CN111624574A - 弱目标探测的目标检测方法、系统、存储介质和装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及雷达信号处理领域,公开了弱目标探测的目标检测方法、系统、存储介质和装置,方法包括:预处理:对雷达回波信号进行下变频、采样和脉冲压缩;距离徙动校正:利用尺度变换算子对回波信号进行距离徙动校正;目标检测:建立杂波轮廓图,并通过杂波轮廓图判断是否有无杂波:若无杂波,则直接进行FFT和CFAR检测;若有杂波,则进行杂波抑制后进行CFAR检测。本发明采用距离徙动校正的主要目的是为了后续目标能量积累,避免相参积累结果恶化,利用距离徙动校正后的数据应用于杂波轮廓图进行杂波判断,使后续的目标检测是距离徙动校正后的数据,可消除距离徙动校正操作给杂波轮廓图判断杂内杂外带来的影响,使杂波轮廓图建立更准确。
Description
技术领域
本发明涉及雷达信号处理领域,尤其涉及弱目标探测的目标检测方法、系统、存储介质和装置。
背景技术
当雷达进行目标检测时,目标周围总是不能避免的存在着各种背景,如地物、云雨、海浪和金属箔条等,这些背景所产生的回波或人为干扰称之为杂波。杂波的存在严重限制雷达对目标的检能力,尤其低空环境杂波背景复杂,对于鸟类以及无人机这类低空慢速微弱目标而言,极易被杂波和噪声所淹没,导致目标检测失效。因此,杂波抑制和目标检测技术是低空探测雷达信号处理中的关键技术之一。
目前国内外主要的杂波抑制与目标检测技术主要包括以下几种:
1)动目标显示(MTI)技术
MTI其本质是基于回波多普勒信息的提取来区分运动目标与固定杂波。地物等静止杂波的频谱一般集中在零频附近或脉冲重复频率的整数倍附近,因此可以在零频和脉冲重复频率的整数倍附近设置带阻滤波器即MTI滤波器,达到抑制杂波目的。MTI滤波器利用运动目标回波和杂波在频谱上的区别,有效的抑制杂波而提取目标信号。它可以利用延迟线对消器来实现,常用的延迟线对消器有单延迟线对消器和双延迟线对消器。MTI滤波器对于静止杂波抑制效果比较理想,然而雷达工作时遇到的杂波,包括海浪、云雨以及敌人施放的金属箔等,它们都存在内部或外部的运动,再加上风的影响,导致杂波也会产生多普勒频移。这种情况下,MTI技术便不能有效的抑制杂波,提取目标信号,故需要更好的杂波抑制技术。自适应MTI是在MTI的基础上加入了自适应技术,实现自适应的方法有两种:一种是改变MTI滤波器的特性,即移动其凹口使它对准运动杂波的平均多普勒频移;另一种方法是保持MTI滤波器的特性不变,搬移杂波的频谱,即将杂波的频谱移到固定杂波频谱的位置上。实现第二种方法中的频谱搬移可以通过给相参振荡器的频率补偿一个杂波平均多普勒频移来实现。杂波的平均多普勒频移估计是实现自适应MTI的难点,且慢速目标多普勒频移可能和运动杂波多普勒频率接近,在抑制运动杂波的同时,极有可能对目标能量带来损失。
2)动目标检测(MTD)技术
MTD是在MTI的基础上,增加一组多普勒滤波器,改善滤波器的滤波特性,使之更接近于最佳(匹配)线性滤波,提高改善因子。第一代 MTD 处理器是二十世纪七十年代初期由美国麻省理工学院的林肯实验室研制成功的,它主要由一个传统的三脉冲对消器级联一个8点的FFT构成。这一8点FFT等效为一组相邻有覆盖的窄代滤波器组,它实际上就是用作脉冲串回波相参积累的匹配滤波器。脉冲多普勒(PD)杂波抑制技术类似于MTD技术,两者的区别在于PD技术所使用的脉冲重复频率高,所以其多普勒频率不存在模糊,且PD技术采用滤波器组中滤波器的个数要比MTD的要多,所以技术的杂波改善性能要优于MTD,这样测得的多普勒频率精度要比MTD测得的精度高,目标检测概率也会相应提高。但是PD技术也存在缺点,那就是距离模糊。由于脉冲重复频率较高,所以脉冲重复周期较小,雷达的无模糊距离与脉冲重复周期成正比,所以雷达的无模糊距离较小,对于远距离目标,雷达在检测中容易产生距离模糊。因此,使用PD杂波抑制技术时,需合理设计脉冲重复频率。
