一種自適應門限的雙參數雜波圖恆虛警檢測方法與流程

2023-05-13 12:04:46

本發明屬於陣列雷達數位訊號處理領域，涉及一種基於fpga的門限自適應調整的雙參數雜波圖恆虛警目標檢測算法。針對雜波起伏大時檢測虛警概率大影響目標檢測的問題提出的解決方案，可廣泛應用於地基和機載雷達的數字陣列信號處理機產品領域。

背景技術：

現代飛彈朝著低空飛行和小雷達截面積方向發展，地基雷達想要探測到這類武器，必須抑制地物雜波，其中形成雜波圖是解決問題的關鍵。雜波圖恆虛警檢測技術是一種使用於檢測低速目標或者抑制雜波的技術，被許多雷達廣泛使用。傳統的雜波圖技術使用一階遞歸的方法對多次掃掠的同一雜波單元平均幅度進行估值，然後存儲每個雜波單元幅度均值，從而建立起幅度均值雜波圖，並利用幅度均值作為雜波圖恆虛警檢測門限，這種雜波圖也叫均值雜波圖。傳統雜波圖的特點如下：

(1)傳統雜波圖是簡單的幅度均值雜波圖，為單參數雜波圖，它只利用了雜波的均值信息。傳統的雜波圖技術適合空域上變化比較劇烈、時域上比較穩定的雜波環境，對於雜噪比變化範圍比較大的雜波環境，不能有效的控制虛警。

(2)傳統雜波圖恆虛警檢測門限是固定的，不能根據周圍雜波環境動態調整門限，門限太低，虛警太大，門限太高，檢測損失大。

然而地物雜波主要是來自強烈起伏的地面、樹林和高大的建築物所造成的後向散射，在複雜氣象條件下，雜波在每個雜波單元是時變的、非平穩的，傳統的雜波圖技術不適用於這種情況。因此建立可以自適應調整門限的雙參數雜波圖來適應更大範圍雜噪比(cnr)變化的雜波環境是當前的迫切需求。

技術實現要素：

要解決的技術問題

為了避免現有技術的不足之處，本發明提出一種自適應門限的雙參數雜波圖恆虛警檢測方法。

技術方案

一種自適應門限的雙參數雜波圖恆虛警檢測方法，其特徵在於步驟如下：

步驟1：利用遞歸濾波器更新的方法，分別建立雜波幅度和幅度平方的方位、俯仰、距離、都卜勒、prf的五維雜波圖，從五維雜波圖讀取雜波幅度均值和雜波幅度平方均值；

所述遞歸濾波器為：

h(z)＝y(z)/x(z)＝(1-k)/(1-kz-1)

其中：y(n)＝(1-k)x(n)+ky(n-1)，y(z)＝(1-k)x(z)+ky(z)z-1；式中x(n)表示濾波器系統輸入，也就是新的雜波數據輸入；y(n)表示濾波器系統的輸出，也就是更新後的雜波數據；n是輸入輸出雜波數據的索引；k表示濾波器的遞歸係數；x(z)表示輸入x(n)的z變換，y(z)表示輸出y(n)的z變換，h(z)表示濾波器系統的衝擊響應；

步驟2：用雜波幅度平方均值減去雜波幅度均值平方後開根號得到雜波幅度方差，將雜波幅度均值和雜波幅度方差分別按照自適應的比例係數加權求和得到雙參數雜波圖檢測門限，所述的雜波幅度方差的比例係數為：k1*t1，雜波幅度均值的比例係數為：k2*t2，其中k1和k2分別為初始化時設定的固定加權係數，t1和t2是動態調整因子；

所述的動態調整因子t1和t2的自適應方法：計算待檢測單元周圍的雜波幅度均值的平均值和雜波幅度方差的平均值，根據兩個平均值與基底噪聲的比值關係，將雜波均值和雜波方差進行強度等級劃分，其中基底噪聲由雷達不開發射機時的電噪聲幅度平均值測得，根據待檢測單元周圍的雜波均值的強度等級，選擇對應的雜波均值加權係數調整因子t2，根據待檢測單元周圍的雜波方差的強度等級，選擇對應的雜波方差加權係數調整因子t1，得到自適應的雙參數雜波圖檢測門限；

