CN113820680B - 一种基于协方差的多帧海陆雷达回波分割方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种基于协方差的多帧海陆雷达回波分割方法，通过从海面扫描区域获取当前帧的回波数据信息的缠绕相位进行解缠绕以及平滑处理，计算相位差序列，使用滑窗获取当前帧的下一帧的第二回波信号序列，计算相位差序列以及第二回波信号序列的协方差，确定当前帧中的每个分辨单元的协方差元素，组成协方差矩阵；在协方差矩阵的统计直方图中确定波谷对应的阈值，根据阈值对协方差矩阵设置与海陆图像特征对应的元素值，最终根据元素值还原二维图像。本发明利用了相邻两帧的回波相位信息计算协方差矩阵从而确定区分海陆区域的阈值，以使还原的二维图像中海陆特征区域区分更加准确，提高回波数据信息与二维图像的一致性，同时提高分类的稳定性。

Description

一种基于协方差的多帧海陆雷达回波分割方法

技术领域

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种基于协方差的多帧海陆雷达回波分割方法。

背景技术

在沿海岛屿以及河流湖泊较多的国家，为了更好的挖掘与保护丰富的海洋资源，对海域以及海面的探测、检测尤为重要。

雷达是海域探测或检测的常用手段。雷达接收的探测场景的回波由连片的陆地区域的地面回波-地杂波、连片的海洋区域的雷达回波-海杂波、海面目标雷达回波、岛礁回波混合雷达接收机的噪声构成。其中，地杂波回波强度较大，使对海雷达目标检测结果收到严重影响，复杂的探测场景和杂波特性构成了海面目标检测的主要障碍。

为了解决主要障碍，对回波进行雷达海陆分割。雷达海陆分割的原理是按照探测场景的雷达回波把探测场景分给为陆地区域和海杂波占优区域。在海洋区域的自适应检测中，陆地、岛礁杂波对于海杂波特性估计构成了高功率的异常样本，将严重影响海杂波统计特性的估计和后续的目标检测性能。

由于雷达接收到的回波序列具有时域功率特性和频域多普勒特性，即回波序列包含功率信息和相位信息。传统的分割方法是基于单帧的某个特性统计量。由于在地杂波和海杂波混合的复杂杂波场景中，杂波回波功率在大的动态范围内变化，仅依靠回波功率进行海陆场景分割其准确性并不高。同时，由于海洋环境和雷达参数的影响，海杂波呈现复杂的特性变化，基于单帧回波相位信息的海陆分割方法，难以保证各种环境下的稳定性。

发明内容

为了解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供了一种基于协方差的多帧海陆雷达回波分割方法。本发明要解决的技术问题通过以下技术方案实现：

本发明提供的一种基于协方差的多帧海陆雷达回波分割方法包括：

步骤1：获取雷达向海面扫描区域发射信号后，扫描区域反射当前帧的回波数据信息；

其中，当前帧包括多个第一分辨单元，每个第一分辨单元中包括由多个脉冲回波信号组成的第一回波信号序列，回波数据信息包括杂波数据以及目标回波数据，所述杂波数据包括海杂波数据以及地杂波数据，回波数据信息包括缠绕相位以及幅度；

步骤2：针对当前帧，对每个第一分辨单元中的回波信号序列的缠绕相位进行解缠绕，得到解缠绕后的相位序列；

步骤3：对所述解缠绕后的相位序列进行平滑处理；

步骤4：将平滑处理之后的相位序列中的每一个相位与前一个相位作差，获得相位差序列；

步骤5：在当前帧作为固定帧，使用滑窗获取固定帧的下一帧的每个第二分辨单元以及第二分辨单元中的多个脉冲回波信号组成的第二回波信号序列；

步骤6：针对每个第一分辨单元，计算该第一分辨单元的相位差序列与每个第二分辨单元中第二回波信号序列的协方差，选择最大的协方差作为该第一分辨单元对应的协方差元素；

步骤7：将第一分辨单元对应的协方差元素按序组成协方差矩阵；

步骤8：在所述协方差矩阵的统计直方图确定波谷，将该波谷确定为分割多帧海陆雷达回波的阈值；

步骤9：针对当前帧，当所述第一分辨单元对应的协方差元素大于所述阈值，则该协方差元素设置为0，当所述第一分辨单元对应的协方差元素不大于所述阈值，则将所述协方差元素设置为1，获得重新设置的协方差矩阵；