3)卡尔马斯(Kalmus)滤波器技术
Kalmus滤波器在MTD的基础上,将多普勒滤波器组平移半个脉冲重复频率,然后将临近零频的两个滤波器相减,实现杂波抑制。其在零多普勒频率处呈现深的止带凹口,而随着频率的增加呈现快速的上升斜率,因此该滤波器对固定杂波有很好的抑制作用,并且同时可以保证对低速目标的检测能力。但是实际环境中总是存在具有一定谱宽的起伏杂波,尽管使用了Kalmus滤波器,滤波剩余的这种起伏分量仍将严重干扰低速目标的检测并造成剧烈变化的虚警。
4)杂波图技术
在雷达威力范围内按不同要求划分杂波单元,然后把杂波单元内的杂波特性保存在存储器中,并且随着杂波特性的改变能够实时更新。我们把这种存储在存储器中的雷达威力范围内的杂波特性分布图称为杂波图。杂波图雷达信号处理中一种常用的杂波抑制方法,其原理是将雷达的作用范围按照距离和方位划分成许多不同的空间单元,称为杂波图单元,每个杂波图单元距离长度为距离分辨率的整数倍,方位宽度一般小于天线水平波瓣宽度。空间单元划分的越细,越能真实反应空间的杂波变化情况。杂波图对帧间数据进行递归运算积累,当目标运动速度很慢时,多个雷达天线扫描周期内目标可能还没有走出该杂波单元,导致目标信号也参与了杂波图更新积累,影响杂波功率估计的准确性,从而影响目标检测性能,也即是自遮蔽现象。自遮蔽现象会影响慢速目标的检测性能,针对自遮蔽现象,人们提出了一些解决方法,包括合理选择参数避免自遮蔽现象以及L滤波器方法,但是它们都只是在一定程度上减轻了自遮蔽现象对检测的影响,并不能完全解决该问题。自遮蔽现象也是杂波图检测应用的一个难点。
综上,虽然在现代雷达系统中的杂波抑制方法有很多种,但是当杂背景强、目标运动速度慢以及目标回波信号弱的情况下,常规的杂波抑制方法都不能很好的将目标信息从强杂波环境中提取出来,严重恶化目标检测性能。因此,针对鸟类和无人机等低慢小目标杂波抑制方法,需展开针对性研究。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的不足,提供弱目标探测的目标检测方法、系统、存储介质和装置,解决现有技术的距离徙动会造成目标能量发散、使得杂波轮廓图进行目标检测会带来严重的虚警和漏检问题。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的:
本发明的第一方面,提供用于低空慢速弱目标探测的目标检测方法,包括以下步骤:
预处理:对雷达回波信号进行下变频、采样和脉冲压缩;
目标检测:建立杂波轮廓图,并通过杂波轮廓图判断是否有无杂波:若无杂波,则直接进行FFT和CFAR检测;若有杂波,则进行杂波抑制后进行CFAR检测;
所述方法还包括位于所述预处理和所述目标检测之间的距离徙动校正:利用尺度变换算子对回波信号进行距离徙动校正。
式中,表示目标回波信
号,表示杂波和噪声信号,为光速,表示雷达发射信号中
心频点,表示采样频率,表示采样点数,为雷达与目标初始斜距,表示距离频率变量,表示脉冲序号,M为脉冲积累个数,表示脉冲重复时间,表示目标速度。
进一步地,所述建立杂波轮廓图,并通过杂波轮廓图判断是否有无杂波:包括:
噪声平均功率估计;
对杂波功率估计;
连续扫描L圈,判定杂波功率大于噪声平均功率的次数是否超过门限值:若超过门限值则判定为有杂波,否则判定为无杂波。
进一步地,所述建立杂波轮廓图具体包括:
进一步地,在判定有无杂波后,还需要通过区域扩展得到最终的杂波轮廓图;具体为,在建立杂波轮廓图时,需要将过门限的杂波单元和其相邻的距离单元都看作杂波区。
进一步地,所述杂波抑制采用Kalmus滤波器组实现,具体包括:
上式中,对k=0和k=M-1对应滤波器的输出取模相减再取模即可得到Kalmus滤波器的输出,即:
通过上式即可实现杂波抑制。
本发明的第二方面,提供用于低空慢速弱目标探测的目标检测系统,包括顺次连接的:
