思想，根据目标短时运动特性，通过时间积累，换取较高的信噪比、信杂比，并宣布目标发现的同时显示目标的航迹。这种方法对检测信噪比、信杂比要求较低，弱目标检测概率高，但实现起来复杂，在跟踪性能上还存在一些问题。

发明内容

本发明的目的在于针对现有检测跟踪一体化技术的不足，为雷达信号获取与处理领域研究提供一种基于信息交互与互反馈、大幅降低计算负担和存储要求的检测跟踪一体化方法。

本发明方法包括以下步骤：

步骤1、对一个波束驻留时间内所接收到的雷达回波信号进行混频和零中频处理后，送入匹配滤波器进行脉冲压缩，得到脉冲压缩输出信号。

步骤2、将上一个波束驻留时间内进行的检测跟踪一体化得到的目标多普勒估计反馈到信号积累端，与脉冲重复频率、波束驻留时间和带宽一起确定目标不发生跨单元走动条件下的最大允许相参积累时间T1。

步骤3、根据计算与实验得到检测跟踪一体化方法单帧处理时间T2，比较T1、T2的大小。

步骤4、如果T1>T2，则对脉冲压缩后的输出信号采用全相参积累。

步骤5、如果T1<T2，则采用段内相参、段间非相参处理的方法进行长时间积累，并使用目标多普勒估计信息对段间的距离走动进行补偿。

步骤6、对步骤4或5积累结果进行一级低门限恒虚警处理。

本发明的有益效果：本发明根据检测跟踪一体化单帧处理时间T2的大小，分别采用了直接全相参积累与分段积累的处理方法，增强了方法的自适应性。又将检测跟踪一体化输出的多普勒估计                                               

反馈到信号积累处理端来对脉冲之间的距离走动进行补偿。避免了传统距离补偿时使用穷举法带来的大量计算和存储问题，提高了方法的实用性。本发明具有较强的适应性和实用性。

附图说明

图1为本发明方法流程图。

具体实施方式

    以下结合附图对本发明作进一步说明。

如图1所示，本发明包括以下步骤：1、对一个波束驻留时间内所接收到的雷达回波信号进行混频和零中频处理后，送入匹配滤波器进行脉冲压缩，得到脉冲压缩输出信号。2、将上一个波束驻留时间内进行的检测跟踪一体化得到的目标多普勒估计（检测跟踪一体化的输出信息之一）反馈到信号积累端，与脉冲重复频率、波束驻留时间和带宽一起确定目标不发生跨单元走动条件下的最大允许相参积累时间T1。3、根据计算与实验得到检测跟踪一体化方法单帧处理时间T2，比较T1、T2的大小。4、如果T1>T2，则对脉冲压缩后的输出信号采用全相参积累。5、如果T1<T2，则采用段内相参、段间非相参处理的方法进行长时间积累，并使用目标多普勒估计信息对段间的距离走动进行补偿。6、对步骤4或5积累结果进行一级低门限恒虚警处理。   

步骤1中得到一个波束驻留时间内雷达回波信号脉冲压缩输出信号的具体步骤如下：

1）、将接收到的一组相参的线性调频脉冲进行混频和零中频处理。

2）、将处理后的信号送入匹配滤波器进行脉冲压缩，得到脉压输出信号

。

步骤2中确定最大允许相参积累积累时间T1的具体步骤如下：

1）、根据上一个波束驻留时间内检测跟踪一体化得到的目标多普勒估计

（检测跟踪一体化的输出信息之一）计算出目标的速度估计

。

2）、将目标的速度估计反馈到信号积累端，与脉冲重复频率

、波束驻留时间、带宽

等参数确定目标不发生跨单元走动条件下的最大可积累脉冲数

。

3）、由最大可积累脉冲数

计算出最大允许相参积累时间T1。

步骤3中的检测跟踪一体化算法单帧处理时间T2可以通过计算实现程序的时间复杂度和实验结果分析得出，比较T1、T2的大小决定进行步骤4或步骤5。

当T1>T2时，实行步骤4。进行回波脉冲的全相参积累。因为此时所接受到的脉冲个数

，目标不发生跨单元走动，所以可以对所接收到的N个脉冲信号进行直接的相参积累（FFT）。将相参积累所得到的结果进行一级低门限恒虚警处理。

当T1<T2时，实行步骤5。将所接收到的N个脉冲分段，每段为个脉冲，每段脉冲内进行直接的相参积累。段间将产生距离走动，根据上一个波束驻留时间内检测跟踪一体化输出的多普勒估计