步驟3：將雙參數雜波圖檢測門限乘以門限係數t得到最終的比較門限，將待檢測單元和最終的門限進行比較，如果待檢測單元幅度值大於最終門限，則認為有目標存在，否則沒有目標。

步驟1中濾波器遞歸係數k選擇為7/8。

步驟1中利用遞歸濾波器進行雜波圖更新，當數據的高17位數據大於零時，對更新的數據做開平方處理，取開平方以後的數據的低15位作為有效數據，將第16位作為標誌位，並將標誌位置1；否則，取更新後數據的低16位作為存儲雜波數據。

步驟2中雜波幅度平方數據在求方差運算時選擇其中32bit數據進行計算。

步驟2中k1＝1.0，k2＝0.2。

步驟3中門限係數t＝3.0。

有益效果

本發明提出的一種自適應門限的雙參數雜波圖恆虛警檢測方法，與傳統雜波圖檢測方法相比，有益效果如下：

1.根據雷達基底噪聲強度對待檢測單元周圍雜波幅度均值和方差分別進行強度的等級劃分，根據雜波幅度均值和方差強度等級分別自動修正雙參數雜波圖檢測門限中均值和方差的加權比例係數，雜波幅度均值和方差強度越強，檢測門限中對應的加權比例係數越大，從而實現了門限自適應調整。

2.利用了加權比例係數可自適應調整的雜波幅度均值和方差來共同設置雜波圖檢測門限，能得到更好的控制虛警效果。

3.對雜波區進行了精細的劃分，除了傳統的距離，方位，俯仰劃分外，建立的雜波圖中還包含所有都卜勒單元的數據，對應著不同速度的目標或雜波，因此將prf模式和全都卜勒通道的雜波也進行了劃分。

4.對雜波數據進行特殊處理，使得雜波圖存儲量翻倍。

附圖說明

圖1為示出本發明方法之步驟的流程圖；

圖2為fpga的mig(memoryinterfacegenerator)核的架構圖；

圖3為本發明方法使用的遞歸濾波器原理框圖；

圖4為本發明方法使用的位寬變化處理流程圖；

圖5為雜波圖剛建立時傳統方法(a)和本發明方法(b)檢測結果圖；

圖6為雜波圖建立過程中傳統方法(a)和本發明方法(b)檢測結果圖；

圖7為雜波圖穩定建立後傳統方法(a)和本發明方法(b)檢測結果圖；

圖8為雜波強度等級劃分原理圖。

具體實施方式

本發明要解決的技術問題是門限自適應調整的雙參數雜波圖恆虛警檢測技術。該技術實現步驟為：

(a)利用遞歸濾波器更新的方法，分別建立雜波幅度和幅度平方的方位、俯仰、距離、都卜勒、prf的五維雜波圖，從五維雜波圖讀取雜波幅度均值和雜波幅度平方均值；本步驟建立了雜波幅度和幅度平方雜波圖，對雜波區進行了精細的劃分，除了傳統的距離，方位，俯仰劃分外，建立的雜波圖中還包含所有都卜勒單元的數據，對應著不同速度的目標或雜波。

(b)利用雜波幅度均值和雜波幅度平方均值求雜波單元的方差值，將雜波幅度均值和方差分別按照自適應的比例係數加權求和得到雙參數雜波圖檢測門限，並將雜波圖檢測門限乘以門限係數得到最終的比較門限，將待檢測單元和最終的門限進行比較，得到檢測輸出；

(c)分別求出待檢測單元周圍的雜波幅度均值強度和雜波方差強度，利用雷達基底噪聲強度分別對雜波幅度均值強度和雜波方差強度進行等級劃分，根據雜波幅度均值強度的等級自動修正雙參數雜波圖門限中均值的加權比例係數，同時根據雜波方差強度等級自動修正雙參數雜波圖門限中方差的加權比例係數，雜波幅度均值和方差強度越強，檢測門限中對應的加權比例係數越大，從而實現門限自適應調整。

