一種寬帶雷達目標的原始點跡凝聚處理方法
【專利摘要】本發(fā)明公開了一種寬帶雷達目標的原始點跡凝聚處理方法，設置參考徑向長度L和參考方位長度W；徑向距離方向歸并同一目標的點跡；對徑向歸并的點跡數(shù)據進行凝聚得到徑向距離凝聚點；在相鄰方位的回波掃描線上對同一目標的徑向距離凝聚點進行歸并；剔除背景目標；剔除旁瓣雜波，將剩余的徑向距離凝聚點再次進行方位方向凝聚，得到該同一目標的方位參數(shù)估計值和距離參數(shù)估計值。該方法能夠簡單、快速地對雷達原始點跡數(shù)據進行處理，提高了點跡凝聚的有效性和目標參數(shù)估計的準確性，為后續(xù)的目標跟蹤提供了良好的基礎數(shù)據。
【專利說明】一種寬帶雷達目標的原始點跡凝聚處理方法

【技術領域】
[0001]本發(fā)明涉及雷達信號處理領域，具體涉及一種寬帶雷達目標的原始點跡凝聚處理方法，適用于處理經恒虛警檢測處理后的寬帶雷達目標回波信號。

【背景技術】
[0002]雷達是一種基本的無限電探測裝置，具有全天時、全天侯探測目標的能力。早期雷達出現(xiàn)于19世紀三十年代，僅具有對目標進行檢測和定位功能。經過幾十年的發(fā)展，雷達技術獲得了巨大的進步，各種新體制雷達不斷涌現(xiàn)，雷達性能不斷改善，應用領域也在不斷擴展?，F(xiàn)代雷達能夠探測目標的各種參數(shù)，測量精度也越來越高，甚至有些體制的雷達具有獲取目標精細結構的能力，這些先進雷達具有的技術便是寬帶雷達技術。目前，寬帶雷達技術正逐漸成為世界各國雷達技術的重要發(fā)展方向。
[0003]寬帶雷達概念自上世紀70年代被人提出后，出現(xiàn)了各種不同體制寬帶雷達設備，比如各種機載、星載SAR雷達，以及地基ISAR雷達。但到目前為止，雷達領域對寬帶雷達的概念還沒有統(tǒng)一、嚴格的定義。一般來說，根據雷達相對寬度H來定義:
[0004]" =< /； < I(I)./0 ,
[0005]其中，Af為雷達瞬時寬帶，L為雷達載波頻率。一般認為，當0.01彡n ^ 0.25時，為寬帶雷達。當η >0.25，為超寬帶雷達。然而，人們通常所說的寬帶雷達是指發(fā)射信號的絕對帶寬很大，可以分辨目標的多個強散射中心；雷達的絕對帶寬越寬，其距離分辨單元越小。
[0006]相比窄帶雷達，寬帶雷達在很多方面都具有突出優(yōu)勢。目前，窄帶低分辨雷達的有關處理技術已經相當成熟，至于寬帶高分辨雷達技術正在快速發(fā)展，尚未到達成熟階段。由于窄帶和寬帶雷達的回波特性具有很大不同，導致很多窄帶雷達的信號和數(shù)據處理技術不再適用于寬帶雷達目標回波的處理。下面分別介紹窄帶、寬帶目標的回波具有的特性。
[0007]由于窄帶雷達的距離分辨率遠大于目標的實際尺寸，因此窄帶目標被視為“點目標”模型。從信號系統(tǒng)的角度理解，其系統(tǒng)函數(shù)可以看作是一沖激函數(shù)，那么目標回波就是發(fā)射信號與該沖激函數(shù)的卷積。卷積的結果就是回波仍然保留著發(fā)射信號的特點，即發(fā)射信號與回波信號是相關的，通過對回波信號進行匹配濾波，就能夠獲得最佳的輸出信噪比，從而獲得很好的檢測性能。