步骤10：根据重新设置的协方差矩阵，还原扫描区域的二维图像。

可选的，所述步骤2包括：

步骤21：针对当前帧，将每个分辨单元中的回波信号序列的缠绕相位组成缠绕相位序列；

步骤22：在所述缠绕相位序列中确定最近一个解缠绕后的缠绕相位，将该缠绕相位作为真实相位；

步骤23：针对所述真实相位后的下一个缠绕相位，求解该缠绕相位与所述真实相位的第一相位差；

步骤24：对所述第一相位差进行处理，以使所述第一相位差处于一个固定范围内；

其中，所述固定范围为(-π+λ，π-λ)；

步骤25：将真实相位与所述第一相位差之和确定为，所述真实相位后的下一个缠绕相位的真实值；

步骤26：针对每一个缠绕相位，重复步骤22至步骤25的过程，获得解缠绕后的相位序列。

可选的，所述步骤24包括：

当所述第一相位差大于π-λ，重复将所述第一相位差与2π作差，将差值重新作为第一相位差，直至第一相位差绝对值小于π-λ；

当所述第一相位差小于-π+λ，重复将所述第一相位差与2π作和，将和值重新作为第一相位差，直至第一相位差绝对值小于π-λ；

将π-λ与-π+λ组成的范围确定为规定范围，λ表示固定值。

可选的，所述步骤3包括：

使用高斯平滑处理公式，对所述解缠绕后的相位序列进行平滑处理；

高斯平滑处理公式为：

其中，φ'(k)表示平滑后的相位序列，r为模板半径，模板长度R＝2*r+1，i表示高斯平滑过程中平滑函数的序号，f(i)表示第i个平滑函数，k表示平滑后的相位序列中的相位序号，K表示回波信号序列的脉冲数，φ(k+i)表示平滑前相位序列中的相位序号。

可选的，所述步骤10包括：

将重新设置的协方差矩阵中为0的协方差元素还原为海洋区域，将重新设置的协方差矩阵中为1的协方差元素还原为陆地区域，获得二维图像。

可选的，在所述步骤10之后，所述多帧海陆雷达回波分割方法还包括：

对所述二维图像进行形态学滤波。

本发明提供的一种基于协方差的多帧海陆雷达回波分割方法，通过从海面扫描区域获取当前帧的回波数据信息的缠绕相位进行解缠绕以及平滑处理，计算相位差序列，使用滑窗获取当前帧的下一帧的第二回波信号序列，计算相位差序列以及第二回波信号序列的协方差，确定当前帧中的每个分辨单元的协方差元素，组成协方差矩阵；在协方差矩阵的统计直方图中确定波谷对应的阈值，根据阈值对协方差矩阵设置与海陆图像特征对应的元素值，最终根据元素值还原二维图像。本发明利用了相邻两帧的回波相位信息计算协方差矩阵从而确定区分海陆区域的阈值，以使还原的二维图像中海陆特征区域区分更加准确，提高回波数据信息与二维图像的一致性，同时提高分类的稳定性。

以下将结合附图及实施例对本发明做进一步详细说明。

附图说明

图1是本发明提供的一种基于协方差的多帧海陆雷达回波分割方法的流程图；

图2为使用第一组实测数据，用本发明与现有的基于单帧数据的相位线性度分割后的性能比较图；

图3为使用第二组实测数据，用本发明与现有的基于单帧数据的相位线性度分割后的性能比较图；

图4使用第三组实测数据，用本发明与现有的基于单帧数据的相位线性度的分割厚的性能比较图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明做进一步详细的描述，但本发明的实施方式不限于此。

如图1所示，本发明提供的一种基于协方差的多帧海陆雷达回波分割方法包括：

步骤1：获取雷达向海面扫描区域发射信号后，扫描区域反射当前帧的回波数据信息；

其中，当前帧包括多个第一分辨单元，每个第一分辨单元中包括由多个脉冲回波信号组成的第一回波信号序列，回波数据信息包括杂波数据以及目标回波数据，杂波数据包括海杂波数据以及地杂波数据，回波数据信息包括缠绕相位以及幅度；

