CN110703222B - 一种提高格雷互补波形多目标识别性能的方法及装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种提高格雷互补波形多目标识别性能的方法及装置，估计检测场景中所有目标的多普勒估计值；根据检测场景中所有目标的多普勒估计值按特定发射顺序发射格雷互补波形信号，然后按标准的匹配滤波权重进行匹配滤波获得第一模糊函数图像；发射标准发射顺序的格雷互补波形信号；然后按“二项式设计方法”的匹配滤波权重进行匹配滤波获得第二模糊函数图像；对第一模糊函数图像和第二模糊函数图像进行逐点门限处理，获得处理后的结果；对处理后的结果进一步滤波，得到最终的模糊函数图像。本发明可以有效提高最终的模糊函数图像中目标的多普勒分辨率，并显著降低最终结果中距离旁瓣的能量，使得场景中的各个目标中能够更容易被识别。

Description

一种提高格雷互补波形多目标识别性能的方法及装置
技术领域
本发明属于雷达信号处理领域，涉及一种提高格雷互补波形多目标识别性能的方法。
背景技术
格雷互补波形(Golay Complementary Waveforms)由两个二值序列x(l)和y(l)组成，其中x(l)和y(l)的取值为1或-1，l＝0,1,...,L-1，L是每个二进制序列的长度，这样的两个二值序列组成格雷互补波形的二进制序列称为格雷互补对(具体的格雷互补对生成方法可参考文献：M.Golay,“Complementary series,”IRE Trans.Inform.Theory,vol.7,no.2,pp.82-87,Apr.1961.)。
格雷互补对中每个1或-1值占据的时间宽度为Tc，因此每个格雷互补对的时间宽度为LTc。对于k＝-(L-1),...,(L-1)，格雷互补波形满足如下条件：
Cx(k)+Cy(k)＝2Lδ(k)
其中Cx(k)和Cy(k)分别是二值序列x(l)和y(l)的在k处自相关函数值，δ(k)表示冲激函数。
为使格雷互补波形能在时域传播，需要对二值序列x(l)和y(l)调制一个单位能量的基带信号Ω(t)，如下所示
Figure GDA0003192348080000011
然后在发射端利用一个二进制序列
Figure GDA0003192348080000012
来确定发射信号zP(t)的每个脉冲是x(t)还是y(t)，即确定格雷互补波形的发射顺序
Figure GDA0003192348080000021
其中N为发射信号的脉冲数目，T是脉冲重复间隔。当pn＝1时，则发射信号zP(t)的第n+1个脉冲发射x(t)；当pn＝0时，则第n+1个脉冲发射y(t)。如果n为偶数时pn＝1、n为奇数时pn＝0，则此时确定的序列P为格雷互补波形的标准发射顺序。在接收端利用一个正数序列
Figure GDA0003192348080000022
来确定用于匹配滤波的信号zQ(t)在每个脉冲上的权重，即
Figure GDA0003192348080000023
对于标准的匹配滤波权重应满足正数序列Q的所有值均为1。
于是，利用下式进行匹配滤波，求解格雷互补波形的模糊函数
Figure GDA0003192348080000024
则可以在时延—多普勒平面上进行目标检测，其中“*”表示共轭运算。
需要指出的是，根据之前格雷互补波形满足的条件，标准发射顺序的格雷互补波形虽然能在时延—多普勒平面的零多普勒线上实现距离旁瓣的完全抑制，在非零多普勒线上距离旁瓣依然非常显著。为了解决这个问题，一种现有方法是保持二进制序列P为格雷互补波形的标准发射顺序，同时改变正数序列Q的值(即调节匹配滤波权重)来实现非零多普勒线上的距离旁瓣抑制以获得更大的距离旁瓣抑制区域，称为“二项式设计方法”(“二项式设计方法”的具体过程可以参考文献：W.Dang,A.Pezeshki,S.Howard,et.al.,“Coordinatingcomplementary waveforms for sidelobe suppression,”45th AsilomarConf.Signals,Systems and Computers,2011,pp.2096-2100.)，此时序列Q的值满足
Figure GDA0003192348080000025
其中
Figure GDA0003192348080000026