[0008]寬帶雷達的回波特征可以表征目標身上強散射中心的空間分布特征，強散射中心指的是目標上散射強度較大的部位，比如邊緣、拐角及連接部位等。對于寬帶雷達，其距離分辨率單元遠小于目標的實際尺寸，因此寬帶目標不能再被看作是“點目標”，而是目標范圍內的多個強散射中心分布的組合，即占據了多個距離分辨單元，稱之為寬帶距離擴展目標或分布式目標，同時在一維徑向距離方向上，形成一副具有高低起伏特征的目標幅度圖像，稱之為高分辨雷達目標一維距離像(HRRP)。由于寬帶目標回波信號受到其散射中心分布特征的調制，造成發(fā)射信號波形與回波波形的相關性減弱，甚至相關程度非常低。這就使得傳統(tǒng)窄帶雷達的一些理論技術(包括信號和數(shù)據處理技術)已不再適用于寬帶目標。因此，研究一些適用于寬帶目標的數(shù)據處理方法等理論和技術具有重要的理論和工程意義。
[0009]雷達的數(shù)據處理技術一般主要完成多目標跟蹤任務。但是對于目標跟蹤，僅希望一個目標只產生唯一代表其物理位置的點跡數(shù)據。事實上，某一目標被雷達照射經雷達天線所接收的目標回波，經信號處理后，一般情況下往往產生多個原始點跡數(shù)據，這就需要對這些原始點跡數(shù)據進行歸類，把同一目標產生的點跡數(shù)據歸在一起，最后采用某種計算方法，使一個目標獲得唯一表征目標物理位置的點跡數(shù)據，這個過程被稱為目標點跡凝聚處理，也可以稱其為對原始點跡的預處理。目標點跡凝聚處理為后續(xù)的目標跟蹤數(shù)據處理模塊提供基礎數(shù)據，直接決定著航跡跟蹤質量的好壞，是雷達數(shù)據處理系統(tǒng)的關鍵技術之一。從上面可知，寬帶目標為寬帶距離擴展式目標，在距離和方位上占據多個單元，另一個事實就是窄帶目標的點跡數(shù)據，往往也占據多個距離單元，至于窄帶目標在距離、方位上產生多值性的原因在本專利中不予討論。點跡凝聚的處理精度和能力是雷達系統(tǒng)的一項重要技術指標。一個性能良好的點跡處理系統(tǒng)是保證航跡文件信息準確與可靠的前提條件。
[0010]無論是寬帶還是窄帶雷達點跡凝聚處理，其基本任務要求是一致的:能夠判別和去除非有效的目標點跡；能區(qū)分方位和距離上的鄰近目標，盡可能地把同一目標的點跡數(shù)據歸并一起；由于距離精度比方位精度高，且實時處理中，可先獲得距離向上的數(shù)據，因此凝聚過程中，是先距離后方位。另一個重要的事實，就是寬帶和窄帶目標各自的回波特性不同，使得窄帶目標原始點跡凝聚處理技術不適用與對寬帶目標的相應處理。因次，需要深入研究，設計一種適合于寬帶目標的原始點跡凝聚處理方法。
[0011]現(xiàn)有技術一:傳統(tǒng)窄帶低分辨雷達的點跡凝聚處理一般性原理和方法
[0012]窄帶雷達原始點跡凝聚處理處理技術主要內容是:大量“壓縮”信號原始目標點跡數(shù)據，判別和去除非有效點跡，將一次掃描獲得的同一目標的點跡凝聚為唯一點跡，進而精確估計該目標的距離和方位參數(shù)。
[0013]現(xiàn)有技術二:目前關于寬帶目標目標點跡凝聚處理方法尚未有通用化的原理和方法，而且?guī)缀蹩床坏较嚓P方面的詳細研究資料。有少量的資料，簡單地談及了它的一些處理方法，一個基本的思路就是設置參考徑向長度和參考方位徑向長度，用以距離和方向上歸并和分辨，然后采用求取質心的點跡凝聚處理方法，估計目標的距離和方位參數(shù)。
[0014]現(xiàn)有技術一存在缺點是:傳統(tǒng)的針對窄帶目標的點跡凝聚處理方法，不論是基于目標質心或者中心計算，均不能適用于對寬帶目標的原始點跡數(shù)據進行處理。
