基于PDW的電磁信號環(huán)境視頻分析及新信號敏捷識別技術(shù)

宋新超，徐鵬濤

(中國船舶重工集團(tuán)公司第七二三研究所，江蘇 揚(yáng)州 225101)

0 引 言

在安防視頻監(jiān)控系統(tǒng)中，異常事件智能檢測和分析技術(shù)得到廣泛應(yīng)用。它采用圖像處理方法，通過計(jì)算機(jī)對視頻流中的當(dāng)前幀和背景模型進(jìn)行對比，將發(fā)現(xiàn)的差異作為可能的異常值輸出到跟蹤模塊進(jìn)行重點(diǎn)觀察和跟蹤，確認(rèn)異常后即可告警。

借鑒視頻監(jiān)控系統(tǒng)中異常事件智能檢測方法，在電磁信號環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中，利用雷達(dá)脈沖描述字(PDW)對作戰(zhàn)空間內(nèi)各輻射源的射頻脈沖進(jìn)行建模，生成圖形、圖像或者交互視頻流，全景展示電磁信號環(huán)境的頻域、空域、時域分布關(guān)系及動態(tài)變化特征，通過提取并記憶電磁信號環(huán)境的參數(shù)分布、參數(shù)輪廓等短期穩(wěn)態(tài)特征，形成電磁信號環(huán)境背景模型，再通過當(dāng)前幀與暫穩(wěn)態(tài)背景特征的實(shí)時比對，實(shí)現(xiàn)對新信號的敏捷發(fā)現(xiàn)和識別。

1 雷達(dá)脈沖信號多參數(shù)圖像映射與圖像反射

1.1 圖像映射

圖像映射是圖形化視覺分析的重要組成部分，其任務(wù)是將雷達(dá)脈沖原始數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為可供繪制的幾何圖素和屬性。即綜合運(yùn)用顏色、透明度、形狀以及其他屬性表示出科學(xué)數(shù)據(jù)中令人感興趣的性質(zhì)和特點(diǎn)，以最有效的圖形表示形式來揭示數(shù)據(jù)中隱含的各種現(xiàn)象和規(guī)律。雷達(dá)脈沖信號的2D圖像映射以數(shù)據(jù)緩沖池(來自于數(shù)據(jù)文件或者內(nèi)存)中的連續(xù)PDW為基礎(chǔ)，映射方式可以表示為：

(1)

式中：

x

表示雷達(dá)脈沖信號在映射圖中的橫軸位置；

y

表示雷達(dá)脈沖信號在映射圖中的縱軸位置；

r

表示雷達(dá)脈沖信號的幅度值

A

在映射圖中紅色通道的值；

b

表示雷達(dá)脈沖信號的載頻值

f

在映射圖中藍(lán)色通道的位置；

g

表示雷達(dá)脈沖信號的脈寬值

τ

在映射圖中的綠色通道的值；

a

表示雷達(dá)脈沖信號的單位時間密度在映射圖中

a

通道的值；

t

表示到達(dá)時間(TOA)；

D

表示到達(dá)方向；

A

表示脈幅；

f

表示射頻；

τ

表示脈寬(PW)。PDW中的到達(dá)時間(TOA)參數(shù)和到達(dá)方向(DOA)參數(shù)分別表示脈沖在時域和空域到達(dá)接收機(jī)的先后順序和傳送方位，以

t

為

x

軸、

D

為

y

軸生成電磁信號環(huán)境圖像，實(shí)現(xiàn)將數(shù)據(jù)池中的脈沖按空域和時域映射。

脈沖描述字中的DOA和TOA以笛卡爾直角坐標(biāo)系方式映射，可以將相同方位的脈沖映射至連續(xù)內(nèi)存區(qū)域，為進(jìn)一步的數(shù)據(jù)分析提供高緩存命中率的支持，但是從指揮員的可視化角度分析，DOA和TOA的物理含義更適合于以極坐標(biāo)系的方式映射：

(2)

(3)

r

=(

A

-

A

)/Δ

A

(4)

b

=(

f

-

f

)/Δ

f

(5)

g

=(

τ

-

τ

)/Δ

τ

(6)

(7)

