一种基于恒虚警检测原理的气象杂波抑制方法与流程
本发明涉及雷达杂波抑制领域，尤其是一种基于恒虚警检测原理的气象杂波抑制方法。
背景技术：
目前针对重要设施、重点场地及重要区域周边低空空域，采用微波雷达对低空/超低空飞行目标进行探测、跟踪，全天候、全空域提供诸如飞鸟或无人机类的低空、慢速、危险、小目标入侵的监控预警，这方面的市场需求紧迫，前景十分广阔。在低空空域内，微波雷达主要针对低、小、慢入侵目标回波信号进行检测处理时，伴随着大量具有类似回波信号特征的杂散干扰，其中运动的云雨气团等气象目标的分布范围和回波特征参数与真正探测跟踪的入侵目标特别相似，因与天气情况密切相关、随机性强、形成的虚警信号数量众多，产生的负面影响特别大，如果不对低空出现的大量云雨回波进行特殊处理，则真正需要监控的入侵目标将被掩藏在大量气象云雨虚警目标之中，导致最后的识别处理十分困难，这将严重影响雷达的实际应用。
技术实现要素：
本发明人针对上述问题及技术需求，提出了一种基于恒虚警检测原理的气象杂波抑制方法，通过将第一次恒虚警检测处理后输出的所有回波信号频谱，再进行第二次恒虚警检测及目标筛选过滤，对运动的气象云雨回波信号在速度维和距离维上进行幅度检测、比较及识别处理，把云雨等气象杂波提前抑制掉，使其不能进入后级目标跟踪处理环节。本发明的技术方案如下：
一种基于恒虚警检测原理的气象杂波抑制方法，包括如下步骤：
s1、获取第一次恒虚警率检测处理后的回波信号频谱，回波信号频谱包括入侵目标、气象云雨目标、静止目标的回波信号的频谱，回波信号频谱包括回波信号在速度维、距离维和幅度维的频谱；
s2、在有效频谱中依次选取各个频点作为待测频点，根据待测频点在幅度维上的回波幅度确定待测频点的待测频点功率，有效频谱包括除静止目标的回波信号对应的频谱以及雷达盲区内各个目标的回波信号对应的频谱之外的其余回波信号频谱；
s3、通过第一检测窗和第二检测窗对回波信号频谱中在速度维上位于待测频点两侧的各个频点进行幅度维的采样，第一检测窗和第二检测窗在速度维上与待测频点间隔相同距离；
通过第三检测窗和第四检测窗对回波信号频谱中在距离维上位于待测频点两侧的各个频点进行幅度维的采样，第三检测窗和第四检测窗在距离维上与待测频点间隔相同距离；
s4、根据第一检测窗采样到的各个频点的回波幅度确定第一检测窗口功率，根据第二检测窗采样到的各个频点的回波幅度确定第二检测窗口功率，根据第三检测窗采样到的各个频点的回波幅度确定第三检测窗口功率，根据第四检测窗采样到的各个频点的回波幅度确定第四检测窗口功率；
s5、检测是否满足
s6、若满足，则保留待测频点；若不满足，则滤除待测频点。
其进一步的技术方案为，方法还包括：
在回波信号频谱中在速度维上位于待测频点两侧且与待测频点间隔相同距离处分别设置第一窗口和第二窗口；
若第一窗口和第二窗口均未覆盖静止目标对应的回波信号，则确定第一窗口为第一检测窗，确定第二窗口为第二检测窗；
若第二窗口覆盖静止目标对应的回波信号，则第二窗口中去除静止目标对应的回波信号所在的区域形成第二检测窗，并对第一窗口相对于第二窗口反向延长形成第一检测窗，第一检测窗和第二检测窗的总宽度与第一窗口和第二窗口的总宽度相等。
其进一步的技术方案为，其特征在于，第一窗口和第二窗口在速度维上的宽度相等且为4个速度门值、在距离维上的宽度相等且为5-8个距离门值。
其进一步的技术方案为，方法还包括：
在回波信号频谱中在距离维上位于待测频点两侧且与待测频点间隔相同距离处分别设置第三窗口和第四窗口；
