CN104035084A - 一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法 - Google Patents

Abstract

该发明公开了一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法，属于雷达目标检测技术领域，特别涉及非均匀杂波背景下的微弱目标雷达检测技术领域。当接收到雷达数据后，通过判断杂波功率突变位置，将功率不相等的杂波分别归一化处理，然后选择出最优的目标航迹，从而具有在杂波突变位置及突变位置两侧杂波功率先验信息未知的情况下有效抑制杂波，快速检测航迹，减少虚警、漏检的效果。

Description

一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法

技术领域

本发明属于雷达目标检测技术领域，特别涉及非均匀杂波背景下的微弱目标雷达检测技术领域。

背景技术

动态规划检测前跟踪算法是一种有效的弱小目标跟踪方法，其单帧不做门限检测，直接利用雷达回波数据多帧联合处理，通过值函数积累对所有可能的航迹进行搜索，从而估计目标真实状态。它易于实现且能够处理弱机动性目标，已被广泛应用于雷达跟踪、计算机视觉等领域。

动态规划检测前跟踪算法假设背景杂波均匀分布，然而在实际雷达场景中，如果占统治地位的干扰来自杂波，而不是热噪声或人为干扰，则这些杂波往往具有严重的非均匀性(在本发明中非均匀是指监测区域中存在杂波功率突变)。雷达波束照射的区域可能包括部分开阔地和部分植被覆盖地，也可能是部分陆地和部分水域，此时传统动态规划检测前跟踪算法性能会下降，主要体现在以下两点：漏检和虚警。漏检主要发生在运动在低杂波区(杂波功率较低的杂波区域)的微弱目标；虚警主要发生在高杂波区(杂波功率较高的杂波区域)。为判断杂波边缘的存在，Finn提出了一种用于非均匀杂波背景下的自适应CFAR(恒虚警率)的基本方法，见文献“A CFAR design for a window spanning two clutter fields，IEEE Transactions on Aerospaceand Electronic systems,1986,vol.AES-22,no.2,pp.155-169”，该方法采用最大似然估计(ML)对杂波边缘的位置进行估计。该方法存在两个问题，问题一：该方法假设杂波边缘同侧的量测值独立同分布，然而在实际中，杂波边缘两侧可能存在一个或多个目标，此时不满足独立同分布的假设，杂波边缘位置的估计会出现错误；问题二：该方法在估计杂波边缘位置之后没有对量测值进行任何后续处理(如杂波功率归一化等)，具体来说其利用待检测单元所处的杂波区域量测值计算门限，将待检测单元的量测值与门限进行比较，若待检测单元的量测值超过门限则认为有目标存在，否则认为没有目标存在。没有进行任何后续处理的量测值，在应用动态规划检测前跟踪算法时，正如我们前面提到的会有检测跟踪性能损失。

发明内容

本发明的目的是针对现有的动态规划检测前跟踪算法在非均匀杂波背景中应用存在的问题，改进设计一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法，从而达到非均匀杂波背景下提高目标检测准确性、提高系统稳定性、有效抑制雷达的虚警和漏检的目的。

本发明提供了一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法，该方法包括：

步骤1、初始化系统参数包括：数据平面大小，处理帧数K，状态转移数q，利用蒙特卡罗仿真试验计算出的门限V_T，OS CFAR参考窗长度R，有序统计量选为第r个，常数α_OS；

步骤2、接收到第1帧回波信号，将每个分辨单元的回波信号幅度的平方作为该分辨单元的量测值；

步骤3、剔除第1帧第1行分辨单元量测值中的目标量测值，得到杂波量测值；

步骤4、采用最大似然估计法确定杂波功率突变位置；

步骤5、分别计算杂波功率突变位置两侧杂波量测值的平均值，将步骤3中剔除的目标信号量测值返回到量测值中，用该平均值对各自对应一侧量测值进行归一化处理；

步骤6、采用与步骤3～步骤5相同的方法处理第1帧中其它行的信号量测值；

步骤7、采用与步骤2～步骤6相同的方法处理接下来的其它帧的信号量测值；

步骤8、通过动态规划算法对前K帧中所有可能为目标的分辨单元进行搜索，并记录各目标分辨单元的位置信息，将前K帧中属于同一目标分辨单元量测值进行叠加，得到相应目标判定值；