表示从N-1个不同脉冲数目中取出n个脉冲数目的组合数。然而，基于模糊函数的能量不会被线性操作改变的原则，该方法实际上是把被抑制了的距离旁瓣的能量叠加在了其他没有被抑制的距离旁瓣上，这使得该方法获得的模糊函数图像中残留的距离旁瓣能量相较标准发射顺序的格雷互补波形图像中距离旁瓣的能量更高，因此在多目标情况下，该方法获得的模糊函数图像中的弱目标有可能被淹没在由强目标产生的距离旁瓣中，从而造成漏检。
现有的一项发明专利申请中提供一种基于格雷互补波形的多目标检测方法，其公开号为106814352A，公开日为2017年6月9日，其包括估计检测场景中所有目标的多普勒，得到所有目标的多普勒估计值；根据所有目标的多普勒估计值，按特定发射顺序发射格雷互补波形信号，然后将格雷互补波形信号与具有标准匹配滤波权重的匹配滤波信号进行匹配滤波，获得模糊函数图像；发射标准发射顺序的格雷互补波形信号，然后按“二项式设计方法”的匹配滤波权重对该格雷互补波形信号进行匹配滤波，获得模糊函数图像；对获得的两幅模糊函数图像按图像的每个像素进行逐点取最小值处理，获得一幅最终的模糊函数图像作为最终结果。该发明可以有效降低最终结果中距离旁瓣的能量，使得多目标中的弱目标更容易被检测，减少了目标的漏检情况。
然而，通过公开号为106814352A所提供的一种基于格雷互补波形的多目标检测方法所获得的模糊函数图像中，各个目标的周围仍然存在较多距离旁瓣。如图2所示，图2是现有公开号为106814352A，专利申请号为ZL201710037908.3所述一种基于格雷互补波形的多目标检测方法获得的模糊函数图像，其中横坐标表示多普勒，单位为“弧度”；纵坐标表示时延，单位为“秒”；幅度单位为“dB”。这使得场景中的目标识别仍然较为困难。
发明内容
针对现有技术存在的缺陷，本发明的目的是提供一种提高格雷互补波形多目标识别性能的方法及装置，有效提高格雷互补波形的多目标识别性能。
为了实现上述发明目的，本发明采用的技术方案是：
本发明的技术方案是：
一种提高格雷互补波形多目标识别性能的方法，包括：
(1)估计检测场景中所有目标的多普勒，得到所有目标的多普勒估计值；
(2)根据检测场景中所有目标的多普勒估计值按特定发射顺序发射格雷互补波形信号，然后按标准的匹配滤波权重进行匹配滤波获得第一模糊函数图像；
(3)发射标准发射顺序的格雷互补波形信号；然后按“二项式设计方法”的匹配滤波权重进行匹配滤波获得第二模糊函数图像；
(4)对第一模糊函数图像和第二模糊函数图像进行逐点门限处理，获得处理后的结果；
(5)对处理后的结果进一步滤波，得到最终的模糊函数图像。
作为优选方案，本发明中步骤(2)中，按特定发射顺序发射格雷互补波形信号，其中特定发射顺序要求发射格雷互补波形信号的脉冲数目N必须是2的幂次方，即满足N＝2M，并假设在整个雷达照射过程中所有目标的时延值和多普勒值均保持不变。
步骤(2)中，选用2M阶的威尔士矩阵
Figure GDA0003192348080000047
的第x+1行的所有值作为格雷互补波形信号的特定发射顺序，其中，2M阶的威尔士(Walsh)矩阵
Figure GDA0003192348080000048
通过下式生成：
Figure GDA0003192348080000041
m＝0,1,...,M-1
其中
Figure GDA0003192348080000049
Figure GDA0003192348080000042
Figure GDA0003192348080000043
步骤(2)中，θb的确定方法为：将所有目标的多普勒估计值的加权平均多普勒值
Figure GDA0003192348080000044
的单位转换为弧度rad后设
Figure GDA0003192348080000045
并通过加减若干个2π弧度使之满足θ1∈[0,2π]rad；从b＝2开始，利用θb＝2θb-1迭代计算，得到θb，同样将得到的θb通过加减若干个2π弧度调整至[0,2π]rad区间。
步骤(2)中，所有目标的多普勒估计值的加权平均多普勒值
Figure GDA0003192348080000046
的获取方法如下：
设检测场景中共有H个目标，Ah和
Figure GDA0003192348080000055
分别是第h个目标的归一化幅度和多普勒估计值，h＝1,2,...,H。
根据所有目标的多普勒估计值计算它们的加权平均多普勒值
Figure GDA0003192348080000051
如下：
Figure GDA0003192348080000052
本发明步骤(3)中，按“二项式设计方法”的匹配滤波权重进行匹配滤波获得第二模糊函数图像，关于其具体的实现方法在背景技术中已经说明清楚并给出了具体的参考文献，在这里不再赘述。