预处理模块:用于对雷达回波信号进行下变频、采样和脉冲压缩;
目标检测模块:用于建立杂波轮廓图,并通过杂波轮廓图判断是否有无杂波:若无杂波,则直接进行FFT和CFAR检测;若有杂波,则进行杂波抑制后进行CFAR检测;
所述系统还包括位于所述预处理模块和所述目标检测模块之间的距离徙动校正模块:用于利用尺度变换算子对回波信号进行距离徙动校正。
本发明的第三方面,提供一种存储介质,其上存储有计算机指令,所述计算机指令运行时执行所述的用于低空慢速弱目标探测的目标检测方法的步骤。
本发明的第四方面,提供一种装置,包括存储器和处理器,所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令,所述处理器运行所述计算机指令时执行所述的用于低空慢速弱目标探测的目标检测方法的步骤。
本发明的有益效果是:
(1)在本发明的一示例性实施例中,对于杂波轮廓图的处理之前,具有一距离徙动校正步骤;采用距离徙动校正的主要目的是为了后续目标能量积累(即实现目标能量在多普勒域的有效积累,提高了雷达对于鸟类等弱目标的检测性能),避免相参积累结果恶化(如果没有杂波抑制,流程图中FFT输出即为相参积累结果;如果有杂波,Kalmus滤波器输出即为相参积累结果);这里利用距离徙动校正后的数据应用于杂波轮廓图进行杂波判断,是因为后续的目标检测是距离徙动校正后的数据,这样可以消除距离徙动校正操作给杂波轮廓图判断杂内杂外带来的影响,也能够使得杂波轮廓图建立更准确。同时杂波轮廓图的判断来选择合适的信号处理过程,在实现杂波抑制时最大限度地保留目标能量,特别适用于鸟类、无人机等慢速目标的检测。
(2)在本发明的多个示例性实施例中,分别公开了距离徙动校正、杂波轮廓图建立与判断、Kalmus滤波器的具体实现方式。
附图说明
图1为本发明一示例性实施例公开的方法流程图;
图2为本发明一示例性实施例公开的k=0和k=M-1对应滤波器的幅频响应示意图;
图3为本发明一示例性实施例公开的Kalmus滤波器的幅频响应示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述,显然,所描述的实施例是本发明一部分实施例,而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例,本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例,都属于本发明保护的范围。
在本申请使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的,而非旨在限制本申请。在本申请和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式,除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解,本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。
应当理解,尽管在本申请可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息,但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如,在不脱离本申请范围的情况下,第一信息也可以被称为第二信息,类似地,第二信息也可以被称为第一信息。取决于语境,如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。
此外,下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
在现有技术中,如果不采用距离徙动校正,会给杂内杂外判断(轮廓图建立后的判断)带来一定的影响,并会严重恶化后续目标检测性能:即如果不采用距离徙动校正,由于距离徙动会造成目标能量发散,故仅采用杂波轮廓图+kalmus滤波器方法进行目标检测会带来严重的虚警和漏检。