步骤9、将目标判定值与设定的门限V_T进行比较，若高于门限，则认定该分辨单元中有目标存在；若没有判定值高于门限，则算法停止，宣布目标不存在；

步骤10、将步骤9认定的目标，利用步骤8记录的该目标前K帧目标位置信息，恢复出各认定目标的航迹；

步骤11、将各航迹进行对比，若多条航迹存在相同运动状态，选择出最大判定值对应的轨迹作为真实目标航迹，删除其余航迹；

步骤12、若存在真实航迹，则宣布目标存在，并且输出目标航迹；否则宣布目标不存在。

其中步骤3的具体步骤为：

步骤3.1、计算出第1帧第1行中每个分辨单元量测值的有序统计恒虚警检测门限V_OS-CFAR；

步骤3.2、将第1帧第1行中每个分辨单元的量测值与步骤3.1中得到的门限进行比较，若量测值高于门限，则认为其为目标量测值，否则为杂波量测值；

步骤3.3、从第1帧第1行分辨单元的量测值中剔除目标量测值，得到杂波量测值。

步骤8的具体步骤为：

步骤8.1、建立第1帧各分辨单元对应的值函数，将第1帧每个分辨单元的量测值赋给其对应的值函数；

步骤8.2、假定第2帧每个分辨单元中存在一个目标，判定第2帧每个目标在第1帧中可能存在的区域，寻找出该区域中值函数最大的分辨单元并记录该单元的位置，然后将第1帧中找出的最大值函数与第2帧相同目标所在的分辨单元的量测值叠加，叠加后的值赋给第2帧相应目标所在的分辨单元；

步骤8.3、采用与步骤8.2相同的方法计算出第3帧至第K帧的值函数。

所述步骤8中K的取值为3～20。

步骤11的具体步骤为：

步骤11.1、寻找出第K帧值函数平面的所有局部极大值对应的目标航迹，并将其视为真实目标航迹；

步骤11.2、分别将剩余目标航迹与真实航迹进行对比，若剩余航迹与某一条真实航迹具有至少L个相同的状态，则认为该剩余航迹为虚假航迹，将其删除；否则认为其为真实航迹。

所述步骤11中L取值为1。

本发明一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法，通过判断杂波功率突变位置，将功率不相等的杂波分别归一化处理，然后选择出最优的目标航迹，从而具有在杂波突变位置及突变位置两侧杂波功率先验信息未知的情况下有效抑制杂波，快速检测航迹，减少虚警、漏检的效果。

附图说明

图1为本发明的流程框图；

图2为雷达回波数据单行非均匀杂波背景示意图；

图3是本发明检测目标航迹的结果示意图。

其中图3中○表示目标的真实位置，●表示检测到的目标位置，⊙表示检测到的目标位置与真实的目标位置相吻合的情况。

具体实施方式

本发明主要采用仿真试验的方法进行验证，所有步骤、结论都在MATLAB R2011b上验证正确。具体实施步骤如下：

步骤1、初始化系统参数包括：数据平面大小50×50，处理帧数K＝6，状态转移数q＝4，利用蒙特卡罗仿真试验计算出的门限V_T＝33.0761，OS CFAR参考窗长度R＝20，有序统计量选为第r＝15个，常数α_OS＝6.857；

步骤2、接收到第1帧回波信号，将每个分辨单元的回波信号幅度的平方作为该分辨单元的量测值；将该行量测值记为z¹,z²,…,z⁵⁰

步骤3、剔除第1帧第1行分辨单元量测值中的目标量测值，得到杂波量测值；

步骤3.1、计算出第1帧第1行中每个分辨单元量测值的有序统计恒虚警检测门限V_OS-CFAR；计算方式如下：将分辨单元参考窗内的R＝20个量测值进行排序，以形成一个升序排列的新序列，将排完序的序列的第r＝15个量测值记为x^r，则相应分辨单元的有序统计恒虚警检测门限V_OS-CFAR＝α_OSx^r＝6.857x^r；

