阅读说明：本技术 一种基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法 (Maneuvering turning target tracking-before-detection method based on pseudo-spectrum matched filtering ) 是由 周共健 王亮亮 于 2020-07-14 设计创作，主要内容包括：本发明涉及一种基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法、计算机设备及计算机可读存储介质,该方法包括：获取雷达接收的RD回波数据,建立回波模型,确定演化方程；根据回波模型设置匹配滤波器的间隔和数量；对于每个匹配滤波器,根据演化方程预测目标位置,构造伪谱,基于伪谱积累实现RD平面多帧能量积累；根据预设的检测门限,判断是否有能量积累结果的峰值大于检测门限,如有则估计目标的距离、多普勒、转弯目标参数和转弯率；通过演化方程进行航迹回溯；输出航迹回溯结果。本发明能够实现在RD平面对机动转弯的微弱目标进行有效地检测和参数估计,且检测概率高,估计误差小。(The invention relates to a maneuvering turning target tracking method before detection based on pseudo-spectrum matched filtering, computer equipment and a computer readable storage medium, wherein the method comprises the following steps: acquiring RD echo data received by a radar, establishing an echo model, and determining an evolution equation; setting the interval and the number of matched filters according to the echo model; for each matched filter, predicting the target position according to an evolution equation, constructing a pseudo spectrum, and realizing RD plane multi-frame energy accumulation based on pseudo spectrum accumulation; judging whether the peak value of the energy accumulation result is larger than a detection threshold or not according to a preset detection threshold, and if so, estimating the distance, Doppler, turning target parameters and turning rate of the target; carrying out track backtracking through an evolution equation; and outputting a track backtracking result. The method can realize effective detection and parameter estimation of the weak target of the maneuver turning on the RD plane, and has high detection probability and small estimation error.)

一种基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法

技术领域

本发明涉及空间目标跟踪技术领域，尤其涉及一种基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法、计算机设备及计算机可读存储介质。

背景技术

现代战争要求雷达在进行远程警戒、预警的任务时，具备运动目标的检测跟踪能力。但是，目标和环境的日益复杂，如隐身技术的发展使得目标的雷达反射截面积极大地减小，目标反射回波大幅度减弱；高层建筑、高海情等雷达照射区域中目标的信噪比、信杂比显著降低，这些都使得雷达的探测性能大大下降。

传统的跟踪方法以门限检测后的数据作为输入，但是由于单帧的门限检测会丢弃原始观测中大量的信息，并且会丢弃低信噪比的目标检测信号，传统的跟踪方法的检测性能会严重下降。与传统的跟踪方法相比，检测前跟踪(Track-Before-Detect，TBD)技术在单帧内并不进行门限检测处理，而是将雷达观测到的原始回波数据信息存储起来，通过多帧数据联合处理，宣布检测结果并同时估计出目标航迹。由于TBD技术没有采用单帧门限检测，保留了目标所有的信息，并且TBD技术通过多帧回波数据的联合处理，利用目标和背景噪声帧间位置相关性差异，实现目标回波能量的有效积累和背景的抑制，因此，TBD技术具有目标检测性能高，航迹估计精度高，不需要改变雷达外部硬件结构等一系列的优点。

现有的TBD方法对于机动目标往往存在模型失配问题，无法针对机动转弯目标直接处理距离-多普勒(Range-Doppler，RD)平面的数据，并实现机动转弯目标的多帧能量积累和有效检测，并且，由于传统TBD方法能量积累方式的局限，使得多帧积累后目标的输出包络存在退化现象，目标包络的特性无法保持。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本发明要解决的技术问题是解决现有技术无法对机动转弯的微弱目标进行有效地检测和参数估计的问题。

(二)技术方案

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法，该方法包括如下步骤：

S1、获取雷达接收的RD回波数据，建立目标在RD平面的回波模型，确定机动转弯目标的距离和多普勒状态的演化方程，以及需匹配的转弯目标参数和转弯率的取值范围；

S2、根据回波模型设置一组匹配滤波器的间隔和数量；

S3、对于每个匹配滤波器，根据演化方程预测目标位置，构造伪谱，基于伪谱积累实现RD平面多帧能量积累；

S4、根据预设的检测门限，判断是否有能量积累结果的峰值大于检测门限，如没有则判断没有检测到目标，如有则选择最大峰值，记录最大峰值所在的匹配滤波器及分辨单元位置，估计目标的距离、多普勒、转弯目标参数和转弯率；

