CN110133612B - 一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法 - Google Patents

一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法 Download PDF

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CN110133612B CN201910420715.5A CN201910420715A CN110133612B CN 110133612 B CN110133612 B CN 110133612B CN 201910420715 A CN201910420715 A CN 201910420715A CN 110133612 B CN110133612 B CN 110133612B
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Abstract

一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法，它属于雷达信号处理技术领域。本发明解决了现有导航雷达目标检测方法未利用目标帧间回波信号的相关性，导致对扩展目标的检测概率低以及虚警概率高的问题。本发明利用卡尔曼滤波器实现了对扩展目标的位置及形状信息的稳定估计，并将扩展目标的位置信息反馈给贝叶斯检测器，将检测与跟踪过程结合，使得检测与跟踪性能均得到优化。实验证明，在扩展目标信噪比相同的情况下，本发明方法可以使检测的虚警概率大幅下降，跟踪精度大幅提高。在扩展目标信噪比为18dB时，采用本发明方法可以使虚警概率低至0.0001。本发明可以应用于雷达信号处理技术领域。

Description

一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法
技术领域
本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法。
背景技术
船用导航雷达是航海电子系统的重要组成部分，可以对船舶实现全天侯防撞预警和航行引导。提高导航雷达的检测能力对保证船只航行安全至关重要。由于导航雷达工作环境复杂，接收到的信号包括大量干扰与杂波，目标信杂比往往较低；船只物理尺寸大于导航雷达分辨单元，目标在检测平面占据多个分辨单元，出现距离方向维扩展现象。可见，导航雷达目标检测是典型的低信噪比下扩展目标检测。
现有导航雷达目标检测方法主要有MN检测，双参数恒虚警检测(双参数CFAR)以及K-分布恒虚警检测等，现有导航雷达目标检测方法均通过对当前时刻回波信号进行处理，即实现扩展目标检测，而未利用目标帧间回波信号的相关性，导致在低信噪比的情况下，扩展目标检测概率较低，虚警概率较高。
发明内容
本发明的目的是为解决现有导航雷达目标检测方法未利用目标帧间回波信号的相关性，导致对扩展目标的检测概率低以及虚警概率高的问题，而提出了一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法。
本发明为解决上述技术问题采取的技术方案是：一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：初始化扩展目标航迹，获得扩展目标的初始状态向量X1与初始量测向量Z1；
步骤二：利用公式
Figure BDA0002065928790000011
计算出第k帧各点处的贝叶斯检测器门限，k≥2；
步骤三：判断第k帧检测平面内各点处的回波幅值是否大于步骤二计算出的贝叶斯检测器门限，将第k帧中大于贝叶斯检测器门限的n个点的位置与回波幅度记录下来；
步骤四：在方位维与距离维分别滑窗搜索连续点迹，计算出第k帧扩展目标中心到雷达的距离
Figure BDA0002065928790000012
与角度量测
Figure BDA0002065928790000013
将步骤三中的大于贝叶斯检测器门限的n个点拟合成椭圆，并提取出第k帧对应的拟合成的椭圆的长轴轴长
Figure BDA0002065928790000021
短轴轴长
Figure BDA0002065928790000022
和椭圆朝向
Figure BDA0002065928790000023
步骤五：将步骤三中的大于贝叶斯检测器门限的n个点与预设值n0进行比对，若数值n大于等于预设值n0，则认为通过第二门限，否则认为未通过第二门限；
