CN113625267B - 基于四维稳态杂波图的强杂波背景下低慢小目标检测方法 - Google Patents

基于四维稳态杂波图的强杂波背景下低慢小目标检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于四维稳态杂波图的强杂波背景下低慢小目标检测方法，其具体步骤包括：杂波图编码管理，从目标回波数据中生成每个方位和俯仰波位组合对应的杂波图，并根据波位对杂波图进行编码管理；对极慢速目标检测时，采用静态杂波图模式，并在规定的时间段内进行电磁环境数据采集；设置杂波图更新条件，杂波图采用定时更新或者根据更新条件进行更新；对每个杂波图的初始的二维矩阵进行赋零操作；启动杂波图建图过程；对杂波图进行更新，得到更新后的杂波图；依次进行数字波束形成、脉冲压缩、MTD处理后，得到幅度谱数据，进行超杂波检测。本发明降低了杂波的检测概率，提升了重杂波条件下低慢小目标检测概率。

Description

基于四维稳态杂波图的强杂波背景下低慢小目标检测方法
技术领域
本发明属于低慢小目标雷达探测领域，具体涉及一种基于四维稳态杂波图的强杂波背景下低慢小目标检测方法。
背景技术
目前，国内外对于“低慢小”无人机的探测及处置手段的研究已有许多相关较为成熟的技术及成果。对于低慢小目标的雷达探测，现有的雷达系统主要存在以下问题：
(1)雷达硬件的动态范围不足，很多雷达在简单空旷的背景条件下可以达到较好的低慢小探测效果，但在城市等强建筑背景回波的情况下，容易存在饱和现象，即硬件设备动态范围较窄。
(2)低慢小目标的低信杂比回波及复杂非均匀背景致使检测难度大。首先，由于低慢小目标飞行高度低，目标回波信号受到强建筑杂波干扰，导致目标信杂(噪)比较低。其次，由于此类目标的RCS较小，致使其回波能量较低并淹没于各种杂波、噪声中难以检测，导致雷达的探测概率在城市等重杂波环境下急剧恶化。
(3)低慢小目标的回波多普勒频率低且与杂波混叠严重。由于低慢小目标飞行速度低，致使其回波信号的多普勒频率靠近零频并且与强地物固定杂波以及慢速杂波存在严重交叠，采用经典动目标显示MTI和动目标检测MTD等频域滤波手段检测时性能严重下降，难以完成对该类目标有效探测。
发明内容
为了克服现有技术中的不足，本发明公开了一种基于四维稳态杂波图的强杂波背景下低慢小目标检测方法，以提高强杂波背景下的低慢小目标发现概率，同时降低杂波泄露引起的虚警概率。
本发明公开了一种基于四维稳态杂波图的强杂波背景下低慢小目标检测方法，其具体步骤包括：
S1，杂波图编码管理，利用低慢小目标探测雷达获取目标回波数据，根据低慢小目标探测雷达扫描范围和波束宽度，对低慢小目标探测雷达发射电磁波的波位进行波位标号，每个方位波位为Ai,俯仰波位为Ej，其中，i＝0,1,…N，i为方位波位序号，N为方位波位总数，j＝0,1,…M，j为俯仰波位序号，M为俯仰波位总数，从目标回波数据中生成每个方位和俯仰波位组合对应的杂波图，并根据波位对杂波图进行编码管理，方位波位Ai和俯仰波位Ej所构成的波位组合对应的杂波图记为
Figure BDA0003215584590000021
每个杂波图用二维矩阵表示，该二维矩阵的矩阵维度为距离r×速度v，矩阵元素为对目标回波数据依次进行数字波束形成、脉冲压缩、MTD处理后得到的幅度谱数据；
S2，对极慢速目标检测时，采用静态杂波图模式，并在规定的时间段内进行电磁环境数据采集；指定杂波图种类，动态杂波图由于一直在进行更新，其包含的当前环境数据占比较大，这对极慢速的图检测效果影响较大，因此对极慢速目标检测时，采用静态杂波图模式，并在规定的时间段内进行电磁环境数据采集，以减小对极慢速目标检测的影响；当对极慢速目标检测要求不高时，也可以采用动态杂波图；杂波图种类包括静态杂波图和动态杂波图；
S3，设置杂波图更新条件，杂波图采用定时更新或者根据更新条件进行更新；
S4，对每个杂波图的初始的二维矩阵进行赋零操作；
S5，启动杂波图建图过程，当低慢小目标探测雷达完成第1圈扫描后，对应的杂波图
Figure BDA0003215584590000022
Figure BDA0003215584590000023
为对在第1圈扫描后的波位组合Ai,Ej下得到的目标回波数据，依次进行数字波束形成、脉冲压缩、MTD处理后得到的幅度谱数据；当低慢小目标探测雷达完成第k圈扫描后，对杂波图进行更新，得到更新后的杂波图为：