本发明步骤(4)中，设第一模糊函数图像和第二模糊函数图像分别为χ1(t,FD)和χ2(t,FD)，则经过逐点门限处理获得的处理后的结果χPTP(t,FD)表示为：
Figure GDA0003192348080000053
其中thr表示设定的门限。优选地，取0≤thr≤5dB，能够明显提高格雷互补波形多目标识别性能。
本发明步骤(5)的实现方法如下：
(5.1)生成一个矩形；
所生成的矩形在步骤(4)处理后的结果的时延轴和多普勒轴上占据的像素点数Rr和Rc分别为
Figure GDA0003192348080000054
其中“round(·)”表示取离括号中计算结果最近的整数值。
(5.2)设置一个最终的模糊函数图像矩阵，其所有像素点的原值均低于用于目标监测的门限值S。优选地，这些像素点的原值可以不相等，但必须全部低于用于目标监测的门限值S；S应当低于场景中最弱目标的归一化幅度。考虑到实际场景中目标的归一化幅度不一定知晓，设定门限值S取小于等于-30dB的值，且不失一般性地，在后面的具体实施例中取S＝-90dB进行后续说明。
(5.3)利用步骤(5.1)生成的矩形在第四步处理后的结果中从第一个像素点开始进行逐点搜索，当矩形所框定的所有像素点中的值均大于S时，则将最终的模糊函数图像矩阵中对应的所有像素点位置的原值刷新为第四步处理后的结果中矩形所框定的这些值，否则不刷新这些值即对应的所有像素点位置的值仍为最终的模糊函数图像矩阵中的原值；直至矩形框定过的像素点遍历第四步处理后的结果中所有的像素点为止，画出最终的模糊函数图像。
另一方面，本发明提供一种提高格雷互补波形多目标识别性能的装置，包括：
多普勒估计模块，用于估计检测场景中所有目标的多普勒估计值。
第一模糊函数图像获取模块，根据检测场景中所有目标的多普勒估计值按特定发射顺序发射格雷互补波形信号，然后按标准的匹配滤波权重进行匹配滤波获得第一模糊函数图像。
第二模糊函数图像获取模块，发射标准发射顺序的格雷互补波形信号；然后按“二项式设计方法”的匹配滤波权重进行匹配滤波获得第二模糊函数图像。
门限处理模块，用于对第一模糊函数图像获取模块输出的第一模糊函数图像和第二模糊函数图像获取模块输出的第二模糊函数图像进行逐点门限处理，获得处理后的结果。
滤波模块，用于对门限处理模块输出的结果进一步滤波，得到最终的模糊函数图像。
本发明的有益技术效果是：
本发明可以有效提高最终的模糊函数图像中目标的多普勒分辨率，并显著降低最终结果中距离旁瓣的能量，使得场景中的各个目标中能够更容易被识别。本发明计算简便，效果良好，便于实际应用。
附图说明
图1是本发明实施例1的实现流程图；
图2是采用公开号为106814352A所提供的一种基于格雷互补波形的多目标检测方法获得的模糊函数图像；
图3是利用本发明的具体实施方式进行仿真实验的仿真结果。
具体实施方式
为了便于本发明的实施，下面结合具体实例作进一步的说明。
实施例1：
图1是本发明实施例1的实现流程图。具体实施方式包括以下步骤：
第一步，估计检测场景中所有目标的多普勒，得到所有目标的多普勒估计值。
具体估计方法可以参考文献W.Dang,Signal Design for Active Sensing,Ph.DDissertation,Colorado State University,2014.的2.3.4章节，这里不再赘述。
第二步，根据所有目标的多普勒估计值按特定发射顺序发射格雷互补波形信号然后按标准的匹配滤波权重进行匹配滤波获得模糊函数图像。
设检测场景中共有H个目标，Ah和
Figure GDA0003192348080000073
分别是第h个目标的归一化幅度(归一化幅度值可以直接从回波频谱中目标多普勒估计值处的幅度值读出)和多普勒估计值，h＝1,2,...,H。然后，根据所有目标的多普勒估计值计算它们的加权平均多普勒值
Figure GDA0003192348080000071
如下
Figure GDA0003192348080000072
注意，接下来的获得格雷互补波形特定发射顺序的方法要求发射信号的脉冲数目N必须是2的幂次方，即满足N＝2M，并假设在整个雷达照射过程中所有目标的时延值和多普勒值均保持不变。
将
Figure GDA0003192348080000081
的单位转换为弧度rad后设
Figure GDA0003192348080000082
并通过加减若干个2π弧度使之满足θ1∈[0,2π]rad，接着构造一个二进制序列[aM,aM-1,...,a1]并按照下式计算它们的值
Figure GDA0003192348080000083
