CN114578384B - 一种用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法 - Google Patents

一种用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法，包括S1、获取激光大气系统的频谱数据，并对频谱数据进行平滑滤波；S2、确定保护单元和参考单元个数；S3、根据检测单元和保护单元，计算检测单元的变化指数；S4、将变化指数与阈值进行比较，并根据比较结果进行恒虚警检测算法选择，以计算每个检测单元的检测门限；S5、当检测单元数值大于所述检测门限时，确定为空速信号并输出。本发明采用二次函数自适应调整保护单元与参考单元来改变检测阈值的算法，解决了激光大气系统在复杂干扰信号下有效探测空速信号的问题，可有效提高微弱空速信号的检测概率，具有较好的实用性。

Description

一种用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法
技术领域
本发明属于激光雷达数据处理的技术领域，具体涉及一种用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法。
背景技术
激光大气系统利用多普勒效应和大气米散射效应进行空速参数的探测，系统的速度探测性能会受到大气成分、大气运动、激光的多路径传输过程及激光器的相对强度噪声和相位噪声等影响，影响系统高精度探测的主要因素包括：硬靶干扰、大气环境特性干扰及系统自身光电特性干扰等。传统目标检测的主要手段是通过人工判断或者设置固定检测阈值，但不同的干扰源具有不同的信号特性，固定检测阈值存在局限，需要针对不同的干扰源设计合适的检测阈值提高系统对于目标信号的有效探测率。
恒虚警算法能根据环境噪声、干扰信号来调整检测阈值大小，各类恒虚警检测算法有各自的适用范围，如单元平均恒虚警（CA-CFAR）算法通过检测单元附近的参考单元的均值来估计干扰信号能量，从而调整检测阈值，在均匀杂波背景下具有较好的检测性能；单元平均取大恒虚警（GO-CFAR）算法取检测应用于杂散波较多的环境中，可以降低杂散信号的误检率；单元平均取小恒虚警（SO-CFAR）算法应用在多目标环境中，能降低有效信号的漏检率；有序统计类恒虚警算法在多目标环境中具有更好的检测性能；有变化指数的恒虚警算法能根据环境噪声不同从而选择不同的CFAR算法。在实际应用中，要针对复杂的背景环境，结合不同种类的恒虚警算法以提高系统整体的检测性能。
激光大气系统有着复杂的应用环境，又受到自身光电特性干扰，且激光大气系统探测到的空速信号信噪比较低，如果使用固定检测阈值或者单一的恒虚警算法，极易对干扰信号造成误检。目前各类型的恒虚警算法应用于激光大气系统中均存在不足，比如单元平均恒虚警算法易将能量较大的激光器强度噪声误检为有效信号，单元平均取大恒虚警算法会对能量较大的干扰信号附近的微弱信号造成漏检。综上，单一恒虚警检测算法易受激光大气系统干扰信号的影响，无法有效检测空速信号。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述不足，提供一种用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法，以解决单一恒虚警检测算法易受激光大气系统干扰信号的影响，无法有效检测空速信号的问题。
为达到上述目的，本发明采取的技术方案是：
一种用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法，其包括以下步骤：
S1、获取激光大气系统的频谱数据，并对频谱数据进行平滑滤波；
S2、确定保护单元和参考单元个数；
S3、根据检测单元和保护单元，计算检测单元的变化指数；
S4、将变化指数与阈值进行比较，并根据比较结果进行恒虚警检测算法选择，以计算每个检测单元的检测门限；
S5、当检测单元数值大于所述检测门限时，确定为空速信号并输出。
进一步地，步骤S1具体包括：
获取激光大气系统的频谱数据，采用汉明窗函数对频谱数据进行平滑滤波，其窗口长度为激光大气系统输出频谱数据总的单元个数除以100后取整。
进一步地，步骤S2包括：
S2.1、确定保护单元个数为两个；
S2.2、参考单元个数为激光大气系统输出频谱数据总的单元个数除以100后取整。
进一步地，步骤S3包括：
S3.1、采用二次函数拟合滤波后的检测单元和左右两个保护单元以作为检测单元的拟合函数