若第三窗口和第四窗口均未覆盖盲区内各个目标的回波信号，则确定第三窗口为第三检测窗，确定第四窗口为第四检测窗；
若第四窗口覆盖盲区内各个目标的回波信号，则第四窗口中去除盲区内各个目标的回波信号所在的区域形成第四检测窗，并对第三窗口相对于第四窗口反向延长形成第三检测窗，第三检测窗和第四检测窗的总宽度与第三窗口和第四窗口的总宽度相等。
其进一步的技术方案为，第三窗口和第四窗口在速度维上的宽度相等且为3-6个速度门值、在距离维上的宽度相等且为5个距离门值。
其进一步的技术方案为，方法还包括：
在回波信号频谱中在速度维和距离维上待测频点的两侧分别设置保护窗，速度维上的每个保护窗在速度维上的宽度与待测频点在速度维上与第一检测窗和第二检测窗间隔的距离相等且为1-2个速度门值；距离维上的每个保护窗在距离维上的宽度与待测频点在距离维上与第三检测窗和第四检测窗间隔的距离相等且为1-2个距离门值。
其进一步的技术方案为，方法还包括：
检测回波信号频谱中各个频点的幅度维的回波幅度是否小于第一预设功率阈值且达到第二预设功率阈值；
若回波幅度达到第一预设功率阈值，则确定频点属于静止目标对应的回波信号；
若回波幅度小于第二预设功率阈值，则确定频点属于盲区内各个目标的回波信号。
本发明的有益技术效果是：
本申请公开的基于恒虚警检测原理的气象杂波抑制方法，是针对低、小、慢危险入侵目标的监控预警而设计的要地防务雷达的一种特殊检测处理方法。本申请主要针对入侵目标回波特性与气象云雨回波特性的差异，进行第二次特殊恒虚警检测处理，通过获取第一次恒虚警检测处理后输出的所有回波信号频谱，从有效频谱中依次选取各个频点为待测频点进行特征频谱解析确定其待测频点功率后，通过在速度维和距离维上分别设置的检测窗可以有效的获取窗内各个频点的回波幅度的平均功率，并且本申请还对检测窗内是否包含了静止目标和雷达盲区内的目标回波信号进行了检测和处理，提高了方法的可行性和甄别目标的准确性；通过比较待测频点功率与预设阈值和平均功率之和的大小，来区分待测频点是否为气象云雨目标从而进行过滤，使其不能进入后级目标跟踪处理环节，通过在速度维和距离维上分别设置的保护窗可以防止对待测频点自身进行幅度回波采集，使近程防务雷达能够更有效地跟踪及甄别目标，筛选出真正具有威胁的低、小、慢入侵目标，降低了虚警率，从而提高了雷达在全天候工作条件下的实用性。
附图说明
图1是入侵目标的回波信号的三维频谱视图。
图2是气象云雨目标的回波信号的三维频谱视图。
图3是入侵目标、气象云雨目标及其他杂波的回波信号的三维频谱视图。
图4是本申请公开的基于恒虚警检测原理的气象杂波抑制方法的流程图。
图5是本申请公开的检测窗、保护窗与待测频点在速度维和距离维上的分布图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。
在本申请中，低、小、慢入侵目标以无人机目标为例进行解析，请参考图1，其示出了面向雷达飞行的无人机目标的回波信号的三维频谱视图。典型的无人机目标的回波信号在三维频谱视图上表现为相对孤立的锥状体目标点，其中，三维频谱分别为速度维、距离维和幅度维的频谱，锥状体目标点的三维坐标为(10.8486，1885.5998，91.028)，锥状体目标点1周围除幅度相对较小的无人机螺旋机翼回波谱(较锥状点目标1的幅度谱低25db以上)外，其附近位置主要分布为相对均匀的噪声谱，根据无人机目标飞行方向不同(远离雷达飞行或面向雷达飞行)，无人机目标的回波频谱将处于整张三维图谱的左边或右边。
