CN107561518A - 基于二维滑窗局部极值的三坐标雷达点迹凝聚方法 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种基于二维滑窗局部极值的三坐标雷达点迹凝聚方法，在距离维基于M/N准则进行距离检测凝聚，在俯仰维以距离格子和俯仰波束为单元，以“工”字型搜索窗口基于二维滑窗局部极值法进行俯仰检测凝聚，在方位维以距离格子和俯仰格子为单元，以“九宫格”搜索窗口基于二维滑窗进行方位检测凝聚，当判定目标在方位波位上的延展结束，输出最终的点迹凝聚信息。本发明的方法通过在俯仰维和方位维基于二维滑窗精细化检测凝聚处理，解决了由于不同方位波位上目标在距离和仰角上无法“对齐”而导致方位检测凝聚时“漏检”的问题，提高了目标点迹级检测概率。

Description

基于二维滑窗局部极值的三坐标雷达点迹凝聚方法

技术领域

本发明属于雷达目标检测技术领域。

背景技术

目标检测与跟踪是雷达的最基本任务之一，按照经典的雷达信息处理流程，在经过信号 处理(包括恒虚警率(Constant False Alarm Ratio，CFAR)检测)得到视频数据后，进行目标 检测点迹凝聚、航迹起始(人工录取或自动建航)与目标跟踪处理。点迹凝聚是位于前端信 号处理和后端数据处理中间的重要环节，通过对分布在多个距离单元、方位单元等维度内的 目标或杂波信息进行一定准则的筛选与加权处理，判别并剔除无效数据，降低数据冗余度和 复杂性；对属于同一目标或杂波的数据单元进行凝聚处理，提取目标“质心”，估计目标参数 信息(如距离、方位和幅度等)，提高后续环节的计算效率与目标跟踪精度。

三坐标雷达能够测量目标距离、方位和仰角(高度)等信息，普遍应用于地面/舰载防空 系统，实现警戒搜索、目标跟踪、目指反导等功能，常见的有俯仰一维电扫、二维旋转电扫、 固定面阵二维电扫等不同体制三坐标雷达。在常规搜索模式下，由于天线波束有一定的宽度， 目标回波在俯仰维和方位维均呈现出天线方向图调制特性，即目标回波跨越多个俯仰/方位单 元(波位)；距离维由于距离分辨单元一般大于采样单元，且脉压时加窗处理导致主瓣展宽， 使目标跨越多个距离采样单元。对于三坐标雷达的点迹凝聚，需要依次进行距离维、俯仰维 和方位维的检测凝聚(对多普勒维不作讨论)处理。在文献《三坐标雷达点迹提取系统的设 计》(舰船电子对抗,2010,Vol.33,No.5pp:78-82)中提出了利用“距离上按峰值搜索、仰角和 方位上求质量中心”准则的三坐标雷达点迹提取方法；文献《一种基于三坐标雷达的点迹凝 聚方法》(雷达与对抗,2013,Vol.33,No.4pp:46-50)中提出了利用多个重复周期积累和统计学 提高点迹真实可信度的方法；但这两种方法均未考虑雷达测量误差。

由于目标起伏和雷达测量误差的存在，同一目标在相同方位不同俯仰波束间的数据经过 距离检测凝聚处理后，得到的目标距离存在一定的偏差；同一目标在不同方位间的数据经过 俯仰检测凝聚处理后，得到的目标仰角存在一定的偏差，即在相邻的方位波位上，同一目标 在距离和仰角上因误差存在而无法“对齐”，从而导致在进行方位检测凝聚时存在目标“漏检” 的情况。

发明内容

本发明针对俯仰电扫、方位机扫或电扫的三坐标雷达，提出一种基于二维滑窗局部极值 的三坐标雷达点迹凝聚方法，实现对三坐标雷达精细化目标检测凝聚点迹提取处理，具体包 括以下内容：

