CN103513234A - 一种基于矩阵恢复的运动目标快速检测方法及系统 - Google Patents

一种基于矩阵恢复的运动目标快速检测方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于矩阵恢复的运动目标快速检测方法，该方法包括：对获取的多通道的雷达回波数据进行矩阵恢复方法前的预处理；将预处理后的数据组成实部矩阵及虚部矩阵，采用矩阵恢复方法，分离出运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵；将分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵组成多通道的运动目标数据。本发明同时公开了基于矩阵恢复的运动目标快速检测系统，采用本发明的方法及系统能对运动目标进行快速、准确地检测。

Description

一种基于矩阵恢复的运动目标快速检测方法及系统
技术领域
本发明涉及机载地面运动目标检测技术，特别是指一种运动目标检测方法及系统。
背景技术
机载多通道广域运动目标检测所面临的最重要的问题是：如何抑制来自地面的非均匀强杂波，以便将运动目标检测出来。
目前，工程上普遍采用的方法包括：偏移相位中心天线处理(DPCA，Displaced Phase Center Antenna)及空时自适应信号处理(STAP，SpaceTime Adaptive Processing)。其中，DPCA方法的运算量较小，但对系统脉冲重复频率(PRF，Pulse Repetition Frequency)、天线接收中心间距、以及飞行速度之间的关系有严格要求，并且，容易受到载机运动误差和系统误差的影响。STAP方法对于均匀杂波环境具有最优的杂波抑制效果，但是，对于实际中存在的非均匀场景，杂波抑制能力大大减弱。
发明内容
有鉴于此，本发明的主要目的在于如何有效地抑制杂波，从而快速、有效地检测运动目标是目前亟待解决的问题，为此本发明提供一种能对运动目标进行快速、准确地检测、基于矩阵恢复的运动目标快速检测方法及系统。
为达到上述目的，本发明的第一方面是提供一种基于矩阵恢复的运动目标快速检测方法，利用包括预处理单元、分离单元、组成单元以及检测单元且基于矩阵恢复的运动目标快速检测系统，实现所述方法的步骤包括：
步骤S1：利用预处理单元对由天线获取的多通道的雷达回波数据依次进行通道均衡处理、距离压缩和方位向快速傅里叶变换处理、以及通道间隔引起的相位差异补偿的预处理，得到适合矩阵恢复处理的数据；
步骤S2：分离单元对适合矩阵恢复处理的数据做重排处理，获得预处理后的多通道的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵，并对预处理后的多通道的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵做矩阵恢复处理，分离出运动目标的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵；
步骤S3：组成单元对分离的运动目标的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵再次做数据重排处理，获得多通道运动目标数据矩阵；
步骤S4：检测单元将多通道运动目标数据矩阵的绝对值沿通道方向逐像素点平方相加，并在能量域检测运动目标。
优选实施例，对每个通道的雷达回波数据的实部矩阵按照列的顺序进行进栈操作，从而将该实部矩阵的数据生成新实部矩阵的一列数据。
优选实施例，对每个通道的雷达回波数据的虚部矩阵按照列的顺序进行进栈操作，从而将该虚部矩阵的数据生成新虚部矩阵的一列数据。
优选实施例，将分离的运动目标的雷达回波数据的实部矩阵中的每一列数据进行出栈操作，生成相应通道的运动目标雷达回波数据的实部矩阵。
优选实施例，将分离的运动目标的雷达回波数据的虚部矩阵中的每一列数据直接写出进行出栈操作，生成相应通道的运动目标雷达回波数据的虚部矩阵。
优选实施例，采用广域扫描方式，获取多通道的雷达回波数据。
为达到上述目的，本发明的第二方面是提供一种基于矩阵恢复的运动目标快速检测系统，该系统的实现方案包括：预处理单元、分离单元、组成单元以及检测单元；其中，
预处理单元，用于对由天线获取的多通道的雷达回波数据进行预处理，并将预处理后的雷达回波数据发送给分离单元；
分离单元，用于接收预处理单元发送的预处理后的数据后，将预处理后的雷达回波数据组成实部矩阵及虚部矩阵，采用矩阵恢复方法，分离出运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵，并将分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵发送给组成单元；
