CN110412549B - 一种基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法，主要解决现有技术在海杂波背景下抗杂波能力不足和目标检测性能差等问题。其实现步骤：1)数据预处理：将原始回波视频数据转为统一的距离维数和方位维数；2)多通道积累检测和通道虚警控制：对预处理后的视频数据进行多通道的帧间积累检测得到通道检测结果，且分别对通道检测结果进行虚警统计，通过反馈动态调节通道检测门限；3)综合输出和综合虚警控制：综合多个通道的通道检测结果得到综合检测结果，且对综合检测结果进行虚警统计，通过反馈动态调节通道虚警指标。本发明通过多通道帧间积累和多级虚警反馈，可用于改善岸基两坐标雷达在海杂波背景下的目标检测及抗杂波能力。

Description

一种基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法
技术领域
本发明属于雷达目标检测技术领域，特别涉及海杂波背景下慢速弱目标的检测方法。
背景技术
海杂波背景下的目标检测问题一直是雷达领域研究的热点问题，由于在海杂波背景下，目标的回波信杂比较低，采用传统的恒虚警检测方法无法确保目标的检测概率。降低检测门限虽然可以提高低信杂比目标的检测概率，但是海杂波会造成众多虚警，导致系统无法正常工作。针对上述问题，扫描间集成(Scan-to-Scan Integration，SSI)技术是一种可有效解决该问题的手段，SSI技术实质上是帧间的M/N检测器，其根据海杂波在帧间的弱相关性及慢速目标在帧间的强相关性，通过帧间积累判决的手段，实现对海杂波虚警的抑制和对慢速弱目标的检测。但是SSI技术对目标的速度比较敏感，不同的M/N准则所适用的速度不同。M和N越大，对海杂波虚警的抑制效果越好，但适用的速度越慢。因此，单一的M/N检测器无法在有效抑制虚警的同时适用于多种速度的目标。
发明内容
本发明针对背景技术存在的不足，基于岸基对海两坐标雷达，提出了一种基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法。该技术采取多通道检测的策略，并联多个帧间积累器，用于不同速度目标的检测；同时采取两级虚警反馈调节的策略，由输出级和通道级联合控制虚警，保证整体虚警指标可控。该技术主要包含两个处理过程，一个是多通道积累检测和通道虚警控制，并联多个帧间积累器，并且统计每个积累器的输出虚警，根据通道虚警指标调节积累器的检测门限。另一个是综合输出和输出虚警控制，对多个积累器进行综合输出，并且统计综合输出的虚警，根据输出虚警指标调节通道虚警指标，步骤如下：
步骤1：数据预处理
对雷达原始视频数据进行数据重排整理，通过重采样的方式将每个周期的雷达原始视频数据转为固定的距离维数和方位维数。
步骤2：多通道积累检测和通道虚警控制
对预处理后的视频数据进行多通道的帧间积累检测得到通道检测结果，并且分别对每个通道的通道检测结果进行虚警控制，动态调节通道检测门限。对于所有通道，均进行如下处理：
(2.1)门限处理：对预处理后的视频数据进行门限处理，过门限置1，否则置0，输出过门限0/1矩阵。
(2.2)帧间积累检测：对多个周期的过门限0/1矩阵进行帧间M/N积累检测，输出通道检测结果，过程如下：
(2.2.1)滑窗积累N个周期的过门限0/1矩阵，得到帧间积累矩阵。
(2.2.2)对帧间积累矩阵进行检测判决，矩阵中积累值大于M的输出，否则置0，得到判决输出矩阵。
(2.2.3)根据判决输出矩阵中每个元素值与积累窗N的比例，确定对应位置通道检测输出值，得到通道检测结果。
(2.3)通道虚警控制：统计通道检测结果中不为0的元素个数，即为过门限点数。由过门限点数与元素总数计算通道输出虚警。如果通道输出虚警不满足通道虚警指标，则调节通道检测门限；如果通道输出虚警满足通道虚警指标，则保持通道检测门限不变。
步骤3：综合输出和综合虚警控制
对多个通道的通道检测结果进行综合输出得到综合检测结果，并且对综合检测结果进行虚警控制，动态调节通道虚警指标。
(3.1)综合输出：对多个通道的通道检测结果取大，得到综合检测结果。
(3.2)输出虚警控制：在所有通道的输出虚警均满足通道虚警指标后，统计综合检测结果中不为0的元素个数，即为过门限点数。由过门限点数与元素总数计算综合输出虚警。如果通道输出虚警不满足综合虚警指标，则调节通道虚警指标；如果通道输出虚警满足综合虚警指标，则保持通道虚警指标不变。
