一種利用柵瓣增益的粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達(dá)柵瓣抑制和目標(biāo)檢測(cè)跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及柵瓣抑制和低信噪 比下的目標(biāo)檢測(cè)前跟蹤技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 檢測(cè)前跟蹤是一種適用于低信噪比的情況下對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)和跟蹤的信號(hào)處理 技術(shù)。檢測(cè)前跟蹤技術(shù)在單幀內(nèi)并不宣布檢測(cè)結(jié)果，而是對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行多幀處理后同時(shí)宣布 檢測(cè)結(jié)果與目標(biāo)的航跡。雷達(dá)系統(tǒng)中常用的檢測(cè)前跟蹤技術(shù)主要有基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的檢測(cè)前 跟蹤方法、基于粒子濾波的檢測(cè)前跟蹤方法以及基于霍夫變換的檢測(cè)前跟蹤方法等。其中 粒子濾波是遞推貝葉斯估計(jì)的一種蒙特卡洛實(shí)現(xiàn)方法。它的主要思想是用大量采樣的粒子 來(lái)近似目標(biāo)狀態(tài)。
[0003] 陣列天線是由多個(gè)天線單元按照一定規(guī)律進(jìn)行排列的天線系統(tǒng)。天線陣列的形式 多樣，包括線陣、圓陣等。均勻線陣是一種實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，各陣列單元均勻排列在一條直線上的 天線陣列。采用均勻線陣可以增加天線等效孔徑，提高天線增益，從而提升方位分辨率。但 是，隨著陣元間距的增大，均勻線陣系統(tǒng)在獲得更窄波束和更高方位分辨率等好處的同時(shí)， 也帶來(lái)了嚴(yán)重的柵瓣問(wèn)題。柵瓣會(huì)造成目標(biāo)遮擋、虛警率高以及距離模糊等影響，因此必須 對(duì)柵瓣進(jìn)行有效抑制。
[0004] 目前，國(guó)內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對(duì)柵瓣的抑制方法做了大量的研究。對(duì)于均勻線陣?yán)走_(dá)，一 種常見(jiàn)的柵瓣抑制方法是采用調(diào)頻信號(hào)抑制柵瓣。對(duì)于同一目標(biāo)，由于不同頻率的信號(hào)產(chǎn) 生的柵瓣位置不同，同時(shí)所有信號(hào)在目標(biāo)所在位置強(qiáng)度疊加，從而使柵瓣強(qiáng)度相對(duì)目標(biāo)強(qiáng) 度降低，達(dá)到抑制柵瓣的目的。但是該方法實(shí)現(xiàn)復(fù)雜，而且不能完全消除柵瓣的影響，同時(shí) 浪費(fèi)了分散到柵瓣位置的信號(hào)能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有均勻線陣?yán)走_(dá)中柵瓣抑制存在的問(wèn)題，從目標(biāo)的檢測(cè)和 跟蹤角度，提供一種利用柵瓣增益的粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法。在系統(tǒng)初始化后，該方法首 先對(duì)柵瓣與目標(biāo)的位置關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，得到柵瓣位置和目標(biāo)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系；然后采用粒 子濾波方法，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)跟蹤；在粒子濾波方法的具體實(shí)現(xiàn)中，利用柵瓣增益重新計(jì)算 粒子權(quán)重，等效提尚目標(biāo)的?目噪比，從而達(dá)到大幅度地提尚檢測(cè)跟蹤精度的目的。
[0006] 本發(fā)明提供了一種利用柵瓣增益的粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法，它包括以下步驟：
[0007] 步驟1、初始化系統(tǒng)參數(shù)：
[0008] 初始化系統(tǒng)參數(shù)包括：初始化監(jiān)視范圍對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)平面D、發(fā)射機(jī)個(gè)數(shù)Μ、接收機(jī) 個(gè)數(shù)Ν、收發(fā)天線位置、發(fā)射調(diào)頻信號(hào)起始頻率f。、信號(hào)步進(jìn)間隔Λ f、信號(hào)頻點(diǎn)數(shù)Kf，粒子數(shù) 目Np、觀測(cè)總幀數(shù)K;
