基于方向比率的多帧联合海面小目标检测方法与流程

本发明属于信号处理技术领域，具体涉及一种海面小目标检测方法，可用于海面低速微弱目标的识别与跟踪。

背景技术：

海杂波背景下的低速微弱运动目标检测方法研究在军事、民用方面均具有广阔的应用前景。岸基雷达和机载雷达通常工作在高分辨、快扫描模式下。其中快扫描模式下雷达在每个波位获得的脉冲数在10个以下。在这种距离分辨率较高、脉冲数较少的情况下，如何有效检测海面小目标一直是一个研究热点。

随着雷达分辨率的提高，海杂波表现为强非高斯性，大量的研究使海杂波统计模型不断的完善，许多自适应检测方法在此基础上被提出。自适应检测方法不仅需要确切的获得海杂波模型信息还要求脉冲数足够多，在脉冲数较少的情况下，自适应检测方法不适合对海面低速微弱目标进行检测。文献he,y.,guan,j.:meng,x.w.etal.:‘radartargetdetectionandcfarprocessing’,(tsinghuauniversitypress,2011,2stedn.),pp.30-50和文献watts,s.:‘cell-averagingcfargaininspatiallycorrelatedk-distributedclutter’,ieeeradarsonarnavig.,1996,143,pp.321-327提出的各类基于能量的恒虚警检测方法由于容易实现、计算速度快被广泛应用于雷达目标检测中。基于能量的恒虚警检测方法在海杂波统计特性未知、脉冲数较少的情况下可以使用。但是由于海面微弱目标的回波经常被淹没在强的海杂波中，这使得雷达获得的信杂比降低，在低信杂比情况下，基于能量的恒虚警检测方法的检测性能较低。

技术实现要素：

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于方向比率的多帧联合海面小目标检测方法，以提高在快扫描模式下对海面低、慢、小目标的检测性能。

为实现上述目的，本发明的技术方案包括如下：

(1)利用雷达发射机发射连续的脉冲信号，雷达接收机接收m×i×q维的回波数据矩阵x，其中，m表示帧数，i表示距离单元数，q表示脉冲数；

(2)利用回波数据矩阵x沿着脉冲维求幅度的均值，计算数据矩阵z，其中，数据矩阵z的第m行i列的数据为z(m,i)：

||表示取模，x(m,i,q)表示回波数据矩阵x第m行i列q页的数据；

(3)设计方向匹配滤波器；

(3a)给定窗长2l+1，确定水平滤波器h，其中，l为正整数，水平滤波器h的第x行y列的值为：

(3b)利用水平滤波器h，保证所有方向都被搜索到，设计方向匹配滤波器：

其中，wj(θj)表示第j个方向的方向匹配滤波器，θj表示第j个旋转角度，j表示方向匹配滤波器的个数，j≥2l；

(4)给定参考单元个数r，利用方向匹配滤波器，计算待检测单元d的检验统计量ξd；

(4a)在数据矩阵z中，以待检测单元d为中心，选取(2l+1)×(2l+1)维数据为模版矩阵，将模版矩阵分别与每个方向匹配滤波器点乘并对点乘结果中的所有元素进行累积求和，得到待检测单元d在每个方向上的累积和；

(4b)选取待检测单元d周围的r个单元作为参考单元，利用r个参考单元分别替换步骤(4a)中的待检测距离单元d，得到每个参考单元在每个方向上的累积和，再在每个方向上选取出r个累积和中的最大值；

(4c)利用待检测单元d在每个方向上的累积和与r个参考单元在每个方向上的累积和的最大值，计算待检测单元d的检验统计量ξd：

其中，max()表示取最大值，st表示待检测单元d在第t个方向上的累积和，nt表示r个参考单元在第t个方向上的累积和的最大值，t＝1,2,...,j；

(5)根据系统给定的虚警概率p，通过蒙特卡罗实验计算检测门限t；

(6)通过比较检验统计量ξd和检测门限t的大小判断出目标是否存在：如果ξd≥t，则表明待检测距离单元d有目标，如果ξd＜t，则表明待检测距离单元d没有目标。

本发明与现有技术比较具有以下优点：

1)由于本发明在海杂波统计特性未知、脉冲数较少的情况下仍适用，相比已有的自适应检测方法，更具有广泛性。

2)由于本发明利用到帧间的回波信息，相比已有的基于能量的恒虚警检测方法，更适合用于快速扫描模式下。

3)由于本发明基于能量在方向上的累积且保证在所有方向均进行搜索，利用到目标运动方向的信息，相比已有的基于能量的恒虚警检测方法，提高了快速扫描模式下雷达对海面低、慢、小目标的检测性能。

