扫描模式下涉海雷达动目标检测方法及装置

1.本技术涉及雷达动目标检测技术领域，具体涉及一种扫描模式下涉海雷达动目标检测方法及扫描模式下涉海雷达动目标检测装置。


背景技术：

2.当雷达工作在扫描模式时，由于同一方位发射脉冲个数较少(通常1-4 个)，能获取目标特征信息有限，加之复杂多变的地海杂波背景，造成雷达检测性能下降。现有方法普遍通过多帧联合，利用航迹融合关联技术消除杂波影响，然而随着雷达检测性能下降，会大大增加算法复杂度，严重时会导致算法失效。
3.现有扫描模式雷达检测方法普遍存在如下缺点：
4.a)通常直接对二维回波数据进行峰值检测，由于目标回波距离维与方位维的扩展性，一个目标可能会形成多个峰值点，增加了目标判定难度以及后续航迹融合和关联的复杂度。
5.b)雷达工作在扫描模式时同一方位脉冲驻留时间内，可积累的脉冲数有限，无法利用传统的mti滤波器进行杂波抑制，通常采用帧间消除的方法，由于杂波的不稳定性，造成抵消效果不理想，虚警点较多。
6.c)雷达工作在扫描模式时同一方位可积累的脉冲数有限，普遍只能采用基于幅度特性的二维横虚警检测方法，难以区分海杂波尖峰和目标，由检测性能有限。


技术实现要素：

7.本发明的目的在于提供一种扫描模式下涉海雷达动目标检测方法，来克服或至少减轻现有技术的至少一个上述缺陷。
8.本发明的一个方面，提供一种扫描模式下涉海雷达动目标检测方法，所述扫描模式下涉海雷达动目标检测方法包括：
9.获取雷达扫描模式下距离-方位二维回波数据；
10.对获取的所述二维回波数据进行高斯滤波；
11.对高斯滤波后的二维回波数据进行峰值检测，从而获取峰值检测点；
12.基于多普勒特性对所示峰值检测点进行杂波消除；对杂波消除后的峰值检测点进行基于幅度与相关特性的级联检测，从而得到运动目标检测结果。
13.可选地，所述对获取的所述二维回波数据进行高斯滤波包括：
14.获取二维回波数据的在扫描模式下目标回波在方向维的有效长度；
15.获取在扫描模式下目标回波在距离维有效长度；
16.根据所述在方向维的有效长度以及所述在距离维有效长度进行高斯滤波。
17.可选地，所述对所述峰值检测点进行杂波消除包括：
18.以峰值检测点x
(i,j)
为中心，其中i为距离维，j为方向维，将该距离门上方向维波束范围内接收的l个数据[x
(i,j-l/2)
,x
(i,j-l/2+1)
,
…
,x
(i,j)
,
…
,x
(i,j+l/2-1)
,x
(i,j+l/2)
]进行傅里叶
变换，求出最大值对应的多普勒值，若多普勒值小于设定门限，则判定为杂波，从而进行消除。
[0019]
可选地，所述杂波消除后的峰值检测点进行基于幅度与相关特性的级联检测，从而得到运动目标检测结果包括：
[0020]
采用经典二维横虚警检测方法对进行杂波消除后的二维回波数据进行基于幅度的检测。
[0021]
可选地，所述杂波消除后的峰值检测点进行基于幅度与相关特性的级联检测，从而得到运动目标检测结果进一步包括：
[0022]
采用如下公式进行相关特性检测：
[0023]
其中，
[0024]
cov(m,n)为m与n的协方差，var[m]为m的方差，var[n]为n的方差。
[0025]
本技术还提供了一种扫描模式下涉海雷达动目标检测装置，所述扫描模式下涉海雷达动目标检测装置包括：
[0026]
二维回波数据获取模块，所述二维回波数据获取模块用于获取二维回波数据；
[0027]
高斯滤波模块，所述高斯滤波模块用于对获取的所述二维回波数据进行高斯滤波；
[0028]
峰值检测点获取模块，所述峰值检测点获取模块用于对高斯滤波后的二维回波数据进行峰值检测，从而获取峰值检测点；
[0029]
杂波消除模块，所述杂波消除模块用于基于多普勒特性对所示峰值检测点进行杂波消除；
[0030]
判断模块，所述判断模块用于对杂波消除后的峰值检测点进行基于幅度与相关特性的级联检测，从而得到运动目标检测结果。
[0031]
可选地，所述高斯滤波模块包括：
[0032]
方向维有效长度获取模块，所述方向维有效长度获取模块用于获取二维回波数据的在扫描模式下目标回波在方向维的有效长度；
[0033]
距离维有效长度获取模块，所述距离维有效长度获取模块用于获取在扫描模式下目标回波在距离维有效长度；
[0034]
高斯滤波子模块，所述高斯滤波子模块用于根据所述在方向维的有效长度以及所述在距离维有效长度进行高斯滤波。
[0035]
本技术还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现如上所述的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法。
[0036]
本技术还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法。
[0037]
有益效果
[0038]
本技术的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法能够有效减少了目标分裂点，减少了地杂波与海杂波尖峰引起的虚警点，提高了系统检测性能。
附图说明
[0039]