步骤3.2、将第1帧第1行中每个分辨单元的量测值与步骤3.1中得到的门限进行比较，若量测值高于门限，则认为其为目标量测值，否则为杂波量测值；

步骤3.3、从第1帧第1行分辨单元的量测值中剔除目标量测值，得到杂波量测值。

步骤4、采用最大似然估计法确定杂波功率突变位置；计算方式如下：经步骤3之后得到的杂波量测值序列记为c¹,c²,…,c^M，则杂波功率突变的位置为使得g[m],m＝1,2,M最小的m值，其中

$g\left[m\right](\underset{i=1}{\overset{m}{\mathrm{\Σ}}}{c}^i/m)(M-m)\ln (\underset{j=m+1}{\overset{M}{\mathrm{\Σ}}}{c}^i/(M-m))$

其中表示c¹,c²,…,c^m的和，表示c^m+1,c^m+2,…,c^M的和，ln(·)表示取对数。

步骤5、分别计算杂波功率突变位置两侧杂波量测值的平均值，将步骤3中剔除的目标信号量测值返回到量测值中，用该平均值对各自对应一侧量测值进行归一化处理；具体处理方式如下：杂波功率突变位置两侧的平均值分别为和如果z¹,z²,…,c^N位于杂波功率突变位置的同侧，并且该侧对应的平均值为P₁，归一化处理之后的量测值为z¹/P₁,z²/P₁,…,z^N/P₁。同理如果z^N+1,z^N+2,…,c⁵⁰位于杂波功率突变位置的同侧，并且该侧对应的平均值为P₂，归一化处理之后的量测值为z^N+1/P₂,z^N+2/P₂,…,z⁵⁰/P₂。

步骤6、采用与步骤3～步骤5相同的方法处理第1帧中其它行的信号量测值；

步骤7、采用与步骤2～步骤6相同的方法处理接下来的其它帧的信号量测值；

步骤8、通过动态规划算法对前K帧中所有可能为目标的分辨单元进行搜索，并记录各目标分辨单元的位置信息，将前K帧中属于同一目标分辨单元量测值进行叠加，得到相应目标判定值；

步骤8.1、建立第1帧各分辨单元对应的值函数，将第1帧每个分辨单元的量测值赋给其对应的值函数；

步骤8.2、假定第2帧每个分辨单元中存在一个目标，判定第2帧每个目标在第1帧中可能存在的区域，寻找出该区域中值函数最大的分辨单元并记录该单元的位置，然后将第1帧中找出的最大值函数与第2帧相同目标所在的分辨单元的量测值叠加，叠加后的值赋给第2帧相应目标所在的分辨单元；具体处理方式如下：第2帧的第i行第j列的分辨单元(i，j)，假设其中存在一个目标，则该目标在前一帧(第1帧)中可能存在的区域为其中δ₁,δ₂的可能取值范围为 表示向下取整，分别表示目标的行速度和列速度。在本实施中，由q＝4可知δ₁,δ₂的可能取值为-1,0，则目标在前一帧中所在的分辨单元可能为

步骤8.3、采用与步骤8.2相同的方法计算出第3帧至第K帧的值函数。

步骤9、将目标判定值与设定的门限V_T进行比较，若高于门限，则认定该分辨单元中有目标存在；若没有判定值高于门限，则算法停止，宣布目标不存在；

步骤10、将步骤9认定的目标，利用步骤8记录的该目标前K帧目标位置信息，恢复出各认定目标的航迹；

步骤11、将各航迹进行对比，若多条航迹存在相同运动状态，选择出最大判定值对应的轨迹作为真实目标航迹，删除其余航迹；

步骤11.1、寻找出第K帧值函数平面的所有局部极大值对应的目标航迹，并将其视为真实目标航迹；

步骤11.2、分别将剩余目标航迹与真实航迹进行对比，若剩余航迹与某一条真实航迹具有至少1个相同的状态，则认为该剩余航迹为虚假航迹，将其删除；否则认为其为真实航迹。

具体处理方式如下：把真实目标航迹的集合记为Ω，即Ω＝{h¹,h²,…,h^Ξ}，其中Ξ表示航迹的条数，且航迹其中表示航迹h^c对应的目标在时刻k的目标状态，1≤k≤K。把将要处理的剩余航迹记为b＝{b₁,b₂,…,b_K}，将航迹b与航迹hc进行比较，如果b₁与b₂与…，b_K与有一组值相同，即认为航迹b为虚假航迹，否则认为航迹b为真实航迹，并将其放入目标航迹的集合Ω中，Ξ的值增加1，其中 $h_k^{\mathrm{\Ξ}+1}=b_k,k=1,...,K;$