组成单元，用于接收分离单元发送分离的运动目标数据实部矩阵及虚部矩阵，将分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵组成多通道的运动目标数据；
检测单元，用于接收组成单元发送的多通道的运动目标数据，将多通道运动目标数据矩阵的绝对值沿通道方向逐像素点平方相加，并在能量域检测出运动目标。
该系统进一步包括：获取单元，采用广域扫描方式，获取多通道的雷达回波数据，并将获取的多通道的雷达回波数据发送给预处理单元；所述预处理单元，还用于接收获取单元发送的多通道的雷达回波数据。
本发明的有益效果：本发明提供的运动目标检测方法及系统的运算量小，有效地抑制杂波，将组成的多通道运动目标数据矩阵的绝对值沿通道方向逐像素点平方相加，并在能量域检测运动目标，能对运动目标进行快速、准确地检测运动目标。另外，采用广域扫描方式，获取多通道的雷达回波数据，可实现大范围内运动目标的有效检测。
附图说明
图1为本发明运动目标检测方法流程示意图；
图2为机载多通道广域扫描示意图；
图3为实施例一运动目标检测方法流程示意图；
图4为实施例二非均匀场景的杂波噪声比随距离单元的变化示意图；
图5为实施例二第三个通道的距离-多普勒域的雷达回波数据示意图；
图6为实施例二运动目标检测的结果示意图；
图7为本发明利用计算机实现运动目标检测系统结构示意图。
具体实施方式
下面结合附图及实施例对本发明再作进一步详细的说明。
如图1所示本发明运动目标检测方法，利用包括预处理单元、分离单元、组成单元以及检测单元且基于矩阵恢复的运动目标快速检测系统，实现所述方法包括以下步骤：
步骤101：利用预处理单元对由天线获取的多通道的雷达回波数据进行矩阵恢复方法前的预处理；获取的雷达回波由于经过了距离向和方位向采样，其实质上是二维复矩阵；雷达回波是由运动目标、杂波和噪声三部分组成，本发明的目的是从获取的雷达回波中分离运动目标。
具体地，对获取的多通道的雷达回波数据依次进行通道均衡处理、距离压缩和方位向快速傅里叶变换处理、以及通道间隔引起的相位差异补偿的预处理，得到适合矩阵恢复处理的数据。所述适合矩阵恢复处理的数据是指经过预处理后不同通道的雷达回波数据中来自静止物体部分的数据已经基本相同，而来自动目标部分的数据则呈现稀疏性差异。其中，进行距离压缩和方位向快速傅里叶变换的目的为：将获取的多通道的雷达回波数据变换到距离-多普勒域。
在进行通道间隔引起的相位差异补偿处理时，该方法还可以进一步包括：
对每个通道的雷达回波数据进行相位差异补偿，补偿的相位差用公式可以表示为：
Figure BDA00001785402400041
其中，表示第i个通道的第j个多普勒单元需要补偿的相位，di表示第i个通道相对参考通道的距离，fj表示第j个多普勒单元对应的多普勒频率，V表示载机的速度。
进行通道均衡处理、距离压缩和方位向快速傅里叶变换处理、以及通道间隔引起的相位差异补偿处理的具体处理过程可采用现有技术。
本步骤执行的目的为：优化获取的多通道的雷达回波数据，以便后续能采用矩阵恢复方法，将运动目标矩阵从杂波矩阵和噪声矩阵中分离出来。
这里，在执行步骤101之前，该方法还可以进一步包括：
采用广域扫描方式，获取多通道的雷达回波数据；
其中，图2为机载多通道广域扫描示意图，从图2中可以看出，采用广域扫描方式，能获得比一般的合成孔径雷达地面运动目标检测(SAR/GMTI，Synthetic Aperture Radar/Ground Moving TargetIndication)方式更广阔的观测范围，从而更有利于检测运动目标。其中，图2中的左斜的-------表示在扫描过程中，雷达的观测区域。
步骤102：分离单元对适合矩阵恢复处理的数据做重排处理，获得预处理后的多通道的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵，并将预处理后的多通道的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵，采用矩阵恢复方法，分离出运动目标的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵；
这里，所述将预处理后的数据组成实部矩阵及虚部矩阵，具体为：
将预处理后的每个通道的雷达回波数据的实部矩阵组成新实部矩阵的一列，将预处理后的每个通道的雷达回波数据的虚部矩阵组成新虚部矩阵的一列。这里的每个通道的雷达回波数据的实部矩阵是每个通道的雷达回波复矩阵的实数部分，而每个通道的雷达回波数据的虚部矩阵是每个通道的雷达回波复矩阵的虚数部分。