S5、根据估计出的目标的距离、多普勒、转弯目标参数和转弯率，通过演化方程进行航迹回溯；

S6、输出航迹回溯结果。

优选地，所述步骤S1中，建立目标在RD平面的回波模型时，雷达接收的RD回波数据z_k为一个N_r×N_d的离散的RD平面，N_r和N_d分别表示距离和多普勒方向上的分辨单元数量，k表示帧数，k＝1,2,...,K，K表示一个批处理中总的积累帧数；

目标在RD平面的回波模型为：

其中，(n_r,n_d)表示离散的分辨单元，n_r＝1,2,...,N_r，n_d＝1,2,...,N_d，(p_r,k,p_d,k)表示目标在第k帧的RD状态，0＜p_r,k≤R_max表示雷达的距离观测范围，v_dmin≤p_d,k≤v_dmax表示雷达的多普勒观测范围，R_max表示雷达可观测到的最大距离，v_dmin和v_dmax分别表示雷达可观测到的最小多普勒和最大多普勒，I表示批处理中恒定的回波峰值幅度，ε_r和ε_d分别表示回波在距离和多普勒方向上的扩展程度，Δ_r和Δ_d分别表示雷达的距离和多普勒分辨。

优选地，所述步骤S1中，确定机动转弯目标的距离和多普勒状态的演化方程时，设目标服从笛卡尔坐标系的CT运动，则目标的距离和多普勒状态的演化方程分别表示为：

针对CT运动，包括两个转弯目标参数：第一转弯目标参数、第二转弯目标参数；其中，初始的第一转弯目标参数η₀、第二转弯目标参数

满足：

第k帧的第一转弯目标参数η_k、第二转弯目标参数

满足：

(p_r,0，p_d,0)表示目标的初始RD状态，T表示连续两帧之间的时间间隔，(p_x,k,p_y,k)表示目标第k帧的笛卡尔位置，(v_x,k,v_y,k)表示目标第k帧的笛卡尔速度，(p_x,0,p_y,0)表示目标的初始笛卡尔位置，(v_x,0,v_y,0)表示目标的初始笛卡尔速度，λ表示转弯率；

针对CT运动，两个需匹配的参数：初始的第二转弯目标参数转弯率λ，的取值范围分别为：

-λ_max≤λ≤λ_max

其中，(v_min,v_max)表示目标速度绝对值的范围，λ_max表示最大可能的转弯率。

优选地，所述步骤S2中，根据回波模型设置匹配滤波器的间隔时，归一化的匹配参数域的包络表达式为：

其中，

表示批处理后的目标输出包络，f_IS(n_r,n_d,i_r,i_d,p_r,k,p_d,k)表示以分辨单元本身为中心的初始伪谱，

表示系统传递函数，δ(·)表示狄拉克δ函数，*表示卷积算子，i_r和i_d分别表示在距离和多普勒方向上所占分辨单元到回波峰值的距离，和

分别表示在距离和多普勒方向上所占分辨单元到回波峰值的距离集合，k_t表示系统传递函数中的帧数，

表示一个批处理中系统传递函数总的帧数，表示匹配滤波器存在匹配误差时的预测RD状态，

表示第二转弯目标参数的匹配误差，Δλ表示转弯率的匹配误差；

根据匹配参数域的包络，确定初始的第二转弯目标参数转弯率λ的3dB分辨，表达式分别为：

其中，

为的逆函数；

将

和Δλ_3dB分别作为相邻匹配滤波器之间的间隔来设置一组匹配滤波器。

优选地，所述步骤S3中，对于每个匹配滤波器，根据演化方程预测目标位置时，设第k帧的分辨单元(n_cr,n_cd)包含目标能量，对应的距离和多普勒状态分别表示为：

p_cr＝n_crΔ_r

p_cd＝(n_cd-1)Δ_d+v_dmin

n_cr＝1,2,...,N_r,n_cd＝1,2,...,N_d；

设一个匹配滤波器对应的初始的第二转弯目标参数、转弯率为

和λ_h，则相应的第k帧的第二转弯目标参数为：

其中，初始的第一转弯目标参数表达式为：

将第k帧的距离和多普勒状态预测到最后一帧，得：

其中，p_pr和p_pd分别表示预测的距离和多普勒状态，进而得到预测的目标在RD平面中对应的位置分别为：

n_pr＝p_pr/Δ_r

n_pd＝(p_pd-v_dmin)/Δ_d+1

其中，1≤n_pr≤N_r,1≤n_pd≤N_d。

优选地，所述步骤S3中，对于每个匹配滤波器，构造伪谱时，以预测到的目标的位置(n_pr,n_pd)为中心，第k帧的分辨单元(n_cr,n_cd)的观测值z_k(n_cr,n_cd)为峰值构造一个伪谱，得：

f_PS(n_r,n_d,(n_pr,n_pd),z_k(n_cr,n_cd))＝z_k(n_cr,n_cd)exp(-ε_r(n_r-n_pr)²-ε_d(n_d-n_pd)²)