步骤六：利用步骤四的
Figure BDA0002065928790000024
与
Figure BDA0002065928790000025
和步骤一的X1与Z1进行卡尔曼滤波更新，获得第k+1帧的状态向量Xk+1预测值；
步骤七：重复步骤二到步骤六的过程，直到连续两帧未通过第二门限判别，则完成扩展目标检测。
本发明的有益效果是：本发明的一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法，本发明利用卡尔曼滤波器实现了对扩展目标的位置及形状信息的稳定估计，并将扩展目标的位置信息反馈给贝叶斯检测器，将检测与跟踪过程结合，使得检测与跟踪性能均得到优化。实验证明，在扩展目标信噪比相同的情况下，本发明方法可以使检测概率大幅提升，检测的虚警概率大幅下降，跟踪精度大幅提高。
在扩展目标信噪比为18dB时，采用本发明方法可以使虚警概率低至0.0001。
附图说明
图1是本发明的一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法的流程图；
图2是本发明的扩展目标中心位置航迹图；
图3为扩展目标尺寸为18m*12m时，成功跟踪概率与扩展目标信噪比的曲线图；
图4为扩展目标尺寸为12m*6m时，成功跟踪概率与扩展目标信噪比的曲线图；
图5为扩展目标位置滤波误差的RMS随帧数变化的曲线图。
具体实施方式
具体实施方式一：如图1所示，本实施方式所述的一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：初始化扩展目标航迹，获得扩展目标的初始状态向量X1与初始量测向量Z1；
步骤二：利用公式
Figure BDA0002065928790000026
计算出第k帧各点处的贝叶斯检测器门限，k≥2；
步骤三：判断第k帧检测平面内各点处的回波幅值是否大于步骤二计算出的贝叶斯检测器门限，将第k帧中大于贝叶斯检测器门限的n个点的位置与回波幅度记录下来；
步骤四：在方位维与距离维分别滑窗搜索连续点迹，计算出第k帧扩展目标中心到雷达的距离
Figure BDA0002065928790000031
与角度量测
Figure BDA0002065928790000032
将步骤三中的大于贝叶斯检测器门限的n个点拟合成椭圆，并提取出第k帧对应的拟合成的椭圆的长轴轴长
Figure BDA0002065928790000033
短轴轴长
Figure BDA0002065928790000034
和椭圆朝向
Figure BDA0002065928790000035
步骤五：将步骤三中的大于贝叶斯检测器门限的n个点与预设值n0进行比对，若数值n大于等于预设值n0，则认为通过第二门限，否则认为未通过第二门限；
步骤六：利用步骤四的
Figure BDA0002065928790000036
与
Figure BDA0002065928790000037
和步骤一的X1与Z1进行卡尔曼滤波更新，获得第k+1帧的状态向量Xk+1预测值；
步骤七：重复步骤二到步骤六的过程，直到连续两帧未通过第二门限判别，则完成扩展目标检测。
本发明涉及船用导航雷达目标检测技术。
具体实施方式二：本实施方式与具体实施方式一不同的是：所述扩展目标的初始状态向量X1的表达式为：
X1＝[x1,vx1,y1,vy1,l1,w1]T (1)
其中：x1与y1分别代表扩展目标初始位置的x与y轴坐标，vx1与vy1分别代表扩展目标在x与y轴方向的初始速度，l1与w1分别代表扩展目标的长度和宽度，上角标T代表矩阵的转置。
具体实施方式三：本实施方式与具体实施方式二不同的是：所述扩展目标的初始量测向量Z1的表达式为：
Figure BDA0002065928790000038
其中：
Figure BDA0002065928790000039
与
Figure BDA00020659287900000310
分别代表第1帧扩展目标中心到雷达的距离与角度量测，
Figure BDA00020659287900000311
和
Figure BDA00020659287900000312
分别代表扩展目标拟合后椭圆的长轴和短轴的轴长，
Figure BDA00020659287900000313
代表扩展目标拟合后椭圆的朝向。
具体实施方式四：本实施方式与具体实施方式三不同的是：所述步骤二的具体过程为：