同时在另外的现有技术中,如果仅采用单独的距离徙动校正后,对目标进行相参积累和目标检测,则由于杂波的影响(因为低慢小目标飞行在低空空域,杂波背景复杂),目标信号可能会被杂波和噪声淹没,导致漏检。
因此,下述示例性实施例专门针对低慢小这类目标,提出了距离徙动校正+杂波轮廓图+kalmus滤波器的目标检测方法。
参见图1所示,图1是本申请一示例性实施例示出的用于低空慢速弱目标探测的目标检测方法的流程图,包括以下步骤:
S1:预处理:对雷达回波信号进行下变频、采样和脉冲压缩;
S2:距离徙动校正:利用尺度变换算子对回波信号进行距离徙动校正;
S3:目标检测:建立杂波轮廓图,并通过杂波轮廓图判断是否有无杂波:若无杂波,则直接进行FFT和CFAR检测;若有杂波,则进行杂波抑制后进行CFAR检测。
具体地,在该示例性实施例中,对于杂波轮廓图的处理之前,具有一距离徙动校正步骤;采用距离徙动校正的主要目的是为了后续目标能量积累(即实现目标能量在多普勒域的有效积累,提高了雷达对于鸟类等弱目标的检测性能),这里利用距离徙动校正后的数据应用于杂波轮廓图进行杂波判断,是因为后续的目标检测是距离徙动校正后的数据,这样可以消除距离徙动校正操作给杂波轮廓图判断杂内杂外带来的影响,也能够使得杂波轮廓图建立更准确(由于距离徙动校正操作会导致距离单元里面杂波能量变化)。同时杂波轮廓图的判断来选择合适的信号处理过程,在实现杂波抑制时最大限度地保留目标能量,特别适用于鸟类、无人机等慢速目标的检测。
式中,表示目标回波信号,
为光速,表示雷达发射信号中心频点,表示采样频率,表示采样点数,为雷达与
目标初始斜距,表示距离频率
变量,表示脉冲序号,M为脉冲积累个数,表示脉冲重复时间,表示目标速
度,表示杂波回波信号。
对于建立杂波轮廓图,根据方位角、俯仰角和距离信息在雷达作用域内划分杂波单元,利用0/1表示杂波的有无(或强弱),1代表有杂波(或称杂内),0代表没有杂波(或称杂外)。杂波轮廓图的作用主要是获得杂内杂外信息,以此来选择使用不同的信号处理方法。如果被检测单元有杂波,需要先进行杂波抑制,否则会对目标检测产生干扰;如果检测单元没有杂波,直接进行相参积累和目标检测,避免杂波抑制处理对目标信号能量造成衰减,损失目标检测性能。所以有必要利用轮廓杂波图来选择合适的信号处理过程,在实现杂波抑制时最大限度地保留目标能量,故而此方法特别适用于检测鸟类等慢速目标。
更优地,在一示例性实施例中,所述建立杂波轮廓图,并通过杂波轮廓图判断是否有无杂波:包括:
噪声平均功率估计;
对杂波功率估计;
连续扫描L圈,判定杂波功率大于噪声平均功率的次数是否超过门限值:若超过门限值则判定为有杂波,否则判定为无杂波。
更优地,在一示例性实施例中,所述建立杂波轮廓图具体包括:
更优地,在一示例性实施例中,在判定有无杂波后,还需要通过区域扩展得到最终的杂波轮廓图;具体为,在建立杂波轮廓图时,需要将过门限的杂波单元和其相邻的距离单元都看作杂波区。
其中,需要说明的是,有杂波的距离单元的杂波能量可能会扩散到相邻距离单元,因此需要将相邻距离单元看作有杂波,并对其进行杂波抑制。
更优地,在一示例性实施例中,所述杂波抑制采用Kalmus滤波器组实现(Kalmus滤波器组可以通过离散傅里叶变换等效的梳状滤波器来实现),具体包括:
上式中,对k=0和k=M-1对应滤波器的输出取模相减再取模即可得到Kalmus滤波器的输出,即:
通过上式即可实现杂波抑制。其中,k=0和k=M-1对应滤波器的幅频响应和Kalmus滤波器的幅频响应分别如图2和图3所示。
可以看到,Kalmus 滤波器在零频处呈现深的止带凹口,随着频率的增加呈现快速上升斜率。其中,在零频处深的止带凹口提供了 Kalmus 滤波器一定的杂波抑制能力;而随着频率增加呈现快速上升斜率这一特性,使它尽可能地保留了低频分量,从而改善了低速目标的信杂比。k=1到k=M-2对应滤波器的输出不变,即可得到Kalmus滤波器组的输出,经过CFAR后即可实现目标检测。