将伪谱在分辨单元上对应的采样值累加到批处理的最后一帧中的分辨单元上，实现RD平面多帧能量积累。

本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述的基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法的步骤。

本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述的基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法的步骤。

(三)有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法、计算机设备及计算机可读存储介质，本发明建立目标在RD平面的回波模型，确定机动转弯目标的距离和多普勒状态的演化方程，通过演化方程准确地预测目标位置，避免因模型失配而造成的性能损失；本发明以预测的目标位置为中心，以分辨单元的观测值为峰值，在观测的RD平面构造一个伪谱，将伪谱采样值累加到对应的分辨单元上，实现多帧能量积累；本发明在多帧积累后，通过预设的检测门限来检测并申明目标的存在，同时对目标的距离、多普勒、转弯目标参数和转弯率进行估计。本发明能够有效保留回波数据中的各种信息，提高弱的机动转弯目标多帧积累后的信噪比增益和检测概率，实现在RD平面对弱的机动转弯目标进行有效地检测和参数估计。

附图说明

图1是本发明实施例中一种基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法步骤示意图；

图2示出了本发明实施例所提出的基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法、传统基于近似模型的三维匹配滤波方法以及传统的DP-TBD方法的积累平面；

图3示出了本发明实施例所提出的机动转弯目标检测前跟踪方法与传统的DP-TBD方法检测概率对比；

图4示出了本发明实施例所提出的机动转弯目标检测前跟踪方法与传统的DP-TBD方法距离估计误差对比；

图5示出了本发明实施例所提出的机动转弯目标检测前跟踪方法与传统的DP-TBD方法多普勒估计误差对比；

图6示出了本发明实施例所提出的机动转弯目标检测前跟踪方法得到初始的第二转弯目标参数

的估计误差；

图7示出了本发明实施例所提出的机动转弯目标检测前跟踪方法得到转弯率λ的估计误差。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法，包括如下步骤：

S1、获取雷达接收的RD回波数据，建立目标在RD平面的回波模型，确定机动转弯目标的距离和多普勒状态的演化方程，以及需匹配的转弯目标参数和转弯率的取值范围。

检测前跟踪方法通过多帧回波数据的联合处理实现目标回波能量的有效积累和背景的抑制，步骤S1中获取雷达接收的RD回波数据时，一个批处理对应多帧RD回波数据。

S2、根据步骤S1得到的回波模型设置一组匹配滤波器的间隔和数量。

一组匹配滤波器的数量N_F可根据相邻匹配滤波器间的间隔来确定。

S3、对于步骤S2设置的一组匹配滤波器中的每个匹配滤波器，根据步骤S1确定的演化方程预测目标位置，构造伪谱，基于伪谱积累实现RD平面多帧能量积累。

S4、根据预设的检测门限，判断是否有能量积累结果的峰值大于检测门限，如没有，则判断没有检测到目标，如有，则选择最大峰值，记录最大峰值所在的匹配滤波器及分辨单元位置，估计目标的距离、多普勒、转弯目标参数和转弯率。

S5、根据估计出的目标的距离、多普勒、转弯目标参数和转弯率，通过演化方程进行航迹回溯。

S6、输出航迹回溯结果。

优选地，步骤S1中，建立目标在RD平面的回波模型时，雷达接收的RD回波数据z_k为一个N_r×N_d的离散的RD平面，N_r和N_d分别表示距离和多普勒方向上的分辨单元数量，k表示帧数，z_k即对应的第k帧RD回波数据，k＝1,2,...,K，K表示一个批处理中总的积累帧数，第K帧即批处理中的最后一帧。