本发明可以利用雷达发射机对海面发送信号，利用雷达接收机接收由海面反射回来的回波数据，以获取雷达回波数据信息；该回波数据中包括纯杂波数据和包含目标回波数据，杂波数据又分为海杂波数据和地杂波数据。设一帧回波中，共有M个距离单元，N个波位，积累脉冲数为K。雷达回波数据中的每个元素值均为复数，由于复数的相位周期性，得到的相位值局限于[-π,π)之间，称为缠绕相位，其与真实的相位值相差2π的整数倍，为了获得真实的相位值，必须对缠绕相位进行解缠。

设雷达发射脉冲数为N，计算雷达脉冲回波序列的缠绕相位值可表示为：

其中I，表示雷达回波数据的实部数据，Q表示雷达回波数据的虚部数据；在一个分辨单元内，有一个包含K个缠绕相位值的缠绕相位序列表示为：

步骤2：针对当前帧，对每个第一分辨单元中的回波信号序列的缠绕相位进行解缠绕，得到解缠绕后的相位序列；

解缠绕后的相位序列中表示为：φ(k+1)＝φ(k)+δ(k)。

步骤3：对解缠绕后的相位序列进行平滑处理；

其中，解缠绕后得到一条不平滑相位序列的折线，本发明可采用高斯滤波的方式平滑相位序列。高斯滤波使用高斯函数生成模板，对模板内的数据加权平均得到平滑后的数据。作为本发明一种可选的实施方式，步骤3包括：高斯平滑处理公式为：

其中，φ'(k)表示平滑后的相位序列，r为模板半径，模板长度R＝2*r+1，i表示高斯平滑过程中平滑函数的序号，f(i)表示第i个平滑函数，k表示平滑后的相位序列中的相位序号，K表示回波信号序列的脉冲数，φ(k+i)表示平滑前相位序列中的相位序号。

步骤4：将平滑处理之后的相位序列中的每一个相位与前一个相位作差，获得相位差序列；

其中，计算相位差序列的公式如下：

其中，

为相邻两帧雷达回波数据的脉冲回波相位差。

步骤5：在当前帧作为固定帧，使用滑窗获取固定帧的下一帧的每个第二分辨单元以及第二分辨单元中的多个脉冲回波信号组成的第二回波信号序列；

步骤6：针对每个第一分辨单元，计算该第一分辨单元的相位差序列与每个第二分辨单元中第二回波信号序列的协方差，选择最大的协方差作为该第一分辨单元对应的协方差元素；

步骤7：将第一分辨单元对应的协方差元素按序组成协方差矩阵；

由于弹载雷达是扫描雷达，无法明确得知脉冲的对应关系，所以利用滑窗的方式，在一定区域内滑窗计算相位差序列的协方差矩阵，取最大值标记为该点的协方差值。利用协方差公式如下所示，计算协方差矩阵：

其中，cov(m,n)表示协方差矩阵，

为相邻两帧雷达回波数据的脉冲回波相位差，m表示分辨单元所处波位，n表示分辨单元所处距离单元，WinR表示滑窗半径。

步骤8：协方差矩阵的统计直方图确定波谷，将该波谷确定为分割多帧海陆雷达回波的阈值；

可以理解，经过统计可以得出相邻脉冲回波相差协方差的统计直方图，两峰之间存在低点，所以可以用线性最小二乘法拟合双高斯函数。拟合之后，得到拟合的确切的双高斯函数，双高斯函数两峰值之间的最小值即阈值。

步骤9：针对当前帧，当第一分辨单元对应的协方差元素大于阈值，则该协方差元素设置为0，当第一分辨单元对应的协方差元素不大于阈值，则将协方差元素设置为1，获得重新设置的协方差矩阵；

根据地杂波差序列起伏小且相关性好，所以协方差小，海杂波差序列反之这一性质，将两高斯函数交点视为阈值，比较样本中计算的协方差Cov和阈值T的大小，根据比较结果对协方差矩阵中的协方差元素进行判决。如果Cov≥T，则认为海洋区域，将协方差元素设置为0；如果Cov≤T，则认为陆地区域，将协方差元素设置为1。

