一種基于動態(tài)規(guī)劃的多幀相參積累目標(biāo)檢測前跟蹤方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種基于動態(tài)規(guī)劃的多幀相參積累目標(biāo)檢測前跟蹤方法，它是利用動態(tài)規(guī)劃獲得目標(biāo)在幾幀回波數(shù)據(jù)中的可能航跡，通過對目標(biāo)回波相位的二次項(xiàng)進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償和對多幀回波數(shù)據(jù)中的目標(biāo)回波進(jìn)行相參積累來提高輸出信噪比，實(shí)現(xiàn)對微弱目標(biāo)的跟蹤。與傳統(tǒng)非相參TBD方法在幀間積累時沒有利用目標(biāo)回波的相位信息相比，本發(fā)明在幀間積累時利用了回波信號的相位信息，它使用較少幀數(shù)回波數(shù)據(jù)就提高了輸出信噪比，從而提高了目標(biāo)檢測概率；同時提供了目標(biāo)的航跡和運(yùn)動信息，實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)的跟蹤。
【專利說明】 一種基于動態(tài)規(guī)劃的多幀相參積累目標(biāo)檢測前跟蹤方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于雷達(dá)系統(tǒng)中目標(biāo)多幀檢測和跟蹤的【技術(shù)領(lǐng)域】，它特別涉及到了低信噪比條件下雷達(dá)多幀檢測和跟蹤微弱目標(biāo)的【技術(shù)領(lǐng)域】。
【背景技術(shù)】
[0002]隨著目標(biāo)隱身技術(shù)的不斷發(fā)展和升級，雷達(dá)所檢測目標(biāo)(如飛機(jī)、艦船)的雷達(dá)目標(biāo)反射截面積(RCS)減小了一到兩個數(shù)量級。這增加了雷達(dá)檢測目標(biāo)的難度，同時也對雷達(dá)自身的生存構(gòu)成了威脅。正是由于上述原因，微弱目標(biāo)的檢測和跟蹤成為雷達(dá)檢測領(lǐng)域的一個重要研究方向。已有的研究成果中提到了通過延長脈沖積累時間來提高輸出信噪t匕，從而提高了雷達(dá)對微弱目標(biāo)的檢測能力?，F(xiàn)有預(yù)警雷達(dá)體系為了防止距離模糊的產(chǎn)生，其脈沖重復(fù)頻率較低。在低重頻預(yù)警雷達(dá)的工作體制下，雷達(dá)發(fā)射機(jī)在一個方位向分辨單元上發(fā)射的脈沖數(shù)很少，從而導(dǎo)致了一幀雷達(dá)回波數(shù)據(jù)中包含的目標(biāo)回波脈沖數(shù)很少，這使得在單幀回波數(shù)據(jù)內(nèi)對目標(biāo)回波進(jìn)行長時間的脈沖積累變得很難實(shí)現(xiàn)。
[0003]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(dá)回波原始數(shù)據(jù)，然后進(jìn)行能量積累來對微弱目標(biāo)進(jìn)行檢測和跟蹤的技術(shù)，見文獻(xiàn)“孫立宏.雷達(dá)弱小目標(biāo)檢測前跟蹤方法研究.[碩士學(xué)位論文]，西安:西安電子科技大學(xué)，2007”。由于信噪比較低時，單幀回波數(shù)據(jù)無法檢測出微弱目標(biāo)，檢測前跟蹤方法通過對多幀回波數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，根據(jù)先驗(yàn)信息沿目標(biāo)的運(yùn)動軌跡進(jìn)行能量積累，從而提高輸出信噪比，達(dá)到檢測微弱目標(biāo)的目的。經(jīng)典的檢測前跟蹤算法主要有基于Hough變換的檢測前跟蹤算法、基于粒子濾波的檢測前跟蹤算法以及基于動態(tài)規(guī)劃的檢測前跟蹤算法等等。