不考虑回波旁瓣，目标在RD观测平面的回波可以近似为高斯点扩散函数，目标在RD平面的回波模型为：

其中，(n_r,n_d)表示离散的分辨单元，n_r＝1,2,...,N_r，n_d＝1,2,...,N_d，(p_r,k,p_d,k)表示目标在第k帧的RD状态，0＜p_r,k≤R_max表示雷达的距离观测范围，v_dmin≤p_d,k≤v_dmax表示雷达的多普勒观测范围，R_max表示雷达可观测到的最大距离，v_dmin和v_dmax分别表示雷达可观测到的最小多普勒和最大多普勒，I表示批处理中恒定的回波峰值幅度，ε_r和ε_d分别表示回波在距离和多普勒方向上的扩展程度，Δ_r和Δ_d分别表示雷达的距离和多普勒分辨。

进一步地，步骤S1中，确定机动转弯目标的距离和多普勒状态的演化方程时，设目标服从笛卡尔坐标系的CT(Coordinated Turn)运动，则目标的距离和多普勒状态的演化方程可分别表示为：

针对CT运动，包括两个转弯目标参数：第一转弯目标参数、第二转弯目标参数；其中，初始的第一转弯目标参数η₀、第二转弯目标参数

满足：

第k帧的第一转弯目标参数η_k、第二转弯目标参数

满足：

(p_r,0,p_d,0)表示目标的初始RD状态，即p_r,0和p_d,0分别表示目标的初始距离和初始多普勒状态，(p_r,k,p_d,k)表示目标在第k帧的RD状态，T表示连续两帧之间的时间间隔，(p_x,k,p_y,k)表示目标第k帧的笛卡尔位置，即p_x,k和p_y,k分别表示目标第k帧的笛卡尔坐标系x轴和y轴位置，(v_x,k,v_y,k)表示目标第k帧的笛卡尔速度，即v_x,k和v_y,k分别表示目标第k帧的笛卡尔坐标系x轴和y轴速度，(p_x,0,p_y,0)表示目标的初始笛卡尔位置，(v_x,0,v_y,0)表示目标的初始笛卡尔速度，λ表示转弯率。

针对CT运动，根据上述目标的距离和多普勒状态的演化方程，能够确定两个需匹配的参数：初始的第二转弯目标参数转弯率λ，的取值范围分别为：

-λ_max≤λ≤λ_max

其中，(v_min,v_max)表示目标速度绝对值的范围，λ_max表示最大可能的转弯率。

步骤S2旨在根据回波模型设计匹配滤波器。优选地，步骤S2中，根据回波模型设置匹配滤波器的间隔时，针对需匹配的参数，归一化的匹配参数域的包络表达式为：

其中，

表示批处理后的目标输出包络，f_IS(n_r,n_d,i_r,i_d,p_r,k,p_d,k)表示以分辨单元本身为中心的初始伪谱，表示系统传递函数，δ(·)表示狄拉克δ函数，*表示卷积算子，i_r和i_d分别表示在距离和多普勒方向上所占分辨单元到回波峰值的距离，和

分别表示在距离和多普勒方向上所占分辨单元到回波峰值的距离集合，k_t表示系统传递函数中的帧数，

表示一个批处理中系统传递函数总的帧数，由于匹配滤波的系统传递函数是目标信号的翻转，所以k_t为负数，(p_r,K,p_d,K)表示第K帧的RD状态，即最后的RD状态，

表示匹配滤波器存在匹配误差时的预测RD状态，表示第二转弯目标参数的匹配误差，Δλ表示转弯率的匹配误差。

根据匹配参数域的包络，确定初始的第二转弯目标参数

转弯率λ的3dB分辨，表达式分别为：

其中，为

的逆函数。

将和Δλ_3dB分别作为相邻匹配滤波器之间的间隔来设置一组匹配滤波器，能够达到运算性能和计算复杂度之间平衡，在确保计算结果的情况下，加快处理速度，节省时间。

准确的演化方程是目标能量沿着其轨迹准确积累的关键。本发明根据准确的演化方程，通过匹配恒定的CT目标的两个恒定参数(初始的第二转弯目标参数转弯率λ)，来准确地预测目标的位置。

