一種利用柵瓣增益的粒子濾波檢測前跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于雷達柵瓣抑制和目標(biāo)檢測跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及柵瓣抑制和低信噪 比下的目標(biāo)檢測前跟蹤技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 檢測前跟蹤是一種適用于低信噪比的情況下對目標(biāo)進行檢測和跟蹤的信號處理 技術(shù)。檢測前跟蹤技術(shù)在單幀內(nèi)并不宣布檢測結(jié)果，而是對數(shù)據(jù)進行多幀處理后同時宣布 檢測結(jié)果與目標(biāo)的航跡。雷達系統(tǒng)中常用的檢測前跟蹤技術(shù)主要有基于動態(tài)規(guī)劃的檢測前 跟蹤方法、基于粒子濾波的檢測前跟蹤方法以及基于霍夫變換的檢測前跟蹤方法等。其中 粒子濾波是遞推貝葉斯估計的一種蒙特卡洛實現(xiàn)方法。它的主要思想是用大量采樣的粒子 來近似目標(biāo)狀態(tài)。
[0003] 陣列天線是由多個天線單元按照一定規(guī)律進行排列的天線系統(tǒng)。天線陣列的形式 多樣，包括線陣、圓陣等。均勻線陣是一種實現(xiàn)簡單，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， 也帶來了嚴重的柵瓣問題。柵瓣會造成目標(biāo)遮擋、虛警率高以及距離模糊等影響，因此必須 對柵瓣進行有效抑制。
[0004] 目前，國內(nèi)外學(xué)者已經(jīng)對柵瓣的抑制方法做了大量的研究。對于均勻線陣雷達，一 種常見的柵瓣抑制方法是采用調(diào)頻信號抑制柵瓣。對于同一目標(biāo)，由于不同頻率的信號產(chǎn) 生的柵瓣位置不同，同時所有信號在目標(biāo)所在位置強度疊加，從而使柵瓣強度相對目標(biāo)強 度降低，達到抑制柵瓣的目的。但是該方法實現(xiàn)復(fù)雜，而且不能完全消除柵瓣的影響，同時 浪費了分散到柵瓣位置的信號能量。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0005] 本發(fā)明的目的是針對現(xiàn)有均勻線陣雷達中柵瓣抑制存在的問題，從目標(biāo)的檢測和 跟蹤角度，提供一種利用柵瓣增益的粒子濾波檢測前跟蹤方法。在系統(tǒng)初始化后，該方法首 先對柵瓣與目標(biāo)的位置關(guān)系進行計算，得到柵瓣位置和目標(biāo)位置的對應(yīng)關(guān)系；然后采用粒 子濾波方法，對目標(biāo)進行檢測跟蹤；在粒子濾波方法的具體實現(xiàn)中，利用柵瓣增益重新計算 粒子權(quán)重，等效提尚目標(biāo)的?目噪比，從而達到大幅度地提尚檢測跟蹤精度的目的。
[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)視范圍對應(yīng)的數(shù)據(jù)平面D、發(fā)射機個數(shù)Μ、接收機 個數(shù)Ν、收發(fā)天線位置、發(fā)射調(diào)頻信號起始頻率f。、信號步進間隔Λ f、信號頻點數(shù)Kf，粒子數(shù) 目Np、觀測總幀數(shù)K;
[0009] 步驟2、計算目標(biāo)與柵瓣的方位關(guān)系；
[0010] 步驟3、接收第k幀回波信號，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；
[0012] 步驟5、計算目標(biāo)#的柵瓣影響區(qū)域：
[0013] 令表示目標(biāo)位置在4〃時，對應(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到空間原點的距離，9g(Xk)是目標(biāo)知的方位為Θ。時此系統(tǒng)參數(shù)條件下對應(yīng)柵瓣方位 的集合；
[0016] 步驟6、利用柵瓣對目標(biāo)的影響，對采樣粒子的權(quán)重進行更新；
[0017]
[0018] 其中，（Xl，yj)表示量測單元（i，j)對應(yīng)的空間坐標(biāo)，表示xf對應(yīng)的空間坐 標(biāo)；
[0019] 步驟7、對粒子進行重采樣；
[0020] 步驟8、狀態(tài)估計：
，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] 進一步的，步驟2中計算目標(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是步進頻信號頻點標(biāo)號，^是發(fā)射信號波長，Θ。是目標(biāo)相對于天線陣列中 心的方位，是目標(biāo)相對于天線陣列的中心；對于所有的{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。時此系統(tǒng)參數(shù)條件下對應(yīng)柵瓣方位的集合；
[0024] 進一步的，所述步驟3中接收第k幀回波信號，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 維量化的單元個數(shù)，隊是Y維量化的單元個數(shù)；z k(i，j)表示第k幀圖像數(shù)據(jù)的量測單元 (i，j)中的量測值，為圖像數(shù)據(jù)的幅度；
[0027] 通過上面的步驟，就可以在有柵瓣影響的雷達回波數(shù)據(jù)平面中對目標(biāo)進行高精度 的檢測跟蹤。
[0028] 本發(fā)明的創(chuàng)新點在于消除柵瓣對目標(biāo)檢測跟蹤的不利影響；利用柵瓣增益提高目 標(biāo)檢測跟蹤精度；提供在信號處理階段有效利用柵瓣信息的新思路。
[0029] 本發(fā)明的優(yōu)點在于利用了稀疏均勻線陣雷達中出現(xiàn)的柵瓣，實現(xiàn)對微弱目標(biāo)的檢 測和跟蹤，具有精度尚、檢測跟蹤性能好的優(yōu)點。
【附圖說明】
[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)果對比。
[0033] 其中：(a)為兩種方法隨信噪比變化的概率對比曲線；(b)為兩種方法隨幀數(shù)變化 的均方根誤差對比曲線。
【具體實施方式】
[0034] 本發(fā)明主要采用計算機仿真的方法進行驗證，所有步驟、結(jié)論都在MATLAB_R2012b 上驗證正確。具體實施步驟如下：
