一種改進(jìn)型海尖峰背景下的目標(biāo)檢測算法

宋 銳

(西安導(dǎo)航技術(shù)研究所 西安 710068)

0 引言

海尖峰是一種離散、高幅值、極化特性強(qiáng)、類似小目標(biāo)的海雜波[1]，因此海尖峰的存在不利于目標(biāo)的分離和提取。當(dāng)高分辨率雷達(dá)以低擦地角照射粗糙海面時，其雷達(dá)回波強(qiáng)度會明顯增強(qiáng)，相應(yīng)的大雜波幅度值出現(xiàn)的概率增加，雜波幅度的概率密度函數(shù)(PDF)曲線就會表現(xiàn)出較長的“拖尾”效應(yīng)，這種效應(yīng)也被稱為雷達(dá)的海雜波尖峰(Spike)效應(yīng)[2-5]。但在新的測量和試驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)，即使是低分辨率雷達(dá)也可能會形成海尖峰。

由于海雜波的譜寬較寬，動目標(biāo)顯示(MTI)、自適應(yīng)運(yùn)動雜波抑制(AMTI)、動目標(biāo)檢測(MTD)等傳統(tǒng)的濾波方法不能很好地將海雜波濾除干凈，尤其是與運(yùn)動目標(biāo)特性相似的海尖峰，因此，抑制海雜波的同時保留真實(shí)目標(biāo)成為熱點(diǎn)難點(diǎn)問題。研究者們通過建立海雜波模型[6-8]模擬復(fù)雜多變的海雜波特性分布，進(jìn)而研究海雜波抑制方法，尋求一種通用、高效的海雜波抑制方法成為海雜波抑制算法研究的主流趨勢。文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]采用隔周測頻的方法計(jì)算瞬時多普勒頻率，提出了利用多普勒頻率相關(guān)性判別抑制海雜波的海雜波抑制方法。文獻(xiàn)[9]提出基于多普勒頻率相關(guān)性檢測的海雜波抑制方法，對連續(xù)幾個脈沖的多普勒頻率進(jìn)行相關(guān)性檢測，利用門限判別抑制海雜波保留所需的目標(biāo)信息，但這一方法存在不足之處，若海雜波在某一區(qū)域多普勒頻率相關(guān)性也較強(qiáng)，就可能將海雜波當(dāng)做目標(biāo)，從而造成虛警。文獻(xiàn)[10]在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上增加了一級判別方法，提出了兩級多普勒頻率相關(guān)性判別方法，雖相比于文獻(xiàn)[9]可減少一定的誤判，但是對于第二級判別方法所利用的擬主瓣過于經(jīng)驗(yàn)化，擬主瓣的長度完全是憑借經(jīng)驗(yàn)來判斷，不具有通用性，這種方法也存在可能將相關(guān)性較強(qiáng)的海雜波當(dāng)做目標(biāo)的情況發(fā)生。文獻(xiàn)[11]主要是對實(shí)測海雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行海雜波特征提取，利用16點(diǎn)FFT以及固定門限得到多普勒平面，通過多幀的海雜波波動的標(biāo)準(zhǔn)差以及相對多普勒速度對海面低空飛行目標(biāo)和假目標(biāo)進(jìn)行特征提取和特征分類，從而實(shí)現(xiàn)海雜波的特征提取。

本文根據(jù)海尖峰與運(yùn)動目標(biāo)在連續(xù)距離單元和連續(xù)脈沖構(gòu)成的距離-方位二維區(qū)域中多普勒頻率變化程度存在差異的思想，對文獻(xiàn)[9]和文獻(xiàn)[10]加以改進(jìn)，提出了一種改進(jìn)型的海尖峰背景下的目標(biāo)檢測算法。利用隔周測頻[12]的方法對傳統(tǒng)濾波后的海雜波數(shù)據(jù)計(jì)算連續(xù)幾個脈沖的瞬時多普勒頻率，得到距離-方位二維的多普勒頻率信息，根據(jù)海雜波多普勒頻率具有跳變的特性[13]，利用距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率穩(wěn)定度表示連續(xù)距離單元和連續(xù)脈沖構(gòu)成的距離-方位二維區(qū)域中多普勒頻率的變化程度，通過門限判別保留多普勒頻率穩(wěn)定的目標(biāo)區(qū)域，剔除多普勒頻率變化較大的海尖峰區(qū)域，從而實(shí)現(xiàn)了海尖峰背景下的目標(biāo)檢測。該算法沒有固定的海雜波模型限制，通過實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該算法能夠較好地抑制海尖峰，減少由于海尖峰造成的虛警，實(shí)現(xiàn)海尖峰背景下的目標(biāo)檢測。