步骤12、若存在真实航迹，则宣布目标存在，并且输出目标航迹集合Ω中记录的目标航迹；否则宣布目标不存在。

Claims (6)

1.一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法，该方法包括：

步骤1、初始化系统参数包括：数据平面大小，处理帧数K，状态转移数q，利用蒙特卡罗仿真试验计算出的门限V_T，OS CFAR参考窗长度R，有序统计量选为第r个，常数α_OS；

步骤2、接收到第1帧回波信号，将每个分辨单元的回波信号幅度的平方作为该分辨单元的量测值；

步骤3、剔除第1帧第1行分辨单元量测值中的目标量测值，得到杂波量测值；

步骤4、采用最大似然估计法确定杂波功率突变位置；

步骤5、分别计算杂波功率突变位置两侧杂波量测值的平均值，将步骤3中剔除的目标信号量测值返回到量测值中，用该平均值对各自对应一侧量测值进行归一化处理；

步骤6、采用与步骤3～步骤5相同的方法处理第1帧中其它行的信号量测值；

步骤7、采用与步骤2～步骤6相同的方法处理接下来的其它帧的信号量测值；

步骤8、通过动态规划算法对前K帧中所有可能为目标的分辨单元进行搜索，并记录各目标分辨单元的位置信息，将前K帧中属于同一目标分辨单元量测值进行叠加，得到相应目标判定值；

步骤9、将目标判定值与设定的门限V_T进行比较，若高于门限，则认定该分辨单元中有目标存在；若没有判定值高于门限，则算法停止，宣布目标不存在；

步骤10、将步骤9认定的目标，利用步骤8记录的该目标前K帧目标位置信息，恢复出各认定目标的航迹；

步骤11、将各航迹进行对比，若多条航迹存在相同运动状态，选择出最大判定值对应的轨迹作为真实目标航迹，删除其余航迹；

步骤12、若存在真实航迹，则宣布目标存在，并且输出目标航迹；否则宣布目标不存在。

2.如权利要求1所述的一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法，其特征在于步骤3的具体步骤为：

步骤3.1、计算出第1帧第1行中每个分辨单元量测值的有序统计恒虚警检测门限V_OS-CFAR；

步骤3.2、将第1帧第1行中每个分辨单元的量测值与步骤3.1中得到的门限进行比较，若量测值高于门限，则认为其为目标量测值，否则为杂波量测值；

步骤3.3、从第1帧第1行分辨单元的量测值中剔除目标量测值，得到杂波量测值。

3.如权利要求1所述的一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法，其特征在于步骤8的具体步骤为：

步骤8.1、建立第1帧各分辨单元对应的值函数，将第1帧每个分辨单元的量测值赋给其对应的值函数；

步骤8.2、假定第2帧每个分辨单元中存在一个目标，判定第2帧每个目标在第1帧中可能存在的区域，寻找出该区域中值函数最大的分辨单元并记录该单元的位置，然后将第1帧中找出的最大值函数与第2帧相同目标所在的分辨单元的量测值叠加，叠加后的值赋给第2帧相应目标所在的分辨单元；

步骤8.3、采用与步骤8.2相同的方法计算出第3帧至第K帧的值函数。

4.如权利要求1所述的一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法，其特征在于步骤11的具体步骤为：

步骤11.1、寻找出第K帧值函数平面的所有局部极大值对应的目标航迹，并将其视为真实目标航迹；

步骤11.2、分别将剩余目标航迹与真实航迹进行对比，若剩余航迹与某一条真实航迹具有至少L个相同的状态，则认为该剩余航迹为虚假航迹，将其删除；否则认为其为真实航迹。

5.如权利要求3所述的一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法，其特征在于所述步骤8中K的取值为3～20。

6.如权利要求4所述的一种用于非均匀杂波背景的动态规划检测前跟踪方法，其特征在于所述步骤11中L取值为1。