请参考图2，其示出了面向雷达飘动的气象云雨目标的回波信号的三维频谱视图。典型的云雨等气象杂波，其回波在频谱上表现为不同形状的成块状分布的谱图，因覆盖空域全天候气象情况十分复杂，气象云雨杂波相对于雷达的距离、速度、幅度、分布厚度及分布范围大不相同，谱图表现形式具有一定的趋同性外也存在差异性，相同方面是在气象云雨杂波的回波信号的频谱范围内，其信号功率远高于噪声谱幅度值，而且均存在不同数量的随机分布的峰值功率点，按照雷达目标处理的常规检测方法，在气象云雨杂波的回波信号的频谱上满足检测条件的峰值功率点，均可被雷达检测为入侵目标，相对于无人机目标而言，这就是虚警目标。
请参考图3，其示出了入侵目标、气象云雨目标及其他杂波的回波信号的三维频谱视图。其中，气象云雨目标的回波信号成块状分布，无人机目标的回波信号为相对孤立的锥状体，其他杂散目标的回波信号的幅度值相对较低，这为目标的分辨及筛选处理提供了可能。
为了有效抑制特定气象云雨杂波，本申请公开的一种基于恒虚警检测原理的气象杂波抑制方法，对大量气象云雨目标的回波信号的谱图进行了统计分析，并归纳汇总了其与真实入侵无人机目标的回波信号的谱图差异，如图4所示，该方法包括如下步骤：
s1、获取第一次恒虚警率检测处理后的回波信号频谱，回波信号频谱包括入侵目标、气象云雨目标、静止目标的回波信号的频谱，回波信号频谱包括回波信号在速度维、距离维和幅度维的频谱。
s2、在有效频谱中依次选取各个频点作为待测频点，根据待测频点在幅度维上的回波幅度确定待测频点的待测频点功率pw，以及确定待测频点在速度维和距离维上的具体频谱参数。有效频谱包括除静止目标的回波信号对应的频谱以及雷达盲区内各个目标的回波信号对应的频谱之外的其余回波信号频谱。在本申请中，确定静止目标的回波信号和雷达盲区内各个目标的回波信号的方法如下：
检测回波信号频谱中各个频点的幅度维的回波幅度是否小于第一预设功率阈值且达到第二预设功率阈值。若回波幅度达到第一预设功率阈值，则确定频点属于静止目标对应的回波信号。若回波幅度小于第二预设功率阈值，则确定频点属于盲区内各个目标的回波信号。
s3、在速度维和距离维上在待测频点的四周设置检测窗，在本申请中，设置检测窗之前，先在速度维和距离维上在待测频点的四周设置保护窗，保护窗(阴影部分)、检测窗与待测频点的分布如图5所示。设置保护窗的具体方法为：
在回波信号频谱中在速度维和距离维上待测频点的两侧分别设置保护窗，速度维上的每个保护窗在速度维上的宽度与待测频点在速度维上与第一检测窗和第二检测窗间隔的距离相等且为1-2个速度门值。距离维上的每个保护窗在距离维上的宽度与待测频点在距离维上与第三检测窗和第四检测窗间隔的距离相等且为1-2个距离门值。由于保护窗紧邻待测频点并设置在待测频点的四周，可以防止对待测频点自身进行幅度回波采集。本申请中单个速度门值和单个距离门值的具体取值为预设值，通常是根据经验取得的，速度门值和距离门值的参数选取原则为既要确保待测频点不受影响，又能够有效抑制处理气象云雨目标和其他杂散信号。
设置检测窗的具体方法为：
通过第一检测窗和第二检测窗对回波信号频谱中在速度维上位于待测频点两侧的各个频点进行幅度维的采样，第一检测窗和第二检测窗在速度维上与待测频点间隔相同距离。
在本申请中，第一检测窗和第二检测窗的具体设置方法如下：
在回波信号频谱中在速度维上位于待测频点两侧且与待测频点间隔相同距离处分别设置第一窗口和第二窗口，且第一窗口和第二窗口在速度维上的宽度相等且为4个速度门值、在距离维上的宽度相等且为5-8个距离门值。比如在本申请中，第一窗口和第二窗口分别设置在待测频点的左侧和右侧。