一、距离检测凝聚。根据雷达采样率和距离分辨力确定距离向M/N检测准则，基于幅度 平方加权对单个脉冲数据沿距离向进行距离维检测凝聚，并缓存距离凝聚点迹。

二、俯仰检测凝聚。当一个方位波位上的所有俯仰波位脉冲数据都完成距离检测凝聚处 理后，在距离-俯仰二维空间内，以距离格子和俯仰波束为单元，基于二维滑窗局部极值法进 行俯仰检测凝聚。俯仰检测的二维滑动窗口大小由俯仰向波束宽度和俯仰波位间隔确定，形 成“工”字型搜索窗口，如果当前搜索单元有距离凝聚点迹，在搜索窗口内也有满足条件的 距离凝聚点迹，且当前搜索单元距离凝聚点迹幅度最大，则进行俯仰点迹凝聚，并在划设的 距离-俯仰格子内缓存当前方位波位的俯仰凝聚点迹。

三、方位检测凝聚。在完成当前方位波位的俯仰检测凝聚处理后，在距离-俯仰二维空间 内，以距离格子和俯仰格子为单元，基于二维滑窗进行方位检测凝聚。如果上一方位波位的 某一搜索单元有俯仰凝聚点迹，以当前搜索单元为中心，在当前方位波位的“九宫格”内搜 索满足条件的俯仰凝聚点迹，如果判定为同一目标在相邻方位波位的俯仰凝聚结果，则累加 当前方位波位该搜索单元的俯仰凝聚点迹信息并缓存；如果判定目标在方位波位上的延展结 束，且满足方位检测准则，则输出最终的三维检测点迹信息。

本发明的创新点是通过在俯仰维和方位维基于二维滑窗精细化检测凝聚处理，解决了由 于不同方位波位上目标在距离和仰角上无法“对齐”而导致方位检测凝聚时“漏检”的问题， 提高了目标点迹级检测概率。

附图说明

图1是本发明基于二维滑窗局部极值的三坐标雷达点迹凝聚方法处理流程示意图。

图2是本发明具体实施例中采用的实测数据某一俯仰波位距离检测凝聚结果。

图3是本发明具体实施方式中用以说明目标在距离上不“对齐”示意图。

图4是本发明具体实施方式中俯仰向检测凝聚二维滑窗搜索示意图。

图5是本发明具体实施例中采用的实测数据同一方位波位CFAR后视频叠加不同俯仰波 位距离凝聚后点迹，图中黑色圆点为点迹。

图6是本发明具体实施例中采用的实测数据同一方位波位CFAR后视频叠加俯仰凝聚后 点迹，图中黑色圆点为点迹。

图7是本发明具体实施方式中方位向检测凝聚二维滑窗搜索示意图。

图8是本发明具体实施例中采用的实测数据不同方位波位CFAR后视频叠加俯仰凝聚后 点迹，图中黑色圆点为点迹。

图9是本发明具体实施例中采用的实测数据不同方位波位CFAR后视频叠加方位凝聚后 点迹，图中黑色圆点为点迹。

图10是本发明具体实施例中对某型三坐标雷达实测数据全程全方位点迹凝聚处理结果。

具体实施方式

本发明基于二维滑窗局部极值的三坐标雷达点迹凝聚方法流程示意图如图1所示，结合 流程图和实施例，对本发明方法的实施方式作具体阐述，过程如下：

步骤一：距离检测凝聚。

设雷达在每个方位波位上共有N_{beam_E}个俯仰波位，即经过信号处理后(做过CFAR处理， 不满足CFAR检测门限的数据置零)一个方位波位上沿俯仰向从低到高共有N_{beam_E}个主触发 脉冲数据f_{MTP_j}(i),i＝1,…,N_range；j＝1,…,N_{beam_E}，其中N_range为距离采样点数；N_{beam_E}个波束 的仰角值分别为(单位：度)，波束产生时间分别为T(j),j＝1,…,N_{beam_E}。 距离检测凝聚按照以下步骤进行：

(1)确定距离向检测准则M_r/N_r，设雷达距离分辨力为R_res(单位：米)，距离采样单元大小为ΔR(单位：米)，取其中表示向上取整运算；如果N_r≤3，取N_r＝3，如果N_r≥4，取N_r＝4；其中表示向下取整运算；

(2)距离检测凝聚，对于每一个脉冲数据f_{MTP_j}，沿距离向i＝1,…,N_range滑窗处理，如果 连续N_r个采样单元内，有≥M_r个采样单元的数据大于0，则满足距离检测准则，记录下此时 距离采样单元序号Id_start；继续滑窗处理，当连续N_r个采样单元内，大于0的采样单元个数 ＜M_r时，判定该目标(或杂波)距离延展结束，记录下此时距离采样单元序号Id_end；设最大 尺寸目标回波跨越的距离采样单元个数为N_{r_TarMax}，如果Id_end-Id_start＞N_{r_TarMax}，即距离延伸 过大判定为杂波，不进行距离凝聚处理；反之，采用幅度平方加权的方式，计算当前脉冲该 目标(或杂波)的距离为

