专利名称：一种基于动态规划和后像投影算法的相参积累方法
技术领域：
本发明属于雷达系统中目标检测和跟踪的技术领域，它特别涉及到了低信噪比条件下雷达检测和跟踪低可观测目标(亦称弱目标)的技术领域。
背景技术：
随着目标隐身技术的发展、采用新型吸波材料和改变物体几何外形等隐身技术的不断发展和完善，雷达探测目标的雷达目标反射面积(RCS)降低了几个数量级。这对于雷达检测目标和提高自身的生存能力提出了严峻的挑战。因此对低可观测目标的检测和跟踪成为雷达的ー个重要研究方向。从以前的研究中可知，可以通过増加脉冲积累个数的方法来提高信噪比从而提高雷达对低可观测目标的检测能力。现有预警雷达体系一般选用较低的脉冲重复频率以防止距离模糊的产生。在低重频扫描雷达体制下，雷达在ー个方位向上发射的脉冲数很少，这导致了在一帧雷达回波数据中目标的回波脉冲数很少，这使得回波数据进行长时间的脉冲积累变得很难实现。检测前跟踪算法是通过先存储多帧未经过门限处理的雷达回波原始数据，然后进行能量积累来对低可观测目标进行检测和跟踪的技木。由于在低信噪比条件下，单帧数据无法得出检测结果，检测前跟踪方法通过对多帧回波数据的处理，利用目标的运动特性，沿目标轨迹进行能量积累，提高了信噪比，达到了检测低可观测目标的目的。目前用于低可观测目标检测的非相參检测前跟踪算法主要有基于Hough变换的检测前跟踪算法、基于改进Hough变换的检测前跟踪算法、基于粒子滤波的检测前跟踪算法和基于动态规划的检测前跟踪算法等；用于低可观测目标检测的相參检测前跟踪算法主要有基于径向速度估计的相參积累算法(详见“王瑞军，张晓玲，樊玲，多帧相參积累的检测前跟踪方法，计算机工程与应用，2011，47 (33).，，)和基于Keystone变换的相參积累方法(详见“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. ”)。在雷达信号处理中脉冲的能量积累包括非相參积累和相參积累，前者指的是仅仅对数据的幅度(也可能是幅度的平方或者幅度对数)进行积累，而后者是指对复数据(即包含幅度和相位的数据)进行积累。由于非相參积累算法在帧间积累时都没有有效利用目标回波的相位信息，因此在低信噪比下积累效率比帧间相參积累时低。传统的非相參检测前跟踪算法为达到好的检测性能需要比相參检测前跟踪算法更多帧的回波数据进行积累，因此数据处理量较大。同时，现有的相參积累算法存在速度模糊问题和距离走动校正的问题，积累结果存在一定的误差。
发明内容
为了能在低信噪比条件下，使用较少帧数的雷达回波数据就能得到较高的对微弱目标的检测概率，本发明提出了一种基于动态规划和后像投影算法的相參检测前跟踪积累方法，由于它克服了速度模糊问题，并且在时域上直接进行距离走动补偿，所以不需要对目标距离进行近似展开，从而不需要考虑目标的多普勒走动；与现有相參TBD方法相比，減少了积累误差，提高了检测概率和检测精度，減少了虚假航迹，降低了虚警概率。为了方便描述本发明的内容，首先作以下术语定义定义I、检测前跟踪在雷达系统中，检测前跟踪是指雷达在获得一个扫描周期的回波数据后，先不进行处理，不设检测门限和不宣布检测結果，而是将接收到的每ー个扫描时刻的回波数据数字化后存储起来，等达到设定的数据量时在各扫描时刻之间对假设路径包含的点作几乎没有信息损失的相关处理，从而估计出目标的运动轨迹，最后检测结果和目标轨迹同时宣布。 详见文献“黄红平.强杂波下微弱目标检测算法研究.电子科技大学硕士学位论文.2010”。定义2、距离单元在雷达系统中，将雷达测距的范围划分成若干小的区域并将其编号，雷达根据目标回波信号落入的区域编号计算目标与雷达之间的距离。定义3、方位向将雷达扫描空间均匀划分为若干等分，每ー等分为ー个方位向。定义4、虚警门限雷达系统中的參数，当统计值超过虚警门限时雷达报告发现目标，当统计值未超过虚警门限时雷达不报告发现目标。虚警门限值一般由虚警概率计算得到。详见文献“丁鹭飞，耿富录.雷达原理(第三版).西安电子科技大学出版社.2009. 8”。定义5、ー帧回波数据在本发明中，一帧回波数据是指在ー个雷达扫描周期内，雷达接收机所接收、采样并存储的在这ー个雷达扫描周期内所有发射脉冲的回波数据。定义6、距离-慢时间ニ维数据矩阵本发明中距离-慢时间ニ维数据矩阵的行代表距离向，其行的数目为雷达对每个回波采样的点数；矩阵的列代表方位向，其列的数目为雷达在每个方位向发射脉冲的序号。 假设雷达扫描空间被分为N个方位向，每个方位向发射I个脉冲，雷达对每个发射脉冲的回波采样M次，则在ー个雷达扫描周期内雷达连续发射N个脉冲并按方位向编号将采样数据存储为N行M列的ニ维矩阵SNxM，如图I所示。定义7、动态规划算法动态规划是运筹学的ー个分支，是求解决策过程最优化的数学方法。20世纪50 年代初美国数学家R. E. Bellman等人在研究多阶段决策过程的优化问题时，提出了著名的最优化原理，把多阶段过程转化为一系列单阶段问题，利用各阶段之间的关系，逐个求解，
创立了解决这类过程优化问题的新方法-动态规划。1957年出版了他的名著《Dynamic