[0009] 步驟2、計(jì)算目標(biāo)與柵瓣的方位關(guān)系；
[0010] 步驟3、接收第k幀回波信號(hào)，經(jīng)脈沖壓縮和BP成像處理后，形成當(dāng)前幀高分辨率 圖像；
[0011] 步驟4、粒子位置采樣： ，其中 < 為目標(biāo)狀態(tài)，p(· I ·)表示求條 件概率，η = 1，2,…，Np是粒子標(biāo)號(hào)；
[0012] 步驟5、計(jì)算目標(biāo)#的柵瓣影響區(qū)域：
[0013] 令表示目標(biāo)位置在4〃時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵瓣位置的空間集合；
[0014]
[0015] 其中表示向上取整，Λ X和Ay分別表示X維和Y維的分辨率：
表示 Xiwl到空間原點(diǎn)的距離，9g(Xk)是目標(biāo)知的方位為Θ。時(shí)此系統(tǒng)參數(shù)條件下對(duì)應(yīng)柵瓣方位 的集合；
[0016] 步驟6、利用柵瓣對(duì)目標(biāo)的影響，對(duì)采樣粒子的權(quán)重進(jìn)行更新；
[0017]
[0018] 其中，（Xl，yj)表示量測(cè)單元（i，j)對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)，表示xf對(duì)應(yīng)的空間坐 標(biāo)；
[0019] 步驟7、對(duì)粒子進(jìn)行重采樣；
[0020] 步驟8、狀態(tài)估計(jì)：
，判斷出目標(biāo)位置；
[0021] 步驟9、如果k〈K，令k: = k+Ι，返回步驟3。
[0022] 進(jìn)一步的，步驟2中計(jì)算目標(biāo)與柵瓣的方位關(guān)系為：
[0023]
…其中d是等效接收天線陣列間隔，kf = 0, 1，...，Kf-I是步進(jìn)頻信號(hào)頻點(diǎn)標(biāo)號(hào)，^是發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)，Θ。是目標(biāo)相對(duì)于天線陣列中 心的方位，是目標(biāo)相對(duì)于天線陣列的中心；對(duì)于所有的{kf}，記滿足上式的集合為 9,0〇，即0g(Xk)是目標(biāo)知的方位為Θ。時(shí)此系統(tǒng)參數(shù)條件下對(duì)應(yīng)柵瓣方位的集合；
[0024] 進(jìn)一步的，所述步驟3中接收第k幀回波信號(hào)，經(jīng)脈沖壓縮和BP成像處理后，形成 當(dāng)前幀高分辨率圖像Z (k)，
[0025] Z(k) = {zk(i, j)}
[0026] 其中，I彡i彡Nx，I彡j彡NY，i和j分別為圖像X維和Y維的量化狀態(tài)；N X是X 維量化的單元個(gè)數(shù)，隊(duì)是Y維量化的單元個(gè)數(shù)；z k(i，j)表示第k幀圖像數(shù)據(jù)的量測(cè)單元 (i，j)中的量測(cè)值，為圖像數(shù)據(jù)的幅度；
[0027] 通過(guò)上面的步驟，就可以在有柵瓣影響的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)平面中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度 的檢測(cè)跟蹤。
[0028] 本發(fā)明的創(chuàng)新點(diǎn)在于消除柵瓣對(duì)目標(biāo)檢測(cè)跟蹤的不利影響；利用柵瓣增益提高目 標(biāo)檢測(cè)跟蹤精度；提供在信號(hào)處理階段有效利用柵瓣信息的新思路。
[0029] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)在于利用了稀疏均勻線陣?yán)走_(dá)中出現(xiàn)的柵瓣，實(shí)現(xiàn)對(duì)微弱目標(biāo)的檢 測(cè)和跟蹤，具有精度尚、檢測(cè)跟蹤性能好的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說(shuō)明】
[0030] 圖1為目標(biāo)高分辨率圖像中柵瓣位置示意圖。
[0031 ] 圖2為本發(fā)明的流程圖。
[0032] 圖3為沒(méi)有執(zhí)行上述利用柵瓣增益的步驟5與執(zhí)行了該步驟的仿真結(jié)果對(duì)比。
[0033] 其中：(a)為兩種方法隨信噪比變化的概率對(duì)比曲線；(b)為兩種方法隨幀數(shù)變化 的均方根誤差對(duì)比曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0034] 本發(fā)明主要采用計(jì)算機(jī)仿真的方法進(jìn)行驗(yàn)證，所有步驟、結(jié)論都在MATLAB_R2012b 上驗(yàn)證正確。具體實(shí)施步驟如下：