其中，由于矩阵恢复方法只适用数据为实数的情况，而雷达获取的多通道的雷达回波数据通常为复数形式，因此，为了使用矩阵恢复方法，需要将预处理后的多通道的雷达回波数据组成实部矩阵及虚部矩阵。
这里，矩阵恢复方法还可以称为PCP(Principal Component Pursuit)，或者，可以称为稀疏与低秩矩阵分解方法，由于在某些应用中低秩矩阵是期望得到的部分，而在有些情况下，稀疏矩阵可能含有一些十分有用的重要信息，因此，可以采用矩阵恢复方法，对稀疏与低秩矩阵进行分解，从而获取重要的信息。对于机载多通道广域监视雷达系统，由于多通道观测的区域相同，如果补偿了由于通道间隔引起的相位差异，并将每个通道获得的雷达回波矩阵排成新矩阵的一列，这样，组成的新矩阵可以认为是由三个矩阵相加得到，即：低秩的杂波矩阵、稀疏的运动目标矩阵、以及随机分布的噪声矩阵，这恰好符合矩阵恢复方法的模型。因此，可以将矩阵恢复的理论引入到机载多通道广域监视雷达系统中，从而将运动目标矩阵从杂波矩阵和噪声矩阵中分离出来。
所述将预处理后的每个通道的雷达回波数据的实部矩阵组成新实部矩阵的一列，具体为：
将预处理后的每个通道的雷达回波数据的实部矩阵，按照列的顺序进行进栈操作，从而将该实部矩阵的数据生成新实部矩阵的一列数据；
相应的，所述将预处理后的每个通道的雷达回波数据的虚部矩阵组成新虚部矩阵的一列，具体为：
将预处理后的每个通道的雷达回波数据的虚部矩阵，按照列的顺序进行进栈操作，从而将该虚部矩阵的数据生成新虚部矩阵的一列数据。
举个例子来说，多通道的雷达回波数据的实部矩阵为2×2维矩阵，虚部矩阵为2×2维矩阵，则将实部矩阵的第一列、第二列依次排列，组成新实部矩阵的一列，相应的，将虚部矩阵的第一列、第二列依次排列，组成新虚部矩阵的一列。
在组成新的实部矩阵及新的虚部矩阵时，多通道的矩阵所在列的列数可以任意排列，但需要相互对应，换句话说，需要获知每个通道的实部矩阵在新实部矩阵中的列数，每个通道的虚部矩阵在新虚部矩阵中的列数。
在采用矩阵恢复方法，分离出运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵时，需要对组成的新实部矩阵及新虚部矩阵，分别采用矩阵恢复方法，分离出运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵；换句话说，对组成的新实部矩阵，采用矩阵恢复方法，分离出运动目标数据的实部矩阵，对组成的新虚部矩阵，采用矩阵恢复方法，分离出运动目标数据的虚部矩阵。
采用恢复矩阵恢复方法，分离出运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵的具体处理过程可采用现有技术。
步骤103：组成单元将分离的运动目标的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵再次做数据重排处理，组成多通道的运动目标数据矩阵。
这里，所述将分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵组成多通道的运动目标数据，具体为：
将分离的运动目标数据的实部矩阵中的每一列数据进行出栈操作，生成相应通道的运动目标数据的实部矩阵；将分离的运动目标数据的虚部矩阵中的每一列数据直接写出进行出栈操作，生成相应通道的运动目标数据的虚部矩阵。
其中，分离的运动目标数据的实部矩阵的一列及对应的分离的运动目标数据的虚部矩阵的一列是同一个通道的运动目标数据在分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵中所在的列。
将分离的运动目标数据的实部矩阵中的一列，组成一个通道的运动目标数据的实部矩阵的具体处理过程为组成新实部矩阵的一列的逆过程；相应的，将分离的运动目标数据的虚部矩阵中对应的一列，组成相应通道的运动目标数据的虚部矩阵的具体处理过程为组成新虚部矩阵的一列的逆过程，这里不再赘述。
然后以组成的多通道的实部矩阵作为实数部分，以组成的多通道的虚部矩阵作为虚数部分，形成多通道的运动目标数据复矩阵。
步骤104：检测单元将多通道运动目标数据矩阵的绝对值沿通道方向逐像素点平方相加，并在能量域检测出运动目标。
其中，将组成的多通道的运动目标数据的矩阵平方相加，就是将所有通道的运动目标的能量相加。
在检测运动目标时，所选择的运动目标的检测域Dt可以用公式表示为：
D t = Σ i | R t ( i ) | 2 - - - ( 2 )
其中，Rt(i)表示第i个通道的运动目标矩阵，i＝1，2...，N。N表示通道的总个数。
在能量域检测运动目标的具体处理过程可采用现有技术。
下面结合实施例对本发明再作进一步详细的描述。
实施例一