图1为本技术一实施例的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法的流程图。
[0040]
图2是一种电子设备，用于实现图1所示的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法。
[0041]
图3为本技术一实施例的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法的基于幅度与相关特性的级联检测流程图。
[0042]
图4为图1所示扫描模式下涉海雷达动目标检测方法中的高斯滤波器。
[0043]
图5为图1所示的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法中的配试目标和海杂波尖峰方向维相关特性。
具体实施方式
[0044]
为使本技术实施的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行更加详细的描述。在附图中，自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。所描述的实施例是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本技术，而不能理解为对本技术的限制。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。下面结合附图对本技术的实施例进行详细说明。
[0045]
在本技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术保护范围的限制。
[0046]
图1为本发明第一实施例的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法的流程示意图。
[0047]
如图1所示的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法包括：
[0048]
获取雷达扫描模式下距离-方位二维回波数据；
[0049]
对获取的所述二维回波数据进行高斯滤波；
[0050]
对高斯滤波后的二维回波数据进行峰值检测，从而获取峰值检测点；
[0051]
基于多普勒特性对所示峰值检测点进行杂波消除；对杂波消除后的峰值检测点进行基于幅度与相关特性的级联检测，从而得到运动目标检测结果。
[0052]
本技术的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法能够有效减少了目标分裂点，减少了地杂波与海杂波尖峰引起的虚警点，提高了系统检测性能。
[0053]
在本实施例中，对获取的所述二维回波数据进行高斯滤波包括：
[0054]
获取二维回波数据的在扫描模式下目标回波在方向维的有效长度；
[0055]
获取在扫描模式下目标回波在距离维有效长度；
[0056]
根据所述在方向维的有效长度以及所述在距离维有效长度进行高斯滤波。
[0057]
在本实施例中，所述基于多普勒特性对所示峰值检测点进行杂波消除包括：
[0058]
以检测单元x
(i,j)
为中心，其中i为距离维，j为方向维，将该距离门上方向维波束范围内接收的l个数据[x
(i,j-l/2)
,x
(i,j-l/2+1)
,
…
,x
(i,j)
,
…
,x
(i,j+l/2-1)
,x
(i,j+l/2)
]进行傅里叶变换，求出最大值对应的多普勒值，若多普勒值小于设定门限，则判定为杂波，从而进行消除。
[0059]
在本实施例中，所述对杂波消除后的峰值检测点进行基于幅度与相关特性的级联检测，从而得到运动目标检测结果包括：
[0060]
采用经典二维横虚警检测方法对进行杂波消除后的二维回波数据进行基于幅度的检测。
[0061]
在本实施例中，对杂波消除后的峰值检测点进行基于幅度与相关特性的级联检测，从而得到运动目标检测结果进一步包括：
[0062]
采用如下公式进行相关特性检测：
[0063]
其中，
[0064]
cov(m,n)为m与n的协方差，var[m]为m的方差，var[n]为n的方差。
[0065]
本发明的技术方案将雷达扫描二维回波数据通过高斯滤波后再进行峰值点检测，利用水平波束宽度内接收回波信号的多普勒信息进行消除地杂波，利用目标的幅度与相关特性进行级联检测，有效减少了目标分裂点，海杂波尖峰引起的虚警点，提高了系统检测性能。系统流程图如图1所示。
[0066]
1、高斯滤波
[0067]
二维高斯滤波器通用表达式可表示为：
[0068][0069]
由雷达工作原理可知，在扫描模式下目标回波在方向维的有效长度可表示为：
[0070]
l＝θ/ω*prf/np+npθ
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
(2)
[0071]
式中，θ天线水平波束宽度，ω为天线扫描速度，prf为脉冲重复频率， np为每个方位驻留脉冲个数，npθ为方位维两端增加的保护单元。
[0072]
目标回波在距离维有效长度为：
[0073]