(3)缓存该目标(或杂波)的幅度和幅度平方和距离幅度平方和仰角幅度平方和时 间幅度平方和继续沿距离向滑窗处理，直至该脉冲数据按照上 述步骤处理完毕后，再处理下一个俯仰波位上的数据。

距离检测凝聚处理将分散在多个距离采样单元内的目标回波进行加权凝聚，得到当前脉 冲该目标的一个距离点，同时抑制不满足M_r/N_r准则的虚假数据。本实施例选取了一组实测 数据进行处理，其中一个俯仰波位脉冲数据距离检测凝聚后的局部放大图如图2所示，在该 距离段内共有4个目标(或杂波)数据过CFAR门限，在18.72km处的回波不满足M_r/N_r准 则被剔除。

步骤二：俯仰检测凝聚。

当一个方位波位上所有俯仰波束的数据均完成距离检测凝聚处理后，开始进行俯仰检测 凝聚。设雷达探测距离为R_max(单位：米)，俯仰向最大仰角覆盖为(单位：度)，天线 波束俯仰向3dB主瓣宽度为φ_{E_3dB}(单位：度)。对于每一个方位波位，将距离-俯仰二维空间 按照分辨单元进行网格划分，得到N_{grid_E}×N_{grid_R}大小的网格单元Grid_{E_R}，其中

考虑到同一目标在相邻几个波束内距离检测凝聚结果存在不“对齐”的情况，本发明在 俯仰向采用基于二维滑窗局部极值的检测凝聚处理方式，对距离-俯仰二维空间按照距离向格 子i＝1,…,N_{grid_R}，俯仰向波束j＝1,…,N_{beam_E}进行二维滑窗处理，示意图如图3所示，具体 步骤如下：

(1)设定二维滑窗搜索区域范围，在俯仰向根据波束宽度φ_{E_3dB}(单位：度)和俯仰波束 的仰角间隔Δφ_E(单位：度)计算目标回波跨越的俯仰波束个数为则 俯仰向搜索波束范围为[j-(N_{E_Tar}-1),j+(N_{E_Tar}-1)]；距离向由于经过检测凝聚处理，一个 波束中的目标回波不会再跨越在相邻距离格子中，设定二维滑窗的搜索窗口范围为“工”字 型窗口，示意图如图4所示；

(2)对于每一个波束的每一个距离格子，判断是否有距离凝聚点迹存在，若第(j,i)个格子 内有距离凝聚点迹存在，则对“工”字型搜索窗口内其他格子中是否有点迹进行判断；如果 “工”字型窗口其他格子内没有点迹存在，则删除第(j,i)个格子内距离凝聚点迹，并继续滑 窗处理；如果“工”字型搜索窗口其他格子内有点迹存在，则进行以下步骤；

(3)当搜索窗口其他格子(n_k,m_k)内有点迹存在时(格子个数可能有 k＝1,…,2×(N_{E_Tar}-1)×3个)，对搜索窗口中有距离凝聚点迹的格子进行判定，如果格子 (n_k,m_k)中的点迹距离与当前格子(j,i)中的点迹距离R_j,i满足其中 ΔR_error为雷达距离测量误差，则记录下格子号(n_k,m_k)；对搜索窗口中k个有距离凝聚点迹的 格子判定完毕后，记录满足距离测量误差判定条件的格子个数为N_cnt；

(4)如果N_cnt＝0，继续滑窗处理；如果N_cnt＞0，计算当前格子(j,i)内距离凝聚点迹的幅 度为格子(n_k，m_k)，k＝1,…,N_cnt内距离凝聚点迹的幅度为如果当前格子(j,i)内距离凝聚点迹的幅度为局部最大，即则进行以下步骤的处理，否则继续滑窗处理；

(5)对当前格子(j,i)和N_cnt个格子(n_k,m_k)进行俯仰向凝聚，累加当前格子(j,i)和N_cnt个 格子(n_k,m_k)中的距离凝聚结果，得到幅度和幅度平方和 距离幅度平方和仰角幅 度平方和时间幅度平方和