从b＝2开始，计算ab前需要先令θb＝2θb-1并同样将θb的值调整至[0,2π]rad区间。重复这个流程直至得到θM，然后将这个二进制序列的值化成一个十进制数x，即
Figure GDA0003192348080000084
接下来，利用下式生成一个2M阶的威尔士(Walsh)矩阵
Figure GDA0003192348080000087
Figure GDA0003192348080000085
m＝0,1,...,M-1
其中
Figure GDA0003192348080000088
至此，选用威尔士矩阵
Figure GDA0003192348080000089
的第x+1行的所有值作为格雷互补波形的特定发射顺序，即将这一行的所有值作为一个特定的二进制序列P，并按这个特定发射顺序发射格雷互补波形信号然后按标准的匹配滤波权重进行匹配滤波获得模糊函数图像。
第三步，发射标准发射顺序的格雷互补波形信号然后按“二项式设计方法”的匹配滤波权重进行匹配滤波获得模糊函数图像。
第四步，对第二步和第三步获得的模糊函数图像进行逐点门限处理，获得处理后的结果。
设第二步和第三步中获得的模糊函数图像分别为χ1(t,FD)和χ2(t,FD)，则经过逐点门限处理获得的处理后的结果χPTP(t,FD)表示为
Figure GDA0003192348080000086
其中thr表示门限，可根据需要，取0≤thr≤5dB之间的任意值。
第五步，对第四步处理后的结果采用进一步滤波，得到最终的模糊函数图像。
(5.1)生成一个特定的矩形，该矩形在第四步处理后的结果的时延轴和多普勒轴上占据的像素点数Rr和Rc分别为
Figure GDA0003192348080000091
其中“round(·)”表示取离括号中计算结果最近的整数值。
(5.2)设置一个最终的模糊函数图像矩阵，其所有像素点的原值均低于用于目标监测的门限值S。优选地，这些像素点的原值可以不相等，但必须全部低于用于目标监测的门限值S；S应当低于场景中最弱目标的归一化幅度。考虑到实际场景中目标的归一化幅度不一定知晓，设定门限值S取小于等于-30dB的值，且不失一般性地，在本实施例中取S＝-90dB进行后续说明。
(5.3)利用步骤(5.1)生成的矩形在第四步处理后的结果中从第一个像素点开始进行逐点搜索，当矩形所框定的所有像素点中的值均大于门限值S时，则将最终的模糊函数图像矩阵中对应的所有像素点位置的原值刷新为第四步处理后的结果中矩形所框定的这些值，否则不刷新这些值，即对应的所有像素点位置的值仍为最终的模糊函数图像矩阵中的原值；直至矩形框定过的像素点遍历第四步处理后的结果中所有的像素点为止，画出最终的模糊函数图像。
图2是图2是采用公开号为106814352A所提供的一种基于格雷互补波形的多目标检测方法获得的模糊函数图像，其中横坐标表示多普勒，单位为“弧度”；纵坐标表示时延，单位为“秒”；幅度单位为“dB”。不失一般性地，这里假设检测场景中有3个目标，其中有2个强目标和1个弱目标，强、弱目标的归一化幅度分别为0dB和-20dB。各目标的归一化幅度、时延和多普勒值设置如下
目标1:0dB,τ1＝16.6μs,
Figure GDA0003192348080000092
目标2:0dB,τ2＝16.6μs,
Figure GDA0003192348080000093
目标3:-20dB,τ3＝22μs,
Figure GDA0003192348080000102
从设置的目标位置可以看出，目标1和目标2在模糊函数图像中的位置只能通过它们多普勒值的不同来区分。
发射信号的参数设置如下：雷达的工作频率为fc＝1GHz，格雷互补波形信号的带宽为B＝50MHz，采样率fs＝2B，脉冲重复间隔T＝50μs，脉冲数目为N＝32。格雷互补波形中的每个格雷互补对有L＝64个时间宽度为Tc＝0.1μs的1或-1值。检测场景中的复高斯白噪声服从
Figure GDA0003192348080000101
分布，信噪比SNR＝10dB。图2是现有专利ZL201710037908.3所述方法获得的最终的模糊函数图像。可以看出，该模糊函数图像中目标周围仍有较多距离旁瓣，这使得场景中的目标识别仍然较为困难。
图3是利用本发明的具体实施方式进行仿真实验的仿真结果，其中各子图中横坐标均表示多普勒，单位为“弧度”；纵坐标均表示时延，单位为“秒”；幅度单位为“dB”。该仿真实验中，各目标的归一化幅度、时延和多普勒值，发射信号的参数，以及检测场景中的复高斯白噪声设置均与图2保持一致，且不失一般性地，这里取thr＝2dB进行仿真实验来说明本发明方法的性能。图3的(a)为本发明方法第四步经过逐点门限处理获得的处理后的结果；图3的(b)为本发明方法第五步得到的最终的模糊函数图像。
