CN111796270A - 周界安防雷达横向穿越目标检测方法、系统、介质及设备 - Google Patents

周界安防雷达横向穿越目标检测方法、系统、介质及设备 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种周界安防雷达横向穿越目标检测方法、系统、介质及设备，属于雷达检测技术领域，用于解决目前周界安防雷达无法对横向穿越目标进行有效检测的技术问题，此方法包括步骤：1)获取当前相干处理间隔内各个阵元的角度‑多普勒矩阵；2)根据角度‑多普勒矩阵，推算出目标的径向速度估计值以及目标角度估计值；3)根据目标的径向速度估计值以及目标角度估计值，构造虚拟阵列；4)对虚拟阵列进行目标检测。本发明具有对横向穿越目标进行有效精准检测、同时能够对植被杂波进行有效抑制等优点。

Description

周界安防雷达横向穿越目标检测方法、系统、介质及设备
技术领域
本发明主要涉及雷达检测技术领域，具体涉及一种周界安防雷达横向穿越目标检测方法、系统、介质及设备。
背景技术
安防雷达是国内外安防领域的一个热点研究方向。随着科技不断进步，不法分子手段的不断提升，传统的安防手段在周界区域安防领域显现出了诸多弊端，无法提供坚实的保障，如：主动红外探测器无法区分小动物和飘落树叶等虚假目标，而且无法实现面的监控，不适合整体空间布防类型；被动红外探测器只能识别与周围有温差的目标，当附近环境温度上升时，环境温度与人体温度接近时，探测器的识别概率会下降，甚至出现短暂的失灵；泄露电缆/振动电缆容易被越过，而且维护成本较高；视频监控的监控效果受风、雨、雪、雾天气影响大，受光线限制大，无法实现全天时全天候工作，而且无法识别伪装目标。概括来说就是不适合大面积布防、且成本高、监测效果受环境影响严重。
基于传统安防方案在周界区域安防领域的种种缺陷，毫米波雷达在周界区域安防领域的应用得到了广泛关注。安防毫米波雷达以其探测距离远、覆盖面积大、无视雨雪环境影响、无视光线影响、全天候工作、抗干扰能力强、实时提供目标方位属性信息、架设简单、维护成本低等优点，在周界/区域安防中显示出了巨大的优势。像油库、监狱、机场等需构建周界/区域安防的重要场所，每出现一次安防事故都会带来巨大的影响。这些场景中，最难解决的就是横向穿越目标检测，而周界应用中却又对横向穿越目标最感兴趣。
具体地，雷达周界安全防护系统可在周界内外形成立体感应空间，实时监测可疑入侵目标的距离、角度和速度，具备动态目标跟踪及路径显示功能，从而能更精确的引导安保人员出警，大大提高了监视人员的工作效率。周界安防典型的应用场景包括机场、港口、住宅小区、车站、炼油厂及管道、监狱以及住宅小区等，在需要防护的区域外围形成包围，应用场景如图1所示。
应用区域典型特征为有高墙、临近建筑物，以及有铁丝网，周界雷达监控区域一般较为干净，地面无太大的树，只有一些低矮的植物，以及一些小草，但依然会影响雷达的虚警概率，形成误报警。由于应用场景特殊性，监控区域为一个长条性的窄区域，而目标横穿该区域的可能性较大，再加上横穿典型值仅为3米左右，所以需要对其进行快速响应。典型周界雷达的环境如图2所示。
为了避免出现过多虚警，一般目标检测门限将不可设置太低，但这将形成一个严重问题，也就是对于横穿目标检测概率将大幅下降。这是因为，在雷达信号处理中，为了抑制强的地杂波，目标检测采用动目标检测方法，但是动目标检测会大幅下降横穿目标的回波信噪比，从而形成漏检。从周界雷达的应用场景来看，其最重要的目标即为横向穿越目标，目标快速穿越边界，需要雷达能够稳定检测。
另外，由于受成本限制，阵列天线尺寸一般不大，如常用的为1发2收或者1发4收，也即接收端仅有2个或者4个阵元，受接收口径限制使得目标对于横向穿越的人物目标无法进行有效探测，也无法对人物目标和植被目标进行有效区分。
发明内容
本发明要解决的技术问题就在于：针对现有技术存在的技术问题，本发明提供一种对横向穿越目标进行有效稳定检测及精确感知的周界安防雷达横向穿越目标检测方法、系统、介质及设备。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种周界安防雷达横向穿越目标检测方法，包括步骤：
1)获取当前相干处理间隔内各个阵元的角度-多普勒矩阵；
2)根据角度-多普勒矩阵，推算出目标的径向速度估计值
Figure BDA0002575378600000021
以及目标角度估计值
Figure BDA0002575378600000022
3)根据目标的径向速度估计值
Figure BDA0002575378600000023
以及目标角度估计值
Figure BDA0002575378600000024
构造虚拟阵列；
4)对虚拟阵列进行目标检测。
优选地，步骤3)的具体过程为：
3.1)根据目标的径向速度估计值
Figure BDA0002575378600000025
以及目标角度估计值
Figure BDA0002575378600000026
反推目标的横穿速度
