檢測快速火炮類微弱目標的方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種檢測快速火炮類微弱目標的方法,雷達信號處理系統(tǒng)對各方位的回波并行應用改進的動態(tài)規(guī)劃檢測算法，先將每個方位的慢時間-距離域數據轉換到多普勒-距離域；然后對變換后的多普勒-距離域數據進行第一門限預判；再根據速度模糊數范圍復制上述預處理所得的連續(xù)K幀多普勒-距離數據，并調整復制數據的多普勒維坐標值；接著分別對每一個模糊數數據應用動態(tài)規(guī)劃算法，獲得相應的值函數積累值和目標運動狀態(tài)矩陣；聯合所有模糊數的值函數積累值宣判雷達檢測結果。本發(fā)明結合快速火炮類目標的特點,將改進的動態(tài)規(guī)劃算法應用到了脈沖多普勒雷達信號處理中,有效地提高了雷達的檢測概率。
【專利說明】檢測快速火炮類微弱目標的方法
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種低信噪比條件下雷達系統(tǒng)快速檢測火炮類微弱目標的方法。
【背景技術】
[0002] 目前現代雷達信號處理理論基本上還是遵循平穩(wěn)信號處理模型，并且只利用到單 個頻率和單個距離單元的孤立處理方式，并沒有涉及到目標的速度變化、距離徙動等非平 穩(wěn)因素的影響。而對于高速運動的雷達弱小目標，積累時對目標的非平穩(wěn)因素是必須考慮 的。由于回波信號的信噪比很低，如果只利用單幀的回波數據，無法得出檢測結果。因此需 要對雷達的回波信號做長時間的多脈沖積累。其次由于目標運動速度較高或距離分辨率 高，目標回波可能發(fā)生距離走動，因此長時間積累時目標能量擴散，當目標移動超過一個包 絡主瓣寬度時積累無效?；鹋陬惸繕司哂兴俣瓤欤话憧蛇_l〇〇〇m/s，RCS小，小到0· OOOlm2 等特點，導致回波信噪比很小，制約了雷達的檢測性能。提高雷達回波信噪比通常有三種 方法：增大雷達發(fā)射功率，但這會導致雷達體積變大，且容易被敵方截獲；增大發(fā)射脈沖寬 度，但又會使雷達盲區(qū)變大，特別是目標高速運動時，多普勒耦合效應使主副瓣比迅速下 降；另一種是保持雷達系統(tǒng)參數不變，對雷達回波進行長時間相干積累，而對于高速運動的 雷達弱小目標，存在跨距離、跨多普勒單元的問題，因此長時間相干積累時目標能量擴散， 當目標移動超過一個主瓣寬度時積累無效。
[0003] 近年來，檢測前跟蹤技術（TBD)逐漸成為弱小目標探測跟蹤技術發(fā)展的主流。該 類技術主要包括三維匹配濾波、多級假設檢驗序貫處理、動態(tài)規(guī)劃、高階相關處理等方法。 動態(tài)規(guī)劃算法是窮盡搜索法的一種等效實現算法，其主要思想是將η維優(yōu)化問題轉化為η 個1維優(yōu)化問題，對優(yōu)化問題的分級處理使其計算效率遠遠高于窮盡搜索。
[0004] 在現有技術中，動態(tài)規(guī)劃算法通常用于求解具有某種最優(yōu)性質的問題。在這類問 題中，可能會有許多可行解。每一個解都對應于一個值，通常希望找到具有最優(yōu)值的解。動 態(tài)規(guī)劃算法的基本思想是將待求解問題分解成若干個子問題，先求解子問題，然后從這些 子問題的解得到原問題的解。由于在低信噪比下，單幀數據無法得出檢測結果。動態(tài)規(guī)劃 算法通過先存儲多幀雷達回波原始數據，然后進行目標幀間能量積累實現對低可觀測目標 進行檢測和跟蹤的技術。結合動態(tài)規(guī)劃算法的特點，雖然理論上可對火炮類高速弱機動性 目標提前發(fā)現和檢測。但動態(tài)規(guī)劃算法要聯合多幀3維數據進行處理，運算量和存儲量都 很大，難以達到近程高速火炮類目標檢測的實時性。