Figure 967436DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 616198DEST_PATH_IMAGE002
其中，x为归一化之后的频谱点数，
Figure 647739DEST_PATH_IMAGE003
分别为拟合函数的二次项系数、一次项系数和常数项系数；
S3.2、根据滤波后的频谱数据滑窗计算每个检测单元的拟合函数；
S3.3、将每个检测单元的拟合函数的二次项系数
Figure 398789DEST_PATH_IMAGE004
作为该检测单元的变化指数VI。
进一步地，步骤S4包括：
S4.1、将检测单元的变化指数VI与阈值进行比较；
若检测单元的变化指数小于第一阈值Ts，则采用单元平均恒虚警算法，保护单元个数减少1个，参考单元个数不变；
若检测单元的变化指数处于第一阈值Ts和第二阈值Tg之间，其中，第二阈值Tg大于第一阈值Ts，则采用单元平均取小恒虚警算法，保护单元个数增加2个，参考单元个数减少3个；
若检测单元的变化指数大于第二阈值Tg，则采用单元平均取大恒虚警算法，保护单元个数增加1个，参考单元的个数减少9个；
S4.2、计算每个检测单元的检测门限V：
Figure 942378DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 804286DEST_PATH_IMAGE006
和
Figure 487071DEST_PATH_IMAGE007
分别为检测单元左右两边参考单元的信号均值；
Figure 429530DEST_PATH_IMAGE008
为左边参考单元的信号幅值，
Figure 463345DEST_PATH_IMAGE009
为右边参考单元的信号幅值，N为参考单元个数；
Figure 860435DEST_PATH_IMAGE010
分别为单元平均恒虚警算法、单元平均取大恒虚警算法、单元平均取小恒虚警算法的乘性因子；
Figure 663306DEST_PATH_IMAGE011
分别为采用单元平均恒虚警算法、单元平均取大恒虚警算法、单元平均取小恒虚警算法计算得到的检测门限；
当使用单元平均恒虚警算法时，检测门限为
Figure 84054DEST_PATH_IMAGE012
；当使用单元平均取大恒虚警算法时，检测门限为
Figure 149705DEST_PATH_IMAGE013
；当使用单元平均取小恒虚警算法时，检测门限为
Figure 415733DEST_PATH_IMAGE014
。
本发明提供的用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法，具有以下有益效果：
本发明方法应用于激光雷达数据处理技术领域，采用二次函数拟合空速信号，将二次项系数作为变化指数；通过对空速特性信号分析，设计了一种利用二次函数自适应调整保护单元与参考单元来改变检测阈值的算法，解决了激光大气系统在复杂干扰信号下有效探测空速信号的问题，可有效提高微弱空速信号的检测概率，具有较好的实用性。
附图说明
图1为本发明的流程图。
图2为激光大气系统频谱信号。
图3为利用二次函数拟合频点信号。
图4为使用本发明方法和单元平均恒虚警（CA-CFAR）算法性能的比较。
具体实施方式
下面对本发明的具体实施方式进行描述，以便于本技术领域的技术人员理解本发明，但应该清楚，本发明不限于具体实施方式的范围，对本技术领域的普通技术人员来讲，只要各种变化在所附的权利要求限定和确定的本发明的精神和范围内，这些变化是显而易见的，一切利用本发明构思的发明创造均在保护之列。
根据本申请的一个实施例，参考图1，本方案的用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法，包括以下步骤：
步骤S1、获取激光大气系统的频谱数据，并对频谱数据进行平滑滤波；
图2为激光大气系统得到的频谱数据，采用汉明窗函数对频谱数据进行平滑滤波，其窗口长度为激光大气系统输出频谱数据总的单元个数除以100后取整。
步骤S2、确定保护单元和参考单元个数，其具体包括：
步骤S2.1、确定保护单元个数为2个；
步骤S2.2、确定参考单元个数为激光大气系统输出频谱数据总的单元个数除以100后取整。
步骤S3、根据检测单元和保护单元，计算检测单元的变化指数，其具体包括：
大气中的分子和气溶胶粒子会对进入大气中的激光进行散射，基于激光散射模型，气溶胶的散射光谱可用高斯函数表示，即采用高斯函数拟合空速信号：