Figure BDA0002575378600000027
3.2)基于目标的横穿速度
Figure BDA0002575378600000028
计算不同相干处理间隔之间的相对运动距离估计值
Figure BDA0002575378600000029
其中TCPI为相干处理间隔周期；
3.3)计算M个相干处理间隔的角度-多普勒矩阵，基于相对运动距离估计值
Figure BDA00025753786000000210
构造虚拟阵列。
优选地，步骤1)的具体过程为：
1.1)采用动目标显示方法或动目标检测方法对回波信号进行地面强杂波对消；
1.2)将对消后的回波信号进行处理，得到角度-多普勒矩阵。
优选地，在步骤2)中，采用低门限的恒虚警概率检测方法对角度-多普勒矩阵进行检测，得到目标的径向速度估计值
Figure BDA00025753786000000211
优选地，步骤4)的具体过程为：
4.1)对虚拟阵列进行恒虚警概率检测，得到目标的速度和距离；
4.2)进行目标角度估计。
优选地，在步骤4.2)中，通过基于数字波束形成的角度估计方法，得到目标角度估计值。
优选地，在步骤4)之后，将目标信息进行跟踪滤波和航迹管理后，再进行显示。
本发明还公开了一种周界安防雷达横向穿越目标检测系统，包括：
获取模块，用于获取当前相干处理间隔内各个阵元的角度-多普勒矩阵；
推算模块，用于根据角度-多普勒矩阵，推算出目标的径向速度估计值
Figure BDA0002575378600000031
以及目标角度估计值
Figure BDA0002575378600000032
构造模块，用于根据目标的径向速度估计值
Figure BDA0002575378600000033
以及目标角度估计值
Figure BDA0002575378600000034
构造虚拟阵列；
检测模块，用于对虚拟阵列进行目标检测。
本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法的步骤。
本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法的步骤。
与现有技术相比，本发明的优点在于：
本发明通过目标和雷达之间的相对运动，将多个相干处理周期(CPI)的回波数据合成一个大孔径的虚拟阵列，再基于此虚拟阵列进行处理(目标检测及角度估计)，可显著提升阵列尺寸、提升横穿弱目标的信噪比、提高角度估计精度以及改善角度分辨率，可实现周界安防毫米波雷达对横向穿越目标的有效稳定检测及精确感知，为后续的目标跟踪和识别提供了更多的知识辅助，同时能够对植被杂波进行有效抑制。
本发明针对疑似目标，假定此目标是实际存在的，通过合成虚拟孔径，在通过对构造的虚拟孔径处理来判断目标是否真实存在；鉴于人运动的连续性，阵列输出增益极高，而植被随风摆动时具有很大随机性和反复性，合成增益较低，可以抑制植被杂波，进而有效探测人横穿周界能力。
附图说明
图1为周界雷达应用场景图。
图2为典型周界雷达环境示意图。
图3为经典FMCW发射序列图。
图4为毫米波雷达的工作流程图。
图5为距离-多普勒矩阵获取方法示意图。
图6为目标横穿时的多普勒谱图。
图7为目标横穿时的MTI滤波器曲线图。
图8为目标横穿示意图。
图9为等效为雷达运动的示意图。
图10为多个CPI形成虚拟阵列的示意图。
图11为本发明的方法在实施例的流程图。
具体实施方式
以下结合说明书附图和具体实施例对本发明作进一步描述。
现先就毫米波雷达的工作原理进行说明：
毫米波雷达发射多个周期的频率调制连续波(FMCW，Frequency ModulationContinuous Wave)信号，每一个扫频周期为Tchirp，可以对于多目标场景中的每个目标同时进行距离和径向速度测量，发射的波形如图3所示。
其中脉冲重复周期是一个重要的参数，一个短时的Tchirp其回波信号去斜后的信号频率fB为一个负的频率。回波信号混频后，基带信号通过FFT可以测量差频信号fB。目标距离R可以通过差频信号fB和相对延迟τ，目标距离R为：
Figure BDA0002575378600000041
其中c表示光速，Tchirp和fSW表示重复周期和信号带宽。
毫米波雷达发射多个脉冲的线性调频信号(LFM，Linear Frequency Modulation)信号，对每一个脉冲进行采样，进行距离维傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)，得到距离维处理结果。对于每一个脉冲进行类似处理，再对应于某一个距离单元，对多个脉冲的回波进行速度维FFT处理，也即进行第二次FFT处理，此时可以得到一个距离-多普勒矩阵。
在得到距离-多普勒矩阵之后，采用恒虚警概率(CFAR，Constant False AlarmRatio)检测算法进行目标检测，此时得到的目标参数信息包括目标距离和速度，得到检测的目标结果后，在多个阵元之间进行目标角度估计，得到目标以上的参数信息后，进行目标的跟踪滤波和航迹管理。