傳統幅度雜波圖恆虛警檢測流程：從存儲的ddr3裡面讀出以前保存的雜波幅度均值，並將讀出的雜波幅度均值作為檢測單元的檢測門限，同時將新輸入雜波幅度數據和讀出的雜波幅度均值更新得到新的雜波幅度均值，並將新的雜波幅度均值寫入ddr3供下次使用。

本發明的流程：從存儲的ddr3裡面讀出以前保存的雜波幅度平方均值和雜波幅度均值，將雜波幅度均值進行平方，用讀出的雜波幅度平方均值減去雜波幅度均值的平方，將相減結果開平方得到了雜波方差。同時將新輸入雜波幅度數據和讀出的雜波幅度均值更新得到新的雜波幅度均值，並將新的雜波幅度雜波圖均值寫入ddr3供下次使用。同時將新輸入雜波幅度平方數據和讀出的雜波幅度平方均值更新得到新的雜波幅度平方均值，並將新的雜波幅度平方均值寫入ddr3供下次使用。

利用從ddr3裡讀出裡來的雜波幅度均值和計算出來的雜波方差作為調整門限的依據。分別對待根據檢測單元周圍40個雜波單元的雜波幅度均值和雜波方差的平均值對雜波幅度均值和雜波方差進行等級劃分，根據等級劃分選擇調整因子，然後雜波幅度均值乘以以前固定門限再乘以調整因子得到雜波幅度均值檢測門限，同時根據雜波方差等級劃分選擇雜波方差調整因子，然後將雜波方差乘以前固定門限然後再乘以自己的調整因子得到雜波方差檢測門限，最後將雜波幅度均值門限和雜波方差門限加權求和得到最終的雙參數雜波圖檢測門限，並與待檢測單元進行比較得到檢測結果。

現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：

本發明是用某雷達數位訊號處理板上的fpga來實現的，fpga為一片xilinx公司的fpga-xc6vlx240t，其中fpga外掛兩片ddr3-sdram，其型號為mt41j256m16re，每一片的大小為4gbits，由於建立雙參數的五維立體雜波圖需要比較大的存儲量，所以本發明中將兩片ddr3-sdram作為一簇來進行讀寫操作，這樣即擴大了存儲量又減少了外圍控制邏輯。將雷達的探測範圍按照prf模式、都卜勒通道個數、方位、俯仰和距離劃分成若干個雜波單元，fpga通過ise自帶mig(memoryinterfacegenerator)核對外掛ddr3-sdram進行讀寫來建立雙參數五維雜波圖。mig核的架構圖如圖2所示，userdesign是用戶層的接口。fpga對於ddr3-sdram的讀寫操作不是本發明闡述的重點，這裡不做過多詳述。本發明實現的具體步驟為：

1.在當前相干處理周期內，首先根據當前prf模式、都卜勒通道個數、方位、俯仰和距離信息所對應的雜波圖存儲地址，從ddr3-sdram中分塊讀取對應雜波圖數據，並將讀取的數據緩存在fpga內部的fifo中。在步驟s101中，新輸入的雜波數據為雜波幅度，當新的雜波幅度數據到來時，將數據分為兩個支路，第一支路直接緩存新輸入原始雜波幅度數據，第二支路將輸入原始雜波幅度數據進行平方處理然後進行緩存。新輸入的雜波幅度數據位寬為32bits的，因此平方處理後數據位寬為64bits，為了降低存儲量，在步驟s101中將雜波幅度平方數據進行截位處理，選擇其中的32bits數據送入更新模塊。如圖1所示，從ddr3-sdram裡面讀出來的雜波圖數據緩存到一個fifo中，當開始進行更新操作時，首先從緩存雜波圖數據的fifo中將雜波圖數據讀出，此時讀出的雜波數據為32bits，其中低16位為雜波幅度均值，高16位為雜波幅度平方均值。如圖4所示，將32bits雜波數據進行拆分，分別得到16bits的雜波幅度均值和雜波幅度平方均值，利用數據變化模塊，將雜波幅度均值和雜波幅度平方均值變換到32bits。將變換後的雜波幅度均值和新輸入的第一支路的雜波幅度數據進行一階遞歸濾波更新處理，得到更新後的雜波幅度均值數據。同時將變換後的雜波幅度平方均值和第二支路的新輸入雜波幅度平方數據進行一階遞歸濾波更新處理，得到更新後的雜波幅度平方均值數據。如圖4所示，分別將更新後得到的雜波幅度均值和雜波幅度平方均值數據進行位寬變化，從32bits變化到16bits，並將變換位寬後的數據按照低16位存放雜波幅度均值數據，高16位存放雜波幅度平方均值數據的格式進行位寬拼接，得到一個更新後的32bits數據，將更新後的數據寫入ddr3-sdram，完成一次雜波圖更新操作。