[0015]現(xiàn)有技術二缺點:雖然沿用了傳統(tǒng)窄帶目標點跡凝聚處理的一些概念和方法，制定了使用于寬帶目標原始點跡凝聚處理的方法，但由于寬帶目標點跡特性表象的復雜性，不能利用傳統(tǒng)技術中剔除異常原始點跡包括消除旁瓣影響，使得它們很難制定一些準則來剔除異常數(shù)據，造成對目標參數(shù)的估計精確度不高；而且大部分均采用了求取質心的點跡凝聚處理算法，造成計算量大，處理效率不高。


【發(fā)明內容】

[0016]本發(fā)明專利的目的在于克服現(xiàn)有的技術缺陷，提供一種寬帶雷達目標的原始點跡凝聚處理方法。本發(fā)明主要解決的技術問題在于，根據寬帶雷達目標回波的特性，提出了一種基于強散射點距離相關處理的寬帶雷達目標點跡凝聚處理方法。該方法可簡單、快速地對雷達原始點跡數(shù)據進行處理，提高了點跡凝聚的有效性和目標參數(shù)估計的準確性，為后續(xù)的目標跟蹤提供了良好的基礎數(shù)據。
[0017]本發(fā)明的目的可通過下列技術方案實現(xiàn):
[0018]一種寬帶雷達目標的原始點跡凝聚處理方法，包括以下步驟:
[0019]步驟1、設置參考徑向長度L和參考方位長度W ；
[0020]步驟2、處理經恒虛警檢測后的原始點跡數(shù)據，將同一回波掃描線上距離小于參考徑向長度L的點跡歸并為同一目標的點跡，并統(tǒng)計同一目標在各個回波掃描線徑向距離方向上的點跡個數(shù)；
[0021]步驟3、對各個目標在徑向距離方向上歸并在一起的點跡數(shù)據進一步作凝聚處理，得到各個目標在各個回波掃描線上的徑向距離凝聚點；
[0022]步驟4、在相鄰方位的回波掃描線上，對距離小于參考徑向長度W的徑向距離凝聚點歸并為同一目標在不同回波掃描線上的徑向距離凝聚點；
[0023]步驟5、剔除方位寬度大于方位上限值Hu和小于方位下限值H1的目標；
[0024]步驟6、從大到小排列同一目標各方位回波掃描線上的點跡的個數(shù)，按照預定比例刪除點跡的個數(shù)較小的回波掃描線上對應的徑向距離凝聚點，將剩余的徑向距離凝聚點再次進行方位方向凝聚，得到該同一目標的方位參數(shù)估計值，同時計算剩余的徑向距離凝聚點對應的該同一目標的距離參數(shù)估計值。
[0025]如上所述的步驟6中的預定比例取值區(qū)間為O?1/3。
[0026]如上所述的方位上限值Hu取值區(qū)間為110°?360° ;所述的方位下限值Hl取值區(qū)間為0°?3°。
[0027]如上所述的方位參數(shù)估計值通過將步驟6中的剩余的徑向距離凝聚點進行方位值求平均獲得；所述的距離參數(shù)估計值通過將步驟6中的剩余的徑向距離凝聚點進行徑向距離值求平均獲得。
[0028]本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比具有以下有益效果:
[0029]本發(fā)明提出了一種基于強散射點距離相關處理的適用于寬帶目標點跡凝聚處理方法。該方法能夠簡單、快速地對雷達原始點跡數(shù)據進行處理，提高了點跡凝聚的有效性和目標點跡參數(shù)估計的準確性，為后續(xù)的目標跟蹤提供了良好的基礎數(shù)據。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0030]圖1為目標在徑向距離方向上歸并和凝聚示意圖；
[0031]圖2為目標在方位方向上歸并和凝聚示意圖；