目标检测、角度估计(DOA，Degree of Arrival)、目标跟踪以及航迹管理模块如图4所示。首先进行目标检测，判定是否存在目标，在得到确切的目标时，启动目标角度估计模块进行角度估计，采用的方法可以使用传统的波束扫描FFT方法，也可以采用一些超分辨算法如MUSIC(Multiple SIgnal Classification)算法等，得到目标的以上信息后，将信息输入跟踪滤波模块以及航迹管理模块，将目标信息最终显示在终端呈现给用户。
如图11所示，本实施例的周界安防雷达横向穿越目标检测方法，包括步骤：
1)获取当前相干处理间隔(简称CPI)内各个阵元的角度-多普勒矩阵；
2)根据角度-多普勒矩阵，推算出目标的径向速度估计值
Figure BDA0002575378600000051
以及目标角度估计值
Figure BDA0002575378600000052
3)根据目标的径向速度估计值
Figure BDA0002575378600000053
以及目标角度估计值
Figure BDA0002575378600000054
构造虚拟阵列；
4)对虚拟阵列进行目标检测。
本实施例中，步骤3)的具体过程为：
3.1)根据目标的径向速度估计值
Figure BDA0002575378600000055
以及目标角度估计值
Figure BDA0002575378600000056
反推目标的横穿速度
Figure BDA0002575378600000057
3.2)基于目标的横穿速度
Figure BDA0002575378600000058
计算不同相干处理间隔之间的相对运动距离估计值
Figure BDA0002575378600000059
其中TCPI为相干处理间隔周期；
3.3)计算M个相干处理间隔的角度-多普勒矩阵，基于相对运动距离估计值
Figure BDA00025753786000000510
构造虚拟阵列。
在一具体实施例中，目标横穿如图8所示，其中雷达位于P3位置，目标从P1运动到P2，也就是运动方向垂直于雷达阵列的法线方向。基于相互运动的几何关系，以上运动可以等效为目标不动，而雷达运动，如图9所示。
基于这种运动特性，则可以构成一个极大的虚拟孔径。假设一个雷达阵列包含了N个实际阵元，一个CPI内可以得到N个阵元的回波，在下一个CPI内，又可以得到N个阵元的回波，若一共提取了M个CPI，则可以形成一个包含MN个阵元的虚拟阵列，如图10所示。
以此虚拟阵列进行目标检测和角度估计(DOA)，性能都将极大提升。
从图10中可以看出，形成虚拟阵列的一个前提是速度v已知的，若v未知，则无法得到不同CPI之间的相对运动距离dm。
在实际应用中，v是通过群举搜索的，在第一步的角度-多普勒矩阵初步检测中得到的初步检测结果以及DOA估计结果，反推计算得到一个v的估计值，也即
Figure BDA00025753786000000511
再基于
Figure BDA00025753786000000512
计算dm的估计值
Figure BDA00025753786000000513
基于
Figure BDA00025753786000000514
形成虚拟阵列。
本发明通过目标和雷达之间的相对运动，将多个相干处理周期(CPI)的回波数据合成一个大孔径的虚拟阵列，再基于此虚拟阵列进行处理(目标检测及角度估计)，可显著提升阵列尺寸、提升横穿弱目标的信噪比、提高角度估计精度以及改善角度分辨率，可实现周界安防毫米波雷达对横向穿越目标的有效稳定检测及精确感知，为后续的目标跟踪和识别提供了更多的知识辅助，同时能够对植被杂波进行有效抑制。
本实施例中，步骤1)的具体过程为：
1.1)采用动目标显示方法或动目标检测方法对回波信号进行地面强杂波对消；
1.2)将对消后的回波信号进行处理，得到角度-多普勒矩阵。
具体地，毫米波雷达发射LFM连续波信号，发射多个脉冲，毫米波雷达单个阵元距离-多普勒矩阵获取如图5所示，即通过两次FFT处理得到，第一次FFT处理对应于每个脉冲的距离维回波，得到对应于各个距离单元的输出，再进行第二次FFT处理也即多普勒处理(即实现动目标检测功能)，此时可以得到一个二维距离-多普勒矩阵。
由于在低慢小目标的检测过程中，由于其杂波背景环境的影响，使目标信息被淹没，从而不能有效的检测出目标信息。对于低慢小目标，考虑到它的速度比较低，回波的多普勒频率也较小，而杂波谱展宽也会影响其检测性能。因此，在对低慢小目标的回波进行信号处理的过程中，去除杂波提取出目标分量，即杂波抑制技术，将尤为重要。故在进行第一级FFT之前，采用动目标显示(MTI)和动目标检测(MTD)方法进行地面强杂波对消，对消掉大部分静止地杂波。
对每个阵元均进行以上处理，假设接收阵元共有N个，共计可以得到N个距离-多普勒矩阵。当目标进行横穿时，虽然目标有可能运动速度较快，但是相对速度非常小，观察横穿的多普勒频率呈现以下特征，如图6所示；上述MTI脉冲对消方式，会对低速目标的信噪比形成极大影响，如图7所示。