在雷達(dá)信號處理中脈沖的能量積累包括相參積累和非相參積累，前者是指對復(fù)數(shù)據(jù)(即包含幅度和相位的數(shù)據(jù))進(jìn)行積累，而后者指的是僅僅對數(shù)據(jù)的幅度(也可能是幅度的平方或者幅度對數(shù))進(jìn)行積累。上面提到的幾種檢測前跟蹤算法均為對單幀雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行相參積累，多幀回波數(shù)據(jù)間采用非相參積累。由于這些算法在幀間積累時都舍去目標(biāo)回波的相位信息，因此信噪比較低的時候其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要達(dá)到與相參檢測前跟蹤算法達(dá)到同樣的檢測性能就必須要使用更多幀的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行積累，因而傳統(tǒng)的非相參檢測前跟蹤算法的數(shù)據(jù)處理量與相參檢測前跟蹤算法相比也較大。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]為了能在低信噪比條件下，使用較少幀數(shù)的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)就能得到較高的對微弱目標(biāo)的檢測概率，本發(fā)明提出了一種基于動態(tài)規(guī)劃的多幀相參積累目標(biāo)檢測前跟蹤方法，其特點(diǎn)是利用動態(tài)規(guī)劃獲得目標(biāo)在幾幀回波數(shù)據(jù)中的可能航跡，通過對目標(biāo)回波相位的二次項(xiàng)進(jìn)行估計(jì)和補(bǔ)償以利用目標(biāo)回波的相位信息，通過對多幀回波數(shù)據(jù)中的目標(biāo)回波進(jìn)行相參積累來提高輸出信噪比，實(shí)現(xiàn)對微弱目標(biāo)的檢測。這種方法與傳統(tǒng)非相參檢測前跟蹤方法相比，使用較少幀數(shù)回波數(shù)據(jù)就提高了輸出信噪比，從而提高了目標(biāo)檢測概率。
[0005]為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作以下術(shù)語定義:[0006]定義1、檢測前跟蹤
[0007]在雷達(dá)系統(tǒng)中，檢測前跟蹤是指雷達(dá)在獲得一個掃描周期的回波數(shù)據(jù)后，先不進(jìn)行處理，不設(shè)檢測門限和不宣布檢測結(jié)果，而是將接收到的每一個掃描時刻的回波數(shù)據(jù)數(shù)字化后存儲起來，等達(dá)到設(shè)定的數(shù)據(jù)量時在各掃描時刻之間對假設(shè)路徑包含的點(diǎn)作幾乎沒有信息損失的相關(guān)處理，從而估計(jì)出目標(biāo)的運(yùn)動軌跡，最后檢測結(jié)果和目標(biāo)軌跡同時宣布，見文獻(xiàn)“孫立宏.雷達(dá)弱小目標(biāo)檢測前跟蹤方法研究.[碩士學(xué)位論文]，西安:西安電子科技大學(xué)，2007”。
[0008]定義2、距離單元
[0009]在雷達(dá)系統(tǒng)中，將雷達(dá)測距的范圍劃分成若干小的區(qū)域并將其編號，雷達(dá)根據(jù)目標(biāo)回波信號落入的區(qū)域編號計(jì)算目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離。
[0010]定義3、方位向
[0011]將雷達(dá)掃描空間均勻劃分為若干等分，每一等分為一個方位向。
[0012]定義4、虛警門限
[0013]雷達(dá)系統(tǒng)中的參數(shù)，當(dāng)統(tǒng)計(jì)值超過虛警門限時雷達(dá)報(bào)告發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，當(dāng)統(tǒng)計(jì)值未超過虛警門限時雷達(dá)不報(bào)告發(fā)現(xiàn)目標(biāo)。詳見文獻(xiàn)“丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理(第三版).西安電子科技大學(xué)出版社.2009.8”。