若第一窗口和第二窗口均未覆盖静止目标对应的回波信号，则确定第一窗口为第一检测窗，确定第二窗口为第二检测窗。
若第二窗口覆盖静止目标对应的回波信号，则第二窗口中去除静止目标对应的回波信号所在的区域形成第二检测窗，并对第一窗口相对于第二窗口反向延长形成第一检测窗，第一检测窗和第二检测窗的总宽度与第一窗口和第二窗口的总宽度相等。若第一窗口覆盖静止目标对应的回波信号，则处理方法的原理与处理第二窗口的原理相同，在此不进行赘述。
通过第三检测窗和第四检测窗对回波信号频谱中在距离维上位于待测频点两侧的各个频点进行幅度维的采样，第三检测窗和第四检测窗在距离维上与待测频点间隔相同距离。
在本申请中，第三检测窗和第四检测窗的具体设置方法如下：
在回波信号频谱中在距离维上位于待测频点两侧且与待测频点间隔相同距离处分别设置第三窗口和第四窗口，且第三窗口和第四窗口在速度维上的宽度相等且为3-6个速度门值、在距离维上的宽度相等且为5个距离门值。比如在本申请中，第三窗口和第四窗口分别设置在待测频点的上侧和下侧。
若第三窗口和第四窗口均未覆盖盲区内各个目标的回波信号，则确定第三窗口为第三检测窗，确定第四窗口为第四检测窗。
若第四窗口覆盖盲区内各个目标的回波信号，则第四窗口中去除盲区内各个目标的回波信号所在的区域形成第四检测窗，并对第三窗口相对于第四窗口反向延长形成第三检测窗，第三检测窗和第四检测窗的总宽度与第三窗口和第四窗口的总宽度相等。若第三窗口覆盖盲区内各个目标的回波信号，则处理方法的原理与处理第四窗口的原理相同，在此不进行赘述。
在本申请中，四个检测窗的位置及其宽度的参数值是通过对大量的气象云雨目标的回波信号进行实验和测试得出的经验值，因此本申请对其不做详细的介绍。
s4、根据第一检测窗采样到的各个频点的回波幅度进行平均后确定第一检测窗口功率pz1，根据第二检测窗采样到的各个频点的回波幅度进行平均后确定第二检测窗口功率pz2，根据第三检测窗采样到的各个频点的回波幅度进行平均后确定第三检测窗口功率pz3，根据第四检测窗采样到的各个频点的回波幅度进行平均后确定第四检测窗口功率pz4。
s5、检测是否满足
s6、若满足，则保留待测频点作为入侵目标，将s1中记录的三维频谱的频谱数据(速度位置、距离位置和待测频点功率)送至后级目标跟踪处理环节。若不满足，则将待测频点作为虚警信号并滤除待测频点。
本申请主要针对入侵目标回波特性与气象云雨回波特性的差异，进行第二次特殊恒虚警检测处理，通过获取第一次恒虚警检测处理后输出的所有回波信号频谱，从有效频谱中依次选取各个频点为待测频点进行特征频谱解析确定其待测频点功率后，通过在速度维和距离维上分别设置的检测窗可以有效的获取窗内各个频点的回波幅度的平均功率，并且本申请还对检测窗内是否包含了静止目标和雷达盲区内的目标回波信号进行了检测和处理，提高了方法的可行性和甄别目标的准确性；通过比较待测频点功率与预设阈值和平均功率之和的大小，来区分待测频点是否为气象云雨目标从而进行过滤，使其不能进入后级目标跟踪处理环节，通过在速度维和距离维上分别设置的保护窗可以防止对待测频点自身进行幅度回波采集，使近程防务雷达能够更有效地跟踪及甄别目标，筛选出真正具有威胁的低、小、慢入侵目标，降低了虚警率，从而提高了雷达在全天候工作条件下的实用性。
以上所述的仅是本申请的优选实施方式，本发明不限于以上实施例。可以理解，本领域技术人员在不脱离本发明的精神和构思的前提下直接导出或联想到的其他改进和变化，均应认为包含在本发明的保护范围之内。
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