Programming》,这是该领域的第一本著作。定义8、后像投影算法BP算法起源于计算机断层扫描(Computer-Aided Tomography, CAT)技术， 是ー种精确的时域成像方法。详见文献“ 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”。
定义9、信噪比信噪比是指信号的功率与环境噪声功率的比值。详见文献“丁鹭飞，耿富录.雷达原理(第三版).西安电子科技大学出版社.2009. 8”。定义10、脉冲压缩脉冲压缩是ー种现代雷达信号处理技术，简单来说就是雷达发射宽脉冲，然后再接收端“压缩”为窄脉冲，从而改善雷达的两种性能作用距离和距离分辨率。详见“皮亦鸣， 杨建宇，付毓生，杨晓波.合成孔径雷达成像原理.第一版.电子科技大学出版社.2007. 3”定义11、包络检波包络检波是从调幅波包络中提取调制信号的过程先对调幅波进行整流，得到波包络变化的脉动电流，再以低通滤波器滤除去高频分量，便得到调制信号。详见文献“丁鹭飞，耿富录.雷达原理(第三版).西安电子科技大学出版社.2009. 8”。本发明提供了用于检测和跟踪低可观测目标的ー种基于动态规划和后像投影算法的相參积累方法，该方法的步骤如下步骤I、基于动态规划和后向投影算法的积累方法相关參数的初始化初始化的參数均为已知，且初始化的參数如下所有的位置坐标信息都是以极坐标形式给出；雷达发射线性调频信号，其发射脉冲的载频为F。；雷达扫描周期为T ;雷达发射脉冲的带宽B ;雷达发射脉冲的调频斜率b ;雷达发射脉冲的持续时间Tp ;雷达的距离分辨率S r ;相參处理的雷达回波数据帧数为K，(K为正整数)；K帧回波数据中第i帧回波数据为ち(t = 1,2,3-K);雷达扫描空间被划分成的方位向个数N，记方位向序号为n，(n =1、2、3…N);雷达在距离向上的采样频率Fs ;雷达在距离向上的采样点数M，记距离向序号为m, m = 1、2、3*“M ;雷达弟一虚警概率Pfal ;雷达弟_■虚警概率Pfa2 ;根据目标的运动特性可知目标运动速度的上下限分别为Vmin和V_，目标最大加速的限制为a_。斜率允许误差e，速度允许误差ev和加速度允许误差e a。步骤2、计算目标信息假设目标直线运动，速度为V，加速度为a。那么目标的速度应该满足 Vmin≤V≤Vmax目标的加速度应该满足-amin≤a≤amax即雷达只对满足Vmin≤V≤Vmax 与-amin≤a≤amax的目标进行检测和跟踪。由速度限制条件Vmin和Vmax、加速度限制条件a_与雷达扫描周期为T计算得到目标在第i帧与第i+1帧之间运动的理论最长距离
权利要求
1 .一种基于动态规划和后像投影算法的相參积累方法，其特征是它包括以下步骤 步骤I、基于动态规划和后向投影算法的积累方法相关參数的初始化；初始化的參数均为已知，且初始化的參数如下所有的位置坐标信息都是以极坐标形式给出；雷达发射线性调频信号，其发射脉冲的载频为F。；雷达扫描周期为T ;雷达发射脉冲的带宽B ;雷达发射脉冲的调频斜率b ;雷达发射脉冲的持续时间Tp ;雷达的距离分辨率 6 r ;相參处理的雷达回波数据帧数为K，K为正整数；雷达扫描空间被划分成的方位向个数 N，记方位向序号为n，n = 1、2、3…N ;雷达在距离向上的采样频率Fs ;雷达在距离向上的采样点数M，记距离向序号为m，m = 1、2、3…M ；K帧回波数据中第i帧回波数据为，i = U2.3-K ;雷达第一虚警概率Pfal ;雷达第二虚警概率Pfa2 ;根据目标的运动特性可知目标运动速度的上下限分别为Vmil^PVmax,目标最大加速的限制为a_ ;斜率允许误差e，速度允许误差S v和加速度允许误差e a ；步骤2、计算目标信息；假设目标直线运动，速度为V，加速度为a ;那么目标的速度应该满足Vmin≤V≤Vfflax,目标的加速度应该W足_amax ^ a ^ amax,即雷达只对丨两足Vmin ^ V ^ Vmax与_amax ^ a ^ amax 的目标进打检测和跟踪；由速度限制条件Vmin和Vmax、加速度限制条件a_与雷达扫描周期为T计算得到目标在第i帧与第i+1帧之间运动的理论最长距离、H..::...フ:和理论最短距离假设背景噪声为复高斯白噪声，其均值为零，方差为パ；雷达第一虚警概率Pfal、 雷达第二虚警概率Pfa2以及噪声方差O 2计算得到虚警门限雷达第一虚警门限值ゾしぃ雷达第ニ虚警门限值,,步骤3、雷达回波数据在距离向上进行脉冲压缩；取出步骤I中初始的K帧回波数据
全文摘要
本发明公开了一种基于动态规划和后像投影算法的相参检测前跟踪积累方法，它是通过动态规划得到目标的预测航迹，然后通过后像投影算法进行能量积累来提高输出信噪比，实现对低可观测目标的检测。与非相参TBD算法相比，本发明在帧间积累时利用了回波信号的相位信息，对多帧回波进行相参积累来提高输出信噪比进而提高了检测效率；在时域上直接进行距离走动补偿，所以不需要对目标距离进行近似展开和考虑目标的多普勒走动；减少了积累误差，提高了检测概率和检测精度，降低了虚警概率。
文档编号G01S7/539GK102608590SQ201210076480
公开日2012年7月25日 申请日期2012年3月21日 优先权日2012年3月21日
发明者张也, 张晓玲 申请人:电子科技大学