專利名稱：一種基于動態(tài)規(guī)劃和后像投影算法的相參積累方法
技術領域：
本發(fā)明屬于雷達系統(tǒng)中目標檢測和跟蹤的技術領域，它特別涉及到了低信噪比條件下雷達檢測和跟蹤低可觀測目標(亦稱弱目標)的技術領域。
背景技術：
隨著目標隱身技術的發(fā)展、采用新型吸波材料和改變物體幾何外形等隱身技術的不斷發(fā)展和完善，雷達探測目標的雷達目標反射面積(RCS)降低了幾個數(shù)量級。這對于雷達檢測目標和提高自身的生存能力提出了嚴峻的挑戰(zhàn)。因此對低可觀測目標的檢測和跟蹤成為雷達的ー個重要研究方向。從以前的研究中可知，可以通過増加脈沖積累個數(shù)的方法來提高信噪比從而提高雷達對低可觀測目標的檢測能力。現(xiàn)有預警雷達體系一般選用較低的脈沖重復頻率以防止距離模糊的產(chǎn)生。在低重頻掃描雷達體制下，雷達在ー個方位向上發(fā)射的脈沖數(shù)很少，這導致了在一幀雷達回波數(shù)據(jù)中目標的回波脈沖數(shù)很少，這使得回波數(shù)據(jù)進行長時間的脈沖積累變得很難實現(xiàn)。檢測前跟蹤算法是通過先存儲多幀未經(jīng)過門限處理的雷達回波原始數(shù)據(jù)，然后進行能量積累來對低可觀測目標進行檢測和跟蹤的技木。由于在低信噪比條件下，單幀數(shù)據(jù)無法得出檢測結果，檢測前跟蹤方法通過對多幀回波數(shù)據(jù)的處理，利用目標的運動特性，沿目標軌跡進行能量積累，提高了信噪比，達到了檢測低可觀測目標的目的。目前用于低可觀測目標檢測的非相參檢測前跟蹤算法主要有基于Hough變換的檢測前跟蹤算法、基于改進Hough變換的檢測前跟蹤算法、基于粒子濾波的檢測前跟蹤算法和基于動態(tài)規(guī)劃的檢測前跟蹤算法等；用于低可觀測目標檢測的相參檢測前跟蹤算法主要有基于徑向速度估計的相參積累算法(詳見“王瑞軍，張曉玲，樊玲，多幀相參積累的檢測前跟蹤方法，計算機工程與應用，2011，47 (33).，，)和基于Keystone變換的相參積累方法(詳見“Wang Kun, Zhang Xiao_Ling，A TBD method using multi-frame coherent integration. Synthetic Aperture Radar (APSAR),2011 3rd International Asia-Pacific Conference. 26-30 Sept.2011， pages l-4. ”)。在雷達信號處理中脈沖的能量積累包括非相參積累和相參積累，前者指的是僅僅對數(shù)據(jù)的幅度(也可能是幅度的平方或者幅度對數(shù))進行積累，而后者是指對復數(shù)據(jù)(即包含幅度和相位的數(shù)據(jù))進行積累。由于非相參積累算法在幀間積累時都沒有有效利用目標回波的相位信息，因此在低信噪比下積累效率比幀間相參積累時低。傳統(tǒng)的非相參檢測前跟蹤算法為達到好的檢測性能需要比相參檢測前跟蹤算法更多幀的回波數(shù)據(jù)進行積累，因此數(shù)據(jù)處理量較大。同時，現(xiàn)有的相參積累算法存在速度模糊問題和距離走動校正的問題，積累結果存在一定的誤差。

發(fā)明內(nèi)容
為了能在低信噪比條件下，使用較少幀數(shù)的雷達回波數(shù)據(jù)就能得到較高的對微弱目標的檢測概率，本發(fā)明提出了一種基于動態(tài)規(guī)劃和后像投影算法的相參檢測前跟蹤積累方法，由于它克服了速度模糊問題，并且在時域上直接進行距離走動補償，所以不需要對目標距離進行近似展開，從而不需要考慮目標的多普勒走動；與現(xiàn)有相參TBD方法相比，減少了積累誤差，提高了檢測概率和檢測精度，減少了虛假航跡，降低了虛警概率。為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作以下術語定義定義I、檢測前跟蹤在雷達系統(tǒng)中，檢測前跟蹤是指雷達在獲得一個掃描周期的回波數(shù)據(jù)后，先不進行處理，不設檢測門限和不宣布檢測結果，而是將接收到的每ー個掃描時刻的回波數(shù)據(jù)數(shù)字化后存儲起來，等達到設定的數(shù)據(jù)量時在各掃描時刻之間對假設路徑包含的點作幾乎沒有信息損失的相關處理，從而估計出目標的運動軌跡，最后檢測結果和目標軌跡同時宣布。 