Figure BDA0003215584590000024
Figure BDA0003215584590000025
S6，低慢小目标探测雷达进行n圈扫描后，更新后的杂波图为：
Figure BDA0003215584590000031
该计算过程等效为对每圈数据进行等权重平均计算，即：
Figure BDA0003215584590000032
Figure BDA0003215584590000033
即完成对n圈扫描后得到的所有幅度谱数据的平均计算，得到并保存每个波位组合对应的杂波图
Figure BDA0003215584590000034
结束杂波图建图过程，n≥10；
S7，超杂波检测，将低慢小目标探测雷达第m(m>n)圈扫描后得到的目标回波数据，依次进行数字波束形成、脉冲压缩、MTD处理后，得到幅度谱数据，将幅度谱数据与已建立的杂波图
Figure BDA0003215584590000035
进行超杂波检测，即在杂波图中统计环境杂波幅度数据，将幅度谱数据与环境杂波幅度数据进行比较，超过环境杂波背景幅度一定门限即可认为检测出目标，超杂波检测的详细过程包括：
所述的低慢小目标探测雷达扫描完成1圈扫描后得到的某一波位组合下的目标回波数据，该目标回波数据为q×r×v维的三维矢量矩阵Darray，其中，q为接收通道数，r为每个脉冲的距离采样点数，v为脉冲数，对该目标回波数据进行数字波束形成DBF，得到DBF后的两维矢量数据DDBF,在距离维度上对DDBF进行脉冲压缩处理，得到两维脉压后矢量数据DDPC，在脉冲维度上对脉压后矢量数据DDPC进行MTD处理，再对处理结果进行取模处理，得到两维(距离×速度)矢量数据
Figure BDA0003215584590000036
所述的将幅度谱数据与已建立的杂波图
Figure BDA0003215584590000037
进行超杂波检测，雷达进行第m圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处的距离-速度检测标记为：
Figure BDA0003215584590000038
其中，
Figure BDA0003215584590000041
为雷达进行第m圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处得到的包括距离和速度的两维探测数据，
Figure BDA0003215584590000042
为雷达进行第n圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处得到的杂波图，
Figure BDA0003215584590000043
为雷达进行第m圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处得到的探测数据的过杂波门限标记，T为杂波门限。(rp,vq)表示目标的距离-速度刻度值。
对于第m圈扫描后得到的幅度谱与杂波图数据的比值大于门限T时，该距离-速度刻度(rp,vq)处的检测标记取值为1，即该距离-速度刻度处检测出目标，当第m圈扫描后得到的幅度谱与杂波图数据的比值小于门限T时，该距离-速度刻度(rp,vq)处的检测标记取值为0，即该距离-速度刻度处没有检测出目标；门限T的取值根据雷达所处环境的杂波条件，通过对获取的先验环境数据信息进行统计分析得到，即对每个波位(Ai,Ej)处的数据进行幅度统计，得出幅度概率分布数据，根据概率分布数据查找一定虚警概率对应的门限数据。
本发明具有以下有益效果：
本发明通过对周边环境进行长时间充分的自主训练学习，建立多维度的杂波环境感知图，降低了杂波的检测概率，提升了重杂波条件下低慢小目标的检测概率,同时降低杂波泄露引起的虚警概率。
附图说明
图1为低慢小目标速度谱分析图；
图2为本发明的四维杂波图信号处理流程图；
图3为本发明方法的四维杂波图组成示意图；
图4为本发明方法的某波位某刻度杂波幅度(圈间)；
图5为本发明方法的某波位某刻度杂波幅度(圈间)概率分布统计；
图6为本发明方法的某波位某刻度杂波幅度(圈间)概率分布统计；
图7为本发明方法的杂波图检测结果；