本实施例中，在步骤2)中，采用低门限的恒虚警概率检测方法对角度-多普勒矩阵进行检测，得到目标的径向速度估计值
Figure BDA0002575378600000061
在进行检测时，针对每一个距离环上的每一个多普勒单元进行CFAR检测。在常规处理时，为了避免太多虚警，在CFAR检测时门限设置一般较高，以此来滤除植被杂波。为了降低后续计算量，首先进行第一次低门限初步检测，该检测步骤目的在于排除那些最不可能是目标的单元，而把真实目标以及疑似目标的所有单元全部输出。
本实施例中，步骤4)的具体过程为：
4.1)对虚拟阵列进行恒虚警概率检测，得到目标的速度和距离；
4.2)通过基于数字波束形成的角度估计方法，得到目标角度估计值。
在步骤4)之后，将目标信息进行跟踪滤波和航迹管理后，通过显示终端将上述目标信息呈现给用户。
下面结合一完整具体的实施例对上述方法做进一步说明：
第一步：获取当前相干处理间隔(CPI：Coherent Processing Interval)内各个阵元的角度-多普勒矩阵；
第二步：进行目标初步检测，旨在减少后面计算复杂度；该步骤为可选，如果计算资源充足，则可不进行初步检测；
第三步：计算检测得到的疑似目标的速度值，根据检测单元在每个角度-多普勒矩阵中的位置，即可推算目标的径向速度值
Figure BDA0002575378600000071
第四步：根据一个CPI内各个阵元的角度-多普勒矩阵，则可以计算疑似目标的角度粗略估计值
Figure BDA0002575378600000072
第五步：根据目标的径向速度估计值以及目标角度的估计值，反推目标可能的横穿速度
Figure BDA0002575378600000073
第六步：共计算M个CPI的角度-多普勒矩阵；
第七步：按照
Figure BDA0002575378600000074
构造虚拟阵列，其中TCPI为CPI周期；
第八步：目标CFAR检测；
第九步：目标高分辨率角度估计，由于此时合成的虚拟口径极大，即使通过常规的基于数字波束形成的角度估计方法，也可得到较高分辨率和高精度的角度估计值。
本发明在没有目标精确运动信息的条件下，通过目标的径向速度估计值以及目标角度估计值得到横穿速度估计值，并进行假定存在目标再进行校验的方法，实现稳定解决横向穿越目标。本发明针对疑似目标，首先假定此目标是实际存在的，通过合成虚拟孔径，在通过对构造的虚拟孔径处理来判断目标是否真实存在；鉴于人运动的连续性，阵列输出增益极高，而植被随风摆动时具有很大随机性和反复性，合成增益较低，可以抑制植被杂波，进而有效探测人横穿周界能力。
上文各标准名称以及解释如下：雷达反射截面积(RCS，Radar Cross Section)；相干处理周期(CPI，Coherent Processing Interval)；频率调制连续波(FMCW，FrequencyModulation Continuous Wave)；线性调频信号(LFM，Linear Frequency Modulation)；傅里叶变换(FFT，Fast Fourier Transform)；恒虚警概率(CFAR，Constant False AlarmRatio)；角度估计(DOA，Degree of Arrival)。
本发明还公开了一种周界安防雷达横向穿越目标检测系统，包括：
获取模块，用于获取当前相干处理间隔内各个阵元的角度-多普勒矩阵；
推算模块，用于根据角度-多普勒矩阵，推算出目标的径向速度估计值
Figure BDA0002575378600000075
以及目标角度估计值
Figure BDA0002575378600000081
构造模块，用于根据目标的径向速度估计值
Figure BDA0002575378600000082
以及目标角度估计值
Figure BDA0002575378600000083
构造虚拟阵列；
检测模块，用于对虚拟阵列进行目标检测。
本发明的检测系统，用于执行如上所述的方法，同样具有如上方法所述的优点。
本发明进一步公开了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法的步骤。本发明还公开了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如上所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法的步骤。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-OnlyMemory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一个计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、U盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(ROM，Read-Only Memory)、随机存取存储器(RAM，Random Access Memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。