利用假设H代表待检测单元没有目标，利用假设K代表待检测单元处有目标，并假设杂波能量呈现指数分布；
则在假设H条件下，第k帧l点处信号能量分布的概率密度函数的形式为：
Figure BDA0002065928790000041
其中：fH(ak(l))代表假设H条件下的第k帧l点处信号能量分布的概率密度函数，e为自然常数；ak(l)代表第k帧l点处能量的幅度；
在假设K条件下，第k帧l点处信号能量分布的概率密度函数的形式为：
Figure BDA0002065928790000042
其中：fK(ak(l))代表假设K条件下的第k帧l点处信号能量分布的概率密度函数，ρ代表扩展目标的信噪比；
根据贝叶斯准则，获得贝叶斯检测器门限的表达式为：
Figure BDA0002065928790000043
利用卡尔曼滤波器的性质，下一帧扩展目标位置应为与预测下一帧扩展目标位置相关的指数分布，推导了跟踪器预测目标位置与目标存在先验概率之间的关系；
Figure BDA0002065928790000044
其中：Vk(l)代表第k帧l点位置与预测扩展目标中心位置之间的差值，Sk代表新息自相关矩阵；上角标-1代表矩阵的逆，P(K)代表假设K成立的先验概率，P(H)代表假设H成立的先验概率；
Figure BDA0002065928790000045
其中：Yk(l)代表第k帧l点的位置，h代表量测方程，F代表状态转移方程，
Figure BDA0002065928790000046
代表对第k帧扩展目标中心位置的预测；
Figure BDA0002065928790000047
代表状态向量Xk中的xk与yk；
即第2帧l点位置与预测扩展目标中心位置之间的差值V2(l)与初始状态向量X1有关；
将公式(6)和公式(7)代入公式(5)，得到第k帧l点处的贝叶斯检测器门限的表达式：
Figure BDA00020659287900000510
其中：η为常量。
η是可以调节的，通过调节常量η来调节扩展目标的检测概率与虚警概率。
将公式(6)和公式(7)代入公式(5)时，
若第k帧l点处符合假设K条件，则将公式(6)和(7)代入表达式
Figure BDA0002065928790000051
得到第k帧l点处对应的贝叶斯检测器门限为
Figure BDA0002065928790000052
若第k帧l点处符合假设H条件，则将公式(6)和(7)代入表达式
Figure BDA0002065928790000053
得到第k帧l点处对应的贝叶斯检测器门限为
Figure BDA0002065928790000054
具体实施方式五：本实施方式与具体实施方式四不同的是：所述步骤四的具体过程为：
由于雷达高分辨，所以目标在方位距离维度上均占据不止一个单元；
在方位维与距离维分别滑窗搜索连续点迹，计算出代表第k帧扩展目标中心到雷达的距离
Figure BDA0002065928790000055
与角度量测
Figure BDA0002065928790000056
Figure BDA0002065928790000057
的计算公式为：
Figure BDA0002065928790000058
Ri代表扩展目标的距离维第i个散射点的位置，Vi代表扩展目标的距离维第i个散射点的回波幅度；
Figure BDA0002065928790000059
θi代表扩展目标的方向维第i个散射点位置；Vi′代表扩展目标的方向维第i个散射点的回波幅度；
利用最小二乘法将步骤三的n个点拟合成椭圆，并提取出第k帧对应的拟合成的椭圆的长轴轴长
Figure BDA0002065928790000061
短轴轴长
Figure BDA0002065928790000062
和椭圆朝向
Figure BDA0002065928790000063
实施例
为了验证本发明提出的基于跟踪反馈的扩展目标检测方法性能，进行仿真实验，并将本发明方法(图3和图4中的方法一)与扩展目标不反馈方法(图3和图4中的方法二) 以及未利用扩展信息反馈方法(图3和图4中的方法三)进行对比。仿真参数依照实际船用导航雷达参数设置如下：
表1仿真参数设定
Figure BDA0002065928790000064
假设场景中只有单一扩展目标且航迹已经进行起始，扩展目标质心起始位置为(100， 100)，扩展目标尺寸为12m*6m，占据4*2共8个分辨单元大小。扩展目标速度为(5m/s，5m/s)，扩展目标运动形式为匀速直线运动。
扩展目标的状态转移矩阵可以被写作下式：
Figure BDA0002065928790000065