(6)计算该目标(或杂波)的距离为：

仰角为：

计算其所在的距离-俯仰网格单元号为(n_{grid_E},n_{grid_R})，其中 设当前方位为Azi_Cur(单位：度)，将该目标(或杂波)在当前方位 波位的俯仰凝聚信息缓存在网格单元Grid_{E_R_Cur}(n_{grid_E},n_{grid_R})中，包括幅度和S_{Amp_temp}、幅度 平方和距离幅度平方和S_{RASq_temp}、仰角幅度平方和S_{EASq_temp}、时间幅度平方和 S_{TASq_temp}、方位幅度平方和并将该网格中方位波位的跨度个数设 为1，即Azi_Span＝1。

(7)删除当前格子(j,i)和N_cnt个格子(n_k,m_k)内的距离凝聚点迹，继续滑窗处理；当对所 有波束的距离格子遍历搜索结束后，删除没有参与俯仰点迹凝聚的距离凝聚点迹。

俯仰检测凝聚处理将相邻多个波束内的目标回波进行加权凝聚，得到仰角值，同时抑制 不满足准则的虚假数据。本实施例对同一方位波位上的多个俯仰波位CFAR后视频数据进行 处理，截取19.8km处的目标各俯仰波位距离凝聚后点迹如图5所示，俯仰凝聚后点迹如图6 所示。

步骤三：方位检测凝聚。

当一个方位波位上所有俯仰波束的数据完成俯仰检测凝聚后，开始进行方位检测凝聚处 理。考虑到同一目标在相邻方位波位间的俯仰凝聚结果存在距离和仰角不“对齐”的情况， 本发明在方位向也采用二维滑窗的检测凝聚处理方式，对距离-俯仰二维空间按照距离向格子 i＝1,…,N_{grid_R}，俯仰向格子j＝1,…,N_{grid_E}进行二维滑窗处理。设上一个方位波位的俯仰检 测凝聚结果存储的数据网格为Grid_{E_R_Pre}(处理开始时，初始值设为0)，具体步骤如下：

(1)对上一个方位波位处理结果的每一个格子Grid_{E_R_Pre}(j,i)，j＝1,…,N_{grid_E}，i＝1,…,N_{grid_R}进行滑窗判断，如果格子Grid_{E_R_Pre}(j,i)内没有俯仰向检测凝聚的点迹，则对 当前方位波位的格子Grid_{E_R_Cur}(j,i)进行判断；如果格子Grid_{E_R_Cur}(j,i)内也没有俯仰凝聚 点迹，则继续滑窗处理；如果格子Grid_{E_R_Cur}(j,i)内有俯仰凝聚点迹，则将Grid_{E_R_Cur}(j,i)内 的俯仰凝聚点迹信息复制到Grid_{E_R_Pre}(j,i)内，并删除Grid_{E_R_Cur}(j,i)内的点迹信息，继续滑 窗处理；

(2)如果格子Grid_{E_R_Pre}(j,i)内有俯仰凝聚点迹，且格子Grid_{E_R_Cur}(j,i)内也有俯仰凝聚 点迹，则将Grid_{E_R_Cur}(j,i)内的俯仰凝聚点迹信息叠加到Grid_{E_R_Pre}(j,i)中，并将格子 Grid_{E_R_Pre}(j,i)中的方位波位跨度个数加1(即Azi_Span＝Azi_Span﹢1)；删除Grid_{E_R_Cur}(j,i)内 的点迹信息，继续滑窗处理；

(3)如果格子Grid_{E_R_Pre}(j,i)内有俯仰凝聚点迹，格子Grid_{E_R_Cur}(j,i)内没有俯仰凝聚点 迹，则在以格子Grid_{E_R_Cur}(j,i)为中心的九宫格内搜索是否有俯仰点迹存在，示意图如图7 所示；如果Grid_{E_R_Cur}(n,m),n∈[j-1,j+1]；m∈[i-1,i+1]；(n,m)≠(j,i)内有点迹存在，计算格 子Grid_{E_R_Pre}(j,i)内点迹距离和仰角格子Grid_{E_R_Cur}(n,m)内点迹距离和仰角如 果距离和仰角满足|R_n,m-R_j,i|≤ΔR_error，|E_n,m-E_j,i|≤ΔE_error，其中ΔE_error为雷达仰角测量误差， 则将格子Grid_{E_R_Cur}(n,m)内俯仰凝聚点迹信息叠加到Grid_{E_R_Pre}(j,i)中，并将格子 Grid_{E_R_Pre}(j,i)中的方位波位跨度个数加1(即Azi_Span＝Azi_Span﹢1)；删除Grid_{E_R_Cur}(n,m)内 点迹信息，继续滑窗处理；