相比于传统技术，本发明的创新点如下：
1.本发明针对强海杂波引起的虚警，根据杂波在帧间的弱相关性及慢速目标在帧间的强相关性，采取帧间积累的策略，有效的抑制虚警。并且针对不同速度的目标，采取多通道检测的策略，并联多个不同检测准则的帧间积累器，每个积累器以最大概率输出一定速度范围的目标，确保对探测区域不同速度目标的有效探测。
2.本发明针对多通道综合导致的虚警不可控问题，采取多级虚警控制的策略，分别在通道级和输出级进行动态虚警控制。由输出级虚警反馈调节通道级虚警，由通道级虚警调节积累器的检测门限，确保对探测区域虚警的有效控制。
附图说明
图1是本发明基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法处理流程示意图。
图2是本发明基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法中帧间积累检测器处理流程示意图。
图3是本发明基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法中通道虚警控制处理流程示意图。
图4是本发明基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法中综合虚警控制处理流程示意图。
图5是本发明基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法的实施例中仿真得到的检测概率曲线示意图。
图6是本发明基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法的实施例中仿真得到的虚警率曲线示意图。
具体实施方式
本发明一种基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法处理流程示意图如图1所示，结合实施例，具体实施方式如下：
假设通道数为n，综合虚警指标为PF，通道虚警指标为Pf。
步骤1：数据预处理
对雷达原始回波视频数据进行数据重排整理，通过重采样的方式将第i周期雷达原始回波视频数据转为统一的数据格式Echo(i)，即方位维数为NAzi，距离维数为NDis。
通常，距离维数NDis等于雷达的距离采样单元数，方位维数NAzi可根据雷达的脉冲重复频率PRI和天线周期T确定，即
Figure BDA0002137386680000031
其中/>
Figure BDA0002137386680000032
指向下取整。
步骤2：多通道积累和通道虚警控制
对于通道k，k＝1,...,n，帧间积累检测准则为Mk/Nk。遍历所有通道，如图2所示，过程如下：
(2.1)门限处理：对预处理后的视频数据Echo(i)进行门限处理，过门限Thrk置1，否则置0，输出过门限0/1矩阵EchoOut(i)。
(2.2)帧间积累检测：对多个周期的过门限0/1矩阵进行帧间Mk/Nk积累检测，输出通道检测结果，过程如下：
(2.2.1)滑窗积累Nk个周期的过门限0/1矩阵，得到帧间积累矩阵AccMat(k)。即：
Figure BDA0002137386680000033
(2.2.2)对帧间积累矩阵AccMat(k)进行检测判决，矩阵中积累值大于Mk的输出，否则置0，得到判决输出矩阵DecMat(k)。即：
Figure BDA0002137386680000034
(2.2.3)根据判决输出矩阵DecMat(k)中每个元素值与积累窗Nk的比例，确定对应位置通道检测输出值，得到通道检测结果ChanDet(k)。即：
ChanDet(k)＝DecMat(k)/Nk·A
(2.3)通道虚警控制：如图3所示，统计通道检测结果ChanDet(k)中不为0的元素个数，即为过门限点数OutNum。由过门限点数OutNum与元素总数EPSum计算通道输出虚警PfChan。如果通道输出虚警不满足通道虚警指标Pf，则调节通道检测门限Thrk；如果通道输出虚警满足通道虚警指标，则保持通道检测门限Thrk不变。即：
Figure BDA0002137386680000041
在步骤2中，通道数的选取需结合实际情况，一般不大于4个。
在步骤(2.2)中，通道的M/N积累检测准则一般取0.6-0.7，可选择的M/N准则有3/5、5/8、10/16、19/32和39/64等，各个通道的M/N准则可根据实际情况选取。