步骤10：根据重新设置的协方差矩阵，还原扫描区域的二维图像。

本发明可以将重新设置的协方差矩阵中为0的协方差元素还原为海洋区域，将重新设置的协方差矩阵中为1的协方差元素还原为陆地区域，获得二维图像。

本发明提供的一种基于协方差的多帧海陆雷达回波分割方法，通过从海面扫描区域获取当前帧的回波数据信息的缠绕相位进行解缠绕以及平滑处理，计算相位差序列，使用滑窗获取当前帧的下一帧的第二回波信号序列，计算相位差序列以及第二回波信号序列的协方差，确定当前帧中的每个分辨单元的协方差元素，组成协方差矩阵；在协方差矩阵的统计直方图中确定波谷对应的阈值，根据阈值对协方差矩阵设置与海陆图像特征对应的元素值，最终根据元素值还原二维图像。本发明利用了相邻两帧的回波相位信息计算协方差矩阵从而确定区分海陆区域的阈值，以使还原的二维图像中海陆特征区域区分更加准确，提高回波数据信息与二维图像的一致性，同时提高分类的稳定性。

作为本发明一种可选的实施方式，步骤2包括：

步骤21：针对当前帧，将每个分辨单元中的回波信号序列的缠绕相位组成缠绕相位序列；

步骤22：在缠绕相位序列中确定最近一个解缠绕后的缠绕相位，将该缠绕相位作为真实相位；

步骤23：针对真实相位后的下一个缠绕相位，求解该缠绕相位与真实相位的第一相位差；

步骤24：对第一相位差进行处理，以使第一相位差处于一个固定范围内；

其中，固定范围为(-π+λ，π-λ)；

步骤25：将真实相位与第一相位差之和确定为，真实相位后的下一个缠绕相位的真实值；

步骤26：针对每一个缠绕相位，重复步骤22至步骤25的过程，获得解缠绕后的相位序列。

可以理解，判断缠绕相位序列

的第k+1个值与真实相位序列φ(即已解缠绕的k个相位组成的相位序列)第k个值的差δ(k)，若δ(k)＞π，则δ(k)＝δ(k)-2π，若δ(k)＜-π，则δ(k)＝δ(k)+2π，循环执行直到abs(δ(k))＜π，而雷达回波中常常包含噪声，包含噪声的回波信号其相位差接近于π时，可能会发生相位模糊，因此本发明根据经验选取一个固定值λ对δ(k)进行进一步的判断：若δ(k)＞π-λ，则δ(k)＝δ(k)-2π，若δ(k)＜-π+λ，则δ(k)＝δ(k)+2π。

作为本发明一种可选的实施方式，步骤24包括：

当第一相位差大于π-λ，重复将第一相位差与2π作差，将差值重新作为第一相位差，直至第一相位差绝对值小于π-λ；

当第一相位差小于-π+λ，重复将第一相位差与2π作和，将和值重新作为第一相位差，直至第一相位差绝对值小于π-λ；

将π-λ与-π+λ组成的范围确定为规定范围，λ表示固定值。

作为本发明一种可选的实施方式，在步骤10之后，多帧海陆雷达回波分割方法还包括：

对二维图像进行形态学滤波。

本发明可以通过二值形态学的算子对经过阈值分割后的图像B进行形态学滤波，目的在于滤除海洋区域中尺寸比结构元素小的毛刺或孤立像素点，填充陆地区域尺寸比结构元素小的错误填充部分。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

本实例使用的实测海杂波数据来源于2021年的海航数据，架高80m，海况等级为3级海况，共3组。雷达工作于机扫模式。利用本发明与基于相位线性度的海陆分割方法，在三组数据下对海陆分割性能进行仿真对比，结果如图2-4所示。其中图2为第一组数据下的雷达检测性能比较图；图3为第二组数据下的雷达检测性能比较图；图4为第三组数据下的雷达检测性能比较图；从图2-4可以看出，本发明对海陆区分性能优于现有的基于相位线性度的海陆分割性能。

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种基于协方差的多帧海陆雷达回波分割方法，其特征在于，包括：