图8为传统CFAR检测结果；
图9为本发明方法的杂波图检测结果。
具体实施方式
为了更好的了解本发明内容，这里给出一个实施例。
本发明公开了一种基于四维稳态杂波图的强杂波背景下低慢小目标检测方法，其具体步骤包括：
S1，杂波图编码管理，利用低慢小目标探测雷达获取目标回波数据，根据低慢小目标探测雷达扫描范围和波束宽度，对低慢小目标探测雷达发射电磁波的波位进行波位标号，每个方位波位为Ai,俯仰波位为Ej，其中，i＝0,1,…N，i为方位波位序号，N为方位波位总数，j＝0,1,…M，j为俯仰波位序号，M为俯仰波位总数，从目标回波数据中生成每个方位和俯仰波位组合对应的杂波图，并根据波位对杂波图进行编码管理，方位波位Ai和俯仰波位Ej所构成的波位组合对应的杂波图记为
Figure BDA0003215584590000051
每个杂波图用二维矩阵表示，该二维矩阵的矩阵维度为距离r×速度v，矩阵元素为对目标回波数据依次进行数字波束形成、脉冲压缩、MTD处理后得到的幅度谱数据；
S2，对极慢速目标检测时，采用静态杂波图模式，并在规定的时间段内进行电磁环境数据采集；指定杂波图种类，动态杂波图由于一直在进行更新，其包含的当前环境数据占比较大，这对极慢速的图检测效果影响较大，因此对极慢速目标检测时，采用静态杂波图模式，并在规定的时间段内进行电磁环境数据采集，以减小对极慢速目标检测的影响；当对极慢速目标检测要求不高时，也可以采用动态杂波图；
S3，设置杂波图更新条件，杂波图采用定时更新或者根据更新条件进行更新；图4、图5、图6中的试验数据表明，当天气条件变化不大时，杂波幅度波动变化较小，杂波图更新的频率可设置为半天1次；所述的根据更新条件进行更新，是指在天气条件变换较快的情况下；
S4，对每个杂波图的初始的二维矩阵进行赋零操作；
S5，启动杂波图建图过程，当低慢小目标探测雷达完成第1圈扫描后，对应的杂波图
Figure BDA0003215584590000061
Figure BDA0003215584590000062
为对在第1圈扫描后的波位组合Ai,Ej下得到的目标回波数据，依次进行数字波束形成、脉冲压缩、MTD处理后得到的幅度谱数据；当低慢小目标探测雷达完成第k圈扫描后，对杂波图进行更新，得到更新后的杂波图为：
Figure BDA0003215584590000063
Figure BDA0003215584590000064
S6，低慢小目标探测雷达进行n圈扫描后，更新后的杂波图为：
Figure BDA0003215584590000065
该计算过程等效为对每圈数据进行等权重平均计算，即：
Figure BDA0003215584590000066
Figure BDA0003215584590000067
即完成对n圈扫描后得到的所有幅度谱数据的平均计算，得到并保存每个波位组合对应的杂波图
Figure BDA0003215584590000068
结束杂波图建图过程，n≥10；
S7，超杂波检测，将低慢小目标探测雷达第m(m>n)圈扫描后得到的目标回波数据，依次进行数字波束形成、脉冲压缩、MTD处理后，得到幅度谱数据，将幅度谱数据与已建立的杂波图
Figure BDA0003215584590000069
进行超杂波检测，即在杂波图中统计环境杂波幅度数据，将幅度谱数据与环境杂波幅度数据进行比较，超过环境杂波背景幅度一定门限即可认为检测出目标，超杂波检测的详细过程包括：
所述的低慢小目标探测雷达扫描完成1圈扫描后得到的某一波位组合下的目标回波数据，该目标回波数据为q×r×v维的三维矢量矩阵Darray，其中，q为接收通道数，r为每个脉冲的距离采样点数，v为脉冲数，对该目标回波数据进行数字波束形成DBF，得到DBF后的两维矢量数据DDBF,在距离维度上对DDBF进行脉冲压缩处理，得到两维脉压后矢量数据DDPC，在脉冲维度上对脉压后矢量数据DDPC进行MTD处理，再对处理结果进行取模处理，得到两维(距离×速度)矢量数据
Figure BDA00032155845900000610
所述的将幅度谱数据与已建立的杂波图
Figure BDA0003215584590000071
进行超杂波检测，雷达进行第m圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处的距离-速度检测标记为：