Figure 289755DEST_PATH_IMAGE015
Figure 802776DEST_PATH_IMAGE016
其中，f M (λ)为气溶胶的散射光谱，e为自然常数，λ为发射激光的波长，
Figure 293406DEST_PATH_IMAGE017
为光谱中心对应的波长，
Figure 284496DEST_PATH_IMAGE018
为气溶胶散射信号光谱的标准差，
Figure 78271DEST_PATH_IMAGE019
为发射激光的半高全宽。
激光大气数据系统通过相干探测鉴频得到某时刻整个电子系统采样带宽内的散射信号频谱，其中包括空速多普勒移频信号、直流噪声信号、激光器相对强度噪声和相位噪声及干扰物多普勒噪声信号等。
不同时刻的干扰信号具有不同的频率成分，不能直接对本底噪声进行抑制。如果使用固定检测阈值或者单一的恒虚警算法，极易对干扰信号造成误检，如图2中的激光器强度噪声和相位噪声，这两种噪声信号具有较强的能量，容易超过检测阈值，干扰检测结果。
为准确解算大气矢量信号，从信号频谱中精确地检测出空速多普勒移频信号，空速特性信号满足高斯函数，激光大气数据系统将原始频谱信号取对数后输出，取对之后的空速信号满足二次函数形式，即：
Figure 228105DEST_PATH_IMAGE020
其中，y(x)为空速信号的频谱取对数后的数值，x 0为发射激光的中心波长，
Figure 208962DEST_PATH_IMAGE021
为气溶胶散射信号光谱的标准差；
Figure 3742DEST_PATH_IMAGE022
为圆周率，x为归一化之后的频谱点数；
采用二次函数作为空速信号的拟合函数，具体为采用二次函数拟合滤波后的检测单元和左右两个保护单元以作为检测单元的拟合函数
Figure 852356DEST_PATH_IMAGE001
：
Figure 454982DEST_PATH_IMAGE002
其中，x为归一化之后的频谱点数，
Figure 641244DEST_PATH_IMAGE003
分别为拟合函数的二次项系数、一次项系数和常数项系数；拟合函数对应的拟合曲线如图3所示。
根据滤波后的频谱数据滑窗计算每个检测单元的拟合函数；
利用检测单元和左右各两个保护单元计算二次函数的系数，将每个检测单元的拟合函数的二次项系数
Figure 990448DEST_PATH_IMAGE004
作为该检测单元的变化指数VI。
步骤S4、将变化指数与阈值进行比较，并根据比较结果进行恒虚警检测算法选择，以计算每个检测单元的检测门限，其具体包括：
步骤S4.1、将检测单元的变化指数VI与阈值进行比较；
若检测单元的变化指数小于第一阈值Ts，则采用单元平均恒虚警算法，保护单元个数减少1个，参考单元个数不变；
若检测单元的变化指数处于第一阈值Ts和第二阈值Tg之间，其中，第二阈值Tg大于第一阈值Ts，则采用单元平均取小恒虚警算法，保护单元个数增加2个，参考单元个数减少3个；
若检测单元的变化指数大于第二阈值Tg，则采用单元平均取大恒虚警算法，保护单元个数增加1个，参考单元的个数减少9个；
步骤S4.2、计算每个检测单元的检测门限V：
Figure 654140DEST_PATH_IMAGE005
其中，
Figure 883127DEST_PATH_IMAGE023
和
Figure 101225DEST_PATH_IMAGE024
分别为检测单元左右两边参考单元的信号均值；
Figure 316437DEST_PATH_IMAGE008
为左边参考单元的信号幅值，
Figure 329524DEST_PATH_IMAGE009
为右边参考单元的信号幅值，N为参考单元个数；
Figure 523220DEST_PATH_IMAGE010
分别为单元平均恒虚警算法、单元平均取大恒虚警算法、单元平均取小恒虚警算法的乘性因子；
Figure 106911DEST_PATH_IMAGE011
分别为采用单元平均恒虚警算法、单元平均取大恒虚警算法、单元平均取小恒虚警算法计算得到的检测门限；
当使用单元平均恒虚警算法时，检测门限为
Figure 778676DEST_PATH_IMAGE012
；当使用单元平均取大恒虚警算法时，检测门限为
Figure 990477DEST_PATH_IMAGE013
；当使用单元平均取小恒虚警算法时，检测门限为
Figure 30108DEST_PATH_IMAGE014
。