[0035] 步驟1、初始化系統(tǒng)參數(shù)：
[0036] 初始化系統(tǒng)參數(shù)包括：初始化監(jiān)視范圍對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)平面D、發(fā)射機(jī)個(gè)數(shù)M、接收機(jī) 個(gè)數(shù)N、收發(fā)天線位置、發(fā)射調(diào)頻信號(hào)起始頻率f。、信號(hào)步進(jìn)間隔Λ f、信號(hào)頻點(diǎn)數(shù)Kf，粒子數(shù) 目Np、觀測(cè)總幀數(shù)K。
[0037] 步驟2、計(jì)算目標(biāo)與柵瓣的方位關(guān)系：
[0038]
[0039] 其中d是等效接收天線陣列間隔，kf= 0, 1，. . .，K f-l是步進(jìn)頻信號(hào)頻點(diǎn)標(biāo)號(hào)，\ 是發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)，Θ。是目標(biāo)相對(duì)于天線陣列中心的方位是目標(biāo)相對(duì)于天線陣列的中 心。對(duì)于所有的{kf}，記滿足上式的集合{%}為0>上即0g(Xk)是目標(biāo)知的方位為Θ。 時(shí)，此系統(tǒng)參數(shù)條件下對(duì)應(yīng)柵瓣方位的集合。
[0040] 步驟3、生成高分辨率圖像：
[0041] 接收第k幀回波信號(hào)，經(jīng)脈沖壓縮和BP成像處理后，形成當(dāng)前幀高分辨率圖像 Z(k)，
[0042] Z(k) = {zk(i,j)}
[0043] 其中，1彡i彡Nx，1彡j彡NY，i和j分別為圖像X維和Y維的量化狀態(tài)。N x是X 維量化的單元個(gè)數(shù)，隊(duì)是Y維量化的單元個(gè)數(shù)。z k(i，j)表示第k幀圖像數(shù)據(jù)的量測(cè)單元 (i，j)中的量測(cè)值，為圖像數(shù)據(jù)的幅度。
[0044] 步驟4、粒子位置采樣：χΓ ~ #(? I xg)，其中P ( · I ·)表示求條件概率，η = 1，2,…，Np是粒子標(biāo)號(hào)；
[0045] 步驟5、計(jì)算目標(biāo)Xt0的柵瓣影響區(qū)域：
[0046] 令eV>表示目標(biāo)位置在時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵瓣位置的空間集合。[0047]
?
[0048] 其中f 1表示向上取整，Λ X和Ay分別表示X維和Y維的分辨率，
表示 xf到空間原點(diǎn)的距離。
[0049] 步驟6、粒子權(quán)重更新：
[0050]
[0051] 其中，（Xl，yj)表示量測(cè)單元（i，j)對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)，（?:)表示X (，對(duì)應(yīng)的空間坐 標(biāo)。
[0052] 步驟7、粒子重采樣：
[0053] 7. 1.對(duì)于所有粒子η = 1，2,…，Np，
[0054] 7. 2.重采樣Np個(gè)粒子；
[0055] 步驟8、狀態(tài)估計(jì)
[0056] 步驟9、如果k〈K，令k: = k+Ι，返回步驟3。
[0057] 通過(guò)上面的步驟，就可以在有柵瓣影響的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)平面中對(duì)目標(biāo)進(jìn)行高精度 的檢測(cè)跟蹤。
[0058] 在上述仿真中，沒(méi)有執(zhí)行計(jì)算柵瓣影響區(qū)域的步驟5與執(zhí)行了該步驟的仿真對(duì)比 結(jié)果如圖3所示。由圖3可知，在完成該方法的利用柵瓣增益之后，可以有效地提高目標(biāo)的 檢測(cè)概率，降低目標(biāo)跟蹤的均方根誤差。
[0059] 通過(guò)本發(fā)明的具體實(shí)施可以看出，本發(fā)明在稀疏均勻線陣?yán)走_(dá)有柵瓣影響的條件 下，利用柵瓣增益，對(duì)目標(biāo)能量進(jìn)行積累，可以在信號(hào)處理階段消除柵瓣不利影響，實(shí)現(xiàn)對(duì) 微弱目標(biāo)的檢測(cè)和跟蹤。
【主權(quán)項(xiàng)】