1 改進(jìn)型海尖峰背景下的目標(biāo)檢測算法

1.1 瞬時多普勒頻率計(jì)算方法

本文利用等T的海雜波數(shù)據(jù)，采用隔周測頻的方法計(jì)算瞬時多普勒頻率，具體原理如下：

設(shè)雷達(dá)回波信號為u(t)=s(t)+c(t)+n(t)，其中s(t)為目標(biāo)回波信號，c(t)為雜波，n(t)為加性噪聲。以目標(biāo)為線性調(diào)頻信號為例，脈壓后的目標(biāo)回波信號為s(t)=A(t)ej((2aπfd+b)t+φ0)，其中A(t)為幅值，a和b均為常數(shù)，fd為目標(biāo)信號的多普勒頻率，φ0為初相。雜波可表示為c(t)=B(t)ej(2πfd1t+φ0)，其中B(t)為雜波的幅值，fd1為雜波的譜中心，φ0為初相。由于噪聲與雜波和信號均不相關(guān)，且不同PRT之間噪聲也互不相關(guān)，因此計(jì)算u(t)的自相關(guān)函數(shù)時與噪聲n(t)無關(guān)，那么由以下兩種較為極端的情況對其原理進(jìn)行說明。

情況一：假定雷達(dá)回波信號中只有雜波和噪聲無目標(biāo)，那么u(t)=c(t)+n(t)，則u(t)的自相關(guān)函數(shù)為

R(Tr)=E[u(t)u*(t-Tr)]=E[B(t)B(t-Tr)]ej2πfd1Tr

(1)

式(1)中Tr為脈沖重復(fù)周期，由于B(t)為窄帶信號，于是B(t)≈B(t-Tr)，則E[B(t)B(t-Tr)]=E(B(t)2)是一個實(shí)數(shù)。因此得到隔周測頻的多普勒頻率計(jì)算公式為

(2)

用時間平均代替統(tǒng)計(jì)平均可以得到u(t)自相關(guān)函數(shù)的估計(jì)值為

(3)

其中N為u(t)的采樣序列長度，N的取值與波束寬度有關(guān)。從而得到實(shí)際應(yīng)用的隔周測頻的多普勒頻率計(jì)算公式為

(4)

情況二：同理若無雜波或雜波可以忽略不計(jì)時，雷達(dá)回波信號只由目標(biāo)和噪聲構(gòu)成，則u(t)=s(t)+n(t)，那么u(t)的自相關(guān)函數(shù)如式(5)所示。

R(Tr)=E[u(t)u*(t-Tr)]=
E[A(t)A(t-Tr)]ej(2aπfd+b)Tr

(5)

由于目標(biāo)信號的幅值也存在著A(t)≈A(t-Tr)，則E[A(t)A(t-Tr)]=E(A(t)2)是一個實(shí)數(shù)，那么可代入公式(2)中得到

(6)

同樣通過時間平均代替統(tǒng)計(jì)平均，通過公式(4)得到實(shí)際應(yīng)用的目標(biāo)區(qū)域隔周測頻的結(jié)果為

(7)

