CN106342244B - 雷达微弱目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达目标检测技术，涉及对微弱目标检测方法的改进。雷达微弱目标检测方法，其特征在于，检测的步骤如下：低门限CFAR检测；目标信号向量提取；目标跟踪及航迹判定。本发明方法能大大降低计算量和数据存储量，便于工程应用；并能降低虚警率，提高雷达检测性能。

Description

雷达微弱目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达目标检测技术，涉及对微弱目标检测方法的改进。

背景技术

在雷达检测中有微弱目标信号检测的问题。微弱目标主要指回波信噪比较低的目标，如高海况下的小舰船、潜艇通气口及潜望镜等。雷达对RCS很小的目标进行探测时，由于回波信号的强度很低，导致信号的信杂噪比很低，因此很难探测到小目标。

目前常用的目标探测方法是先进行目标检测，再进行目标跟踪。这种处理顺序，将检测与跟踪完全分离开来，检测所使用的数据信息不能在跟踪中有效地加以利用，跟踪所获得的信息也不能辅助检测。因此，检测概率较低，不能有效地探测微弱小目标雷达信号。该方法中的目标检测，通常使用恒虚警检测法，其动态门限系数决定了目标是否能被检测到。如果门限定得稍高，可能无法检测出微弱的小目标信号；如果门限定得稍低，很容易产生大量的虚警。这种检测方法，易使微弱的小目标信号淹没在强杂波环境中。

《一种基于动态规划法的雷达微弱多目标检测方法》(宋慧波，高梅国，田黎育，毛二可，顾文彬，电子学报，2006年12月)提出了基于动态规划的检测前跟踪方法，对雷达微弱目标信号进行检测。该方法的计算量和数据存储量十分巨大，无法应用在工程项目中。

《一种有效的用于雷达弱目标检测的算法》(强勇，焦李成，保铮，电子学报，2003年3月)提出将恒虚警检测与检测前跟踪算法相结合，在进行检测前跟踪之前，用低门限的恒虚警检测，以降低检测前跟踪算法的计算量和数据存储量。该方法使用低门限的恒虚警检测，会形成大量的虚警信号，对后继的检测前跟踪算法造成影响，降低雷达的探测性能。

发明内容

本发明的目的是：提出一种雷达微弱目标检测方法，该方法能大大降低计算量和数据存储量，便于工程应用；并能降低虚警率，提高雷达检测性能。

本发明的技术方案是：雷达微弱目标检测方法，其特征在于，检测的步骤如下：

1、低门限CFAR检测；

在雷达目标检测系统中，回波采样所得到的数据，经过低门限的CFAR检测，得到多个信号检测点，每个信号检测点都记录有自身的距离门号Nr和方位线号Na；距离门号Nr是指：该检测点所处的距离门的编号；方位线是指：在雷达数据帧中，某一个脉冲间隔周期内，所有距离门采样所组成的一组数据；每条方位线编有一个方位线号Na，同一方位线上的检测点都具有相同的方位线号Na；距离门号Nr与方位线号Na都是自然数，并按照时间连续增长；

2、目标信号向量提取；

2.1检测点关联；检测点的关联策略如下：

2.1.1、任意两个检测点的距离门号差Dnr小于等于距离关联门限Tdr，且这两个检测点的方位线号差Dna小于等于方位关联门限Tda，那么这两个检测点相关联；

2.1.2、如果A点和B点相关联，B点和C点相关联，那么A点与C点相关联；

相关参数解释：

距离门号差Dnr：两个检测点的距离门号的数学差的绝对值；距离门号差的值减1，表示一个微弱的目标信号在距离向上连续隐没于背景噪声中的次数，当隐没次数超过距离关联门限Tdr的值，则认为两个检测点不关联；

距离关联门限Tdr：是两个检测点在距离向上是否属于同一个微弱信号的判断标准，该参数应在试飞实验中结合雷达系统的相关设计进行调整，取值范围为自然数域，最小值设为1；