PDW中的三參數(shù)脈幅(PA)、射頻(RF)、脈寬(PW)和笛卡爾直角坐標(biāo)系方式映射相同，區(qū)別在于PDW的TOA和DOA參數(shù)分別映射至以

R

為半徑、(

R

,

R

)為圓心的長寬均為2

R

的圖片中。其中

R

表示最近脈沖的起始長度。圖1(a)和(b)分別表示某電磁環(huán)境中一段時間內(nèi)的雷達(dá)脈沖信號的笛卡爾直角坐標(biāo)系映射和極坐標(biāo)系映射，PDW中的PA、RF、PW參數(shù)分別使用32位BMP圖片的R、G、B三原色通道表示。

圖1 某電磁環(huán)境中一段時間內(nèi)的雷達(dá)脈沖信號成像

1.2 雷達(dá)脈沖信號多參數(shù)映射

依據(jù)1.1圖像映射的方法，可對雷達(dá)脈沖信號的PW、RF、PA進(jìn)行單參數(shù)、多參數(shù)圖像映射，如圖2所示，對空間中的電磁環(huán)境從多維度同步地進(jìn)行展示。

圖2 雷達(dá)脈沖信號多參數(shù)映射

以DOA-TOA、RF-TOA為例，通過提取DOA-TOA輪廓內(nèi)原始脈沖數(shù)據(jù)，映射至RF-TOA域，可以實(shí)現(xiàn)多參數(shù)組合篩選的功能。

1.3 圖像反射和輪廓檢測

圖像反射是指對生成圖像中的每個像素點(diǎn)反射回雷達(dá)脈沖原始數(shù)據(jù)，具體而言，在雷達(dá)脈沖多參數(shù)圖像映射過程中同時完成映射數(shù)據(jù)的存儲和管理，使用生成圖像可以以像素為最小單位反射回原始數(shù)據(jù)，為下一步的基于機(jī)器視覺的雷達(dá)信號分選技術(shù)提供完整有效的雷達(dá)脈沖數(shù)據(jù)支持。

由于在圖像映射過程中，輸入數(shù)據(jù)保持天然的TOA排序，為降低后續(xù)操作的算法復(fù)雜度，在用于存儲雷達(dá)脈沖原始數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)PdwArray設(shè)計(jì)中，以TOA軸向像素坐標(biāo)作為數(shù)組索引，將每次映射到圖像的雷達(dá)脈沖數(shù)據(jù)按圖像的TOA軸向坐標(biāo)寫入PdwArray對應(yīng)坐標(biāo)的數(shù)組中，而DOA軸向則使用濾波的方式提取數(shù)據(jù)，從而保證PdwArray每個子數(shù)組中的雷達(dá)脈沖數(shù)據(jù)均按TOA排序且PdwArray數(shù)組按索引實(shí)現(xiàn)TOA組排序。

如圖3所示，首先將圖像進(jìn)行二值圖轉(zhuǎn)換，用于脈沖信號時空域圖像標(biāo)定、反射原始脈沖索引和進(jìn)一步的圖像處理。

圖3 密度二值圖轉(zhuǎn)換

將轉(zhuǎn)換后的二值圖進(jìn)一步進(jìn)行圖像膨脹處理，可以有效地使近鄰散點(diǎn)區(qū)域連通，從而提升輪廓檢測的正確率，對圖像進(jìn)行輪廓檢測后的圖像如圖4所示。

圖4 圖像輪廓檢測

2 視頻幀間圖像拼接技術(shù)

