CN112213705A - 变径圆弧螺旋线Radon变换的高速机动目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明隶属于雷达目标检测跟踪研究领域，适用于解决高速低可观测机动目标帧间非相参积累检测问题。针对高超声速目标微弱、机动、高速等特点给雷达检测带来的挑战，提供了一种变径圆弧螺旋线Radon变换的高速机动目标检测，通过变径圆弧螺旋线对目标机动轨迹建模，通过变径圆弧螺旋线Radon来匹配搜索目标的机动轨迹，实现目标轨迹上能量的非相参积累与检测。该方法用变径圆弧螺旋线对目标机动轨迹建模，克服了传统Hough变换要求目标轨迹为直线的限制，克服了现有椭圆Hough变换、双曲线Hough变换需要在整个量测空间搜索椭圆的问题，减低了搜索参数的个数，便于工程实现。

Description

变径圆弧螺旋线Radon变换的高速机动目标检测方法

技术领域

本发明隶属于雷达目标检测跟踪研究领域，适用于解决低可观测的高速机动目标帧间非相参积累检测问题。

背景技术

高超声速飞行器是一种新型的武器，其具有速度快、机动性强、隐身性高等特点，给雷达探测跟踪带来巨大挑战。

对这类目标，信号长时间积累是一种有效方法，积累分为相参积累和非相参积累，考虑到相参积累受到波束驻留时间、实时性要求等影响，往往难以满足检测需求。因此，在相参积累的基础上再进行扫描帧之间非相参积累是一种解决思路，典型的代表是TBD技术。TBD 技术是一种利用雷达多帧之间的轨迹能量非相参积累的方法，适用于微弱目标检测，Hough 变换方法是其典型代表，但是Hough变换要求目标轨迹为直线，如果不为直线，则积累效率会下降，因此，难以满足高超声速目标高速、机动、微弱的特点。

针对这一问题，本发明提供了一种基于变径圆弧螺旋线Radon变换的高速机动目标检测方法，该方法将目标的一段机动轨迹用一个变径圆弧螺旋线来建模，不同的机动轨迹为不同参数的变径圆弧螺旋线，通过搜索不同螺旋线的参数，找到与目标轨迹相匹配的螺旋线，然后进行能量积累，目标所在的螺旋线参数空间会出现一个能量峰值，通过门限检测，获取这个峰值，进一步通过这个峰值回书找出取得该能量峰值的量测点迹。从而实现了能量的检测。

本发明提供了一种新颖的变径圆弧螺旋线Radon变换的高速机动目标检测方法，传统的 Hough变换可以看作是圆弧半径足够大时的特例。同时该方法考虑了三坐标雷达的距离、方位、俯仰三维量测，通过合适的参数设置，同样适用于距离、方位的二维量测的雷达。在进行轨迹搜索时，将目标的运动轨迹用二次多项式建模，实际应用中可以根据需要对距离、方位、俯仰维度上分别选取不同的多项式来进行建模。

发明内容

针对高速机动目标雷达扫描帧间非相参积累检测问题，提供了一种变径圆弧螺旋线 Radon变换的高速机动目标检测，通过变径圆弧螺旋线对目标机动轨迹建模，通过变径圆弧螺旋线Radon来匹配搜索目标的机动轨迹，实现目标轨迹上能量的非相参积累与检测。本发明解决所述技术问题，采用技术方案步骤如下：

1.变径圆弧螺旋线Radon变换的高速机动目标检测方法，其特征在于包括以下技术措施：

步骤(一)、提取雷达一段时间滑窗内多个扫描帧的量测，离散化雷达量测空间，获取距离-方位-俯仰-帧编号的四维矩阵s(m,n,d,k)，其中m代表距离分辨单元编号，m＝1,2,...,M， M代表距离分辨单元的总数，n代表方位分辨单元编号，n＝1,2,...,N，N代表方位分辨单元总数，d代表俯仰分辨单元编号，d＝1,2,…,D，D代表俯仰分辨单元总数，k代表扫描帧编号， k＝1,2,…,K，K代表扫描帧的总数；

步骤(二)、预先设定一个第一门限，将时间滑窗内所有帧的量测与第一门限比较，找出大于第一门限的量测；

步骤(三)、将径向速度、径向加速度、方位角速度、方位角加速度、俯仰角速度、俯仰角加速度作为搜索参数，以超过第一检测门限的量测作为搜索起点，在扫描帧之间距离-方位-俯仰维度上进行变径圆弧螺旋线Radon变换进行搜索和能量积累，得到能量分布矩阵R(n,m,d)，并进行门限检测；其中变径圆弧螺旋线Radon变换具体步骤如下：