【發(fā)明內容】
[0005] 本發(fā)明的目的是針對上述現有技術存在問題，根據被觀測目標的特點，提供了一 種能夠降低計算量，縮短雷達反應時間，并能有效解決檢測空間高速弱小運動目標的方法。
[0006] 本發(fā)明的上述目的可以通過以下措施來達到。一種檢測快速火炮類微弱目標的 方法，其特征在于包括如下步驟：信號處理系統(tǒng)接收某一方位上的N個脈沖、M個距離單 元的數據（定義為一幀回波數據），動態(tài)規(guī)劃一次積累的雷達回波數據幀數為Κ，搜索區(qū)域 為C^Xqv個矩形區(qū)域；在脈沖多普勒雷達體制下，對各方位回波并行運行改進的動態(tài)規(guī)劃 算法，把一幀原始慢時間-距離域回波數據變換到多普勒-距離域，對每一個脈沖回波進行 脈沖壓縮，再將脈沖壓縮后的回波按距離單元沿慢時間維做N點快速傅立葉變換FFT得到 每個距離單元的多普勒信息，并記獲得的NXM維多普勒-距離數據為X nxm，然后根據第一 門限預判，將獲得的完整多普勒-距離域數據取模并與第一虛警門限H1比較，保留大于門 限的數據而將小于該門限的數據置零；經過上述處理后得到的連續(xù)K幀多普勒-距離數據 矩陣：
【權利要求】
1. 一種檢測快速火炮類微弱目標的方法，其特征在于包括如下步驟：信號處理系統(tǒng)接 收某一方位上的N個脈沖、M個距離單元的數據并定義為一幀回波數據，動態(tài)規(guī)劃一次積累 的雷達回波數據幀數為K，動態(tài)規(guī)劃算法幀間積累時前向搜索區(qū)域為C^Xqv個數據單元的 矩形區(qū)域；在脈沖多普勒雷達體制下，信號處理系統(tǒng)對各方位上接收的回波并行運行改進 的動態(tài)規(guī)劃算法，首先把一幀原始慢時間-距離域回波數據變換到多普勒-距離域，對每一 個脈沖回波進行脈沖壓縮，再將脈沖壓縮后的回波按距離單元沿慢時間維做N點快速傅立 葉變換FFT得到每個距離單元的多普勒信息，并記獲得的NXM維多普勒-距離數據為Xnxm; 然后進行第一門限預判，將獲得的完整多普勒-距離數據取模并與第一虛警門限H1比較， 保留大于門限的數據而將小于該門限的數據置零；經過上述處理后得到的連續(xù)K幀多普 勒-距離域數據矩陣：動態(tài)規(guī)劃算法一次積累的一組數據，再根據 模糊數范圍h= 1，···，Η，復制H份該組數據，同時調整這些數據的多普勒維坐標值，調整規(guī) 則為模糊數序號為h的那組數據的多普勒維坐標調整為（h-l)Fprt:hFprt ;接著分別對每一 個模糊數的一組數據運行動態(tài)規(guī)劃算法，獲得相應的值函數積累結果，h= 1，"·，Η， 和目標運動狀態(tài)矩陣Sf;最后聯合所有模糊數的H個值函數結果搜索其中的最大值并記為 ,再將該最大值與第二虛警門限η2進行比較，由比較結果宣判檢測結果： 大于門限則宣判檢測到目標，反之則宣判沒有目標；當檢測結果為有目標時，結合對應的 目標運動狀態(tài)矩陣S)'提取目標運動軌跡和加速度，再通過最大值函數在上述矩陣中的坐標 值和對應的模糊數估計目標速度^ ;將上述目標檢測結果和目標狀態(tài)估計值輸送到終端顯 示；其中，Xnxm為第一門限預判后的多普勒-距離數據，Fprf為脈沖重復頻率，D為最大不模 糊徑向速度，H為最大速度模糊數，δv為速度分辨率，m、n、h為自然數。
2. 如權利要求1所述的檢測快速火炮類微弱目標的方法，其特征在于：信號處理系統(tǒng) 對各方位的回波并行運行改進的動態(tài)規(guī)劃算法，將常規(guī)多普勒-距離-方位三維空間動態(tài) 規(guī)劃算法降維處理，僅在各個方位上并行處理多普勒-距離二維數據。