在步骤(2.3)中，初始通道虚警指标Pf由综合虚警指标PF和通道数n决定，即Pf＝PF/n。ΔPf指允许的虚警波动范围，ΔPf一般取0.1Pf。
步骤3：综合输出和输出虚警控制
(3.1)综合输出：对多个通道的通道检测结果取大，得到综合检测结果CombineDet。即
CombineDet＝Max(ChanDet(1),...,ChanDet(n))
(3.2)输出虚警控制：如图4所示，在所有通道的输出虚警均满足通道虚警指标后，统计综合检测结果CombineDet中不为0的元素个数，即为过门限点数OutNum。由过门限点数OutNum与元素总数EPSum计算综合输出虚警PFCombine。如果通道输出虚警PFCombine不满足综合虚警指标，则调节通道虚警指标Pf；如果通道输出虚警CombinePF满足综合虚警指标PF，则保持通道虚警指标Pf不变。即：
Figure BDA0002137386680000042
在步骤(3.2)中，综合虚警指标PF由系统需求决定。ΔPF指允许的虚警波动范围，ΔPF一般取0.1PF。
实施例：
以某两坐标岸基对海雷达的实测海杂波数据为例进行仿真分析，在仿真中：①通道数n为3个，检测准则分别为M1/N1＝3/5、M3/N3＝8/12和M4/N4＝20/32，通道1-3的初始门限Thr1＝14dB、Thr2＝10dB、Thr3＝5dB；②综合虚警指标PF为2e-3，ΔPF为2e-4，通道虚警指标Pf为4e-4，ΔPf为4e-5；③预处理后统一视频数据格式的方位维数NAzi＝2048、距离维数NDis＝2048；④在海杂波区添加仿真目标，仿真目标个数为4个，目标1-4速度分别为1、3、5和10m/s。
图5是本发明所述方法、帧间3/5积累检测方法、帧间8/12积累检测方法和帧间20/32积累检测方法在虚警均为2e-3时，对不同信杂比的仿真目标1-4的检测概率曲线，可知本发明所述方法可以有效改善海杂波背景下慢速目标的检测能力。
图6是本发明所述方法仿真得出的综合输出虚警在160个周期内的变化曲线，可知本发明所述方法可有效控制海杂波虚警。

Claims (3)

1.一种基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法，其特征在于：
步骤1：数据预处理，对雷达原始回波视频数据进行数据重排整理，将雷达原始回波视频数据转为固定的距离维数和方位维数；
步骤2：多通道积累检测和通道虚警控制，对预处理后的视频数据进行多通道的帧间积累检测得到通道检测结果，并且分别对每个通道的通道检测结果进行虚警控制，动态调节通道检测门限；
步骤2.1门限处理：对预处理后的视频数据进行门限处理，过门限置1，否则置0，输出过门限0/1矩阵；
步骤2.2帧间积累检测：对多个周期的过门限0/1矩阵进行帧间M/N积累检测，输出通道检测结果；
步骤2.3通道虚警控制：统计通道检测结果中不为0的元素个数，即为过门限点数；由过门限点数与元素总数计算通道输出虚警；如果通道输出虚警不满足通道虚警指标，则调节通道检测门限；如果通道输出虚警满足通道虚警指标，则保持通道检测门限不变；
步骤3：综合输出和综合虚警控制，对多个通道的通道检测结果进行综合输出得到综合检测结果，并且对综合检测结果进行虚警控制，通过反馈动态调节通道虚警指标。
2.根据权利要求1所述的一种基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法，其特征在于：所述步骤2.2的帧间积累检测包括：
步骤2.2.1滑窗积累N个周期的过门限0/1矩阵，得到帧间积累矩阵；
步骤2.2.2对帧间积累矩阵进行检测判决，矩阵中积累值大于M的输出，否则置0，得到判决输出矩阵；
步骤2.2.3根据判决输出矩阵中每个元素值与积累窗N的比例，确定对应位置通道检测输出值，得到通道检测结果。
3.根据权利要求2所述的一种基于多级虚警反馈的多通道帧间联合海目标检测方法，其特征在于：所述步骤3的多通道积累检测和通道虚警控制包括如下步骤：
步骤3.1综合输出：对多个通道的通道检测结果取大，得到综合检测结果；
步骤3.2输出虚警控制：在所有通道的输出虚警均满足通道虚警指标后，统计综合检测结果中不为0的元素个数，即为过门限点数；由过门限点数与元素总数计算综合输出虚警；如果通道输出虚警不满足综合虚警指标，则调节通道虚警指标；如果通道输出虚警满足综合虚警指标，则保持通道虚警指标不变。
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