方位线号差Dna：两个检测点的方位线号的数学差的绝对值；方位线号差的值减1，表示一个微弱的目标信号在方位向上连续隐没于背景噪声中的次数，当隐没次数超过方位关联门限Tna的值，则认为两个检测点不关联；

方位关联门限Tna：是两个检测点在方位向上是否属于同一个微弱信号的判断标准，该参数应在试飞实验中结合雷达系统的相关设计进行调整，取值范围为自然数域，最小值设为1；

经过检测点关联处理，由互相关联的检测点组成信号向量，不能与其他检测点关联的检测点独立构成信号向量；

2.2、群判定策略；

由互相关联的检测点所组成的信号向量叫做群；群的物理意义是：在检测点关联策略下，所有同属于同一个目标的信号检测点的集合；满足下列条件之一的群即为目标信号向量：

2.2.1、群宽度Wg不小于群宽度门限Twg；

2.2.2、群规模Bg不小于群规模门限Tbg；

2.2.3、群填充率Rg不小于群填充率门限Trg；

群参数说明：

群宽度Wg：其值等于群内所包含的信号检测点的方位线号最大值与最小值之差加1，其物理意义是一个微弱信号在方位向上跨越的方位线的数量；

群规模Bg：该群所包含的信号检测点的数量；

群填充率Rg：Rg＝Bg/Wg/Lg；

上式中Lg为群长度：群长度的值等于群内所包含的信号检测点的距离门号最大值与最小值之差加1，其物理意义是一个微弱信号在距离向上跨越的距离门的数量；

群宽度判别门限Twg：其取值范围是自然数域，该值根据主瓣波束驻留时间内产生的方位线的数量值和雷达试飞实验的结果确定；

群规模判别门限Tbg：其取值范围是不小于Twg的自然数，该值根据雷达试飞实验的结果确定；

群的填充率判别门限Trg：其取值范围是0到1的实数，该值根据雷达试飞实验的结果确定；

3、目标跟踪及航迹判定；根据目标信号向量中检测点的距离门号Nr和方位线号Na，计算出该目标信号的位置信息，然后采用多目标跟踪的方法，对目标信号的位置信息进行关联，得到目标信号的航迹，当航迹跟踪次数超过跟踪判定门限后，判定该目标为真实的目标。

本发明的优点是：与《一种基于动态规划法的雷达微弱多目标检测方法》相比，本发明的计算量和数据存储量大大下降，根据在Matlab平台上进行的基于试飞实录数据的仿真实验，本发明的计算时间仅为该文章所述方法的百分之一，数据存储量仅为文章所述方法的千分之一以内。因此，能够实现工程应用。

与《一种有效的用于雷达弱目标检测的算法》相比，本发明本方法利用微弱目标扫描回波的点迹特征，去除了低门限CFAR检测结果中的虚警信号，一方面进一步降低了CFAR门限，提高了对微弱信号的探测灵敏度，另一方面跟踪算法输入信号的虚警率和数据量，提高了检测性能，降低了跟踪算法的计算量。

与传统的目标检测方法相比，本发明大大提高了检测系统的检测能力。在检测概率50％，虚警率10^-6的条件下，根据斯韦林曲线，传统目标检测方法在理论上可以检测到SNR大于11.2dB的目标信号；采用本方法的检测系统，在基于对海试飞实录数据的实验中，能够检测到SNR大于5dB的目标信号。

具体实施方式

下面对本发明做进一步详细说明。雷达微弱目标检测方法，其特征在于，检测的步骤如下：

1、低门限CFAR检测；

在雷达目标检测系统中，回波采样所得到的数据，经过低门限的_CFAR检测，得到多个信号检测点，每个信号检测点都记录有自身的距离门号Nr和方位线号Na；距离门号Nr是指：该检测点所处的距离门的编号；方位线是指：在雷达数据帧中，某一个脉冲间隔周期内，所有距离门采样所组成的一组数据；每条方位线编有一个方位线号Na，同一方位线上的检测点都具有相同的方位线号Na；距离门号Nr与方位线号Na都是自然数，并按照时间连续增长；