1. 一種利用柵瓣增益的粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法，包括以下步驟： 步驟1、初始化系統(tǒng)參數(shù)： 初始化系統(tǒng)參數(shù)包括：初始化監(jiān)視范圍對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)平面D、發(fā)射機(jī)個(gè)數(shù)M、接收機(jī)個(gè)數(shù) N、 收發(fā)天線位置、發(fā)射調(diào)頻信號(hào)起始頻率f。、信號(hào)步進(jìn)間隔A f、信號(hào)頻點(diǎn)數(shù)Kf，粒子數(shù)目 Np、觀測(cè)總幀數(shù)K ; 步驟2、計(jì)算目標(biāo)與柵瓣的方位關(guān)系； 步驟3、接收第k幀回波信號(hào)，經(jīng)脈沖壓縮和BP成像處理后，形成當(dāng)前幀高分辨率圖 像； 步驟4、粒子位置采樣~批XiJO其中 < 為目標(biāo)狀態(tài)，P(* I ?)表示求條件概 率，n = 1，2,. . .，Np是粒子標(biāo)號(hào)； 步驟5、計(jì)算目標(biāo)x[Mi的柵瓣影響區(qū)域： 令表示目標(biāo)位置在時(shí)，對(duì)應(yīng)的柵瓣位置的空間集合；其中「1表示向上取整，A X和A y分別表示X維和Y維的分辨率，七f |4"1表示# 到空間原點(diǎn)的距離，9g(xk)是目標(biāo)&的方位為0。時(shí)此系統(tǒng)參數(shù)條件下對(duì)應(yīng)柵瓣方位的集 合； 步驟6、利用柵瓣對(duì)目標(biāo)的影響，對(duì)采樣粒子的權(quán)重Wf進(jìn)行更新；其中，（Xi, y_j)表示量測(cè)單元（i, j)對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)，OCy丨）表示對(duì)應(yīng)的空間坐標(biāo)； 步驟7、對(duì)粒子進(jìn)行重采樣； 步驟8、狀態(tài)估計(jì)：％ = ，判斷出目標(biāo)位置； 步驟9、如果k〈K，令k: =k+l，返回步驟3。2. 如權(quán)利要求1所述的一種利用柵瓣增益的粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法，其特征在于步 驟2中計(jì)算目標(biāo)與柵瓣的方位關(guān)系為：其中d是等效接收天線陣列間隔，kf = O, 1，...，Kf-I是步進(jìn)頻信號(hào)頻點(diǎn)標(biāo)號(hào)，&是發(fā)射信號(hào)波長(zhǎng)，0。是目標(biāo)相對(duì)于天線陣列中 心的方位，是目標(biāo)相對(duì)于天線陣列的中心；對(duì)于所有的{kf}，記滿足上式的集合 9g(xk)，即9g(xk)是目標(biāo)知的方位為9。時(shí)此系統(tǒng)參數(shù)條件下對(duì)應(yīng)柵瓣方位的集合。3. 如權(quán)利要求1所述的一種利用柵瓣增益的粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法，其特征在于所 述步驟3中接收第k幀回波信號(hào)，經(jīng)脈沖壓縮和BP成像處理后，形成當(dāng)前幀高分辨率圖像 Z(k)， Z(k) = {zk(i, j)} 其中，I彡i彡Nx，I彡j彡NY，i和j分別為圖像X維和Y維的量化狀態(tài)；隊(duì)是X維量 化的單元個(gè)數(shù)，Ny是Y維量化的單元個(gè)數(shù)；z k(i, j)表示第k幀圖像數(shù)據(jù)的量測(cè)單元（i, j) 中的量測(cè)值，為圖像數(shù)據(jù)的幅度。
【專利摘要】該發(fā)明公開(kāi)了一種利用柵瓣增益的粒子濾波檢測(cè)前跟蹤方法，雷達(dá)柵瓣抑制和目標(biāo)檢測(cè)跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及柵瓣抑制和低信噪比下的目標(biāo)檢測(cè)前跟蹤技術(shù)領(lǐng)域。在系統(tǒng)初始化后，該方法首先對(duì)柵瓣與目標(biāo)的位置關(guān)系進(jìn)行計(jì)算，得到柵瓣位置和目標(biāo)位置的對(duì)應(yīng)關(guān)系；然后采用粒子濾波方法，對(duì)目標(biāo)進(jìn)行檢測(cè)跟蹤；在粒子濾波方法的具體實(shí)現(xiàn)中，利用柵瓣增益重新計(jì)算粒子權(quán)重，等效提高目標(biāo)的信噪比，從而具有大幅度地提高檢測(cè)跟蹤精度的效果。
【IPC分類】G01S13/66, G01S7/41
【公開(kāi)號(hào)】CN105137419
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510569949
【發(fā)明人】易偉, 楊東超, 張紫薇, 姬亞龍, 李溯琪, 崔國(guó)龍, 孔令講, 王經(jīng)鶴, 劉加歡
【申請(qǐng)人】電子科技大學(xué)
【公開(kāi)日】2015年12月9日
【申請(qǐng)日】2015年9月9日