优选地，步骤S3中，对于每个匹配滤波器，根据演化方程预测目标位置时，设第k帧的分辨单元(n_cr,n_cd)包含目标能量，对应的距离和多普勒状态分别表示为：

p_cr＝n_crΔ_r

p_cd＝(n_cd-1)Δ_d+v_dmin

由于缺乏目标位置的先验信息，因此每一个分辨单元都需要被处理，即n_cr＝1,2,...,N_r,n_cd＝1,2,...,N_d；

设一个匹配滤波器对应的初始的第二转弯目标参数、转弯率分别为和λ_h，则可以得到相应的第k帧的第二转弯目标参数为：

其中，初始的第一转弯目标参数表达式为：

将第k帧的距离和多普勒状态预测到最后一帧(第K帧)，得：

其中，p_pr和p_pd分别表示预测的距离和多普勒状态，进而得到预测的目标在RD平面中对应的位置分别为：

n_pr＝p_pr/Δ_r

n_pd＝(p_pd-v_dmin)/Δ_d+1

其中，n_pr和n_pd可能是整数也可能是非整数，1≤n_pr≤N_r,1≤n_pd≤N_d。

进一步地，步骤S3中，对于每个匹配滤波器，根据预测到的目标的位置构造伪谱时，以预测到的目标的位置(n_pr,n_pd)为中心，第k帧的分辨单元(n_cr,n_cd)的观测值z_k(n_cr,n_cd)为峰值构造一个伪谱，得：

f_PS(n_r,n_d,(n_pr,n_pd),z_k(n_cr,n_cd))＝z_k(n_cr,n_cd)exp(-ε_r(n_r-n_pr)²-ε_d(n_d-n_pd)²)

其中，(n_r,n_d)表示RD平面的分辨单元，且n_r＝1,2,...,N_r和n_d＝1,2,...,N_d。

将伪谱在分辨单元上对应的采样值累加到批处理的最后一帧中的分辨单元上，实现RD平面多帧能量积累。匹配滤波器输出即为一个批处理的所有帧中所有伪谱的能量积累结果。

优选地，步骤S4中，根据预设的检测门限，判断是否有能量积累结果的峰值大于检测门限前，预先在恒定虚警率p_fa下设置检测门限V_T。

步骤S5中，根据估计出的第K帧的目标的距离、多普勒和初始的第二转弯目标参数转弯率λ，通过步骤S1中的演化方程进行机动转弯目标RD平面航迹回溯，回溯出批处理中前K-1帧的目标RD状态。

如图2至图7所示，本发明还通过仿真检验了所提出的基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法的优越性。图2(a)为本发明实施例所提出的基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法(简称所提出的方法)的积累平面，图2(b)为传统基于近似模型的三维匹配滤波方法的积累平面，图2(c)为传统的DP-TBD(动态规划检测前跟踪方法)的积累平面，其中距离单元即距离方向上的分辨单元，多普勒单元即多普勒方向上的分辨单元。由图2可以看出，本发明所提出的方法能够更为有效、准确地实现能量积累。

图3至图5分别对比了本发明所提出的方法与传统的DP-TBD方法检测概率、距离估计误差和多普勒估计误差(纵坐标单位为分辨单元，简称单元)。由图3至图5可以看出，相比传统的DP-TBD方法，本发明所提出的方法检测概率更高，距离估计误差和多普勒估计误差更小。

图6和图7分别示出了本发明所提出的方法对于初始的第二转弯目标参数

转弯率λ的估计误差(纵坐标单位为分辨单元，简称单元)。由图6和图7可以看出本发明所提出的方法能够较为准确地估计初始的第二转弯目标参数

转弯率λ。本发明所提出的方法除了能提供距离和多普勒的估计，还提供了初始的第二转弯目标参数转弯率λ，这有利于后续RD平面对机动转弯目标的跟踪和数据关联。

特别地，在本发明一些优选的实施方式中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一实施方式中所述的基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法的步骤。

在本发明另一些优选的实施方式中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施方式中所述的基于伪谱匹配滤波的机动转弯目标检测前跟踪方法的步骤。

本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程，在此不再重复说明。

综上所述，本发明提出了一种能够实现RD平面的微弱机动转弯目标检测前跟踪方法。首先，为解决传统TBD方法中模型失配的问题，本发明提出了针对机动转弯目标的距离和多普勒随时间演化的准确演化方程，能够避免因模型失配造成的目标积累能量损失。其次，本发明在RD平面构造伪谱用于多帧能量积累，使得机动转弯目标的能量被充分积累的同时其输出包络能够保持完好。再次，本发明通过一组匹配滤波器去匹配未知的机动转弯目标参数，利用匹配参数域的包络的3dB宽度来设计滤波器，以达到运算性能和计算复杂度之间的平衡。最后，本发明能够根据多帧积累后的RD平面对目标的距离、多普勒以及初始的第二转弯目标参数

转弯率λ的进行估计，且误差较小，有利于后续RD平面对机动转弯目标的跟踪和数据关联。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。