2、目标信号向量提取；

2.1检测点关联；检测点的关联策略如下：

2.1.1、任意两个检测点的距离门号差Dnr小于等于距离关联门限Tdr，且这两个检测点的方位线号差Dna小于等于方位关联门限Tda，那么这两个检测点相关联；

2.1.2、如果A点和B点相关联，B点和C点相关联，那么A点与C点相关联；

相关参数解释：

距离门号差Dnr：两个检测点的距离门号的数学差的绝对值；距离门号差的值减1，表示两个检测点在距离向上的间隔距离门数，其物理意义是一个微弱的目标信号在距离向上连续隐没于背景噪声中的次数，同时反映了两个检测点在距离向上的间隔距离。

为了减小杂波对目标检测的影响，微弱目标的检测中，一般使用较高的距离分辨率，每个距离门对应于实际中的径向尺寸，往往小于微弱目标的径向尺寸，也就是说，真实目标的回波信号会覆盖若干个连续的距离门，对于这样的来自同一目标的信号检测点，理应合并入同一信号向量中；由于微弱目标的回波信号较弱，其信号向量中的某些信号检测点会隐没在噪声之中，导致在无噪声状况下本应连续的若干信号检测点，出现不连续或离散的情况，所以，两个不相邻却距离很近的信号检测点可能源自同一个目标，不应判定为不相关联；对于距离相隔太远的信号检测点，则应认为是两个目标的回波信号，判定为不相关联；

距离关联门限Tdr则是为这种基于间隔距离远近的关联提供的判定依据。根据实验，估算同一目标回波信号在距离向上可能隐没的次数加1，作为Tdr取值范围的下限；估算目标在距离向上可能出现的最近距离所对应的距离门数，作为Tdr取值范围的上限；这些取值范围与雷达系统的相关设计有关，应结合试飞实验进行调整，其值必须是自然数，最小值可设为1；

方位线号差Dna：两个检测点的方位线号的数学差的绝对值；方位线号差的值减1，表示两个检测点在方位向上间隔的脉冲数，其物理意义是一个微弱的目标信号在方位向上连续隐没于背景噪声中的次数，同时反映了两个检测点在方位角上的间隔角度；

雷达波束扫描的驻留时间内，目标受到主瓣波束的照射，能持续地反射回波信号，在此期间所产生的方位线上，在目标所处的距离门附近，将出现持续的信号检测点；由于微弱目标的回波信号较弱，其信号向量中的某些信号检测点会隐没在噪声之中，导致在无噪声状况下本应连续的若干信号检测点，出现不连续或离散的情况，所以两个方位向上不相邻但间隔很小的检测点，来自同一目标回波信号的可能性很大，应当判定为关联信号检测点；方位线上相距较远的检测点，来自同一目标回波信号的可能性很小，应当判定为非关联的信号检测点；

方位关联门限Tna则是为这种基于方位间隔远近的关联提供的判定依据。根据实验，估算同一目标回波信号在方位向上可能隐没的次数加1，作为Tna取值范围的下限；在主瓣波束驻留时间内，雷达系统所产生的方位线数据的数量，作为Tna取值范围的上限；这些取值范围与雷达系统的相关设计有关，应结合试飞实验进行调整，其值必须是自然数，最小值可设为1；

经过检测点关联处理，由互相关联的检测点组成信号向量，不能与其他检测点关联的检测点独立构成信号向量；

2.2、群判定策略；

由互相关联的检测点所组成的信号向量叫做群；群的物理意义是：在检测点关联策略下，所有同属于同一个目标的信号检测点的集合；满足下列条件之一的群即为目标信号向量：

2.2.1、群宽度Wg不小于群宽度门限Twg；

2.2.2、群规模Bg不小于群规模门限Tbg；

2.2.3、群填充率Rg不小于群填充率门限Trg；

群参数说明：

群宽度Wg：其值等于群内所包含的信号检测点的方位线号最大值与最小值之差加1，其物理意义是一个微弱信号在方位向上跨越的方位线的数量；根据雷达系统当时的天线转速和脉冲重复周期可以估算出该信号在方位向上跨越的角度。