通過情況一和情況二兩種極端情況可以看出，利用隔周測頻公式所計(jì)算的雜波的多普勒頻率值是雜波的真實(shí)多普勒頻率值，因此雜波區(qū)所計(jì)算的多普勒頻率穩(wěn)定性較差，而利用其計(jì)算的目標(biāo)的多普勒頻率值雖不是目標(biāo)真實(shí)的多普勒頻率值，但也由目標(biāo)多普勒頻率經(jīng)過固定變換后得到的值，因此目標(biāo)區(qū)所計(jì)算的多普勒頻率值穩(wěn)定性較好。通過分析可以看出，只要不是被雜波淹沒的目標(biāo)區(qū)域，這種瞬時多普勒頻率計(jì)算方法就可考慮應(yīng)用于區(qū)分目標(biāo)區(qū)域和海尖峰區(qū)域的算法當(dāng)中。

1.2 距離維多普勒頻率穩(wěn)定度判別

對于距離-方位二維雷達(dá)回波信號，由于雷達(dá)散射截面積(RCS)導(dǎo)致目標(biāo)存在于連續(xù)距離單元中，那么在目標(biāo)區(qū)域中同一脈沖連續(xù)距離單元的信號多普勒頻率具有相似性，這種信號多普勒頻率在距離維上的關(guān)聯(lián)特性可以利用距離維多普勒頻率穩(wěn)定度來度量。距離維多普勒頻率穩(wěn)定度是由方位維多普勒頻率相關(guān)性和距離維多普勒頻率方差描述的，其中方位維多普勒頻率相關(guān)性是通過相鄰脈沖連續(xù)距離單元的多普勒頻率序列的相關(guān)系數(shù)表征的，而距離維多普勒頻率方差則是對用于做相關(guān)的多普勒頻率序列頻率波動程度的反應(yīng)。

設(shè)第j個脈沖的連續(xù)距離單元的多普勒頻率為f1j,f2j,…,fij，其中fij是利用第i個距離單元的第j個脈沖到第j+N個脈沖計(jì)算的多普勒頻率值，N為計(jì)算多普勒頻率的脈沖序列長度。對于m個距離單元長度的相鄰脈沖間的信號的多普勒頻率序列求相關(guān)系數(shù)為

(8)

其中Xij=[fij,f(i+1)j,…,f(i+m-1)j]，Xi(j+1)=[fi(j+1),f(i+1)(j+1),…,f(i+m-1)(j+1)]為相鄰脈沖的第i個距離單元到第i+m-1個距離單元的多普勒頻率序列，由多次試驗(yàn)表明距離單元長度m與距離分辨力、目標(biāo)RCS等有關(guān)。Cov(Xij,Xi(j+1))為相鄰脈沖的多普勒頻率序列的協(xié)方差，D(Xij)、D(Xi(j+1))表示這兩個多普勒頻率序列的方差，同時D(Xij)、D(Xi(j+1))作為兩個序列的方差也是多普勒頻率穩(wěn)定度判別的一個判別因素，而方差門限的選擇與信噪比、海況等都有關(guān)系。

通過對距離-方位二維雷達(dá)回波信號的多普勒頻率數(shù)據(jù)滑動處理，可以求得全部距離-方位二維數(shù)據(jù)的多普勒頻率的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)然也可以只計(jì)算感興趣的區(qū)域，通過相關(guān)系數(shù)門限初步判斷是否為目標(biāo)，再對做相關(guān)的兩個序列分別計(jì)算方差并對兩個方差進(jìn)行選大，選大后與方差門限進(jìn)行對比，進(jìn)一步通過方差門限進(jìn)行篩選。當(dāng)某點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)大于相關(guān)系數(shù)判決門限同時其方差小于方差判別門限時，認(rèn)為其所對應(yīng)的多普勒頻率序列為目標(biāo)的多普勒頻率序列，保留相應(yīng)的多普勒頻率值，反之，認(rèn)為是海雜波的多普勒頻率序列同時將對應(yīng)的多普勒頻率值置零。