对段间的距离走动进行补偿后进行段间的非相参积累，将非相参积累所得到的结果进行一级低门限恒虚警处理。

步骤6中的一级低门限恒虚警处理采用单元平均CFAR处理（CA-CFAR）。一级低门限恒虚警处理输出的结果是距离-多普勒-幅度序列，从序列中可以检测出弱目标。

步骤1中的雷达回波信号预处理的具体步骤如下：

（1）对所接收到的雷达信号进行混频和零中频处理。

雷达所接收到的一组N个雷达脉冲经过混频和零中频处理后可表示为：

        i=0,1, …, N-1              (1)

式中：

为随机初始相位，服从

之间的均匀分布，

为脉冲重复周期，K为调频斜率，

为脉宽，

为载频。

   i=0,1, …, N-1             (2)

（2）将信号

送入匹配滤波器进行脉冲压缩处理。得到脉压输出信号

。

     n=0,1, …, N-1            (3)

式中

和

分别为

与匹配滤波器脉冲响应的离散傅里叶变换。

先假设目标静止，且目标和雷达之间的距离为

。则回波信号的延时为

=

。若目标在观测时间内相对雷达保持匀速运动，且相对速度为

，第i个脉冲重复周期的回波信号的时延近似为，

。则运动目标的回波经脉冲压缩处理后的归一化输出信号为：

 i=0,1, …, N-1       (4)

式中：

，

为sinc函数，B为调频带宽。

步骤2中确定最大允许相参积累积累时间T1的具体步骤如下：

（1）根据上一次处理目标多普勒估计

（检测跟踪一体化的输出信息之一）计算出目标的速度估计

。

                

                            (5)

其中

为雷达的波长。

（2）将目标的速度估计

反馈到信号积累端，与脉冲重复频率

、波束驻留时间、带宽

等参数确定目标不发生跨单元走动条件下的最大可积累脉冲数

。

                                           (6) 

（3）由最大可积累脉冲数

计算出最大允许相参积累时间T1。

                           (7) 

根据前一次检测跟踪一体化输出的多普勒估计

的改变可以自适应的改变最大允许相参积累时间T1，增强了方法的适应性。前一个波束驻留时间所得到的检测跟踪结果可为下个波束驻留时间内的检测跟踪系统提供较为准确的目标速度估计。

步骤3中的检测跟踪一体化算法单帧处理时间T2可以通过计算实现程序的时间复杂度和实验结果分析得出，比较T1、T2的大小决定进行步骤4或步骤5

计算实现程序的时间复杂度得出单帧处理时间为t1，由大量实验得出的单帧处理时间为t2。

                          (8) 

当T1>T2时，实行步骤4。进行回波脉冲的全相参积累，然后进入一级门限处理。将

代入（4）式中，可得

           (9) 

因为此时所接受到的脉冲个数

，在积累时间内脉冲串没有发生跨距离单元走动，所以可以对所接收到的N个脉冲信号进行直接的相参积累。将相参积累所得到的结果进行一级低门限恒虚警处理。

直接相参积累常使用快速傅里叶变换（FFT）作为窄带滤波器组。令匹配滤波器的系数为1，在观察时刻

=，相参脉冲串的传递函数为：

              (10)

由式(10)可以看出要对回波相参脉冲串进行匹配滤波，必须知道多普勒频移，但在实际工作中，多普勒频移不能预知，因此需要采用一组相邻且部分重叠的滤波器组，覆盖整个多普勒频率范围，这就是窄带多普勒滤波器组。该滤波器组的频率覆盖为0到。