Figure BDA0003215584590000072
其中，
Figure BDA0003215584590000073
为雷达进行第m圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处得到的包括距离和速度的两维探测数据，
Figure BDA0003215584590000074
为雷达进行第n圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处得到的杂波图，
Figure BDA0003215584590000075
为雷达进行第m圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处得到的探测数据的过杂波门限标记，T为杂波门限。(rp,vq)表示目标的距离-速度刻度值。
对于第m圈扫描后得到的幅度谱与杂波图数据的比值大于门限T时，该距离-速度刻度(rp,vq)处的检测标记取值为1，即该距离-速度刻度处检测出目标，当第m圈扫描后得到的幅度谱与杂波图数据的比值小于门限T时，该距离-速度刻度(rp,vq)处的检测标记取值为0，即该距离-速度刻度处没有检测出目标；门限T的取值根据雷达所处环境的杂波条件，通过对获取的先验环境数据信息进行统计分析得到，即对每个波位(Ai,Ej)处的数据进行幅度统计，得出幅度概率分布数据，根据概率分布数据查找一定虚警概率对应的门限数据，例如当控制杂波虚警率为10％以下时，查询概率分布中90％对应的门限值T。
图1为低慢小目标速度谱分析图；
图2为本发明的四维杂波图信号处理流程图；
图3为本发明方法的四维杂波图组成示意图；
图4为本发明方法的某波位某刻度杂波幅度(圈间)；
图5为本发明方法的某波位某刻度杂波幅度(圈间)概率分布统计；
图6为本发明方法的某波位某刻度杂波幅度(圈间)概率分布统计；
图7为本发明方法的杂波图检测结果；图7为距离-幅度维视图，按速度维度进行叠放。
图8为传统CFAR检测结果；图8中，横轴为距离维，纵轴为速度维，白色为检测过门限的目标点。
图9为本发明杂波图检测结果；图9中，横轴为距离维，纵轴为速度维，白色为检测过门限的目标点。
本发明的效果可以结合试验数据进行进一步说明：
图4、图5、图6对杂波圈间的幅度波动进行了统计描述，可以看出，杂波在时间上(稳定的外部环境)条件下表现为波动比较集中的分布(可认为为瑞利分布)，其平均值约为135dB(相对值)，落在区间135±5dB的置信度约为70％，以135dB作为杂波背景，10dB作为门限值，则杂波过检测门限的概率约为2％，可大大降低虚警概率，同时提高了对小目标的检测概率(相对于传统CFAR，见图7，图8，图9)。
综上，本发明优于传统的低慢小检测方式，能够有效改善对低慢小目标的检测性能。
以上所述仅为本申请的实施例而已，并不用于限制本申请。对于本领域技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原理之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的权利要求范围之内。

Claims (2)

1.一种基于四维稳态杂波图的强杂波背景下低慢小目标检测方法，其特征在于，其具体步骤包括：
S1，杂波图编码管理，利用低慢小目标探测雷达获取目标回波数据，根据低慢小目标探测雷达扫描范围和波束宽度，对低慢小目标探测雷达发射电磁波的波位进行波位标号，每个方位波位为Ai,俯仰波位为Ej，其中，i＝0,1,…N，i为方位波位序号，N为方位波位总数，j＝0,1,…M，j为俯仰波位序号，M为俯仰波位总数，从目标回波数据中生成每个方位和俯仰波位组合对应的杂波图，并根据波位对杂波图进行编码管理，方位波位Ai和俯仰波位Ej所构成的波位组合对应的杂波图记为
Figure FDA0003412360640000011
每个杂波图用二维矩阵表示，该二维矩阵的矩阵维度为距离r×速度v，矩阵元素为对目标回波数据依次进行数字波束形成、脉冲压缩、MTD处理后得到的幅度谱数据；
S2，对极慢速目标检测时，采用静态杂波图模式，并在规定的时间段内进行电磁环境数据采集；
S3，设置杂波图更新条件，杂波图采用定时更新或者根据更新条件进行更新；