1.3 方位維多普勒頻率穩(wěn)定度判別

對于距離-方位二維雷達(dá)回波信號，目標(biāo)速度不會在幾微秒的時間發(fā)生突變，因此目標(biāo)區(qū)域中同一距離單元連續(xù)脈沖信號的多普勒頻率具有相似性，這種信號多普勒頻率在方位維的關(guān)聯(lián)特性可以利用方位維多普勒頻率穩(wěn)定度來度量。方位維多普勒頻率穩(wěn)定度是由距離維多普勒頻率相關(guān)性和方位維多普勒頻率方差描述的，其中距離維多普勒頻率相關(guān)性是通過相鄰距離單元連續(xù)脈沖的多普勒頻率序列的相關(guān)系數(shù)表征的，而方位維多普勒頻率方差則是對用于做相關(guān)的多普勒頻率序列頻率波動程度的反應(yīng)。

設(shè)第i個距離單元連續(xù)脈沖的多普勒頻率為fi1,fi2,…,fij，其中fij是利用第i個距離單元的第j個脈沖到第j+N個脈沖計(jì)算的多普勒頻率值，N為計(jì)算多普勒頻率的脈沖序列長度。對于k個脈沖長度的相鄰距離單元間的信號的多普勒頻率序列求相關(guān)系數(shù)為

(9)

其中Xij=[fij,fi(j+1),…,fi(j+k-1)]，X(i+1)j=[f(i+1)j,f(i+1)(j+1),…,f(i+1)(j+k-1)]為相鄰距離單元的第j個脈沖到第j+k-1個脈沖的多普勒頻率序列，由多次試驗(yàn)表明脈沖長度k一般取5～7。Cov(Xij,X(i+1)j)為相鄰距離單元的多普勒頻率序列的協(xié)方差，D(Xij)、D(X(i+1)j)表示這兩個多普勒頻率序列的方差，同時D(Xij)、D(X(i+1)j)作為兩個序列的方差也是多普勒頻率穩(wěn)定度判別的一個判別因素，而方差門限的選擇與信噪比、海況等都有關(guān)系。

通過對距離-方位二維雷達(dá)回波信號的多普勒頻率數(shù)據(jù)滑動處理，可以求得全部距離-方位二維數(shù)據(jù)的多普勒頻率的相關(guān)系數(shù)，當(dāng)然也可以只計(jì)算感興趣的區(qū)域，通過相關(guān)系數(shù)門限初步判斷是否為目標(biāo)，再對做相關(guān)的兩個序列分別計(jì)算方差并對兩個方差進(jìn)行選大，選大后與方差門限進(jìn)行對比，進(jìn)一步通過方差門限進(jìn)行篩選。當(dāng)某點(diǎn)的相關(guān)系數(shù)大于相關(guān)系數(shù)判決門限同時其方差小于方差判別門限時，認(rèn)為其所對應(yīng)的多普勒頻率序列為目標(biāo)的多普勒頻率序列，保留相應(yīng)的多普勒頻率值，反之，認(rèn)為是海雜波的多普勒頻率序列同時將對應(yīng)的多普勒頻率值置零。

1.4 距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率穩(wěn)定度判別實(shí)現(xiàn)海尖峰背景下的目標(biāo)檢測

距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率穩(wěn)定度判別包括距離維多普勒頻率穩(wěn)定度判別和方位維多普勒頻率穩(wěn)定度判別，圖1為算法的流程圖，算法步驟如下：