[0032]圖3為本發(fā)明方法的點凝聚處理過程。

【具體實施方式】
[0033]下面結合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0034]實施例1:
[0035]在傳統(tǒng)窄帶雷達中，其點跡凝聚處理是采用滑窗法在徑向距離方向上向前滑動，依據制定的相應準則來判斷當前滑窗內是否存在目標點跡，如果存在，則進行相關點跡凝聚處理。這些理論方法的依據是:雷達中心極限定理表明-窄帶噪聲服從高斯分布，其包絡服從瑞利分布，當回波中含有目標信號時，包絡服從萊斯分布。當回波經過天線方向圖調制后，在回波峰值兩側的點跡也可能超過門限。因此，可以根據滑窗中超過門限的點跡數(shù)來判定目標的存在。
[0036]研究表明，寬帶雷達的目標回波不再具有萊斯包絡特性，表現(xiàn)為距離擴展目標的形式，即目標在徑向距離和方位方向上往往存在屬于其的多個點跡。為了對目標進行跟蹤，需要對這些屬于同一目標的點跡進行分辨、歸類及凝聚處理。在傳統(tǒng)窄帶雷達中，一般采用“質心法”進行點跡凝聚處理，從而獲得目標的距離和方位參數(shù)的估計值。但對于寬帶目標點跡，由于屬于同一目標的點跡數(shù)據分布的不連續(xù)和不均勻性，使得傳統(tǒng)窄帶雷達的點跡凝聚處理方法不再適用于處理寬帶雷達的目標回波。本發(fā)明根據寬帶雷達目標回波特性，并參考傳統(tǒng)窄帶雷達的點跡凝聚處理方法，提出了一種基于強散射點距離相關處理的寬帶雷達點跡凝聚處理算法。
[0037]一種寬帶雷達目標的原始點跡凝聚處理方法:
[0038]步驟1、設置參考徑向長度和參考方位長度，分別設為L和W。這兩個長度參數(shù)的確定決定了目標點跡在距離和方位上的歸并精度。
[0039]步驟2、徑向距離方向上歸并。以一條回波掃描線為單位，處理經恒虛警檢測后的原始點跡數(shù)據，利用參考徑向長度L在回波掃描線的徑向距離方向上尋找屬于同一目標的點跡，同一回波掃描線上距離小于參考徑向長度L的點跡為同一目標的點跡，將同一回波掃描線上屬于同一目標的點跡歸并在一起，并統(tǒng)計各個回波掃描線上各目標在各個回波掃描線徑向距離方向上的點跡個數(shù)。
[0040]需要指出的是，在傳統(tǒng)窄帶雷達原始點跡數(shù)據在徑向距離方向上歸并處理中，常利用回波本身的脈沖壓縮主副瓣比的特性關系，濾除幅度相對較小的點跡數(shù)據，抑制脈沖壓縮旁瓣對目標點跡數(shù)據形成的影響，但這些技術已不再適用于寬帶雷達目標的點跡數(shù)據處理。
[0041]步驟3、徑向距離方向上凝聚。在完成步驟2后，應對各個回波掃描線上同一目標在徑向距離方向上歸并在一起的點跡數(shù)據進一步作凝聚處理，得到各個目標在回波掃描線上的徑向距離凝聚點，事實上只需求取該徑向距離凝聚點的距離參數(shù)估計值。
[0042]步驟4、方位方向上歸并，即在相鄰方位的回波掃描線上，認為距離小于參考徑向長度W的徑向距離凝聚點為同一目標在不同回波掃描線上的徑向距離凝聚點，對上述距離小于參考徑向長度W的徑向距離凝聚點進行方位上的歸并。寬帶雷達在方位上的歸并無需設置方位扇區(qū)，可以利用W僅在兩條相鄰方位的回波掃描線的數(shù)據間進行尋找、歸并屬于同一目標的徑向距離凝聚點。