当T1<T2时，实行步骤5。将所接收到的N个脉冲分段，每段为

个脉冲，每段脉冲内进行直接的相参积累。每段脉冲之间将产生距离走动，由（4）式可知，由于目标的相对运动使得第i个脉冲的包络相对于第0个脉冲走动了。

             

                          (11)

根据上一次检测跟踪一体化输出的多普勒估计

对段间的距离走动进行补偿后，将经过距离补偿后的回波信号取模作段间相加即为段间的非相参积累。将非相参积累所得到的结果进行一级低门限恒虚警处理。本发明使用上一次检测跟踪一体化得到的速度估计对距离走动进行补偿，可有效地避免传统方法中使用速度穷举法带来的大量计算与数据存储问题，增强了方法的实用性。

步骤6中将积累后的信号进行一级低门限恒虚警处理。

对雷达积累后的回波进行恒虚警处理，在维持虚警率一定的情况下，门限是自适应调整的。本发明将门限设置为低门限可以使较多的信号通过门限检测，保留了大部分的信号信息，为后续的跟踪环节提供大量的信息，提高了方法的准确性。

雷达通常工作在噪声和杂波共存的环境中，噪声可看作高斯过程，但杂波的分布类型可能不符合理论上得任何一种分布，而且分布参数也未知。对于本发明所接收到的平稳瑞利分布杂波将采用单元平均CFAR处理（CA-CFAR）。

虚警率与检测门限

和干扰噪声强度

的关系为：

                   (12)

在CA-CFAR检测器中，背景杂波功率水平由16个参考单元的采样均值估计得到，设Z为检测单元总的杂波功率水平估计：

                            (13)

每个波束驻留时间内所接收到的回波脉冲信号都经过以上6个步骤，将所检测出的弱目标的相关参数送入跟踪环节完成目标的跟踪过程，将跟踪所得到的目标参数反馈到检测环节，增强了检测的精度，构成了基于信息交互与互反馈的检测跟踪一体化技术。

Claims (4)

1. 一种基于信息互反馈的机动弱目标检测跟踪一体化方法，其特征在于该方法包括以下步骤：

步骤1、对一个波束驻留时间内所接收到的雷达回波信号进行混频和零中频处理后，送入匹配滤波器进行脉冲压缩，得到脉冲压缩输出信号；

步骤2、将上一个波束驻留时间内进行的检测跟踪一体化得到的目标多普勒估计反馈到信号积累端，与脉冲重复频率、波束驻留时间和带宽一起确定目标不发生跨单元走动条件下的最大允许相参积累时间T1；

步骤3、根据计算与实验得到检测跟踪一体化方法单帧处理时间T2，比较T1、T2的大小；

步骤4、如果T1>T2，则对脉冲压缩后的输出信号采用全相参积累；

步骤5、如果T1<T2，则采用段内相参、段间非相参处理的方法进行长时间积累，并使用目标多普勒估计信息对段间的距离走动进行补偿；

步骤6、对步骤4或5积累结果进行一级低门限恒虚警处理。

2.根据权利1所述的机动弱目标检测跟踪一体化方法，其特征在于：步骤2具体是：

1）、根据上一个波束驻留时间内检测跟踪一体化得到的目标多普勒估计                                               

计算出目标的速度估计

；

2）、将目标的速度估计

反馈到信号积累端，与脉冲重复频率

、波束驻留时间、带宽

确定目标不发生跨单元走动条件下的最大可积累脉冲数

；

3）、由最大可积累脉冲数

计算出最大允许相参积累时间T1。

3.根据权利1所述的机动弱目标检测跟踪一体化方法，其特征在于：步骤3中的单帧处理时间T2是通过计算实现程序的时间复杂度和实验结果分析得出。

4.根据权利1所述的机动弱目标检测跟踪一体化方法，其特征在于：步骤6中一级低门限恒虚警处理采用单元平均CFAR处理；一级低门限恒虚警处理输出的结果是距离-多普勒-幅度序列，从序列中可以检测出弱目标。

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