(31)假设N帧的机动目标轨迹在笛卡尔坐标系下的量测为(x(t),y(t),z(t))，该轨迹分别在距离-时间ρ-t_m平面、方位角-时间平面θ-t_m、俯仰角-时间平面

投影，可以分别得到解耦函数ρ(t),θ(t),

分别对这三个函数进行泰勒展开可得

(32)假设轨迹起点对应的时间t为0，初始距离、方位、俯仰分别用r₀、θ₀、

来表示，则搜索轨迹可以表示为

其中，x(t)、y(t)、z(t)为一条变径圆弧螺旋线轨迹

(33)将目标机动轨迹在各个方向上的解耦函数用二次多项式近似，可得

ρ(t)＝v_rt+α_rt²

θ(t)＝v_θt+a_θt²

则搜索轨迹可以近似为

上式中，v_r代表径向速度，α_r代表径向加速度，v_θ代表方位角速度，a_θ代表方位角加速度，

代表俯仰角速度，

代表俯仰角加速度；

(34)选取不同的参数，假设对应的搜索轨迹为h(t)，则可以在参数空间得到能量分布矩阵

(35)求

中每组(n,m,d)参数对应的不同

参数的最大值，得到对应的R(n,m,d)如下

(36)对R(n,m,d)进行门限检测，

步骤(四)、对能量分布矩阵R(n,m,d)进行门限检测，如果有超过门限的信号，则依据该信号回溯找到对应的目标航迹，完成检测。

本发明的有益效果是：

对比现有技术，本技术方案所述的变径圆弧螺旋线Radon变换的高速机动目标检测方法，有益效果在于：

(1)该方法用变径圆弧螺旋线对目标机动轨迹建模，克服了传统Hough变换要求目标轨迹为直线的限制；

(2)该方法以目标第一帧的量测为搜索起点，去搜索变径圆弧螺旋线轨迹，克服了现有椭圆Hough变换、双曲线Hough变换需要在整个量测空间搜索椭圆的问题，减低了搜索参数的个数，便于工程实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉该技术的人在本发明所揭露的技术范围内，可延伸到其他的修改、变化和应用，都应涵盖在本发明的包含范围之内。

附图说明

附图1本发明的方法步骤流程图；

附图2是7帧雷达量测图；

附图3是变径圆弧螺旋线Radon变换后能量积累图；

附图4是目标点迹检测结果图。

具体实施方式

下面结合附图，详细描述本发明的技术方案，参照附图1，本发明的具体步骤包括：

1.变径圆弧螺旋线Radon变换的高速机动目标检测方法，其特征在于包括以下技术措施：

步骤(一)、提取雷达一段时间滑窗内多个扫描帧的量测，离散化雷达量测空间，获取距离-方位-俯仰-帧编号的四维矩阵s(m,n,d,k)，其中m代表距离分辨单元编号，m＝1,2,...,M， M代表距离分辨单元的总数，n代表方位分辨单元编号，n＝1,2,...,N，N代表方位分辨单元总数，d代表俯仰分辨单元编号，d＝1,2,…,D，D代表俯仰分辨单元总数，k代表扫描帧编号， k＝1,2,…,K，K代表扫描帧的总数；

步骤(二)、预先设定一个第一门限，将时间滑窗内所有帧的量测与第一门限比较，找出大于第一门限的量测；

步骤(三)、将径向速度、径向加速度、方位角速度、方位角加速度、俯仰角速度、俯仰角加速度作为搜索参数，以超过第一检测门限的量测作为搜索起点，在扫描帧之间距离-方位-俯仰维度上进行变径圆弧螺旋线Radon变换进行搜索和能量积累，得到能量分布矩阵R(n,m,d)，并进行门限检测；其中变径圆弧螺旋线Radon变换具体步骤如下：

(31)假设N帧的机动目标轨迹在笛卡尔坐标系下的量测为(x(t),y(t),z(t))，该轨迹分别在距离-时间ρ-t_m平面、方位角-时间平面θ-t_m、俯仰角-时间平面