[0014]定義5、一幀回波數(shù)據(jù)
[0015]在本發(fā)明中，一幀回波數(shù)據(jù)是指在一個雷達(dá)掃描周期內(nèi)，雷達(dá)接收機(jī)所接收、采樣并存儲的在這一個雷達(dá)掃描周期內(nèi)所有發(fā)射脈沖的回波數(shù)據(jù)。
[0016]定義6、慢時間
[0017]雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)時間為T，記第一個脈沖的發(fā)射時刻為0，那么第m個脈沖的發(fā)射時刻為tm=mT(m=0,1, 2….)，tm即亦稱為慢時間。
[0018]定義7、距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣
[0019]本發(fā)明中距離-慢時間二維數(shù)據(jù)矩陣的行代表距離向，其行的數(shù)目為雷達(dá)對每個回波采樣的點(diǎn)數(shù)；矩陣的列代表方位向，其列的數(shù)目為雷達(dá)在每個方位向發(fā)射脈沖的序號。假設(shè)雷達(dá)掃描空間被分為N個方位向，每個方位向發(fā)射M個脈沖，雷達(dá)對每個發(fā)射脈沖的回波采樣L次，則在一個雷達(dá)掃描周期內(nèi)雷達(dá)連續(xù)發(fā)射LXM個脈沖并按方位向編號將采樣數(shù)據(jù)存儲為N個L行M列的二維矩陣Slxm中，其中，M、N、L均為正整數(shù)，如圖1所示。
[0020]定義8、FFT
[0021]FFT為快速傅里葉變換，是離散傅里葉變換的快速算法。
[0022]定義9、動態(tài)規(guī)劃
[0023]動態(tài)規(guī)劃是一個運(yùn)籌學(xué)的分支，是求解決策過程最優(yōu)化的方法。20世紀(jì)50年代初美國數(shù)學(xué)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(guān)系，逐個求解，創(chuàng)立了解決這類過程優(yōu)化問題的新方法一一動態(tài)規(guī)劃。1957年出版了他的名著《DynamicProgramming》,這是該領(lǐng)域的第一本著作。
[0024]定義10、信噪比
[0025]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(xiàn)“丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理(第三版).西安電子科技大學(xué)出版社.2009.8”。[0026]定義11、二次相位
[0027]二次相位是指雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的相位中關(guān)于慢時間的二次項(xiàng)。
[0028]定義12、動態(tài)存儲矩陣
[0029]動態(tài)存儲矩陣指能夠根據(jù)實(shí)際的需求進(jìn)行動態(tài)的更新(存儲和清除)矩陣中各單元的值，并能夠根據(jù)需求擴(kuò)展矩陣的維數(shù)，如增加列的維數(shù)或者增加行的維數(shù)。
[0030]定義13、動態(tài)存儲向量
[0031]動態(tài)存儲向量指能夠根據(jù)實(shí)際的需要進(jìn)行動態(tài)的更新向量中元素單元值的存儲向量。
[0032]定義14、動態(tài)存儲參數(shù)
[0033]動態(tài)存儲參數(shù)指參數(shù)的值能夠根據(jù)存儲的需要對參數(shù)的取值進(jìn)行動態(tài)的改變。
[0034]定義15、FFT