h＝τf+npd
[0074]
‑‑‑
(3)
[0075]
式中，τ发射信号脉冲宽度，f为采样率，npd为距离维两端增加的保护单元。
[0076]
高斯窗口大小取l与h两者中的较大值，为了便于叙述，假设l大于h,
[0077]
则高斯滤波器在方向维的向量：
[0078]
x＝[-l/2,-l/2+1,-l/2+2,
…
,l/2-2,l/2-1,l/2]
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
(4)
[0079]
高斯滤波器在距离维的向量：
[0080]
y＝[-l/2,-l/2+l/h,-l/2+2l/h,
…
,l/2-2l/h,l/2-l/h,l/2]
‑‑‑‑‑‑‑‑
(5)
[0081]
标准差的大小为：
[0082]
σ＝0.3*((l-1)*0.5-1)+0.8
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
(6)
[0083]
确定完高斯滤波器成窗口大小和标准差以后，将滤波器与距离方位二维数据的幅度值进行卷积，完成二维滤波。
[0084]
2、杂波消除
[0085]
雷达工作在扫描模式下，由于同一方位发射脉冲个数较少，无法利用凝视模式下mti进行杂波抑制。然而同一波束范围内，雷达接收到的脉冲个数通常达到十几到几十个，利用同一波束范围内雷达接收脉冲的多普勒特性能够将部分杂波与运动目标区分。
[0086]
以检测单元x
(i,j)
为中心，其中i为距离维，j为方向维，将该距离门上方向维波束范围内接收的l个数据[x
(i,j-l/2)
,x
(i,j-l/2+1)
,
…
,x
(i,j)
,
…
,x
(i,j+l/2-1)
,x
(i,j+l/2)
]进行傅里叶变换，求出最大值对应的多普勒值，若多普勒值小于设定门限，则判定为杂波，从而进行消除。
[0087]
基于幅度与相关特性的级联检测
[0088]
由于部分海杂波尖峰的幅度和多普勒特性与目标极其相似，经过上述杂波消除和幅度二维横虚警检测后，必定存在海杂波尖峰被误判定为目标的情况。幅度检测利用了经典二维横虚警检测方法，此处不再赘述，仅对基于相关特性的检测进行说明。由于波束存在一定宽度，因此目标回波信号在波束宽度范围内回波特性差异较小，相关性较强，而海杂波尖峰回波信号在方向维相关性较弱，因此利用相关特性可对信号进行定性判别。向量m,n的相关系数表达式为：
[0089][0090]
式中，cov(m,n)为m与n的协方差，var[m]为m的方差，var[n]为n的方差。
[0091]
以检测单元x
(i,j)
为中心，由公式(2-3)确定目标回波取值范围为：
[0092]
x＝[x
j-l/2
,x
j-l/2+1
,...xj,...,x
j+l/2-1
,x
j+l/2
]
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
(8)
[0093]
x为l个向量组成的矩阵，每个向量为对应方位在距离维的采样点，长度为h，xj对应的距离维向量：
[0094]
xj＝[x
(i-h/2,j)
,x
(i-h/2+1,j)
,...,x
(i,j)
,...,x
(i+h/2-1,j)
,x
(i+h/2,j)
]
t
‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑‑
(9)
[0095]
将l个向量分别与检测单元向量xj求相关系数，由相关系数定义可知，当两个向量相关性较强时，相关系数较大，反之相关系数会比较小。由于海杂波尖峰回波信号在方向维相关性较弱，海上目标回波信号在方向维相关性比较强，因此以l相关系数的和为特征进行判别，可以区分海杂波尖峰和目标回波。基于幅度与相关特性的级联检测流程图如图3所示。
[0096]
下面以举例的方式对本技术进行进一步详细阐述，可以理解的是，该举例并不构成对本技术的任何限制。
[0097]
本实施例中数据来某公开的对海监视雷达数据集，雷达的系统工作参数如下表1。
[0098]
表1
[0099]
参数符号数值发射信号时宽τ0.04us脉冲重复频率prf1600hz采样率f60mhz天线水平波束宽度θ1.2
°
扫描速度ω24rmp脉冲驻留个数np1
[0100] 1)获取雷达回波，经过匹配滤波得到距离方位二维数据，距离维大小为 2224，方向维大小为1729。
[0101]
2)由雷达工作参数，根据公式(2、3、6)确定高斯滤波器的窗口大小和标准差，根据公式(1、4、5)确定高斯窗，将高斯窗与距离方向二维数据的幅度值进行卷积，完成二维滤波。
[0102]
3)对滤波后的数据进行峰值检测，得到峰值检测点。
[0103]
4)基于多普勒特性对峰值检测点进行杂波消除。
[0104]
5)基于幅度与相关特性对峰值检测点进行级联检测。
[0105]
下面结合附图和实施实例，对本发明作简要的说明。
[0106]
图4为由雷达工作参数利用公式(1-6)计算的高斯滤波器。图5为配试目标以及随机选择的4个海杂波尖峰在方向维的相关特性，由图5可知配试目标在方向维有比较强的相关性，检测单元距离维向量与左右8个方位的距离维向量相关系数均大于0.8，而海杂波尖峰相关性起伏较大，相关性不明显。