詳見文獻“黃紅平.強雜波下微弱目標檢測算法研究.電子科技大學碩士學位論文.2010”。定義2、距離單元在雷達系統(tǒng)中，將雷達測距的范圍劃分成若干小的區(qū)域并將其編號，雷達根據(jù)目標回波信號落入的區(qū)域編號計算目標與雷達之間的距離。定義3、方位向?qū)⒗走_掃描空間均勻劃分為若干等分，每ー等分為ー個方位向。定義4、虛警門限雷達系統(tǒng)中的參數(shù)，當統(tǒng)計值超過虛警門限時雷達報告發(fā)現(xiàn)目標，當統(tǒng)計值未超過虛警門限時雷達不報告發(fā)現(xiàn)目標。虛警門限值一般由虛警概率計算得到。詳見文獻“丁鷺飛，耿富錄.雷達原理(第三版).西安電子科技大學出版社.2009. 8”。定義5、ー幀回波數(shù)據(jù)在本發(fā)明中，一幀回波數(shù)據(jù)是指在ー個雷達掃描周期內(nèi)，雷達接收機所接收、采樣并存儲的在這ー個雷達掃描周期內(nèi)所有發(fā)射脈沖的回波數(shù)據(jù)。定義6、距離-慢時間ニ維數(shù)據(jù)矩陣本發(fā)明中距離-慢時間ニ維數(shù)據(jù)矩陣的行代表距離向，其行的數(shù)目為雷達對每個回波采樣的點數(shù)；矩陣的列代表方位向，其列的數(shù)目為雷達在每個方位向發(fā)射脈沖的序號。 假設雷達掃描空間被分為N個方位向，每個方位向發(fā)射I個脈沖，雷達對每個發(fā)射脈沖的回波采樣M次，則在ー個雷達掃描周期內(nèi)雷達連續(xù)發(fā)射N個脈沖并按方位向編號將采樣數(shù)據(jù)存儲為N行M列的ニ維矩陣SNxM，如圖I所示。定義7、動態(tài)規(guī)劃算法動態(tài)規(guī)劃是運籌學的ー個分支，是求解決策過程最優(yōu)化的數(shù)學方法。20世紀50 年代初美國數(shù)學家R. E. Bellman等人在研究多階段決策過程的優(yōu)化問題時，提出了著名的最優(yōu)化原理，把多階段過程轉(zhuǎn)化為一系列單階段問題，利用各階段之間的關系，逐個求解，
創(chuàng)立了解決這類過程優(yōu)化問題的新方法-動態(tài)規(guī)劃。1957年出版了他的名著《Dynamic
Programming》,這是該領域的第一本著作。定義8、后像投影算法BP算法起源于計算機斷層掃描(Computer-Aided Tomography, CAT)技術， 是ー種精確的時域成像方法。詳見文獻“ LARS M. H. ULANDER, HANS HELLSTEN. GUNNAR STENSTRO M. Synthetic-Aperture Radar Processing Using Fast Factorized Back-Projection. IEEE TRANSACTIONS ON AEROSPACE AND ELECTRONIC SYSTEMS VOL. 39. NO. 3 JULY 2003”。
定義9、信噪比信噪比是指信號的功率與環(huán)境噪聲功率的比值。詳見文獻“丁鷺飛，耿富錄.雷達原理(第三版).西安電子科技大學出版社.2009. 8”。定義10、脈沖壓縮脈沖壓縮是ー種現(xiàn)代雷達信號處理技術，簡單來說就是雷達發(fā)射寬脈沖，然后再接收端“壓縮”為窄脈沖，從而改善雷達的兩種性能作用距離和距離分辨率。詳見“皮亦鳴， 楊建宇，付毓生，楊曉波.合成孔徑雷達成像原理.第一版.電子科技大學出版社.2007. 3”定義11、包絡檢波包絡檢波是從調(diào)幅波包絡中提取調(diào)制信號的過程先對調(diào)幅波進行整流，得到波包絡變化的脈動電流，再以低通濾波器濾除去高頻分量，便得到調(diào)制信號。詳見文獻“丁鷺飛，耿富錄.雷達原理(第三版).西安電子科技大學出版社.2009. 8”。本發(fā)明提供了用于檢測和跟蹤低可觀測目標的ー種基于動態(tài)規(guī)劃和后像投影算法的相參積累方法，該方法的步驟如下步驟I、基于動態(tài)規(guī)劃和后向投影算法的積累方法相關參數(shù)的初始化初始化的參數(shù)均為已知，且初始化的參數(shù)如下所有的位置坐標信息都是以極坐標形式給出；雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號，其發(fā)射脈沖的載頻為F。