S4，对每个杂波图的初始的二维矩阵进行赋零操作；
S5，启动杂波图建图过程，当低慢小目标探测雷达完成第1圈扫描后，对应的杂波图
Figure FDA0003412360640000012
Figure FDA0003412360640000013
为对在第1圈扫描后的波位组合Ai,Ej下得到的目标回波数据，依次进行数字波束形成、脉冲压缩、MTD处理后得到的幅度谱数据；当低慢小目标探测雷达完成第k圈扫描后，对杂波图进行更新，得到更新后的杂波图为：
Figure FDA0003412360640000014
Figure FDA0003412360640000015
S6，低慢小目标探测雷达进行n圈扫描后，更新后的杂波图为：
Figure FDA0003412360640000021
该计算过程等效为对每圈数据进行等权重平均计算，即：
Figure FDA0003412360640000022
Figure FDA0003412360640000023
即完成对n圈扫描后得到的所有幅度谱数据的平均计算，得到并保存每个波位组合对应的杂波图
Figure FDA0003412360640000024
结束杂波图建图过程，n≥10；
S7，超杂波检测，将低慢小目标探测雷达第m(m>n)圈扫描后得到的目标回波数据，依次进行数字波束形成、脉冲压缩、MTD处理后，得到幅度谱数据，将幅度谱数据与已建立的杂波图
Figure FDA0003412360640000025
进行超杂波检测，即在杂波图中统计环境杂波幅度数据，将幅度谱数据与环境杂波幅度数据进行比较，超过环境杂波背景幅度一定门限即认为检测出目标。
2.如权利要求1所述的基于四维稳态杂波图的强杂波背景下低慢小目标检测方法，其特征在于，超杂波检测的详细过程包括：
所述的低慢小目标探测雷达扫描完成1圈扫描后得到的某一波位组合下的目标回波数据，该目标回波数据为q×s×u维的三维矢量矩阵Darray，其中，q为接收通道数，s为每个脉冲的距离采样点数，u为脉冲数，对该目标回波数据进行数字波束形成DBF，得到DBF后的两维矢量数据DDBF,在距离维度上对DDBF进行脉冲压缩处理，得到两维脉压后矢量数据DDPC，在脉冲维度上对脉压后矢量数据DDPC进行MTD处理，再对处理结果进行取模处理，得到两维(距离×速度)矢量数据
Figure FDA0003412360640000026
所述的将幅度谱数据与已建立的杂波图
Figure FDA0003412360640000027
进行超杂波检测，雷达进行第m圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处的距离-速度检测标记为：
Figure FDA0003412360640000031
其中，
Figure FDA0003412360640000032
为雷达进行第m圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处得到的包括距离和速度的两维探测数据，
Figure FDA0003412360640000033
为雷达进行第n圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处得到的杂波图，
Figure FDA0003412360640000034
为雷达进行第m圈扫描后，扫描至波位(Ai,Ej)处，在距离-速度刻度(rp,vq)处得到的探测数据的过杂波门限标记，T为杂波门限；(rp,vq)表示目标的距离-速度刻度值；
对于第m圈扫描后得到的幅度谱与杂波图数据的比值大于门限T时，该距离-速度刻度(rp,vq)处的检测标记取值为1，即该距离-速度刻度处检测出目标，当第m圈扫描后得到的幅度谱与杂波图数据的比值小于门限T时，该距离-速度刻度(rp,vq)处的检测标记取值为0，即该距离-速度刻度处没有检测出目标；门限T的取值根据雷达所处环境的杂波条件，通过对获取的先验环境数据信息进行统计分析得到，即对每个波位(Ai,Ej)处的数据进行幅度统计，得出幅度概率分布数据，根据概率分布数据查找一定虚警概率对应的门限数据。
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