群规模Bg：该群所包含的信号检测点的数量；

群填充率Rg：Rg＝Bg/Wg/Lg；

上式中Lg为群长度：群长度的值等于群内所包含的信号检测点的距离门号最大值与最小值之差加1，其物理意义是一个微弱信号在距离向上跨越的距离门的数量；根据雷达系统当时的距离门宽度，可以估算出该信号在距离向上跨越的距离；

群宽度判别门限Twg：目标在雷达主波束扫描的驻留时间内所产生的方位线上，在目标所处的距离门附近，应出现持续的信号检测点；而虚警信号连续地出现在相邻的若干条方位距离线的同一个距离门附近的概率很低，在工程上可以忽略不计。真实目标回波信号所形成的群的宽度，通常都大于虚警信号所形成的群的宽度。所以，设置群宽度判别门限Twg对群进行判定。大于该门限的群判定为疑似目标，否则是虚警信号。

该门限的取值范围是自然数域。Twg的值应参考主瓣波束驻留时间内产生的方位线的数量值，并根据雷达试飞实验的结果进行调整，以适应系统的灵敏度。

群规模判别门限Tbg：群的规模越大，其信号来源于真实信号的可能性越大；反之，是虚警的可能性越大。因此，设置群规模判别门限Tbg对群进行判定。大于该门限的群判定为疑似目标，否则是虚警信号。

该门限的取值范围是不小于Twg的自然数，该值应参考目标径向尺寸在距离门内所能产生的检测点数与主波束驻留时间内所产生的方位线数量的乘积，根据雷达试飞实验的结果进行调整，以适应系统的灵敏度。

群的填充率判别门限Trg：群的填充率越高，其信号来源于真实信号的可能性越大；反之，是虚警的可能性越大。因此，设置群填充率判别门限Trg对群进行判定。大于该门限的群判定为目标，否则是虚警信号。

该门限的取值范围是0到1的实数，该值应参考系统对微弱目标置信率的预期，并根据雷达试飞实验的结果进行调整，以适应系统的灵敏度。

3、目标跟踪及航迹判定；根据目标信号向量中检测点的距离门号Nr和方位线号Na，计算出该目标信号的位置信息，然后采用多目标跟踪的方法，对目标信号的位置信息进行关联，得到目标信号的航迹，当航迹跟踪次数超过跟踪判定门限后，判定该目标为真实的目标。

实施例

1、试飞实验进行数据录取：利用试飞运输机及随机所载雷达，按照本发明所设计的相关系统参数，对海面进行扫描实验，录取海面回波数据；相关参数如下：

载机飞行高度(相对海面无线电高度)：3474米；

载机地速：115米/秒；

载机航向：北偏东90度；

脉冲重复周期：约900Hz；

距离门宽度：约2.5米；

目标：大小船只若干；

海情：1到2级；

2、仿真实验：将试飞实验所录取的海面回波数据，按照本发明所述方法进行处理，得到目标检测结果；

2.1、将海面回波采样的数据读入计算机系统，进行和差通道校正，滤除直流分量，进行脉冲压缩；

2.2、将脉冲压缩后的数据进行低门限的CFAR检测，门限系数取值范围为1.8至2.5；

2.3、将CFAR检测之后得出的信号检测点进行检测点关联处理，得到检测点群；距离关联门限Td r取值为1，方位关联门县Tba取值为1；

2.4、串行使用三条群判定策略，对检测点群进行判别，得出目标信号向量；群宽度门限Twg取值为6到9，群规模门限Tbg取值为8到12，群填充率门限取值为0.5到0.8；

2.5、采用最近邻法对多个扫描行所得出的目标信号向量进行多目标跟踪，得出目标航迹，将航迹长度超过5次的目标判定为真实目标；

3、实验结果：经检验，该方法可以检测出信噪比大于5dB的目标。

Claims (1)