投影，可以分别得到解耦函数ρ(t),θ(t),

分别对这三个函数进行泰勒展开可得

(32)假设轨迹起点对应的时间t为0，初始距离、方位、俯仰分别用r₀、θ₀、

来表示，则搜索轨迹可以表示为

其中，x(t)、y(t)、z(t)为一条变径圆弧螺旋线轨迹

(33)将目标机动轨迹在各个方向上的解耦函数用二次多项式近似，可得

ρ(t)＝v_rt+α_rt²

θ(t)＝v_θt+a_θt²

则搜索轨迹可以近似为

上式中，v_r代表径向速度，α_r代表径向加速度，v_θ代表方位角速度，a_θ代表方位角加速度，

代表俯仰角速度，

代表俯仰角加速度；

(34)选取不同的参数，假设对应的搜索轨迹为h(t)，则可以在参数空间得到能量分布矩阵

(35)求

中每组(n,m,d)参数对应的不同

参数的最大值，得到对应的R(n,m,d)如下

(36)对R(n,m,d)进行门限检测，

步骤(四)、对能量分布矩阵R(n,m,d)进行门限检测，如果有超过门限的信号，则依据该信号回溯找到对应的目标航迹，完成检测。

本发明的效果可以通过以下matlab仿真实验进一步说明：

仿真实验场景设置

假设雷达最大作用距离为600km，方位观测范围为0～360°，最大俯仰角度为20°，距离分辨单元取500m，距离测量误差为200m，方位波束宽度为5°，俯仰波束宽度为5°，方位角测量误差为0.2°，俯仰角测量误差为0.2°，扫描帧数为7帧，目标初始距离为550km，目标径向速度为3400m/s，目标径向加速度为98m/s²，目标RCS为0.05m²，回波信号信噪比SNR为10dB；利用本发明方法进行matlab仿真实验，得到附图2、附图3、附图4所示的实验结果，其中附图2是7帧雷达量测图，附图3是变径圆弧螺旋线Radon变换后能量积累图，附图4是目标点迹检测结果图。

仿真结果及分析：

由附图2可以看出，在10dB情况下，目标淹没在噪声中，利用变径圆弧螺旋线Radon变换处理后，可以从附图3中明显看出能量峰值，附图4可以看出目标被全部正确检测出来，证明了方法的有效性。

Claims (1)

1.变径圆弧螺旋线Radon变换的高速机动目标检测方法，其特征在于包括以下技术措施：

步骤(一)、提取雷达一段时间滑窗内多个扫描帧的量测，离散化雷达量测空间，获取距离-方位-俯仰-帧编号的四维矩阵s(m,n,d,k)，其中m代表距离分辨单元编号，m＝1,2,...,M，M代表距离分辨单元的总数，n代表方位分辨单元编号，n＝1,2,...,N，N代表方位分辨单元总数，d代表俯仰分辨单元编号，d＝1,2,…,D，D代表俯仰分辨单元总数，k代表扫描帧编号，k＝1,2,…,K，K代表扫描帧的总数；

步骤(二)、预先设定一个第一门限，将时间滑窗内所有帧的量测与第一门限比较，找出大于第一门限的量测；

步骤(三)、将径向速度、径向加速度、方位角速度、方位角加速度、俯仰角速度、俯仰角加速度作为搜索参数，以超过第一检测门限的量测作为搜索起点，在扫描帧之间距离-方位-俯仰维度上进行变径圆弧螺旋线Radon变换进行搜索和能量积累，得到能量分布矩阵R(n,m,d)，并进行门限检测；其中变径圆弧螺旋线Radon变换具体步骤如下：

(31)假设N帧的机动目标轨迹在笛卡尔坐标系下的量测为(x(t),y(t),z(t))，该轨迹分别在距离-时间ρ-t_m平面、方位角-时间平面θ-t_m、俯仰角-时间平面

投影，可以分别得到解耦函数ρ(t),θ(t),

分别对这三个函数进行泰勒展开可得

(32)假设轨迹起点对应的时间t为0，初始距离、方位、俯仰分别用r₀、θ₀、

来表示，则搜索轨迹可以表示为

其中，x(t)、y(t)、z(t)为一条变径圆弧螺旋线轨迹

(33)将目标机动轨迹在各个方向上的解耦函数用二次多项式近似，可得

ρ(t)＝v_rt+α_rt²

θ(t)＝v_θt+a_θt²

则搜索轨迹可以近似为

上式中，v_r代表径向速度，α_r代表径向加速度，v_θ代表方位角速度，a_θ代表方位角加速度，

代表俯仰角速度，

代表俯仰角加速度；

(34)选取不同的参数，假设对应的搜索轨迹为h(t)，则可以在参数空间得到能量分布矩阵

(35)求

中每组(n,m,d)参数对应的不同

参数的最大值，得到对应的R(n,m,d)如下

(36)对R(n,m,d)进行门限检测，

步骤(四)、对能量分布矩阵R(n,m,d)进行门限检测，如果有超过门限的信号，则依据该信号回溯找到对应的目标航迹，完成检测。

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