可以看出，利用本发明方法第四步经过逐点门限处理获得的处理后的结果有效提高了目标的多普勒分辨率，第五步得到的最终的模糊函数图像进而显著降低了距离旁瓣的能量，使得场景中的各个目标中能够更容易被识别。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (5)

1.一种提高格雷互补波形多目标识别性能的方法，其特征在于，包括：
(1)估计检测场景中所有目标的多普勒，得到所有目标的多普勒估计值；
(2)根据检测场景中所有目标的多普勒估计值按特定发射顺序发射格雷互补波形信号，然后按标准的匹配滤波权重进行匹配滤波获得第一模糊函数图像，其中特定发射顺序要求发射格雷互补波形信号的脉冲数目N必须是2的幂次方，即满足N＝2M，并假设在整个雷达照射过程中所有目标的时延值和多普勒值均保持不变；
(3)发射标准发射顺序的格雷互补波形信号；然后按“二项式设计方法”的匹配滤波权重进行匹配滤波获得第二模糊函数图像；
(4)对第一模糊函数图像和第二模糊函数图像进行逐点门限处理，获得处理后的结果；
(5)对处理后的结果进一步滤波，得到最终的模糊函数图像，方法如下：
(5.1)生成一个矩形；
所生成的矩形在步骤(4)处理后的结果的时延轴和多普勒轴上占据的像素点数Rr和Rc分别为
Figure FDA0003199027260000011
其中“round(·)”表示取离括号中计算结果最近的整数值；
(5.2)设置一个最终的模糊函数图像矩阵，其所有像素点的原值均低于用于目标监测的门限值S，其中门限值S小于等于-30dB；
(5.3)利用步骤(5.1)生成的矩形在步骤(4)处理后的结果中从第一个像素点开始进行逐点搜索，当矩形所框定的所有像素点中的值均大于门限值S时，则将最终的模糊函数图像矩阵中对应的所有像素点位置的原值刷新为步骤(4)处理后的结果中矩形所框定的这些值，否则不刷新这些值即对应的所有像素点位置的值仍为最终的模糊函数图像矩阵中的原值；直至矩形框定过的像素点遍历步骤(4)处理后的结果中所有的像素点为止，画出最终的模糊函数图像。
2.根据权利要求1所述的提高格雷互补波形多目标识别性能的方法，其特征在于，步骤(2)中，选用2M阶的威尔士矩阵
Figure FDA0003199027260000021
的第x+1行的所有值作为格雷互补波形信号的特定发射顺序，其中，2M阶的威尔士矩阵
Figure FDA0003199027260000022
通过下式生成：
Figure FDA0003199027260000023
其中
Figure FDA0003199027260000024
Figure FDA0003199027260000025
其中θb的确定方法为：将所有目标的多普勒估计值的加权平均多普勒值
Figure FDA0003199027260000026
的单位转换为弧度rad后设
Figure FDA0003199027260000027
并通过加减若干个2π弧度使之满足θ1∈[0,2π]rad；从b＝2开始，利用θb＝2θb-1迭代计算，得到θb，同样将得到的θb通过加减若干个2π弧度调整至[0,2π]rad区间。
3.根据权利要求2所述的提高格雷互补波形多目标识别性能的方法，其特征在于，所有目标的多普勒估计值的加权平均多普勒值
Figure FDA0003199027260000028
的获取方法如下：
设检测场景中共有H个目标，Ah和
Figure FDA0003199027260000029
分别是第h个目标的归一化幅度和多普勒估计值，h＝1,2,...,H；
根据所有目标的多普勒估计值计算它们的加权平均多普勒值
Figure FDA00031990272600000210
如下：
Figure FDA00031990272600000211
4.根据权利要求1所述的提高格雷互补波形多目标识别性能的方法，其特征在于，步骤(4)中，设第一模糊函数图像和第二模糊函数图像分别为χ1(t,FD)和χ2(t,FD)，则经过逐点门限处理获得的处理后的结果χPTP(t,FD)表示为：
Figure FDA0003199027260000031
其中thr表示设定的门限。
5.根据权利要求4所述的提高格雷互补波形多目标识别性能的方法，其特征在于，0≤thr≤5dB。
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