步骤S5、输出空速信号为：将滤波后的频谱数据滑窗比较，当检测单元数值大于步骤S4中的检测门限时，确定为空速信号。
使用本发明对不同信噪比的空速信号进行检测，可以得到在信噪比不同的情形下，对空速信号检测率结果，即检测性能曲线，如附图4所示，图中实线表示本发明的检测概率，虚线表示单元平均恒虚警（CA-CFAR）算法的检测概率。结果表明，在风速信号低信噪比低于1.5dB时，本发明比单元平均恒虚警算法有更高的检测概率，在信号性噪比为0.5dB的情况下，自适应算法相较于CA-CFAR算法检测概率提高了1倍，整体性能优于传统的单元平均恒虚警算法。
本发明针对现有技术的不足之处，提供了一种利用二次函数的自适应恒虚警检测方法，基于空速特性信号满足高斯函数，取对之后的空速信号满足二次函数形式，利用了激光散射特性，解决了激光大气系统在复杂干扰信号下有效探测空速信号的问题，并有效提高了微弱空速信号的检测概率。
虽然结合附图对发明的具体实施方式进行了详细地描述，但不应理解为对本专利的保护范围的限定。

Claims (3)

1.一种用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、获取激光大气系统的频谱数据，并对频谱数据进行平滑滤波；
S2、确定保护单元和参考单元个数；
S3、根据检测单元和保护单元，计算检测单元的变化指数，其包括：
S3.1、采用二次函数拟合滤波后的检测单元和左右两个保护单元以作为检测单元的拟合函数
Figure 213973DEST_PATH_IMAGE001
：
f(x)=α 2 x 2+α 1 x+α 0
其中，x为归一化之后的频谱点数，α 2、α 1、α 0分别为拟合函数的二次项系数、一次项系数和常数项系数；
S3.2、根据滤波后的频谱数据滑窗计算每个检测单元的拟合函数；
S3.3、将每个检测单元的拟合函数的二次项系数α 2作为该检测单元的变化指数VI；
S4、将变化指数与阈值进行比较，并根据比较结果进行恒虚警检测算法选择，以计算每个检测单元的检测门限，其包括：
S4.1、将检测单元的变化指数VI与阈值进行比较；
若检测单元的变化指数小于第一阈值Ts，则采用单元平均恒虚警算法，保护单元个数减少1个，参考单元个数不变；
若检测单元的变化指数处于第一阈值Ts和第二阈值Tg之间，其中，第二阈值Tg大于第一阈值Ts，则采用单元平均取小恒虚警算法，保护单元个数增加2个，参考单元个数减少3个；
若检测单元的变化指数大于第二阈值Tg，则采用单元平均取大恒虚警算法，保护单元个数增加1个，参考单元的个数减少9个；
S4.2、计算每个检测单元的检测门限V：
Figure 179655DEST_PATH_IMAGE002
其中，
Figure 866899DEST_PATH_IMAGE003
和
Figure 744987DEST_PATH_IMAGE004
分别为检测单元左右两边参考单元的信号均值；
Figure 845143DEST_PATH_IMAGE005
为左边参考单元的信号幅值，
Figure 365248DEST_PATH_IMAGE006
为右边参考单元的信号幅值，N为参考单元个数；
Figure 807862DEST_PATH_IMAGE007
分别为单元平均恒虚警算法、单元平均取大恒虚警算法、单元平均取小恒虚警算法的乘性因子；
Figure 119501DEST_PATH_IMAGE008
分别为采用单元平均恒虚警算法、单元平均取大恒虚警算法、单元平均取小恒虚警算法计算得到的检测门限；
当使用单元平均恒虚警算法时，检测门限为V CA；当使用单元平均取大恒虚警算法时，检测门限为V GO；当使用单元平均取小恒虚警算法时，检测门限为V SO；
S5、当检测单元数值大于所述检测门限时，确定为空速信号并输出。
2.根据权利要求1所述的用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法，其特征在于，所述步骤S1具体包括：
获取激光大气系统的频谱数据，采用汉明窗函数对频谱数据进行平滑滤波，其窗口长度为激光大气系统输出频谱数据总的单元个数除以100后取整。
3.根据权利要求1所述的用于激光大气系统的自适应恒虚警检测方法，其特征在于，所述步骤S2包括：
S2.1、确定保护单元个数为两个；
S2.2、参考单元个数为激光大气系统输出频谱数据总的单元个数除以100后取整。
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