CN112213706B - 多维数字化波门帧间递进关联的逻辑tbd检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明隶属于雷达目标检测跟踪领域，适用于解决复杂环境下微弱机动目标雷达扫描帧间长时间非相参积累检测问题。针对低信噪比或低信杂比情况下的目标检测跟踪问题，提供了一种多维数字化波门帧间递进关联的逻辑TBD检测方法，通过在离散化的量测空间利用距离‑方位等多维的数字化波门对扫描帧间点迹进行递进寻优，并将搜寻关联的点迹序列进行积累和检测。该方法将传统的逻辑法航迹关联方法和TBD方法相结合，降低了逻辑法航迹关联在密集杂波情况下的计算量和存储量，便于工程实现，克服了传统Hough变换TBD技术要求目标轨迹为直线的限制，理论上适用于任意直线或曲线轨迹目标的检测，机动目标检测能力强。

Description

多维数字化波门帧间递进关联的逻辑TBD检测方法

技术领域

本发明隶属于雷达目标检测跟踪领域，适用于解决复杂环境下微弱机动目标雷达扫描帧 间长时间非相参积累检测问题。

背景技术

现代战争中，雷达面临着海杂波、噪声干扰和隐身目标等复杂环境，使得雷达面临着低 信杂比、低信干比和低信噪比中检测目标的难题。回波信号能量积累检测是一种复杂情况下 小目标检测的有效的方法，积累检测一般分为相参积累、非相参积累等。本发明中提供的是 一种扫描帧间非相参积累检测的方法。

对于复杂情况下的目标检测与跟踪中，常用的方法有逻辑法航迹起始，其基本思想是利 用关联波门以及目标速度的范围对扫描帧间的量测进行关联处理，以起始航迹，常用的方法 有3/4逻辑、2/3逻辑等。传统的逻辑法需要用前一帧的量测或预测的量测与所有量测进行比 较，判断是否有量测落入关联波门，对于低信噪比或信杂比情况，由于需要进行关联判断的 量测数目比较大，因此，在长时间阵间积累时传统逻辑法需要的存储空间剧增、计算量剧增， 难以满足雷达工程需要和实时性需求。

TBD技术是一种用于雷达帧间能量积累检测的有效方法，Hough变换是一种研究最多的 方法，它通过离散化参数空间，使得密级杂波情况下计算量得到有效控制。但是该方法需要 量测在轨迹在一条直线上，由于机动目标在一个较长时间内轨迹可能为一曲线，因此，Hough 变换无法将所有轨迹能量有效积累。并且现有Hough变换TBD的实现方式比较复杂，不利 于工程实现。

结合逻辑法和Hough变换TBD的优点，本发明提供一种多维数字化波门帧间递进关联 的逻辑TBD检测方法，该方法首先离散化量测空间，然后在离散空间内利用数字化波门对相 邻帧之间的可能量测进行关联，通过关联递进实现了多帧之间长时间的关联，并将关联上的 点迹序列进行二值化积累，赋值给对应的离散化参数空间，对积累的能量进行门限检测，则 可以检测出目标轨迹序列。

本发明方法相比现有TBD方法结构简单、计算量小，适合工程应用。适用于任何运动形 式的目标检测。同时，该方法也可以推广用于密级杂波情况下目标跟踪时的数据关联。

发明内容

针对低信噪比或低信杂比情况下的目标检测跟踪问题，提供了一种多维数字化波门帧间 递进关联的逻辑TBD检测方法，通过在离散化的量测空间利用距离-方位等多维的数字化波 门对扫描帧间点迹进行递进寻优，并将搜寻关联的点迹序列进行积累和检测。本发明解决所 述技术问题，采用技术方案步骤如下：

1.多维数字化波门帧间递进关联的逻辑TBD检测方法，其特征在于包括以下技术措施：

步骤一、将雷达量测空间进行离散化处理，获得距离离散单元总数x_n和方位离散单元 总数y_n，其中

式中，r_max为雷达的探测距离，Δ_r代表距离离散单元，Δ_θ代表角度离散单元；

依据x_n、y_n和扫描帧K建立三维矩阵D_r，矩阵大小为x_n×y_n×K，元素初始化全为 0；对应的建立存放量测的元胞数组D_m，元胞数组大小为x_n×y_n×K；

