一种基于极化信息的高频地波雷达tbd方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及基于极化信息的高频地波雷达TBD方法。
【背景技术】
[0002] 在高频地波雷达应用中，外部噪声很强，包括短波电台干扰，一阶二阶谱，大气噪 声等，相比起来目标回波强度很弱，信噪比较低，即使通过二维相参积累后，仍然无法进行 可靠检测形成弱目标。早期的雷达系统一般都采用先检测后跟踪的方法来实现目标检测和 跟踪。检测在雷达信号处理部分完成，即首先进行杂波和噪声的抑制，然后与检测门限比 较，完成恒虚警检测，跟踪在雷达数据处理部分完成，通过对CFAR检测得到的点迹进行预处 理、航迹起始、滤波和关联，最终得到目标的航迹。但在传统的雷达目标检测中，CFAR处理存 在信噪比（Signal to Noise Ratio，SNR)损失，这更加降低了微弱目标在低SNR背景下的可 检测性。
[0003] TBD方法又称检测前跟踪算法，采用了不同的处理思路，该方法不是对单帧数据进 行阈值处理检测，而是先对全部数据依据一定的跟踪算法进行轨迹跟踪，跟踪多帧之后，待 轨迹能量积累到一定的程度后，再依据预先设定的门限阈值进行判断哪些轨迹是真实目标 的轨迹，真实轨迹一旦确定，则目标的检测任务自然完成。整个过程中，一方面利用了目标 运动在短时间内的相关性，噪声在这个过程中具有随机性，这样经过多帧积累后，真实目标 的轨迹的积累能量一定会大于噪声所形成的伪轨迹的能量积累值。另一方面因为未经门限 阈值处理过的数据包含了较为全面的目标信息，不会出现目标潜在信息过多丢失的可能， 所以经过多帧的积累过程，使得目标的信噪比得到了提高，从而使得对目标的检测性能得 到较大的提高。该方法对较低的信噪比的目标有着很好的检测跟踪性能。TBD算法实质上是 用穷举法搜索所有可能的目标轨迹，实现起来运算量非常大，为了减少运算量，运用动态规 划方法实现，利用递归的方式寻找局部最优解，确定目标的最优航迹。动态规划方法实现检 测前跟踪存在以下问题，当信噪比低于某一值时，算法的检测跟踪性能迅速下降。
【发明内容】
[0004] 本发明是为了解决在低信噪比情况下，目前采用的TBD方法在高频地波雷达中的 检测和跟踪性能较差的问题，而提出的一种基于极化信息的高频地波雷达TBD方法。
[0005] -种基于极化信息的高频地波雷达TBD方法按以下步骤实现：
[0006] 步骤一:对每一帧回波数据中海杂波进行剔除，得到可以处理的距离速度谱数据， 所述距离速度谱数据包括K帧数据，10< K < 30;
[0007] 步骤二：对步骤一中得到的第一帧数据进行恒虚警预检测处理，得到I(r,d)(l)和 Unl^dKl)为第一帧中超过Vrfar的数据单元的阶段值函数，所述山为目标在第二帧数据的 状态转移区域，r为距离单元坐标，d为多普勒单元坐标;V cfar为恒虚警门限，阶段值函数指 的是数据单元的幅值；
[0008] 步骤三:根据步骤二得到I(r,d)(2)和U2，I(r,d)(2)为第二帧中超过恒虚警门限的数 据单元的阶段值函数，u2为目标在第三帧数据的状态转移区域；
[0009] 步骤四：根据步骤三得到I(r,d)(3)和U3，I(r,d)(3)为第三帧中超过恒虚警门限的数 据单元的阶段值函数，u 3为目标在第四帧数据的状态转移区域；
[0010] 步骤五:迭代执行步骤四K-3次直至得到I(r,d)(K)，若I(r,d)(K)超过检测门限，则判 定该(r，d)数据单元中存在目标，再根据I( r,d)(K)中记录的数据单元坐标信息进行回溯，可 得到目标的航迹，所述检测门限为人为设定的，I( r,d)(K)为第K帧中超过恒虚警门限的数据 单元的阶段值函数。
[0011] 发明效果：
[0012] 本发明针对高频地波雷达的极化特性，将极化信息引入TBD检测算法，并结合预处 理方法和方向加权手段进一步提高TBD方法在高频地波雷达中的检测和跟踪性能。
[0013] 在高斯背景下，本发明基于极化的TBD方法相对传统TBD方法在相同的检测概率 下，信噪比有3dB的提升，在跟踪性能上有显著提升，并且处理速度更快实时性更好。
[0014] 在实测数据背景下，本发明基于极化的TBD方法相对传统TBD方法在相同的检测概 率下，信噪比有4dB的提升。跟踪性能上，相同信噪比条件下，本发明相对于传统TBD方法跟 踪效果明显提升。
【附图说明】
[0015] 图1为高斯背景下航迹图；
[0016] 图2为高斯背景下检测性能图，图中Pd为检测概率；
[0017] 图3为实测数据中仿真目标航迹图；
[0018] 图4为实测数据中检测性能，图中Pd为检测概率；
[0019] 图5为剔除海杂波后检测背景图；
[0020] 图6为传统TBD方法检测图；
[0021]图7为本发明TBD方法检测结果图；
[0022]图8为本发明流程图；
[0023]图9为方向加权示意图。
【具体实施方式】
[0024]【具体实施方式】一：如图8所示，一种基于极化信息的高频地波雷达TBD方法包括以 下步骤：
[0025]步骤一:对每一帧回波数据中海杂波进行剔除，得到可以处理的距离速度谱数据， 所述距离速度谱数据包括K帧数据，10< K < 30;