[0035]FFT即快速傅里葉變換，計(jì)算離散傅里葉變換的一種快速算法?？焖俑道锶~變換是1965年由J.W.庫利和T.W.圖基提出的。采用這種算法能使計(jì)算機(jī)計(jì)算離散傅里葉變換所需要的乘法次數(shù)大為減少，特別是被變換的抽樣點(diǎn)數(shù)N越多，F(xiàn)FT算法計(jì)算量的節(jié)省就越顯著。詳見“程乾生.數(shù)字信號處理.北京大學(xué)出版社，北京，2003”。
[0036]定義16、單載頻信號
[0037]單一載頻脈沖信號可以表示為矩形信號與余弦信號的乘積:
【權(quán)利要求】
1.一種基于動態(tài)規(guī)劃的多幀相參積累目標(biāo)檢測前跟蹤方法，其特征是它包括如下步驟: 步驟1、相關(guān)參數(shù)的初始化 初始化的參數(shù)均已知且如下所示:雷達(dá)發(fā)射脈沖的載頻記為f。；雷達(dá)發(fā)射脈沖重復(fù)時間為記T ;雷達(dá)的距離分辨率記為δ r ;相參處理的雷達(dá)數(shù)據(jù)幀數(shù)記為K，K為正整數(shù)；雷達(dá)在距離向上的距離單元個數(shù)記為L ;雷達(dá)掃描空間被劃分成的方位向個數(shù)記為N，雷達(dá)在每個方位向發(fā)射的脈沖個數(shù)記為M ;幀序號記為1，第I幀的回波方位向序號記為m，第1+1幀的回波方位向序號記為P，第I幀第m個方位向的雷達(dá)回波可以表示成一個L行M列的矩陣，記為Sfi，且第1+1幀第P個方位向的雷達(dá)回波可以表示成一個L行M列的矩陣，記為5f+1，其中m為第I幀的回波方位向序號，P為第1+1幀的回波方位向序號，取值范圍為1=1，2，.3，-,K-l,m=l, 2, 3,…，N，p=l，2，3，…，N ;雷達(dá)虛警門限值記為Vs ;電磁波傳播速度記為V ；目標(biāo)在兩幀數(shù)據(jù)之間的方位向走動最大值為Λ X ；目標(biāo)回波相位二次項(xiàng)系數(shù)最小值記為Ymin ;目標(biāo)回波相位二次項(xiàng)系數(shù)最大值記為Ymax ;回波相位二次項(xiàng)系數(shù)參考值個數(shù)記為G ； 步驟2、利用動態(tài)規(guī)劃得到積累矩陣 采用傳統(tǒng)的動態(tài)規(guī)劃方法進(jìn)行如下循環(huán): 步驟2.1、選取第一幀與第二幀相關(guān)聯(lián)的回波數(shù)據(jù) 初始化步驟I中的幀序號I和方位向序號m, P,令1=1, m=l, p=l ;定義一個MXM行K列的動態(tài)存儲矩陣A，并初始化動態(tài)存儲矩陣A的所有元素為零，動態(tài)存儲A的行序號記為r，則 r=l，2，".，ΜΧΜ，初始化 r=l，轉(zhuǎn)到步驟 2.1.1 ；
步驟2.1.1 取出步驟I中的第I幀第m個方位向的雷達(dá)回波矩陣I)，并取出第1+1幀第P個方位向的回波矩陣= U，轉(zhuǎn)到步驟2.1.2 ;
步驟2.1.2 如果|p-m| >Δχ，將P的值增加1，轉(zhuǎn)到步驟2.1.3 ;其中|.1表示絕對值運(yùn)算，>表示大于,ΔX為步驟I中已知的方位向走動最大值； 如果|p-m|≤Δ X，將m的值存入動態(tài)存儲矩陣A的第r行第一列，將P的值存入動態(tài)存儲矩陣A的第r行第二列，并令r的值增加I, P的值增加I,轉(zhuǎn)到步驟2.1.3 ;其中|.表示絕對值運(yùn)算, <表示小于或者等于，Δ X為步驟I中已知的方位向走動最大值；
步驟2.1.3 如果P≤N，則轉(zhuǎn)到步驟2.1.1 ； 如果P > N，則將P置為1，將m的值增加I，轉(zhuǎn)到步驟2.1.1 ；
步驟2.1.4 如果m≤N，則轉(zhuǎn)到步驟2.1.1 ； 如果m > N，則將m置為1，將I的值增加I，第一幀存儲結(jié)束，轉(zhuǎn)到步驟2.1.5 ;