步骤二、将雷达信号进行第一门限检测，获得带有虚假点迹的雷达量测数据；

步骤三、将获得的雷达量测数据进行离散化处理，具体方法为：

将获得的K帧的雷达量测分别存放于元胞数组D_f中，D_f大小为1×K的元胞数组，其中D_f{1,k}存在第k帧的量测，其中1≤k≤K，量测数据按行向量方式排列成一个矩阵，每个量测为一个行向量，分别存储距离、方位角、信号能量；分别计算元胞数组D_f中的各个量 测对应的距离离散单元编号、方位离散单元编号和帧编号，并将对应的矩阵D_r中的元素值 赋为1，然后将该量测存放在该距离离散单元编号、方位离散单元编号和帧编号对应的元胞D_m{·,·,·}中；

步骤四、将所有第一帧的量测点设定为需要进行航迹搜索的起点，具体方法为：

找出D_r[:,:,1]中不为零的点，分别记录其对应的距离离散单元编号、方位离散单元编 号，找到的第一个不为零的数时对应的编号用行向量[距离离散单元编号方位离散单元编号] 记录，再找到其它的不为零的数时，排在第二排，依次类推，构成一个数据矩阵S_p；

步骤五、分别取出矩阵S_p中的每一行，以该行对应的距离离散单元编号、方位离散单 元编号为搜索起点，利用距离-方位二维数字化波门在帧间递进的关联搜索航迹，并将搜索 到的航迹点进行二值化积累，并将积累的结果赋给对应的能量积累矩阵J，并将对应的量测 利用元胞数组J_m进行存储；

步骤六：将矩阵J的元素进行门限检测，对于超过门限的元素，分别记录其对应的距离 离散单元编号、方位离散单元编号，并依据该组编号在元胞数组J_m中找出对应的量测点系 列，将检测出来的量测点系列作为检测出来的航迹输出。

具体的，步骤五中利用距离-方位二维数字化波门在帧间递进的关联搜索航迹，并将搜索 到的航迹点进行二值化积累的具体又可分为以下步骤：

(21)初始化第一帧第i个量测的距离离散单元编号、方位离散单元编号对应的能量E_i为1，定义变量x_n,old，y_n,old为记录上一帧关联上的量测的距离离散单元编号、方位离散单元 编号，初始化时x_n,old，y_n,old分别为第一帧量测的距离离散单元编号、方位离散单元编号；

(22)以上一帧距离离散单元编号x_n,old、方位离散单元编号y_n,old所在的雷达分辨单元为 圆点，按照圆点附近一定数量区域设置为波门，判断下一帧数字化波门内有无量测点，判断 方法为D_r在对应帧内数字化波门内是否有为1的点，如果有，则认为该点为关联上的点迹； 如果有多个点，则将数字化波门内能量最大的量测点作为关联上的点迹；如果数字波门内没 有为1的点，说明没有量测点迹被关联上，则选取圆点所在单元作为关联上的虚拟点迹；找 到关联上点迹对应的距离离散单元编号、方位离散单元编号；

(23)如果关联上的点迹存在，则能量E_i加1

(24)搜索波门中心递进，将上一帧找到关联上点迹对应的距离离散单元编号、方位离 散单元编号对应的赋给x_n,old、y_n,old；

(25)依次执行类似(22)、(23)的步骤，直到第K帧的数据执行完。

本发明的有益效果是：

对比现有技术，本技术方案所述的多维数字化波门帧间递进关联的逻辑TBD检测方法， 有益效果在于：

(1)该方法将传统的逻辑法航迹关联方法和TBD方法相结合，降低了逻辑法航迹关联 在密集杂波情况下的计算量和存储量，便于工程实现；

(2)该方法利用相邻帧之间的波门关联关系进行递进寻优，克服了传统Hough变换TBD 技术要求目标轨迹为直线的限制，理论上适用于任意直线或曲线轨迹目标的检测，机动目标 检测能力强。

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本方法步骤流程图；

附图2是7帧雷达量测；

附图3是离散化量测空间能量积累图；

附图4是检测结果图。

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.多维数字化波门帧间递进关联的逻辑TBD检测方法，其特征在于包括以下技术措施：