[0107]
(3)有益效果
[0108]
本发明提出了一种扫描模式下涉海雷达动目标检测方法，具有以下优势：
[0109]
利用二维高斯滤波对距离方位二维数据峰值进行凝聚，有效减少了一个目标回波可能产生多个峰值点的不良影响，降低了目标参数提取和后续航迹融合与关联算法的复杂度。
[0110]
利用天线水平波束宽度内接收回波信号的多普勒信息进行杂波消除，有效降低地海杂波引起的虚警点。
[0111]
利用目标二维幅度特性和方向维相关特性进行级联检测，能有效减少了海杂波尖峰引起的虚警点，提高了检测性能。
[0112]
本技术还提供了一种扫描模式下涉海雷达动目标检测装置，所述扫描模式下涉海雷达动目标检测装置包括：
[0113]
二维回波数据获取模块，所述二维回波数据获取模块用于获取二维回波数据；
[0114]
高斯滤波模块，所述高斯滤波模块用于对获取的所述二维回波数据进行高斯滤波；
[0115]
峰值检测点获取模块，所述峰值检测点获取模块用于对高斯滤波后的二维回波数据进行峰值检测，从而获取峰值检测点；
[0116]
杂波消除模块，所述杂波消除模块用于基于多普勒特性对所示峰值检测点进行杂波消除；
[0117]
判断模块，所述判断模块用于对杂波消除后的峰值检测点进行基于幅度与相关特性的级联检测，从而得到运动目标检测结果。
[0118]
在本实施例中，高斯滤波模块包括：
[0119]
方向维有效长度获取模块，所述方向维有效长度获取模块用于获取二维回波数据的在扫描模式下目标回波在方向维的有效长度；
[0120]
距离维有效长度获取模块，所述距离维有效长度获取模块用于获取在扫描模式下目标回波在距离维有效长度；
[0121]
高斯滤波子模块，所述高斯滤波子模块用于根据所述在方向维的有效长度以及所述在距离维有效长度进行高斯滤波。
[0122]
本技术还提供了一种电子设备，包括存储器、处理器以及存储在所述存储器中并能够在所述处理器上运行的计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现如上所述的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法。
[0123]
本技术还提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算
机程序，所述计算机程序被处理器执行时能够实现如上所述的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法。
[0124]
图2是能够实现根据本技术一个实施例提供的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法的电子设备的示例性结构图。
[0125]
如图2所示，电子设备包括输入设备501、输入接口502、中央处理器503、存储器504、输出接口505以及输出设备506。其中，输入接口502、中央处理器503、存储器504以及输出接口505通过总线507相互连接，输入设备501和输出设备506分别通过输入接口502和输出接口505与总线507连接，进而与电子设备的其他组件连接。具体地，输入设备504接收来自外部的输入信息，并通过输入接口502将输入信息传送到中央处理器503；中央处理器503基于存储器 504中存储的计算机可执行指令对输入信息进行处理以生成输出信息，将输出信息临时或者永久地存储在存储器504中，然后通过输出接口505将输出信息传送到输出设备506；输出设备506将输出信息输出到电子设备的外部供用户使用。
[0126]
也就是说，图2所示的电子设备也可以被实现为包括：存储有计算机可执行指令的存储器；以及一个或多个处理器，该一个或多个处理器在执行计算机可执行指令时可以实现结合图1描述的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法。
[0127]
在一个实施例中，图2所示的电子设备可以被实现为包括：存储器504，被配置为存储可执行程序代码；一个或多个处理器503，被配置为运行存储器 504中存储的可执行程序代码，以执行上述实施例中的扫描模式下涉海雷达动目标检测方法。
[0128]
在一个典型的配置中，计算设备包括一个或多个处理器(cpu)、输入/ 输出接口、网络接口和内存。
[0129]
内存可能包括计算机可读介质中的非永久性存储器，随机存取存储器 (ram)和/或非易失性内存等形式，如只读存储器(rom)或闪存(flashram)。内存是计算机可读介质的示例。
[0130]
计算机可读介质包括永久性和非永久性、可移动和非可移动，媒体可以由任何方法或技术来实现信息存储。信息可以是计算机可读指令、数据结构、程序的模块或其他数据。计算机的存储介质的例子包括，但不限于相变内存 (pram)、静态随机存取存储器(sram)、动态随机存取存储器(dram)、其他类型的随机存取存储器(ram)、只读存储器(rom)、电可擦除可编程只读存储器(eeprom)、快闪记忆体或其他内存技术、只读光盘只读存储器(cd-rom)、数据多功能光盘(dvd)或其他光学存储、磁盒式磁带、磁带磁盘存储或其他磁性存储设备或任何其他非传输介质，可用于存储可以被计算设备访问的信息。