以上仅是本发明的优选实施方式，本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例，凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理前提下的若干改进和润饰，应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种周界安防雷达横向穿越目标检测方法，其特征在于，包括步骤：
1)获取当前相干处理间隔内各个阵元的角度-多普勒矩阵；
2)根据角度-多普勒矩阵，推算出目标的径向速度估计值
Figure FDA0002575378590000011
以及目标角度估计值
Figure FDA0002575378590000012
3)根据目标的径向速度估计值
Figure FDA0002575378590000013
以及目标角度估计值
Figure FDA0002575378590000014
构造虚拟阵列；
4)对虚拟阵列进行目标检测。
2.根据权利要求1所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法，其特征在于，步骤3)的具体过程为：
3.1)根据目标的径向速度估计值
Figure FDA0002575378590000015
以及目标角度估计值
Figure FDA0002575378590000016
反推目标的横穿速度
Figure FDA0002575378590000017
3.2)基于目标的横穿速度
Figure FDA0002575378590000018
计算不同相干处理间隔之间的相对运动距离估计值
Figure FDA0002575378590000019
其中TCPI为相干处理间隔周期；
3.3)计算M个相干处理间隔的角度-多普勒矩阵，基于相对运动距离估计值
Figure FDA00025753785900000110
构造虚拟阵列。
3.根据权利要求1所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法，其特征在于，步骤1)的具体过程为：
1.1)采用动目标显示方法或动目标检测方法对回波信号进行地面强杂波对消；
1.2)将对消后的回波信号进行处理，得到角度-多普勒矩阵。
4.根据权利要求1或2或3所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法，其特征在于，在步骤2)中，采用低门限的恒虚警概率检测方法对角度-多普勒矩阵进行检测，得到目标的径向速度估计值
Figure FDA00025753785900000111
5.根据权利要求1或2或3所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法，其特征在于，步骤4)的具体过程为：
4.1)对虚拟阵列进行恒虚警概率检测，得到目标的速度和距离；
4.2)进行目标角度估计。
6.根据权利要求5所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法，其特征在于，在步骤4.2)中，通过基于数字波束形成的角度估计方法，得到目标角度估计值。
7.根据权利要求1或2或3所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法，其特征在于，在步骤4)之后，将目标信息进行跟踪滤波和航迹管理后，再进行显示。
8.一种周界安防雷达横向穿越目标检测系统，其特征在于，包括：
获取模块，用于获取当前相干处理间隔内各个阵元的角度-多普勒矩阵；
推算模块，用于根据角度-多普勒矩阵，推算出目标的径向速度估计值
Figure FDA0002575378590000021
以及目标角度估计值
Figure FDA0002575378590000022
构造模块，用于根据目标的径向速度估计值
Figure FDA0002575378590000023
以及目标角度估计值
Figure FDA0002575378590000024
构造虚拟阵列；
检测模块，用于对虚拟阵列进行目标检测。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1～7中任意一项所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法的步骤。
10.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序在被处理器运行时执行如权利要求1～7中任意一项所述的周界安防雷达横向穿越目标检测方法的步骤。
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