雷達(dá)脈沖信號多參數(shù)圖像映射與反射技術(shù)所生成的圖像在設(shè)定時進(jìn)長度后，將多幀圖順序播放，可以實(shí)現(xiàn)視頻流輸出。然而幀與幀之間的圖像，僅存在最近時進(jìn)范圍更新。假設(shè)每生成一幀新的圖像，均需要重新完成整張圖像的雷達(dá)脈沖映射和反射，會導(dǎo)致大量的重復(fù)計(jì)算。視頻幀間圖像拼接技術(shù)，在圖像映射方面，使用圖像位移的方式。首先將上一幀圖片整體位移預(yù)設(shè)時進(jìn)長度，進(jìn)而每次只需重新完成新一幀時進(jìn)長度內(nèi)雷達(dá)脈沖數(shù)據(jù)的映射即可生成新一幀的圖像。在圖像反射原始雷達(dá)脈沖數(shù)據(jù)方面，使用了循環(huán)隊(duì)列數(shù)據(jù)結(jié)構(gòu)，分別對應(yīng)每一幀對循環(huán)隊(duì)列進(jìn)行位移，使存儲雷達(dá)脈沖原始數(shù)據(jù)的結(jié)構(gòu)PdwArray重新對齊新生成的圖像，進(jìn)而在保持原有圖像可視化信號分選功能的基礎(chǔ)上，有效地降低了算法復(fù)雜度。圖像拼接示意圖如圖5所示。

圖5 視頻幀間圖像拼接示意圖

3 電磁環(huán)境記憶與新信號敏捷識別

3.1 實(shí)現(xiàn)原理

在視頻幀間圖像拼接技術(shù)的基礎(chǔ)上，實(shí)現(xiàn)了存儲和管理電磁信號環(huán)境中的一段最新的電磁數(shù)據(jù)，存儲的時間長度

T

由可分配的內(nèi)存深度決定(目前可至少存儲1 h的數(shù)據(jù))，這樣就能對

T

時間段內(nèi)的電磁數(shù)據(jù)參數(shù)分布、變化趨勢、統(tǒng)計(jì)規(guī)律、時序特征等進(jìn)行特征提取，形成電磁環(huán)境穩(wěn)態(tài)特征模型，通過記憶電磁環(huán)境特征，就能在復(fù)雜的電磁環(huán)境中快速檢測出異常信息，即快速發(fā)現(xiàn)新出現(xiàn)的目標(biāo)。

電磁環(huán)境記憶與新信號敏捷識別功能，能夠在開機(jī)后設(shè)定時間內(nèi)對環(huán)境中的電磁信息完成特征形成及記憶，并實(shí)現(xiàn)對新目標(biāo)的快速檢測。

使用圖像映射技術(shù)對DOA-TOA映射圖進(jìn)行輪廓檢測，可以在視頻分析流中對不同DOA的雷達(dá)脈沖數(shù)據(jù)流實(shí)現(xiàn)聚類和快速檢測，如圖6所示。當(dāng)在外部電磁環(huán)境中新方位上發(fā)現(xiàn)目標(biāo)時，使用向上的粗箭頭，以圖形化的方式提醒指揮員在該方位上偵察到新目標(biāo)。

圖6 DOA-TOA脈沖映射圖上在新方位偵察到目標(biāo)

在已知方位上出現(xiàn)新目標(biāo)時，DOA-TOA映射圖不能夠有效地區(qū)分出新目標(biāo)，因此，對每個已識別的DOA輪廓分別建立1張4K電磁環(huán)境感知記憶圖，通過感知電磁環(huán)境中的脈沖信號，實(shí)現(xiàn)記憶該DOA輪廓內(nèi)脈沖的多維特征。如圖7所示，感知記憶圖的橫軸標(biāo)定PW，縱軸標(biāo)定RF，圖像中像素點(diǎn)的B通道為識別目標(biāo)號TargetNo，G通道為脈沖命中計(jì)數(shù)Activation(目標(biāo)激活后作為激活種子)、R通道為目標(biāo)存活標(biāo)志(當(dāng)前幀存在該目標(biāo)時，寫入當(dāng)前循環(huán)幀數(shù))、A通道為目標(biāo)置信度Confidence。