3. 如權利要求1所述的檢測快速火炮類微弱目標的方法，其特征在于：目標運動狀態(tài) 矩陣Sf是記錄第h個速度模糊數對應的動態(tài)規(guī)劃算法前向搜索區(qū)域中目標的加速度和坐 標，并用于恢復目標航跡和運動狀態(tài)的矩陣，其維數為3XNXMX(K-1) 記 錄的是前k幀積累后值函數^1^中坐標為（n，m)的數據在中搜索到的目標的加速度 值和坐標值。
4. 如權利要求1所述的檢測快速火炮類微弱目標的方法，其特征在于：若設背 景噪聲為均值為零、方差為σ2的復高斯白噪聲，雷達第一、二虛警門限分別計算為
5. 如權利要求1所述的檢測快速火炮類微弱目標的方法，其特征在于：改進的動態(tài)規(guī) 劃是指在基礎動態(tài)規(guī)劃算法之前加入第一門限預判的操作，在第一門限預判中，將連續(xù)獲 得的K幀多普勒-距離數據矩陣ILw，k= 1，…，Η，取模并將該模值數據矩陣與第一虛警 門限H1比較，保留大于門限的數據而將小于該門限的數據置零，運行動態(tài)規(guī)劃時只對預判 后數據中的非零數值進行前向搜索積累，大大減小了計算量。
6. 如權利要求1所述的檢測快速火炮類微弱目標的方法，其特征在于：動態(tài)規(guī)劃算 法遍歷目標可能的速度范圍，對于快速目標存在速度模糊，需要計算目標的速度模糊數范 圍，首先計算最大模糊數為H=Ceil|·-^-·I,其中ceil(·)表示向上取整數，最大不模糊速 度為D=,雷達多普勒分辨單元為Sfd=Ik，速度分辨單元為δν =M41 N 2
7. 如權利要求1所述的檢測快速火炮類微弱目標的方法，其特征在于：根據速度模糊 數范圍：k= 1，···，Η，將預判后的K幀回波數據矩陣復制成H組，調整模糊數序號為h的那 組數據的多普勒維坐標為（h-l)FPrt:hFPrt，其對應的速度范圍為（h-l)D:hD，分別對每一個 速度模糊數對應的一組數據運行基礎動態(tài)規(guī)劃算法。
8. 如權利要求1所述的檢測快速火炮類微弱目標的方法，其特征在于：在動態(tài)規(guī)劃算 法的前向搜索中，遍歷值函數中所有大于零的數據，根據位置（n，m)點距離單元對應的 距離和多普勒單元對應的速度信息預測下一幀的搜索矩形區(qū)域中心（n'，m' )k+1:n' k+1
9. 如權利要求1所述的檢測快速火炮類微弱目標的方法，其特征在于：搜索第k+1幀 以（n'，m' )k+1為中心的(1'1矩形區(qū)域中的最大數值，記該值對應的坐標為（n，m)k+1! 后進行三個操作：更新值函數，使Z.U(nMI,mkn) =I=,mk,丨）+Zt,_w (n,m),估計目 標加速度ak+1 =v(nk+1)-v(η),存儲目標運動狀態(tài)S,A(:,n,m,k) =IatrtpIilrtl,!!!.,);當遍歷完 原值函數平面中的所有非零值時，數據矩陣的信息已經提取并存儲，該數據可丟棄。
10. 如權利要求1所述的檢測快速火炮類微弱目標的方法，其特征在于：在宣判檢測 結果的同時給出目標狀態(tài)估計值，利用動態(tài)規(guī)劃算法K幀數據積累后的H個值函數數據，取 出最大值，:)與第二虛警門限比較,若小于第二門限,則宣判沒有目標,若大 于第二門限，則宣判有目標，同時根據該最大值在值函數中坐標從目標運動狀態(tài)矩陣Sf中 提取目標運動軌跡和加速度，目標速度估計值為J= (11-1) ·Sv。
【文檔編號】G01S7/41GK104459661SQ201410515775
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年9月29日 優(yōu)先權日:2014年9月29日
【發(fā)明者】帥曉飛, 狄中泉, 田煒, 吳杰, 王宗全 申請人:零八一電子集團有限公司
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