[0026]步骤二：对步骤一中得到的第一帧数据进行恒虚警预检测处理，得到I(r,d)(l)和 UhlhdKl)为第一帧中超过Vrfar的数据单元的阶段值函数，山为目标在第二帧数据的转台 转移区域，r为距离单元坐标，d为多普勒单元坐标;V cfar为恒虚警门限，阶段值函数指的是 数据单元的幅值；
[0027]恒虚警门限的设置方法具体为:对第m个多普勒单元上的第η个距离单元，分别对 前后参考窗内L个噪声距离单元进行平均处理，得到两个独立的噪声功率的估计值，记为# 和爲％然后选取两个估计值中最大的那个值作为噪声功率的估计值，则可得到第一级低门 限值?/i,=峨2，爲2)，其中α为尺度因子。
[0028]步骤三:根据步骤二得到I(r,d)(2)和U2，I(r, d)(2)为第二帧中超过恒虚警门限的数 据单元的阶段值函数，U2为目标在第三帧数据的状态转移区域；
[0029]步骤四：根据步骤三得到I(r,d)(3)和U3，I(r, d)(3)为第三帧中超过恒虚警门限的数 据单元的阶段值函数，U3为目标在第四帧数据的状态转移区域；
[0030] 步骤五:迭代执行步骤四K-3次直至得到I(r,d)(K)，若I(r,d)(K)超过检测门限，则判 定该(r，d)数据单元中存在目标，再根据I(r,d)(K)中记录的数据单元坐标信息进行回溯，可 得到目标的航迹，所述检测门限为人为设定的，I( r,d)(K)为第K帧中超过恒虚警门限的数据 单元的阶段值函数；
[0031] 所述检测门限用VT表示，由公式
给出，Pd是虚警概率，λ和〇1{分 别为噪声累加 K帧的概率密度函数的均值与方差，Φ是高斯分布函数，η是η次方。
【具体实施方式】 [0032] 二：本实施方式与一不同的是：所述步骤二中得到 1(1^)(1)和1]1的具体过程为：
[0033] 当k=l时对第一帧数据的所有数据单元进行恒虚警预检测处理，将超过恒虚警门 限的数据单元的阶段值函数记录为I(r,d)(l)，即：
[0034] I(r，d)(l)=Z(r，d)(l){^Z(r，d)(l)>Vcfar} (1)
[0035] 其中所述z(r,d)为速度距离谱中第r个距离单元和第d个多普勒单元的幅值，￥^"是 恒虚警检测门限；
[0036]
(2)
[0037] 其中所述U为第k帧数据在第k+Ι帧数据中的参考空间，1 <k<K;Zk为第k帧数据目 标状态，rk为第k帧数据距离单元坐标，dk为第k帧数据多普勒单元坐标；
[0038]当k = l时根据公式(2)可以得到ΙΛ。
[0039]【具体实施方式】三:本实施方式与【具体实施方式】一或二不同的是:所述步骤三中得 到I(r,d)(2)和U2的具体过程为：
[0040]当k = 2时对第二帧数据目标状态转移区域山范围内的所有数据单元进行恒虚警 预检测处理，若所有数据没有超过恒虚警门限，则丢掉I(r,<0(1)，否则进行累加计算得到 I(r,d)(2);
[0041 ]
13)
[0042] 当k = 2时根据公式⑵可以得到U2。
【具体实施方式】 [0043] 四：本实施方式与一至三之一不同的是:所述步骤四 中得到I (r, d) (3)和U3的具体过程为：
[0044]当k = 3时对第三帧数据目标状态转移区域U2范围内的所有数据单元进行恒虚警 预检测处理，若所有数据没有超过恒虚警门限，则丢掉I(r,d)(2)否则进行以下处理：
[0045] (1)对于超过恒虚警门限的数据单元，先在对应的极化角谱里计算其极化角Pt，再 估计周围参考单元的极化角P。;利用得到的Pt和P。对z(r,d)⑶进行极化加权得到Z'( r,d)(3);
[0046] (4)
[0047]
[0048] (5)
[0049] (6)
[0050]其中所述^表示第一帧数据中目标位置，X2表示第二帧数据中目标位置，X3表示第 三帧数据中目标位置，θ3表不X3偏呙直线X1X2的角度，ω (θ3)是对应不同偏呙角度θ3时的方 向加权值；
[0051 ] (3)利用方向加权值ω (θ3)对z ' (r,d) (3)进行加权以及最大化操作（即求最大值后 和 I(r,d)(2)累加），得到 I(r,d)(3):
[0052]
C7)
[0053] 当k = 3时根据公式(2)可以得到U3。
【具体实施方式】 [0054] 五:本实施方式与一至五之一不同的是：所述步骤五 中得到I(r,d)(K)的具体过程为：
[0055] 当k大于3，对第k帧数据目标状态转移区域Uh范围内的所有数据单元进行恒虚警 预检测处理，若所有数据没有超过恒虚警门限，则丢掉I( r,d)(k_l)否则进行以下处理：
[0056] (1)对于超过恒虚警门限的数据单元，先在对应的极化角谱里计算其极化角Pt，再 估计周围参考单元的极化角P。;利用得到的Pt和P。对z( r,d)(k)进行极化加权得到ζ'(r,d)(k);
[0057]
(:8.)
[0058] (2)如图9所示，计算方向加权值：
[0059] (9)
[0060] (10)
[0061] 其中，xk-2表示第k-2帧数据中目标位置，xh表示第k-Ι帧数据中目标位置，xk表示 第k帧数据中目标位置，0 k表示处偏离直线^2的角度，co(0k)是对应不同偏离角度 的方向加权值；
[0062] (3)利用方向加权值co(0k)对z^^k)进行加权，以