[0131]
本领域技术人员应明白，本技术的实施例可提供为方法、系统或计算机程序产品。因此，本技术可采用完全硬件实施例、完全软件实施例或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本技术可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质(包括但不限于磁盘存储器、 cd-rom、光学存储器等)上实施的计算机程序产品的形式。
[0132]
此外，显然“包括”一词不排除其他单元或步骤。装置权利要求中陈述的多个单元、模块或装置也可以由一个单元或总装置通过软件或硬件来实现。第一、第二等词语用来标识名称，而不标识任何特定的顺序。
[0133]
附图中的流程图和框图，图示了按照本技术各种实施例的系统、方法和计算机程
序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段、或代码的一部分，模块、程序段、或代码的一部分包括一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在有些作为替换的实现中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个接连地标识的方框实际上可以基本并行地执行，他们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，框图和/或流程图中的每个方框、以及框图和/或总流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或操作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
[0134]
在本实施例中所称处理器可以是中央处理单元(central processing unit， cpu)，还可以是其他通用处理器、数字信号处理器(digital signal processor， dsp)、专用集成电路(application specific integrated circuit，asic)、现成可编程门阵列(field-programmable gate array，fpga)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等。通用处理器可以是微处理器或者该处理器也可以是任何常规的处理器等。
[0135]
存储器可用于存储计算机程序和/或模块，处理器通过运行或执行存储在存储器内的计算机程序和/或模块，以及调用存储在存储器内的数据，实现装置/终端设备的各种功能。存储器可主要包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需的应用程序(比如声音播放功能、图像播放功能等)等；存储数据区可存储根据手机的使用所创建的数据(比如音频数据、电话本等)等。此外，存储器可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非易失性存储器，例如硬盘、内存、插接式硬盘，智能存储卡(smart media card,smc)，安全数字(secure digital,sd)卡，闪存卡(flash card)、至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他易失性固态存储器件。
[0136]
在本实施例中，装置/终端设备集成的模块/单元如果以软件功能单元的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明实现上述实施例方法中的全部或部分流程，也可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，的计算机程序可存储于一计算机可读存储介质中，该计算机程序在被处理器执行时，可实现上述各个方法实施例的步骤。其中，计算机程序包括计算机程序代码，计算机程序代码可以为源代码形式、对象代码形式、可执行文件或某些中间形式等。计算机可读介质可以包括：能够携带计算机程序代码的任何实体或装置、记录介质、u盘、移动硬盘、磁碟、光盘、计算机存储器、只读存储器(rom， read-only memory)、随机存取存储器(ram，random access memory)、电载波信号、电信信号以及软件分发介质等。需要说明的是，计算机可读介质包含的内容可以根据司法管辖区内立法和专利实践的要求进行适当的增减。
[0137]
最后需要指出的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制。尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。