其中：
Figure BDA0002065928790000066
I2代表单位矩阵，04×2代表零矩阵，
Figure BDA0002065928790000067
代表克罗内克积。设置过程噪声
Figure BDA0002065928790000071
和
Figure BDA0002065928790000072
图2为扩展目标中心位置航迹图；
设置扩展目标信噪比为0dB至30dB进行蒙特卡洛仿真，将最后一帧中，目标仍在波门内的情况定义为扩展目标成功跟踪，在每个信噪比处做10000次蒙特卡洛实验，图3 与图4分别为扩展目标尺寸为18m*12m与12m*6m时成功跟踪概率与扩展目标信噪比的图像。
在不同信噪比处，采用跟踪反馈的方法性能均为最优，未采用扩展信息反馈的方法性能均为最差，扩展目标未反馈的方法性能介于二者之间。
可以见得，由于利用了上一帧扩展目标的位置信息，跟踪反馈的方法对提高扩展目标在低信噪比下的检测性能有所帮助，在成功跟踪概率为80％处，采用跟踪反馈的方法比不采用反馈的方法约有2dB左右的增益，比不采用扩展信息反馈的方法约有3-5dB增益。
相同信噪比下，扩展目标扩展点数越多，扩展信息对检测的帮助就越大，所以相同信噪比下不同扩展目标大小成功跟踪概率也有不同。
从检测的角度，虚警概率是分析检测性能的重要指标，选择扩展目标大小为 18m*12m，设定虚警概率为0.0001对比分析不同方法的虚警概率：
表2不同信噪比下虚警概率对比
Figure BDA0002065928790000073
根据上表可见，不同信噪比下，采用扩展目标跟踪反馈方法虚警概率均为最低，说明采取反馈方法可以有效抑制虚警出现。在信噪比为12dB时，由于信噪比较低，所以实际测出的虚警概率要高于设置虚警概率，在信噪比达到18dB时，实测虚警概率性能可以达到理论值。
从跟踪的角度，对比分析不同方法的跟踪精度。仍选择目标大小为18m*12m，图5为扩展目标位置滤波误差的RMS(扩展目标位置滤波的误差性能)随帧数变化的图像：由图5可以看出，信噪比为15dB时，扩展目标反馈的方法的RMS为最小，未采用扩展信息反馈的方法的RMS为最大。开始时，由于初始参数设定原因，扩展目标的RMS均相对较大，随着时间的累计，对扩展目标位置的估计逐渐精确，RMS逐渐减小。
本发明的上述算例仅为详细地说明本发明的计算模型和计算流程，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动，这里无法对所有的实施方式予以穷举，凡是属于本发明的技术方案所引伸出的显而易见的变化或变动仍处于本发明的保护范围之列。

Claims (5)

1.一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
步骤一：初始化扩展目标航迹，获得扩展目标的初始状态向量X1与初始量测向量Z1；
步骤二：利用公式
Figure FDA0002817789190000011
计算出第k帧各点处的贝叶斯检测器门限，k≥2；
其中：H代表待检测单元没有目标，K代表待检测单元处有目标，ak(l)代表第k帧l点处能量的幅度，ρ代表扩展目标的信噪比，Vk(l)代表第k帧l点位置与预测扩展目标中心位置之间的差值，Sk代表新息自相关矩阵，η为常量；
步骤三：判断第k帧检测平面内各点处的回波幅值是否大于步骤二计算出的贝叶斯检测器门限，将第k帧中大于贝叶斯检测器门限的n个点的位置与回波幅度记录下来；
步骤四：在方位维与距离维分别滑窗搜索连续点迹，计算出第k帧扩展目标中心到雷达的距离
Figure FDA0002817789190000012
与角度量测
Figure FDA0002817789190000013
将步骤三中的大于贝叶斯检测器门限的n个点拟合成椭圆，并提取出第k帧对应的拟合成的椭圆的长轴轴长
Figure FDA0002817789190000014
短轴轴长
Figure FDA0002817789190000015
和椭圆朝向
Figure FDA0002817789190000016
步骤五：将步骤三中的大于贝叶斯检测器门限的n个点与预设值n0进行比对，若数值n大于等于预设值n0，则认为通过第二门限，否则认为未通过第二门限；
步骤六：利用步骤四的
Figure FDA0002817789190000017
与
Figure FDA0002817789190000018
和步骤一的X1与Z1进行卡尔曼滤波更新，获得第k+1帧的状态向量Xk+1预测值；