图3为本实施例运动目标检测方法流程示意图，下面结合图3，将详细描述本实施例的运动目标检测的过程。
S1：对获取的多通道的雷达回波数据依次进行通道均衡处理、距离压缩和方位向快速傅里叶变换处理、以及通道间隔引起的相位差异补偿处理，完成数据的预处理过程。在本实施例中，假设该广域监视系统具有N个通道，每个通道接收的雷达回波数据经过预处理后共有J个多普勒单元和K个距离单元。
S2：将预处理后的数据组成实部矩阵及虚部矩阵，即：将预处理后的每个通道的雷达回波数据的实部矩阵组成新实部矩阵的一列，将预处理后的每个通道的雷达回波数据的虚部矩阵组成新虚部矩阵的一列，从而形成新实部矩阵及新虚部矩阵。其中，新实部矩阵及新虚部矩阵的列数均为N、行数均为J×K。图中的Vec表示对矩阵的数据按照列的顺序进行进栈操作，从而将该矩阵的数据生成一个成列向量。
S3：对得到的列数为N、行数为的J×K的新实部矩阵及新虚部矩阵，分别采用矩阵恢复方法，分离出列数为N、行数为J×K的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵。将分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵组成多通道的运动目标数据，即：将分离的运动目标数据的实部矩阵中的每一列组成多通道的运动目标数据的实部矩阵，将分离的运动目标数据的虚部矩阵中的每一列组成多通道运动目标数据的虚部矩阵，从而得到N个通道的雷达回波数据中的运动目标的实部矩阵及运动目标的虚部矩阵。
S4：将分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵组成多通道的运动目标数据，换句话说，将运动目标实部矩阵及虚部矩阵组合起来，形成N个通道中的运动目标矩阵。
S5：将组成的多通道的运动目标数据的矩阵平方相加，并在能量域检测运动目标，换句话说，就是在距离-多普勒域实现所有通道的运动目标的能量相加，进而在能量域检测运动目标。
实施例二
在本实施例中，非均匀场景包括：300个距离单元，即：第1000-1299个距离单元，在每个距离单元上布置128个点，即：在每个多普勒单元对应的角度方向上布置单元对应的角度方向上布置一个静止的点目标，因此，整个场景共设置了128×300个静止的点目标。同时在场景中加入6个运动的目标。依据表1所示的仿真系统参数，对上述非均匀场景的雷达回波数据进行了仿真。表1所示的仿真系统参数为德国PAMIR系统所使用的参数。
表1
  发射信号载频   9.45GHz   发射信号带宽   200MHz
  方位向波束宽度   2.8°   每个波位上发射脉冲数   128
  俯仰向波束宽度   12.5°   俯仰角   27.2°
  接收通道数   5   平台飞行速度   100m/s
  系统PRF   6kHz   天线长度   4.25m
图4为实施例二非均匀场景的杂波噪声比(CNR，Clutter NoiseRatio)随距离单元的变化示意图，从图4中可以看出，在第1100个距离单元处场景的CNR发生了剧烈的变化，进一步证实了本实施例的场景为非均匀场景。
图5为实施例二第三个通道的距离-多普勒域的雷达回波数据示意图，从图5中可以看出，6个运动目标均淹没在杂波中。
图6为本实施例二采用本发明运动目标检测的方法处理后的结果示意图，从图6中可以看出，6个运动目标均被有效地分离出来。
从上面的描述中可以看出，采用本发明提供的方法，能准确、快速地检测出运动目标。
为实现上述方法，本发明还提供了一种运动目标检测系统，如图7所示，是利用计算机及软件实现运动目标检测系统包括：预处理单元71、分离单元72、组成单元73、以及检测单元74；其中，
预处理单元71，用于对由天线获取的多通道的雷达回波数据进行矩阵恢复方法前的预处理，并将预处理后的数据发送给分离单元72；
分离单元72，用于收到预处理单元71发送的预处理后的数据后，将预处理后的雷达回波数据组成实部矩阵及虚部矩阵，采用矩阵恢复方法，分离出运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵，并将分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵发送给组成单元73；
组成单元73，用于收到分离单元72发送分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵后，将分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵组成多通道的运动目标数据；
检测单元74，用于收到组成单元73发送的多通道的运动目标数据后，将组成的多通道的运动目标数据的矩阵平方相加，并在能量域检测运动目标；