；雷達掃描周期為T ;雷達發(fā)射脈沖的帶寬B ;雷達發(fā)射脈沖的調(diào)頻斜率b ;雷達發(fā)射脈沖的持續(xù)時間Tp ;雷達的距離分辨率S r ;相參處理的雷達回波數(shù)據(jù)幀數(shù)為K，(K為正整數(shù))；K幀回波數(shù)據(jù)中第i幀回波數(shù)據(jù)為ち(t = 1,2,3-K);雷達掃描空間被劃分成的方位向個數(shù)N，記方位向序號為n，(n =1、2、3…N);雷達在距離向上的采樣頻率Fs ;雷達在距離向上的采樣點數(shù)M，記距離向序號為m, m = 1、2、3*“M ;雷達弟一虛警概率Pfal ;雷達弟_■虛警概率Pfa2 ;根據(jù)目標的運動特性可知目標運動速度的上下限分別為Vmin和V_，目標最大加速的限制為a_。斜率允許誤差e，速度允許誤差ev和加速度允許誤差e a。步驟2、計算目標信息假設目標直線運動，速度為V，加速度為a。那么目標的速度應該滿足 Vmin≤V≤Vmax目標的加速度應該滿足-amin≤a≤amax即雷達只對滿足Vmin≤V≤Vmax 與-amin≤a≤amax的目標進行檢測和跟蹤。由速度限制條件Vmin和Vmax、加速度限制條件a_與雷達掃描周期為T計算得到目標在第i幀與第i+1幀之間運動的理論最長距離
權利要求
1 .一種基于動態(tài)規(guī)劃和后像投影算法的相參積累方法，其特征是它包括以下步驟 步驟I、基于動態(tài)規(guī)劃和后向投影算法的積累方法相關參數(shù)的初始化；初始化的參數(shù)均為已知，且初始化的參數(shù)如下所有的位置坐標信息都是以極坐標形式給出；雷達發(fā)射線性調(diào)頻信號，其發(fā)射脈沖的載頻為F。；雷達掃描周期為T ;雷達發(fā)射脈沖的帶寬B ;雷達發(fā)射脈沖的調(diào)頻斜率b ;雷達發(fā)射脈沖的持續(xù)時間Tp ;雷達的距離分辨率 6 r ;相參處理的雷達回波數(shù)據(jù)幀數(shù)為K，K為正整數(shù)；雷達掃描空間被劃分成的方位向個數(shù) N，記方位向序號為n，n = 1、2、3…N ;雷達在距離向上的采樣頻率Fs ;雷達在距離向上的采樣點數(shù)M，記距離向序號為m，m = 1、2、3…M ；K幀回波數(shù)據(jù)中第i幀回波數(shù)據(jù)為，i = U2.3-K ;雷達第一虛警概率Pfal ;雷達第二虛警概率Pfa2 ;根據(jù)目標的運動特性可知目標運動速度的上下限分別為Vmil^PVmax,目標最大加速的限制為a_ ;斜率允許誤差e，速度允許誤差S v和加速度允許誤差e a ；步驟2、計算目標信息；假設目標直線運動，速度為V，加速度為a ;那么目標的速度應該滿足Vmin≤V≤Vfflax,目標的加速度應該W足_amax ^ a ^ amax,即雷達只對丨兩足Vmin ^ V ^ Vmax與_amax ^ a ^ amax 的目標進打檢測和跟蹤；由速度限制條件Vmin和Vmax、加速度限制條件a_與雷達掃描周期為T計算得到目標在第i幀與第i+1幀之間運動的理論最長距離、H..::...フ:和理論最短距離假設背景噪聲為復高斯白噪聲，其均值為零，方差為パ；雷達第一虛警概率Pfal、 雷達第二虛警概率Pfa2以及噪聲方差O 2計算得到虛警門限雷達第一虛警門限值ゾしぃ雷達第ニ虛警門限值,,步驟3、雷達回波數(shù)據(jù)在距離向上進行脈沖壓縮；取出步驟I中初始的K幀回波數(shù)據(jù)
全文摘要
本發(fā)明公開了一種基于動態(tài)規(guī)劃和后像投影算法的相參檢測前跟蹤積累方法，它是通過動態(tài)規(guī)劃得到目標的預測航跡，然后通過后像投影算法進行能量積累來提高輸出信噪比，實現(xiàn)對低可觀測目標的檢測。與非相參TBD算法相比，本發(fā)明在幀間積累時利用了回波信號的相位信息，對多幀回波進行相參積累來提高輸出信噪比進而提高了檢測效率；在時域上直接進行距離走動補償，所以不需要對目標距離進行近似展開和考慮目標的多普勒走動；減少了積累誤差，提高了檢測概率和檢測精度，降低了虛警概率。
文檔編號G01S7/539GK102608590SQ201210076480
公開日2012年7月25日 申請日期2012年3月21日 優(yōu)先權日2012年3月21日
發(fā)明者張也, 張曉玲 申請人:電子科技大學