步骤七：重复步骤二到步骤六的过程，直到连续两帧未通过第二门限判别，则完成扩展目标检测。
2.根据权利要求1所述的一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法，其特征在于，所述扩展目标的初始状态向量X1的表达式为：
X1＝[x1,vx1,y1,vy1,l1,w1]T (1)
其中：x1与y1分别代表扩展目标初始位置的x与y轴坐标，vx1与vy1分别代表扩展目标在x与y轴方向的初始速度，l1与w1分别代表扩展目标的长度和宽度，上角标T代表矩阵的转置。
3.根据权利要求2所述的一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法，其特征在于，所述扩展目标的初始量测向量Z1的表达式为：
Figure FDA0002817789190000021
其中：
Figure FDA0002817789190000022
与
Figure FDA0002817789190000023
分别代表第1帧扩展目标中心到雷达的距离与角度量测，
Figure FDA0002817789190000024
和
Figure FDA0002817789190000025
分别代表扩展目标拟合后椭圆的长轴和短轴的轴长，
Figure FDA0002817789190000026
代表扩展目标拟合后椭圆的朝向。
4.根据权利要求3所述的一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法，其特征在于，所述步骤二的具体过程为：
利用假设H代表待检测单元没有目标，利用假设K代表待检测单元处有目标，并假设杂波能量呈现指数分布；
则在假设H条件下，第k帧l点处信号能量分布的概率密度函数的形式为：
Figure FDA0002817789190000027
其中：fH(ak(l))代表假设H条件下的第k帧l点处信号能量分布的概率密度函数，e为自然常数；ak(l)代表第k帧l点处能量的幅度；
在假设K条件下，第k帧l点处信号能量分布的概率密度函数的形式为：
Figure FDA0002817789190000028
其中：fK(ak(l))代表假设K条件下的第k帧l点处信号能量分布的概率密度函数，ρ代表扩展目标的信噪比；
根据贝叶斯准则，获得贝叶斯检测器门限的表达式为：
Figure FDA0002817789190000029
Figure FDA00028177891900000210
其中：Vk(l)代表第k帧l点位置与预测扩展目标中心位置之间的差值，Sk代表新息自相关矩阵；上角标-1代表矩阵的逆，P(K)代表假设K成立的先验概率，P(H)代表假设H成立的先验概率；
Figure FDA0002817789190000031
其中：Yk(l)代表第k帧l点的位置，h代表量测方程，F代表状态转移方程，
Figure FDA0002817789190000032
代表对第k帧扩展目标中心位置的预测；
将公式(6)和公式(7)代入公式(5)，得到第k帧l点处的贝叶斯检测器门限的表达式：
Figure FDA0002817789190000033
其中：η为常量。
5.根据权利要求4所述的一种基于跟踪反馈的扩展目标检测方法，其特征在于，所述步骤四的具体过程为：
在方位维与距离维分别滑窗搜索连续点迹，计算出代表第k帧扩展目标中心到雷达的距离
Figure FDA0002817789190000034
与角度量测
Figure FDA0002817789190000035
Figure FDA0002817789190000036
的计算公式为：
Figure FDA0002817789190000037
Ri代表扩展目标的距离维第i个散射点的位置，Vi代表扩展目标的距离维第i个散射点的回波幅度；
Figure FDA0002817789190000038
θi代表扩展目标的方向维第i个散射点位置；Vi′代表扩展目标的方向维第i个散射点的回波幅度；
利用最小二乘法将步骤三的n个点拟合成椭圆，并提取出第k帧对应的拟合成的椭圆的长轴轴长
Figure FDA0002817789190000039
短轴轴长
Figure FDA00028177891900000310
和椭圆朝向
Figure FDA00028177891900000311
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