[0043]步驟5、虛假目標剔除。盡管雷達回波點跡經過恒虛警檢測后，雜波獲得了大量抑制，但通常仍然會有少量的雜波通過了恒虛警檢測的門限成為了虛假目標的原始點跡數(shù)據，特別是在強雜波壞境中，將可能出現(xiàn)大量的海雜波、地雜波數(shù)據。對于這些雜波數(shù)據，在步驟4完成后仍可以通過設置方位上限值Hu和方位下限值H1，一般使Hu= 120° ,H1 = 2°，剔除方位寬度大于Hu(過寬)和小于H1(過窄)的目標，從而抑制和消除它們的不良影響；方位寬度是同一目標所占有的回波掃描線在方位方向上的跨度。當方位上限值Hu= 120°和方位下限值H1 = 2 °時，當寬帶雷達處于沿海港口附近有較強風速環(huán)境中時，可對海雜波和地雜波的濾除效果達到95%以上。
[0044]步驟6、方位方向上凝聚。在步驟2中，在按設定的準則完成目標在徑向距離方向上歸并的同時，也統(tǒng)計了該目標在該方向上的點跡數(shù)據個數(shù)，這些點跡數(shù)據實際上是目標的強散射點產生的點跡數(shù)據，因此統(tǒng)計的點跡個數(shù)，也是目標的強散射點的個數(shù)。強散射點是目標上散射強度較大的部位，比如目標結構的邊緣、拐角等。若在某些部位散射點越多，說明該部分目標結構復雜，是實體結構的核心。因此，這些同一目標在不同徑向距離方向上的強散射點個數(shù)可以作為一種有用信息，用以估計目標參數(shù)-表征目標物理位置的唯一點的距離參數(shù)和方位參數(shù)。本發(fā)明正是基于這些思考，設計了目標參數(shù)的估計方法。
[0045]統(tǒng)計同一目標在各方位回波數(shù)據線上的點跡數(shù)據數(shù)量，從大到小排列同一目標在各方位回波掃描線上的點跡的個數(shù)，按照預定比例刪除點跡的個數(shù)較小的回波掃描線上對應的徑向距離凝聚點，將剩余的回波掃描線上徑向距離凝聚點再次進行方位方向凝聚處理，求取該同一目標唯一的方位、距離參數(shù)估計值。預定比例可選為1/4。當預定比例選擇為1/4時，當寬帶雷達處于低雜波航海環(huán)境中時，對船艦目標原始點跡中因雷達天線旁瓣所產生的點跡的濾除率可達到98%。
[0046]該部分剔除了目標的一些回波掃描線上的徑向距離凝聚點，可以起到抑制雷達天線旁瓣所帶了不良影響的作用，同時在估計中更加信任強散射點多的方位上的數(shù)據，從而提高了目標位置參數(shù)的估計精度。
[0047]在步驟2中，尋找、歸并同一目標的點跡的方法為:
[0048]設某一條回波掃描線為{Pi}，Pi為其中某個點跡。在{Pi}徑向距離方向上，依次計算當前點跡Pi與前一個點跡Pm之間的距離，并判斷該距離值與L的大小關系。如果小于L,便認為Pi與Pp1是屬于同一目標的點跡,將屬于同一目標的點跡歸并在一起；反之,則認為Pi與P1-1是屬于不同目標的點跡，其中Pi為新目標X的前沿，Pm為另一個目標T的后沿，并統(tǒng)計目標T在徑向距離方向上的點跡個數(shù)。
[0049]目標前沿是目標在該徑向距離方向的第一個點跡，目標后沿是目標在該徑向距離方向的最后一個點跡，發(fā)現(xiàn)了目標后沿表示某目標在該徑向距離方向歸并的完成。
[0050]在步驟3中，求取徑向距離凝聚點的距離參數(shù)估計方法有:
[0051]為了簡化算法，可按式(2)求取目標在回波掃描線上的徑向距離凝聚點的距離參數(shù)估計值，
[0052]Rj = (Rjfron^Rjback) /2(2)