1.雷达微弱目标检测方法，其特征在于，检测的步骤如下：

1.1、低门限CFAR检测；

在雷达目标检测系统中，回波采样所得到的数据，经过低门限的CFAR检测，得到多个信号检测点，每个信号检测点都记录有自身的距离门号Nr和方位线号Na；距离门号Nr是指：该检测点所处的距离门的编号；方位线是指：在雷达数据帧中，某一个脉冲间隔周期内，所有距离门采样所组成的一组数据；每条方位线编有一个方位线号Na，同一方位线上的检测点都具有相同的方位线号Na；距离门号Nr与方位线号Na都是自然数，并按照时间连续增长；

1.2、目标信号向量提取；

1.2.1检测点关联；检测点的关联策略如下：

1.2.1.1、任意两个检测点的距离门号差Dnr小于等于距离关联门限Tdr，且这两个检测点的方位线号差Dna小于等于方位关联门限Tda，那么这两个检测点相关联；

1.2.1.2、如果A点和B点相关联，B点和C点相关联，那么A点与C点相关联；

相关参数解释：

距离门号差Dnr：两个检测点的距离门号的数学差的绝对值；距离门号差的值减1，表示一个微弱的目标信号在距离向上连续隐没于背景噪声中的次数，当隐没次数超过距离关联门限Tdr的值，则认为两个检测点不关联；

距离关联门限Tdr：是两个检测点在距离向上是否属于同一个微弱信号的判断标准，该参数应在试飞实验中结合雷达系统的相关设计进行调整，取值范围为自然数域，最小值设为1；

方位线号差Dna：两个检测点的方位线号的数学差的绝对值；方位线号差的值减1，表示一个微弱的目标信号在方位向上连续隐没于背景噪声中的次数，当隐没次数超过方位关联门限Tna的值，则认为两个检测点不关联；

方位关联门限Tna：是两个检测点在方位向上是否属于同一个微弱信号的判断标准，该参数应在试飞实验中结合雷达系统的相关设计进行调整，取值范围为自然数域，最小值设为1；

经过检测点关联处理，由互相关联的检测点组成信号向量，不能与其他检测点关联的检测点独立构成信号向量；

1.2.2、群判定策略；

由互相关联的检测点所组成的信号向量叫做群；群的物理意义是：在检测点关联策略下，所有同属于同一个目标的信号检测点的集合；满足下列条件之一的群即为目标信号向量：

1.2.2.1、群宽度Wg不小于群宽度门限Twg；

1.2.2.2、群规模Bg不小于群规模门限Tbg；

1.2.2.3、群填充率Rg不小于群填充率门限Trg；

群参数说明：

群宽度Wg：其值等于群内所包含的信号检测点的方位线号最大值与最小值之差加1，其物理意义是一个微弱信号在方位向上跨越的方位线的数量；

群规模Bg：该群所包含的信号检测点的数量；

群填充率Rg：Rg＝Bg/Wg/Lg；

上式中Lg为群长度：群长度的值等于群内所包含的信号检测点的距离门号最大值与最小值之差加1，其物理意义是一个微弱信号在距离向上跨越的距离门的数量；

群宽度判别门限Twg：其取值范围是自然数域，该值根据主瓣波束驻留时间内产生的方位线的数量值和雷达试飞实验的结果确定；

群规模判别门限Tbg：其取值范围是不小于Twg的自然数，该值根据雷达试飞实验的结果确定；

群的填充率判别门限Trg：其取值范围是0到1的实数，该值根据雷达试飞实验的结果确定；

1.3、目标跟踪及航迹判定；根据目标信号向量中检测点的距离门号Nr和方位线号Na，计算出该目标信号的位置信息，然后采用多目标跟踪的方法，对目标信号的位置信息进行关联，得到目标信号的航迹，当航迹跟踪次数超过跟踪判定门限后，判定该目标为真实的目标。