步骤一、将雷达量测空间进行离散化处理，获得距离离散单元总数x_n和方位离散单元 总数y_n，其中

式中，r_max为雷达的探测距离，Δ_r代表距离离散单元，Δ_θ代表角度离散单元；

依据x_n、y_n和扫描帧K建立三维矩阵D_r，矩阵大小为x_n×y_n×K，元素初始化全为 0；对应的建立存放量测的元胞数组D_m，元胞数组大小为x_n×y_n×K；

步骤二、将雷达信号进行第一门限检测，获得带有虚假点迹的雷达量测数据；

步骤三、将获得的雷达量测数据进行离散化处理，具体方法为：

将获得的K帧的雷达量测分别存放于元胞数组D_f中，D_f大小为1×K的元胞数组，其中D_f{1,k}存在第k帧的量测，其中1≤k≤K，量测数据按行向量方式排列成一个矩阵，每个量测为一个行向量，分别存储距离、方位角、信号能量；分别计算元胞数组D_f中的各个量 测对应的距离离散单元编号、方位离散单元编号和帧编号，并将对应的矩阵D_r中的元素值 赋为1，然后将该量测存放在该距离离散单元编号、方位离散单元编号和帧编号对应的元胞D_m{·,·,·}中；

步骤四、将所有第一帧的量测点设定为需要进行航迹搜索的起点，具体方法为：

找出D_r[:,:,1]中不为零的点，分别记录其对应的距离离散单元编号、方位离散单元编 号，找到的第一个不为零的数时对应的编号用行向量[距离离散单元编号方位离散单元编号] 记录，再找到其它的不为零的数时，排在第二排，依次类推，构成一个数据矩阵S_p；

步骤五、分别取出矩阵S_p中的每一行，以该行对应的距离离散单元编号、方位离散单 元编号为搜索起点，利用距离-方位二维数字化波门在帧间递进的关联搜索航迹，并将搜索 到的航迹点进行二值化积累，并将积累的结果赋给对应的能量积累矩阵J，并将对应的量测 利用元胞数组J_m进行存储；具体的，步骤五中利用距离-方位二维数字化波门在帧间递进的 关联搜索航迹，并将搜索到的航迹点进行二值化积累的具体又可分为以下步骤：

(51)初始化第一帧第i个量测的距离离散单元编号、方位离散单元编号对应的能量E_i为1，定义变量x_n,old，y_n,old为记录上一帧关联上的量测的距离离散单元编号、方位离散单元 编号，初始化时x_n,old，y_n,old分别为第一帧量测的距离离散单元编号、方位离散单元编号；

(52)以上一帧距离离散单元编号x_n,old、方位离散单元编号y_n,old所在的雷达分辨单元为 圆点，按照圆点附近一定数量区域设置为波门，判断下一帧数字化波门内有无量测点，判断 方法为D_r在对应帧内数字化波门内是否有为1的点，如果有，则认为该点为关联上的点迹； 如果有多个点，则将数字化波门内能量最大的量测点作为关联上的点迹；如果数字波门内没 有为1的点，说明没有量测点迹被关联上，则选取圆点所在单元作为关联上的虚拟点迹；找 到关联上点迹对应的距离离散单元编号、方位离散单元编号；

(53)如果关联上的点迹存在，则能量E_i加1

(54)搜索波门中心递进，将上一帧找到关联上点迹对应的距离离散单元编号、方位离 散单元编号对应的赋给x_n,old、y_n,old；

(55)依次执行类似(52)、(53)的步骤，直到第K帧的数据执行完。

步骤六：将矩阵J的元素进行门限检测，对于超过门限的元素，分别记录其对应的距离 离散单元编号、方位离散单元编号，并依据该组编号在元胞数组J_m中找出对应的量测点系 列，将检测出来的量测点系列作为检测出来的航迹输出。

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

假设雷达扫描帧间隔为2秒，积累帧数为7帧，目标径向速度为3400m/s，面向雷达飞行， 径向加速度为100m/s²，距离离散单元设为10000m，方位离散单元设为5°，雷达量测的距离 误差为200m，角度误差为0.2°，假设雷达各个分辨单元噪声信噪比为8dB，检测门限为7， 距离数字波门和方位波门分别为圆点左右各1格的范围，雷达采用参差重频分别为2ms、2.5ms、