圖7 同方位電磁環(huán)境感知記憶原理圖

將脈沖信號的RF、PW取高12位(RFRow,PWCol)作為坐標(biāo)，索引至圖像中像素點(diǎn)RfPwPixel，首先將該點(diǎn)的紅色通道值置為當(dāng)前循環(huán)幀號，如果該信號在連續(xù)多幀一直存在，那么通過紅色通道值可以動態(tài)地顯示；相反地，當(dāng)信號消失時，該像素點(diǎn)的紅色通道值會固定在最后一次命中時的循環(huán)幀號。RfPwPixel的綠色通道值用于累計(jì)命中該點(diǎn)的脈沖數(shù)，當(dāng)其值超過激活閾值時，將綠色通道值置為0xFF，表示目標(biāo)已激活，同時創(chuàng)建新的目標(biāo)信息表(記錄該目標(biāo)的目標(biāo)號、種子點(diǎn)位置、累計(jì)脈沖數(shù)和脈沖有效幀號等信息)，并將該點(diǎn)和附近設(shè)定區(qū)域內(nèi)的像素點(diǎn)的藍(lán)色通道值同時設(shè)置為新的目標(biāo)號，當(dāng)有新脈沖命中設(shè)定區(qū)域內(nèi)像素點(diǎn)時，均可以有效地尋找到該目標(biāo)。

將同一輪廓內(nèi)反射的所有原始脈沖在4K圖中完成映射后，對4K圖進(jìn)行進(jìn)一步的聚類操作。通過分析目標(biāo)信息表，對比同一目標(biāo)號內(nèi)所有RfPwPixel的綠色通道值，判斷脈沖分布中心點(diǎn)，進(jìn)而重新設(shè)定目標(biāo)種子位置。同時，將4K圖中相鄰目標(biāo)區(qū)域使用機(jī)器視覺方法進(jìn)行聚類分析，對聚類后的目標(biāo)號和對應(yīng)的目標(biāo)信息表回收。

當(dāng)脈沖命中某個RfPwPixel時，對于已發(fā)現(xiàn)的目標(biāo)，若其在上一幀中也被命中，則將RfPwPixel的

a

值加1，進(jìn)而提升該目標(biāo)的置信度。由于像素點(diǎn)的每個通道只有8個有效位，因而每張4K圖最多能標(biāo)記255個有效目標(biāo)。當(dāng)目標(biāo)信息表寫滿時，通過回收消失目標(biāo)中置信度最低的目標(biāo)號，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信息表的重復(fù)利用。

3.2 數(shù)據(jù)仿真

電磁環(huán)境記憶與新信號敏捷識別功能，是建立在對外部電磁環(huán)境態(tài)勢無監(jiān)督學(xué)習(xí)的基礎(chǔ)上，整個感知記憶和新信號識別過程完全由電磁環(huán)境中的脈沖數(shù)據(jù)驅(qū)動。如表1所示，在12個方位模擬12部雷達(dá)輻射源。

表1 仿真輻射源參數(shù)設(shè)置

在開機(jī)狀態(tài)下，設(shè)備先運(yùn)行5 s，對仿真態(tài)勢進(jìn)行感知和記憶，形成如圖8所示電磁環(huán)境感知記憶圖。圖8(a)表示在5 s內(nèi)正在形成記憶模型。圖8(b)表示了當(dāng)前電磁態(tài)勢感知和記憶完成，在DOA-TOA圖像上會對記憶的輻射源輪廓使用線圈標(biāo)識。

圖8 初始化電磁環(huán)境感知記憶圖

在電磁環(huán)境記憶完成后，模擬在60°和240°方位上出現(xiàn)新的目標(biāo)信號，如表2所示。

表2 新增輻射源參數(shù)設(shè)置

由于新出現(xiàn)的信號未在該方位對應(yīng)的電磁環(huán)境感知記憶圖中形成記憶，所以可以迅速發(fā)現(xiàn)新目標(biāo)，并在DOA-TOA中給出標(biāo)識。如圖9所示，在該方位上對新出現(xiàn)的信號給出告警信息。

圖9 已知方位偵察到新信號

4 結(jié)束語

本文借鑒視頻分析中對異常事件的智能檢測方法和原理，將電磁環(huán)境中的雷達(dá)脈沖信號圖形化和圖像化，并利用圖片拼接技術(shù)實(shí)現(xiàn)了電磁信號的視頻流輸出，通過對視頻流特征的記憶以及輪廓檢測技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了對新信號的敏捷識別。該技術(shù)能夠全面、直觀地掌握環(huán)境中電磁信號的分布規(guī)律以及變化趨勢，對新信號能夠快速發(fā)現(xiàn)并預(yù)警，在電磁信號環(huán)境監(jiān)測系統(tǒng)中有較好的應(yīng)用前景。