[0053]式⑵中，Rj為目標在其第j個回波掃描線上的徑向距離凝聚點的距離參數(shù)估計值，R/ron\ Rjback分別為同一目標在該徑向距離方向上目標前沿和后沿所在處的距離值。
[0054]在步驟4中，尋找、歸并同一目標的徑向距離凝聚點的具體方法如下:
[0055]分別設兩條相鄰方位的回波掃描線上的徑向距離凝聚點為{Am}、{Bn}。在徑向距離方向上并行訪問、計算當前A111和Bn之間的距離值Dk，判斷Dk與參考方位長度W的大小關系。如果小于W，則認為么?1和^是同一目標的徑向距離凝聚點，將屬于同一目標的徑向距離凝聚點歸并在一起，然后m = m+1, η = η+1,繼續(xù)計算An^P Bn之間的距離值并判斷與W之間的大小關系......；如果Dk不小于W,則m保持不變，η = η+1,重新計算An^P Bn之間的距離值，尋找與Am的距離小于W的Bn ;如果最終沒有找到與Am的距離小于W的Βη，則表示某個目標在方位方向上找到了所有屬于它的徑向距離凝聚點，即某個目標完成了在方位方向上的歸并，且徑向距離凝聚點An所在的方位為該目標的終止方位。
[0056]在步驟6中，求取目標唯一的距離、方位參數(shù)估計值的方法如下:
[0057]按式(3)求取目標唯一的方位參數(shù)估計值A0,

【權利要求】
1.一種寬帶雷達目標的原始點跡凝聚處理方法，其特征在于，包括以下步驟: 步驟1、設置參考徑向長度L和參考方位長度W ； 步驟2、處理經恒虛警檢測后的原始點跡數(shù)據，將同一回波掃描線上距離小于參考徑向長度L的點跡歸并為同一目標的點跡，并統(tǒng)計同一目標在各個回波掃描線徑向距離方向上的點跡個數(shù)； 步驟3、對各個目標在徑向距離方向上歸并在一起的點跡數(shù)據進一步作凝聚處理，得到各個目標在各個回波掃描線上的徑向距離凝聚點； 步驟4、在相鄰方位的回波掃描線上，對距離小于參考徑向長度W的徑向距離凝聚點歸并為同一目標在不同回波掃描線上的徑向距離凝聚點； 步驟5、剔除方位寬度大于方位上限值Hu和小于方位下限值H1的目標； 步驟6、從大到小排列同一目標各方位回波掃描線上的點跡的個數(shù)，按照預定比例刪除點跡的個數(shù)較小的回波掃描線上對應的徑向距離凝聚點，將剩余的徑向距離凝聚點再次進行方位方向凝聚，得到該同一目標的方位參數(shù)估計值，同時計算剩余的徑向距離凝聚點對應的該同一目標的距離參數(shù)估計值。
2.根據權利要求1所述的一種寬帶雷達目標的原始點跡凝聚處理方法，其特征在于，所述的步驟6中的預定比例取值區(qū)間為O?1/3。
3.根據權利要求1所述的一種寬帶雷達目標的原始點跡凝聚處理方法，其特征在于，所述的方位上限值Hu取值區(qū)間為110°?360° ;所述的方位下限值H1取值區(qū)間為0°?3° ο
4.根據權利要求1所述的一種寬帶雷達目標的原始點跡凝聚處理方法，其特征在于，所述的方位參數(shù)估計值通過將步驟6中的剩余的徑向距離凝聚點進行方位值求平均獲得；所述的距離參數(shù)估計值通過將步驟6中的剩余的徑向距離凝聚點進行徑向距離值求平均獲得。
【文檔編號】G01S7/41GK104166135SQ201410453655
【公開日】2014年11月26日 申請日期:2014年9月5日 優(yōu)先權日:2014年9月5日
【發(fā)明者】張東華, 任學鋒, 李寧, 代志強, 吳勇 申請人:武漢中原電子集團有限公司