圖1 距離-方位多普勒頻率穩(wěn)定度判別算法流程圖

1)利用隔周測頻的方法計(jì)算輸入信號矩陣的瞬時多普勒頻率，得到多普勒頻率矩陣。

2)利用距離維多普勒頻率穩(wěn)定度判別方法，將滿足條件的多普勒頻率值賦給相同維度零矩陣對應(yīng)位置。

3)利用方位維多普勒頻率穩(wěn)定度判別方法，將滿足條件的多普勒頻率值賦給相同維度零矩陣對應(yīng)位置。

4)對兩個多普勒頻率矩陣進(jìn)行融合，保留兩個矩陣中均不為0的多普勒頻率值，得到融合后的多普勒頻率矩陣。

5)將融合后的多普勒頻率矩陣中多普勒頻率值不為0所對應(yīng)的信號數(shù)據(jù)保留原值，其余歸一化成噪聲電平。

2 實(shí)測數(shù)據(jù)處理結(jié)果及分析

本文使用的實(shí)測海雜波數(shù)據(jù)為某遠(yuǎn)程預(yù)警雷達(dá)在遠(yuǎn)程機(jī)掃模式下測得的低掠海角回波信號。該雷達(dá)發(fā)射的為線性調(diào)頻脈沖信號，經(jīng)海面和目標(biāo)的散射后脈沖信號被雷達(dá)接收，將所接收到的回波信號經(jīng)過方位維重排后得到距離-方位二維回波信號。由于實(shí)驗(yàn)雷達(dá)波束寬度0.9°，機(jī)掃方式下一個波束內(nèi)共7個連續(xù)脈沖，因此利用隔周測頻計(jì)算多普勒頻率所用的采樣序列長度N可以取4～6，這里以N=5為例進(jìn)行仿真說明。本組實(shí)驗(yàn)中利用實(shí)際采集的某一組海雜波數(shù)據(jù)進(jìn)行仿真說明，在數(shù)據(jù)中人為加入了兩個模擬的目標(biāo)。如圖2所示為該實(shí)測海雜波數(shù)據(jù)經(jīng)過傳統(tǒng)濾波后的海雜波數(shù)據(jù)，有兩個目標(biāo)和一個海尖峰。

圖2 傳統(tǒng)濾波后的全部PRT海雜波數(shù)據(jù)

本文采用利用隔周測頻的方法計(jì)算瞬時多普勒頻率，表1和表2分別為利用隔周測頻測得的目標(biāo)區(qū)域和海尖峰區(qū)域的多普勒頻率值，通過分析可以發(fā)現(xiàn)目標(biāo)區(qū)域所測的多普勒頻率值穩(wěn)定度很高，多普勒頻率值變化不大，而海尖峰區(qū)域所測的多普勒頻率值跳變很大。

表1 隔周測頻計(jì)算的目標(biāo)區(qū)域多普勒頻率值

表2 隔周測頻計(jì)算的海尖峰區(qū)域多普勒頻率值

對數(shù)據(jù)的距離-方位二維多普勒頻率信息計(jì)算距離維多普勒頻率相關(guān)系數(shù)和方位維多普勒頻率相關(guān)系數(shù)，表3為目標(biāo)區(qū)域和海尖峰區(qū)域的距離維多普勒頻率相關(guān)系數(shù)對比，通過表格看出目標(biāo)區(qū)域的相關(guān)系數(shù)大都在0.99999以上，海尖峰的距離維多普勒頻率相關(guān)系數(shù)也很高，雖然沒有目標(biāo)區(qū)域的相關(guān)系數(shù)高，但是也可能存在誤判的情況發(fā)生。表4為目標(biāo)區(qū)域和海尖峰區(qū)域的方位維多普勒頻率相關(guān)系數(shù)對比，可以看出目標(biāo)區(qū)域的方位維多普勒頻率相關(guān)系數(shù)比較穩(wěn)定，均在0.9以上，而海尖峰區(qū)域的方位維多普勒頻率相關(guān)系數(shù)不穩(wěn)定，雖然基本上其區(qū)域的相關(guān)系數(shù)整體較弱，但也存在多普勒頻率相關(guān)系數(shù)較大的情況。通過表3和表4可以看出，只憑借多普勒頻率相關(guān)性判別區(qū)分海尖峰區(qū)域和目標(biāo)區(qū)域是不完善的，為了減少將多普勒頻率相關(guān)系數(shù)高的海雜波當(dāng)作信號的情況發(fā)生引入了方差判別。

表3 距離維多普勒頻率相關(guān)系數(shù)

表4 方位維多普勒頻率相關(guān)系數(shù)

通過分析表1和表2可以看出，目標(biāo)的距離-方位二維區(qū)域的多普勒頻率比較穩(wěn)定，那么方差較小，而海尖峰的距離-方位二維區(qū)域的多普勒頻率通常穩(wěn)定性較差，則方差較大，利用這一特性，對做相關(guān)的多普勒頻率序列計(jì)算方差，進(jìn)一步篩選目標(biāo)。通常海尖峰即使某一維的多普勒頻率方差較小，也無法使多普勒頻率相關(guān)系數(shù)和多普勒頻率方差同時滿足門限要求，因此可以通過多普勒頻率穩(wěn)定度來對目標(biāo)和海尖峰進(jìn)行判別。