其中，该系统还可以进一步包括：获取单元75，采用广域扫描方式，获取多通道的雷达回波数据，并将获取的多通道的雷达回波数据发送给预处理单元71；
所述预处理单元71，还用于接收获取单元75发送的多通道的雷达回波数据。
这里，在实际应用时，由机载多通道广域监视雷达系统，获取多通道的雷达回波数据，换句话说，获取单元具体为机载多通道广域监视雷达系统。
所述组成单元73，还用于向检测单元74发送组成的多通道的运动目标数据。
这里，本发明所述系统中的预处理单元、分离单元、以及组成单元的具体处理过程已在上文中详述，不再赘述。
以上所述，仅为本发明的较佳实施例而已，并非用于限定本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种基于矩阵恢复的运动目标快速检测方法，其特征在于，利用包括预处理单元、分离单元、组成单元以及检测单元且基于矩阵恢复的运动目标快速检测系统，实现所述方法的步骤包括：
步骤S1：利用预处理单元对由天线获取的多通道的雷达回波数据依次进行通道均衡处理、距离压缩和方位向快速傅里叶变换处理、以及通道间隔引起的相位差异补偿的预处理，得到适合矩阵恢复处理的数据；
步骤S2：分离单元对适合矩阵恢复处理的数据做重排处理，获得预处理后的多通道的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵，并对预处理后的多通道的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵做矩阵恢复处理，分离出运动目标的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵；
步骤S3：组成单元对分离的运动目标的雷达回波数据的实部矩阵及虚部矩阵再次做数据重排处理，获得多通道运动目标数据矩阵；
步骤S4：检测单元将多通道运动目标数据矩阵的绝对值沿通道方向逐像素点平方相加，并在能量域检测运动目标。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对每个通道的雷达回波数据的实部矩阵按照列的顺序进行进栈操作，从而将该实部矩阵的数据生成新实部矩阵的一列数据。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对每个通道的雷达回波数据的虚部矩阵按照列的顺序进行进栈操作，从而将该虚部矩阵的数据生成新虚部矩阵的一列数据。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将分离的运动目标的雷达回波数据的实部矩阵中的每一列数据进行出栈操作，生成相应通道的运动目标雷达回波数据的实部矩阵。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，将分离的运动目标的雷达回波数据的虚部矩阵中的每一列数据直接写出进行出栈操作，生成相应通道的运动目标雷达回波数据的虚部矩阵。
6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，采用广域扫描方式，获取多通道的雷达回波数据。
7.一种利用权利要求1所述方法的基于矩阵恢复的运动目标快速检测系统，其特征在于，所述系统包括：预处理单元、分离单元、组成单元以及检测单元；其中：
预处理单元，用于对获取的多通道的雷达回波数据进行预处理，并将预处理后的数据发送给分离单元；
分离单元，用于接收预处理单元发送的预处理后的数据后，将预处理后的雷达回波数据组成实部矩阵及虚部矩阵，采用矩阵恢复方法，分离出运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵，并将分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵发送给组成单元；
组成单元，用于接收分离单元发送分离的运动目标数据实部矩阵及虚部矩阵，将分离的运动目标数据的实部矩阵及虚部矩阵组成多通道的运动目标数据；
检测单元，用于接收组成单元发送的多通道的运动目标数据，将多通道运动目标数据矩阵的绝对值沿通道方向逐像素点平方相加，并在能量域检测出运动目标。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，该系统进一步包括：
获取单元，采用广域扫描方式，获取多通道的雷达回波数据，并将获取的多通道的雷达回波数据发送给预处理单元；
所述预处理单元，还用于接收获取单元发送的多通道的雷达回波数据。
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