(4)如果以格子Grid_{E_R_Cur}(j,i)为中心的九宫格Grid_{E_R_Cur}(n,m)内没有俯仰凝聚点迹存 在，则判定目标方位展宽结束，进行方位凝聚处理，输出点迹信息；设天线波束方位向宽度 为φ_{A_3dB}(单位：度)，方位波位间隔为Δφ_A(单位：度)，则一个目标在个方位波位上有回波；设目标跨越的最大方位波位个数为N_{a_TarMax}(超过该值判定为杂波)， 如果格子Grid_{E_R_Pre}(j,i)中的方位波位跨度个数满足N_{A_Tar}≤Azi_Span≤N_{a_TarMax}，计算点迹时间 距离仰角方 位和幅度输出点迹信息，删除 Grid_{E_R_Pre}(j,i)内缓存的俯仰凝聚点迹信息，继续滑窗处理；如果Azi_Span＜N_{A_Tar}，则删除 Grid_{E_R_Pre}(j,i)内缓存的俯仰凝聚点迹信息，继续滑窗处理；

(5)当前方位波位完成方位检测凝聚处理后，继续下一个方位波位的距离、俯仰和方位凝 聚处理。

方位检测凝聚处理将相邻多个方位波位的目标回波进行加权凝聚，得到方位值，同时抑 制不满足准则的虚假数据。本实施例中19.8km处的目标在连续多个方位波位上的俯仰凝聚点 迹如图8所示，方位凝聚后点迹如图9所示(由于无法显示三维信息，图中每个方位波位上 的数据为该方位波位上多个俯仰波束数据的叠加结果)。至此，完成了基于二维滑窗局部极值 的三坐标雷达点迹凝聚处理。

本实施例按照基于二维滑窗局部极值的三坐标雷达点迹凝聚处理方法，对一组实测的三 坐标雷达数据进行了全程全方位检测凝聚处理，一共60个周期数据的点迹凝聚结果如图10 所示(探测区域内的空目标主要为民航机和直升机)。从图中可以看出，在多个周期内目标点 迹连续，即点迹级检测概率高，提高了后续目标跟踪的准确度与精度。

Claims (1)

1.基于二维滑窗局部极值的三坐标雷达点迹凝聚方法，其特征在于：

步骤一：距离检测凝聚：根据雷达采样率和距离分辨力确定距离向检测准则，基于幅度平方加权对每个俯仰波位脉冲数据沿距离向进行距离维检测凝聚，提取距离凝聚点迹并缓存；

步骤二：俯仰检测凝聚：当一个方位波位上的所有俯仰波位脉冲数据都完成距离检测凝聚处理后，在距离-俯仰二维空间内，以距离格子和俯仰波束为单元，基于二维滑窗局部极值法进行俯仰检测凝聚，俯仰检测的二维滑动窗口大小由俯仰向波束宽度和俯仰波位间隔确定，形成“工”字型搜索窗口，如果当前搜索单元有距离凝聚点迹，在搜索窗口内也有满足检测凝聚条件的距离凝聚点迹，且当前搜索单元距离凝聚点迹幅度为局部最大，进行俯仰检测凝聚，提取俯仰凝聚点迹，并在划设的距离-俯仰格子内缓存当前方位波位的俯仰凝聚点迹；

步骤三：方位检测凝聚：在完成当前方位波位的俯仰检测凝聚处理后，在距离-俯仰二维空间内，以距离格子和俯仰格子为单元，基于二维滑窗进行方位检测凝聚，如果上一方位波位的某一搜索单元有俯仰凝聚点迹，以当前搜索单元为中心，在当前方位波位的“九宫格”内搜索满足条件的俯仰凝聚点迹，如果判定为同一目标在相邻方位波位的俯仰凝聚结果，则累加当前方位波位该搜索单元的俯仰凝聚点迹信息并缓存；如果判定目标在方位波位上的延展结束，且满足方位检测准则，则输出最终的三维检测点迹信息。