附图说明

图1为本发明的实现流程图；

图2为用本发明和现有方法在实测海杂波数据下进行目标检测的结果图；

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

参照图1，本发明的实现步骤如下：

步骤1，获取回波数据。

利用雷达发射机发射连续的脉冲信号，雷达接收机接收m×i×q维的回波数据矩阵x，其中，m表示帧数即扫描数，i表示距离单元数，q表示积累脉冲数。

步骤2，利用回波数据矩阵x沿着脉冲维求幅度的均值，计算数据矩阵z，其中，数据矩阵z的第m行i列的数据为z(m,i)：

||表示取模，x(m,i,q)表示回波数据矩阵x第m行i列q页的数据。

步骤3，设计方向匹配滤波器。

(3.1)给定窗长2l+1，确定水平滤波器h，其中水平滤波器h的第x行y列的值：x＝-l,-l+1,...,l-1,l，y＝-l,-l+1,...,l-1,l，l为正整数，为获得更好的检测性能l≥4，本实例取l＝4；

(3.2)利用水平滤波器h，保证所有方向都被搜索到，设计方向匹配滤波器：

wj(θj)＝h(xcosθj-ysinθj,xsinθj+ycosθj)

其中，wj(θj)表示第j个方向的方向匹配滤波器；θj表示第j个旋转角度，其为第j个方向的方向匹配滤波器的自变量；j表示方向匹配滤波器的个数，j≥2l，本实例取j＝16。

步骤4，计算待检测单元d的检验统计量。

(4.1)在数据矩阵z中，以待检测单元d为中心，选取(2l+1)×(2l+1)维数据为模版矩阵，将模版矩阵与方向匹配滤波器点乘并对点乘结果中的所有元素进行累积求和，得到待检测单元d在每个方向上的累积和；

(4.2)给定参考单元个数r,选取待检测单元d周围的r个单元作为参考单元，利用r个参考单元分别替换步骤(4.1)中的待检测距离单元d，得到每个参考单元在每个方向上的累积和，再在每个方向上选取出r个累积和中的最大值；

(4.3)利用待检测单元d在每个方向上的累积和与r个参考单元在每个方向上的累积和的最大值，计算待检测单元d的检验统计量ξd：

其中，max()表示取最大值，st表示待检测单元d在第t个方向上的累积和，nt表示r个参考单元在第t个方向上的累积和的最大值，t＝1,2,...,j。

步骤5，根据系统给定的虚警概率p，通过蒙特卡罗实验计算检测门限t。

(5.1)在数据矩阵z中选取v个纯杂波单元作为训练单元，v≥100/p，本实例取v＝100/p；

(5.2)利用v个训练单元分别替换步骤4中的待检测距离单元d，重复步骤4得到每个训练单元的检验统计量；

(5.3)将得到的v个检验统计量按降序排列，取排列后的第[vp]个检验统计量作为检测门限t，其中[vp]表示不超过实数vp的最大整数。

步骤6，通过比较检验统计量ξd和检测门限t的大小判断出目标是否存在：

如果ξd≥t，则表明待检测距离单元d有目标，

如果ξd＜t，则表明待检测距离单元d没有目标。

下面结合仿真实验对本发明的效果做进一步说明。

一.实验数据

本实例使用csir在南非采集的实测海杂波数据tfc15-002，雷达载波频率为9兆赫兹,脉冲重复频率为5000赫兹,低略射角情况下距离分辨力为15米,使用垂直极化方式。选取数据脉冲数为4，距离单元数为96，帧数为109，目标按照模型swerlingi仿真从第20个距离单元加至第50个距离单元。

二.仿真实验

取虚警概率p＝10^-3，参考单元数为24个，利用本发明和现有基于功率中值-恒虚警检测方法cm-cfar，分别对目标进行检测，检测结果如图2所示，其中，图2中的横轴表示仿真目标的平均功率，纵轴表示检测概率。

由图2可以看出，在同一平均信杂比水平下，本发明的检测概率远高于现有方法的检测概率，特别是当平均信杂比到达12分贝，本发明检测概率接近1，基于功率中值-恒虚警检测方法的检测概率甚至低于0.4不能满足实际工程需要。可见，在快速扫描模式下本发明对海面低速漂浮小目标的检测性能明显优于现有方法的检测性能。