如果只是距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率相關(guān)性判別，可能存在海雜波抑制的同時目標(biāo)也有一定的缺失或者目標(biāo)完整但海雜波抑制不徹底的情況發(fā)生，通過表3和表4可以看到，海尖峰也存在多普勒頻率相關(guān)系數(shù)較高的情況。因此同樣達(dá)到抑制海雜波保留真實(shí)目標(biāo)這一目的，相比多普勒頻率穩(wěn)定度判別，多普勒頻率相關(guān)性判別會抬高相關(guān)性判別的門限值，還會存在海尖峰誤判的情況，適用性沒有多普勒頻率穩(wěn)定度好。如圖3所示為距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率相關(guān)性判別后的海雜波數(shù)據(jù)，存在即使目標(biāo)信息缺失海雜波依然抑制不干凈的現(xiàn)象。當(dāng)然在多普勒頻率穩(wěn)定度判別時，很容易想到只用多普勒頻率方差判別是否可行，通過實(shí)驗(yàn)表明如果只是距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率方差判別，在信噪比相對較低時利用隔周測頻得到的瞬時多普勒頻率波動可能較大，方差門限的選取可能很大，不足以抑制海雜波，在信噪比較高時即使方差門限選取相對合適但是由于沒有相關(guān)性的檢測，會造成一些多普勒頻率波動較小的海雜波誤認(rèn)為目標(biāo)的情況發(fā)生，因此多普勒頻率相關(guān)性判別和方差判別相輔相成，如圖4所示為利用距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率方差判別后的海雜波數(shù)據(jù)，存在抑制不掉的海雜波、海尖峰。

圖3 距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率相關(guān)性判別后的全部PRT海雜波數(shù)據(jù)

圖4 距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率方差判別后的全部PRT海雜波數(shù)據(jù)

通過距離維多普勒頻率穩(wěn)定度判別后的數(shù)據(jù)如圖5(a)所示，通過方位維多普勒頻率穩(wěn)定度判別后的數(shù)據(jù)如圖5(b)所示，通過距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率穩(wěn)定度判別后的數(shù)據(jù)如圖6所示，可以看出如果只是距離維多普勒頻率穩(wěn)定度判別或者只是方位維多普勒頻率穩(wěn)定度判別可能會存在海尖峰和海雜波不完全抑制的情況，但是距離-方位二維聯(lián)合判別會明顯減少了海尖峰和海雜波抑制不徹底的情況，由此可見本文的改進(jìn)型海尖峰背景下的目標(biāo)檢測算法是有效的。

圖5 某一維多普勒頻率穩(wěn)定度判別后的全部PRT海雜波數(shù)據(jù)

圖6 距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率穩(wěn)定度判別后的全部PRT海雜波數(shù)據(jù)

3 結(jié)束語

本文提出了一種改進(jìn)型海尖峰背景下的目標(biāo)檢測算法，利用隔周測頻方法計(jì)算瞬時多普勒頻率，根據(jù)目標(biāo)區(qū)域和海尖峰區(qū)域多普勒頻率穩(wěn)定度的差異，通過多普勒頻率相關(guān)性和多普勒頻率方差表征其多普勒頻率穩(wěn)定度，通過距離維多普勒頻率穩(wěn)定度判別和方位維多普勒頻率穩(wěn)定度判別，即距離-方位二維聯(lián)合多普勒頻率穩(wěn)定度判別方法，達(dá)到抑制海尖峰保留真實(shí)目標(biāo)的目的。該方法雖有一定的適用條件，但沒有海雜波具體模型的限制，具有一定的通用性，海尖峰抑制效果明顯，有效地降低了虛警。由于方法原理限制，這一方法存在一定的局限性，對信雜噪比要求較高，適用于海尖峰背景下的目標(biāo)檢測，因此需要初步濾波后再應(yīng)用此算法進(jìn)行目標(biāo)檢測。