与上述任意一示例性实施例具有相同的发明构思,本申请的又一示例性实施例提供用于低空慢速弱目标探测的目标检测系统,包括顺次连接的:
预处理模块:用于对雷达回波信号进行下变频、采样和脉冲压缩;
目标检测模块:用于建立杂波轮廓图,并通过杂波轮廓图判断是否有无杂波:若无杂波,则直接进行FFT和CFAR检测;若有杂波,则进行杂波抑制后进行CFAR检测;
所述系统还包括位于所述预处理模块和所述目标检测模块之间的距离徙动校正模块:用于利用尺度变换算子对回波信号进行距离徙动校正。
与上述任意方法示例性实施例具有相同的发明构思,本申请的又一示例性实施例提供一种存储介质,其上存储有计算机指令,所述计算机指令运行时执行所述的用于低空慢速弱目标探测的目标检测方法的步骤。
与上述任意方法示例性实施例具有相同的发明构思,本申请的又一示例性实施例提供一种装置,包括存储器和处理器,所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令,所述处理器运行所述计算机指令时执行所述的用于低空慢速弱目标探测的目标检测方法的步骤。
显然,上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的举例,而并非对实施方式的限定,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他不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而由此所引申出的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之中。
Claims (10)
1.用于低空慢速弱目标探测的目标检测方法,包括以下步骤:
预处理:对雷达回波信号进行下变频、采样和脉冲压缩;
目标检测:建立杂波轮廓图,并通过杂波轮廓图判断是否有无杂波:若无杂波,则直接进行FFT和CFAR检测;若有杂波,则进行杂波抑制后进行CFAR检测;
其特征在于:所述方法还包括位于所述预处理和所述目标检测之间的距离徙动校正:利用尺度变换算子对回波信号进行距离徙动校正。
4.根据权利要求1所述的用于低空慢速弱目标探测的目标检测方法,其特征在于:所述建立杂波轮廓图,并通过杂波轮廓图判断是否有无杂波:包括:
噪声平均功率估计;
对杂波功率估计;
连续扫描L圈,判定杂波功率大于噪声平均功率的次数是否超过门限值:若超过门限值则判定为有杂波,否则判定为无杂波。
6.根据权利要求4所述的用于低空慢速弱目标探测的目标检测方法,其特征在于:在判定有无杂波后,还需要通过区域扩展得到最终的杂波轮廓图;具体为,在建立杂波轮廓图时,需要将过门限的杂波单元和其相邻的距离单元都看作杂波区。
8.用于低空慢速弱目标探测的目标检测系统,包括顺次连接的:
预处理模块:用于对雷达回波信号进行下变频、采样和脉冲压缩;
目标检测模块:用于建立杂波轮廓图,并通过杂波轮廓图判断是否有无杂波:若无杂波,则直接进行FFT和CFAR检测;若有杂波,则进行杂波抑制后进行CFAR检测;
其特征在于:所述系统还包括位于所述预处理模块和所述目标检测模块之间的距离徙动校正模块:用于利用尺度变换算子对回波信号进行距离徙动校正。
9.一种存储介质,其上存储有计算机指令,其特征在于:所述计算机指令运行时执行权利要求1~7中任一项所述的用于低空慢速弱目标探测的目标检测方法的步骤。
10.一种装置,包括存储器和处理器,所述存储器上存储有可在所述处理器上运行的计算机指令,其特征在于,所述处理器运行所述计算机指令时执行权利要求1~7中任一项所述的用于低空慢速弱目标探测的目标检测方法的步骤。
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