步骤1：获取雷达向海面扫描区域发射信号后，扫描区域反射当前帧的回波数据信息；

其中，当前帧包括多个第一分辨单元，每个第一分辨单元中包括由多个脉冲回波信号组成的第一回波信号序列，回波数据信息包括杂波数据以及目标回波数据，所述杂波数据包括海杂波数据以及地杂波数据，回波数据信息包括缠绕相位以及幅度；

步骤2：针对当前帧，对每个第一分辨单元中的回波信号序列的缠绕相位进行解缠绕，得到解缠绕后的相位序列；

步骤3：对所述解缠绕后的相位序列进行平滑处理；

步骤4：将平滑处理之后的相位序列中的每一个相位与前一个相位作差，获得相位差序列；

步骤5：在当前帧作为固定帧，使用滑窗获取固定帧的下一帧的每个第二分辨单元以及第二分辨单元中的多个脉冲回波信号组成的第二回波信号序列；

步骤6：针对每个第一分辨单元，计算该第一分辨单元的相位差序列与每个第二分辨单元中第二回波信号序列的协方差，选择最大的协方差作为该第一分辨单元对应的协方差元素；

步骤7：将第一分辨单元对应的协方差元素按序组成协方差矩阵；

步骤8：在所述协方差矩阵的统计直方图确定波谷，将该波谷确定为分割多帧海陆雷达回波的阈值；

步骤9：针对当前帧，当所述第一分辨单元对应的协方差元素大于所述阈值，则该协方差元素设置为0，当所述第一分辨单元对应的协方差元素不大于所述阈值，则将所述协方差元素设置为1，获得重新设置的协方差矩阵；

步骤10：根据重新设置的协方差矩阵，还原扫描区域的二维图像。

2.根据权利要求1所述的多帧海陆雷达回波分割方法，其特征在于，所述步骤2包括：

步骤21：针对当前帧，将每个分辨单元中的回波信号序列的缠绕相位组成缠绕相位序列；

步骤22：在所述缠绕相位序列中确定最近一个解缠绕后的缠绕相位，将该缠绕相位作为真实相位；

步骤23：针对所述真实相位后的下一个缠绕相位，求解该缠绕相位与所述真实相位的第一相位差；

步骤24：对所述第一相位差进行处理，以使所述第一相位差处于一个固定范围内；

其中，所述固定范围为(-π+λ，π-λ)；

步骤25：将真实相位与所述第一相位差之和确定为，所述真实相位后的下一个缠绕相位的真实值；

步骤26：针对每一个缠绕相位，重复步骤22至步骤25的过程，获得解缠绕后的相位序列。

3.根据权利要求2所述的多帧海陆雷达回波分割方法，其特征在于，所述步骤24包括：

当所述第一相位差大于π-λ，重复将所述第一相位差与2π作差，将差值重新作为第一相位差，直至第一相位差绝对值小于π-λ；

当所述第一相位差小于-π+λ，重复将所述第一相位差与2π作和，将和值重新作为第一相位差，直至第一相位差绝对值小于π-λ；

将π-λ与-π+λ组成的范围确定为规定范围，λ表示固定值。

4.根据权利要求1所述的多帧海陆雷达回波分割方法，其特征在于，所述步骤3包括：

使用高斯平滑处理公式，对所述解缠绕后的相位序列进行平滑处理；

高斯平滑处理公式为：

其中，φ'(k)表示平滑后的相位序列，r为模板半径，模板长度R＝2*r+1，i表示高斯平滑过程中平滑函数的序号，f(i)表示第i个平滑函数，k表示平滑后的相位序列中的相位序号，K表示回波信号序列的脉冲数，φ(k+i)表示平滑前相位序列中的相位序号。

5.根据权利要求1所述的多帧海陆雷达回波分割方法，其特征在于，所述步骤10包括：

将重新设置的协方差矩阵中为0的协方差元素还原为海洋区域，将重新设置的协方差矩阵中为1的协方差元素还原为陆地区域，获得二维图像。

6.根据权利要求1所述的多帧海陆雷达回波分割方法，其特征在于，在所述步骤10之后，所述多帧海陆雷达回波分割方法还包括：

对所述二维图像进行形态学滤波。

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