3ms；利用本发明方法进行matlab仿真实验，得到附图2的7帧雷达量测

和附图3和附图4所示的实验结果，其中附图3是离散化量测空间能量积累图，图4是 检测结果图。

仿真结果及分析：

由附图3可以看出，目标点迹二值化积累后，量测空间能量积累图可以看出目标的能量最 高；经过门限检测后从附图4可以看出，目标的点迹也全部正确检测出来了。

本发明方法还可以用于复杂情况下目标跟踪前的量测预处理，减小或消除虚假点迹，让 后续的跟踪滤波更稳定。

Claims (1)

1.多维数字化波门帧间递进关联的逻辑TBD检测方法，其特征在于包括以下技术措施：

步骤一、将雷达量测空间进行离散化处理，获得距离离散单元总数x_n和方位离散单元总数y_n，其中

式中，r_max为雷达的探测距离，Δ_r代表距离离散单元，Δ_θ代表角度离散单元；

依据x_n、y_n和扫描帧K建立三维矩阵D_r，矩阵大小为x_n×y_n×K，元素初始化全为0；对应的建立存放量测的元胞数组D_m，元胞数组大小为x_n×y_n×K；

步骤二、将雷达信号进行第一门限检测，获得带有虚假点迹的雷达量测数据；

步骤三、将获得的雷达量测数据进行离散化处理，具体方法为：

将获得的K帧的雷达量测分别存放于元胞数组D_f中，D_f大小为1×K的元胞数组，其中D_f{1,k}存在第k帧的量测，其中1≤k≤K，量测数据按行向量方式排列成一个矩阵，每个量测为一个行向量，分别存储距离、方位角、信号能量；分别计算元胞数组D_f中的各个量测对应的距离离散单元编号、方位离散单元编号和帧编号，并将对应的矩阵D_r中的元素值赋为1，然后将该量测存放在该距离离散单元编号、方位离散单元编号和帧编号对应的元胞D_m{·,·,·}中；

步骤四、将所有第一帧的量测点设定为需要进行航迹搜索的起点，具体方法为：

找出D_r[:,:,1]中不为零的点，分别记录其对应的距离离散单元编号、方位离散单元编号，找到的第一个不为零的数时对应的编号用行向量[距离离散单元编号方位离散单元编号]记录，再找到其它的不为零的数时，排在第二排，依次类推，构成一个数据矩阵S_p；

步骤五、分别取出矩阵S_p中的每一行，以该行对应的距离离散单元编号、方位离散单元编号为搜索起点，利用距离-方位二维数字化波门在帧间递进的关联搜索航迹，并将搜索到的航迹点进行二值化积累，并将积累的结果赋给对应的能量积累矩阵J，并将对应的量测利用元胞数组J_m进行存储；

利用距离-方位二维数字化波门在帧间递进的关联搜索航迹，并将搜索到的航迹点进行二值化积累的具体又可分为以下步骤：

(51)初始化第一帧第i个量测的距离离散单元编号、方位离散单元编号对应的能量E_i为1，定义变量x_n,old，y_n,old为记录上一帧关联上的量测的距离离散单元编号、方位离散单元编号，初始化时x_n,old，y_n,old分别为第一帧量测的距离离散单元编号、方位离散单元编号；

(52)以上一帧距离离散单元编号x_n,old、方位离散单元编号y_n,old所在的雷达分辨单元为圆点，按照圆点附近一定数量区域设置为波门，判断下一帧数字化波门内有无量测点，判断方法为D_r在对应帧内数字化波门内是否有为1的点，如果有，则认为该点为关联上的点迹；如果有多个点，则将数字化波门内能量最大的量测点作为关联上的点迹；如果数字波门内没有为1的点，说明没有量测点迹被关联上，则选取圆点所在单元作为关联上的虚拟点迹；找到关联上点迹对应的距离离散单元编号、方位离散单元编号；

(53)如果关联上的点迹存在，则能量E_i加1；

(54)搜索波门中心递进，将上一帧找到关联上点迹对应的距离离散单元编号、方位离散单元编号对应的赋给x_n,old、y_n,old；

(55)依次执行类似(52)、(53)的步骤，直到第K帧的数据执行完；

步骤六：将矩阵J的元素进行门限检测，对于超过门限的元素，分别记录其对应的距离离散单元编号、方位离散单元编号，并依据该组编号在元胞数组J_m中找出对应的量测点系列，将检测出来的量测点系列作为检测出来的航迹输出。

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