步驟2.1.5 刪除動態(tài)存儲矩陣A的全部為零的行，得到第一幀完整關(guān)聯(lián)存儲后的矩陣，記為矩陣B，轉(zhuǎn)到步驟2.2 ； 步驟2.2、從第二幀起選取關(guān)聯(lián)回波數(shù)據(jù) 取步驟2.1.4中得到的第一幀完整關(guān)聯(lián)存儲后的矩陣B，第一幀完整關(guān)聯(lián)存儲后的矩陣B的行數(shù)記為Tl，第一幀完整關(guān)聯(lián)存儲后的矩陣B的列數(shù)記為Yl，第一幀完整關(guān)聯(lián)存儲后的矩陣B的行序號記為i，取值范圍i=l，2,…,Tl,其列序號記為j,取值范圍j=l,2,...,Y1，第一幀完整關(guān)聯(lián)存儲后的矩陣B的元素記為B(i，j) (i=l，2，…，Tl ；j=l,2,…，Yl)，令.i=l, 1=2, m=l, p=l，轉(zhuǎn)到步驟 2.2.1 ；
步驟2.2.1 取出步驟I中的第I幀第m個方位向的雷達(dá)回波矩陣Smi，并取出第1+1幀第P個方位向的回波矩陣，轉(zhuǎn)到步驟2.2.2'
步驟2.2.2 如果|p-m| >Δ X,轉(zhuǎn)到步驟2.2.4,其中|.I表示絕對值運(yùn)算，>表示大于,Δ χ為步驟I中已知的方位向走動最大值； 如果|p-m|≤Δχ,轉(zhuǎn)到步驟2.2.3,其中I.|表示絕對值運(yùn)算,≤表示小于或者等于，Δχ為步驟I中已知的方位向走動最大值；
步驟2.2.3 將m的值與矩陣B的第i行第j (j=l)列的值作比較: 如果相等，則將P的值存入第一幀完整關(guān)聯(lián)存儲后的矩陣B的第i行第j(j=l+l)列，即B(i，j)=p, j=l+l，將p的值增加I，轉(zhuǎn)到步驟2.2.5 ； 如果不相等，則將i的值增加1，轉(zhuǎn)到步驟2.2.4 ;
步驟2.2.4 如果i≤Tl，則轉(zhuǎn)到步驟2.2.3; 如果i > Tl，則將P的值增加I，轉(zhuǎn)到步驟2.2.5 ;
步驟2.2.5 如果P≤N，則轉(zhuǎn)到步驟2.2.1 ； 如果P > N，則將P置為1，將m的值增加I，轉(zhuǎn)到步驟2.2.6 ；
步驟2.2.6 如果m≤N，則轉(zhuǎn)到步驟2.2.1 ; 如果m > N，則將m置為1，將I的值增加I，轉(zhuǎn)到步驟2.2.7 ;
步驟2.2.7 如果I ≤ K-1，則轉(zhuǎn)到步驟2.2.1 ; 如果I > K-1，則整個動態(tài)規(guī)劃步驟結(jié)束，得到針對步驟2.1.5中的矩陣B利用動態(tài)規(guī)劃積累后所得到的矩陣，記為矩陣E，轉(zhuǎn)到步驟3 ； 步驟3刪除無效數(shù)據(jù) 對于步驟2.2.7中得到的矩陣E，刪除矩陣E中非零元素個數(shù)小于K的行，得到刪除無效行后的矩陣，記為矩陣F，轉(zhuǎn)到步驟4 ; 步驟4相參積累 步驟4.1 取出步驟3中得到的矩陣F，統(tǒng)計(jì)矩陣F的行數(shù)，記為T2，統(tǒng)計(jì)矩陣F的列數(shù)，記為Y2，矩陣F的行序號記為al，矩陣F的列序號記為a2，取值范圍al=l，2，…，T2，a2=l，2，…，Y2 ;定義一個L行MXNXK列動態(tài)積累矩陣C，并將矩陣C的所有元素置零；定義一個T2行G列的動態(tài)存儲矩陣H，動態(tài)存儲矩陣H的行序號記為zl，列序號記為z2，則矩陣H的第zl行第z2列的元素記為H(zI，z2) (z 1=1，2，...T2，z2=l，2，…，G)，將動態(tài)存儲矩陣H的所有元素置零；定義一個最大值存儲參數(shù)W ;初始化al=l，相參積累方法如下: 步驟4.2 首先取出矩陣F第al行所有列的數(shù)據(jù)，記為Ral,1; Ralj2,…，Ral,T2，其中Ral,a2(a2=l，2，…，T2)為整數(shù)；然后按照行不變，列數(shù)遞增的順序，將步驟I中的雷達(dá)回波矩陣
【文檔編號】G01S13/66GK103513244SQ201310486037
【公開日】2014年1月15日 申請日期:2013年10月17日 優(yōu)先權(quán)日:2013年10月17日
【發(fā)明者】張曉玲, 師同彥, 張龍 申請人:電子科技大學(xué)