[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)視范圍對應(yīng)的數(shù)據(jù)平面D、發(fā)射機個數(shù)M、接收機 個數(shù)N、收發(fā)天線位置、發(fā)射調(diào)頻信號起始頻率f。、信號步進間隔Λ f、信號頻點數(shù)Kf，粒子數(shù) 目Np、觀測總幀數(shù)K。
[0037] 步驟2、計算目標(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是步進頻信號頻點標(biāo)號，\ 是發(fā)射信號波長，Θ。是目標(biāo)相對于天線陣列中心的方位是目標(biāo)相對于天線陣列的中 心。對于所有的{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，此系統(tǒng)參數(shù)條件下對應(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，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 維量化的單元個數(shù)，隊是Y維量化的單元個數(shù)。z k(i，j)表示第k幀圖像數(shù)據(jù)的量測單元 (i，j)中的量測值，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；
[0045] 步驟5、計算目標(biāo)Xt0的柵瓣影響區(qū)域：
[0046] 令eV>表示目標(biāo)位置在時，對應(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到空間原點的距離。
[0049] 步驟6、粒子權(quán)重更新：
[0050]
[0051] 其中，（Xl，yj)表示量測單元（i，j)對應(yīng)的空間坐標(biāo)，（?:)表示X (，對應(yīng)的空間坐 標(biāo)。
[0052] 步驟7、粒子重采樣：
[0053] 7. 1.對于所有粒子η = 1，2,…，Np，
[0054] 7. 2.重采樣Np個粒子；
[0055] 步驟8、狀態(tài)估計
[0056] 步驟9、如果k〈K，令k: = k+Ι，返回步驟3。
[0057] 通過上面的步驟，就可以在有柵瓣影響的雷達回波數(shù)據(jù)平面中對目標(biāo)進行高精度 的檢測跟蹤。
[0058] 在上述仿真中，沒有執(zhí)行計算柵瓣影響區(qū)域的步驟5與執(zhí)行了該步驟的仿真對比 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 檢測概率，降低目標(biāo)跟蹤的均方根誤差。
[0059] 通過本發(fā)明的具體實施可以看出，本發(fā)明在稀疏均勻線陣雷達有柵瓣影響的條件 下，利用柵瓣增益，對目標(biāo)能量進行積累，可以在信號處理階段消除柵瓣不利影響，實現(xiàn)對 微弱目標(biāo)的檢測和跟蹤。
【主權(quán)項】
1. 一種利用柵瓣增益的粒子濾波檢測前跟蹤方法，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)視范圍對應(yīng)的數(shù)據(jù)平面D、發(fā)射機個數(shù)M、接收機個數(shù) N、 收發(fā)天線位置、發(fā)射調(diào)頻信號起始頻率f。、信號步進間隔A f、信號頻點數(shù)Kf，粒子數(shù)目 Np、觀測總幀數(shù)K ; 步驟2、計算目標(biāo)與柵瓣的方位關(guān)系； 步驟3、接收第k幀回波信號，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； 步驟5、計算目標(biāo)x[Mi的柵瓣影響區(qū)域： 令表示目標(biāo)位置在時，對應(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# 到空間原點的距離，9g(xk)是目標(biāo)&的方位為0。時此系統(tǒng)參數(shù)條件下對應(yīng)柵瓣方位的集 合； 步驟6、利用柵瓣對目標(biāo)的影響，對采樣粒子的權(quán)重Wf進行更新；其中，（Xi, y_j)表示量測單元（i, j)對應(yīng)的空間坐標(biāo)，OCy丨）表示對應(yīng)的空間坐標(biāo)； 步驟7、對粒子進行重采樣； 步驟8、狀態(tài)估計：％ = ，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前跟蹤方法，其特征在于步 驟2中計算目標(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是步進頻信號頻點標(biāo)號，&是發(fā)射信號波長，0。是目標(biāo)相對于天線陣列中 心的方位，是目標(biāo)相對于天線陣列的中心；對于所有的{kf}，記滿足上式的集合 9g(xk)，即9g(xk)是目標(biāo)知的方位為9。時此系統(tǒng)參數(shù)條件下對應(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，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)；隊是X維量 化的單元個數(shù)，Ny是Y維量化的單元個數(shù)；z k(i, j)表示第k幀圖像數(shù)據(jù)的量測單元（i, j) 中的量測值，為圖像數(shù)據(jù)的幅度。
【專利摘要】該發(fā)明公開了一種利用柵瓣增益的粒子濾波檢測前跟蹤方法，雷達柵瓣抑制和目標(biāo)檢測跟蹤技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及柵瓣抑制和低信噪比下的目標(biāo)檢測前跟蹤技術(shù)領(lǐng)域。在系統(tǒng)初始化后，該方法首先對柵瓣與目標(biāo)的位置關(guān)系進行計算，得到柵瓣位置和目標(biāo)位置的對應(yīng)關(guān)系；然后采用粒子濾波方法，對目標(biāo)進行檢測跟蹤；在粒子濾波方法的具體實現(xiàn)中，利用柵瓣增益重新計算粒子權(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跟蹤精度的效果。
【IPC分類】G01S13/66, G01S7/41
【公開號】CN105137419
【申請?zhí)枴緾N201510569949
【發(fā)明人】易偉, 楊東超, 張紫薇, 姬亞龍, 李溯琪, 崔國龍, 孔令講, 王經(jīng)鶴, 劉加歡
【申請人】電子科技大學(xué)
【公開日】2015年12月9日
【申請日】2015年9月9日