2.更新過程採用的一階遞歸濾波器，其原理框圖如圖3所示，其中k為迭代係數。遞歸濾波器是一個單極點系統，如公式(3)所示。它實際上是對各個雜波單元的多次天線掃描作指數加權積累。其傳遞函數推導為

y(n)＝(1-k)x(n)+ky(n-1)(1)

y(z)＝(1-k)x(z)+ky(z)z-1(2)

則

h(z)＝y(z)/x(z)＝(1-k)/(1-kz-1)(3)

本發明中對雜波數據的存儲位寬做了特殊處理。新輸入的雜波幅度是32bits的，因為雙參數的五維雜波圖存儲量非常大，如果雜波幅度均值和雜波幅度平方均值數據都按照原始位寬存儲的話，fpga外掛ddr3-sdram存儲量不夠。本發明中對雜波幅度數據(32bits)和雜波幅度平方數據(64bits)的位寬做特殊處理。如圖4所示，在步驟s101中將讀出的雜波數據存入了一個32位輸出的fifo中進行緩存，當更新開始時，從該fifo讀出雜波數據，該數據的高16位和低16位分別是雜波幅度平方均值和雜波幅度均值，分別判斷雜波幅度平方均值和雜波幅度均值的標誌位第16位是否為1，如果為1，則對該數據的低15位做平方處理，得到32位的數據輸出，否則的話，對數據高16位進行補零處理，最終得到兩路32位的數據，一路為雜波幅度均值數據，一路為雜波幅度平方均值數據。一方面分別將兩路數據輸出，用兩路數據求步驟s102中的檢測門限；另一方面分別和新輸入的雜波幅度數據和雜波幅度平方數據進行更新處理，更新過程遞歸係數選擇為7/8。對更新後的兩路數據需要做處理以後才能存儲，首先分別判斷更新完後的雜波幅度均值數據和雜波幅度平方均值數據的高17位數據是否大於零，如果大於零，那麼對更新後的數據做開平方處理，開平方的數據需要做標誌處理，因此取開平方以後的數據的低15位作為有效數據，將第16位作為標誌位，並將標誌位置1。否則，取更新後的數據低16位作為存儲雜波數據，並將位寬變化後的雜波幅度均值和雜波幅度平方均值數據做位寬拼接，然後存儲拼接後的數據。經過處理，雜波幅度均值和雜波幅度平方均值的位寬都從32bits變為16bits，這樣處理雜波數據，既不影響雜波精度，又使得雜波存儲量翻倍。

3.在步驟s101中，從ddr3-sdram中讀出的雜波數據，經過位寬變化後得到了雜波幅度均值和雜波幅度平方均值。將雜波幅度均值進行平方處理，並採用步驟s101中將雜波幅度平方數據進行截位處理的方法，將雜波幅度均值平方後的數據進行截位處理使得位寬變為32bits，這樣雜波幅度均值平方後的數據和雜波幅度平方均值位寬一致。如圖1所示，在步驟s102中用雜波幅度平方均值減去雜波幅度均值平方後開根號得到雜波方差，該方差值一方面用來求雙參數雜波圖的檢測門限，另一方面用來調整自身的加權係數。用步驟s101中從ddr3-sdram中讀出的經位寬變化後的雜波幅度均值和步驟s102中求出的雜波方差按照比例係數進行加權求和，得到雙參數雜波圖檢測門限。雜波方差的加權係數為：k1*t1，雜波幅度均值的加權係數為：k2*t2，其中k1和k2分別為初始化時設定的固定加權係數，本發明中k1＝1.0，k2＝0.2。t1和t2是動態調整因子，動態調整因子是在步驟s103中由待檢測單元周圍的雜波幅度均值和雜波方差分布情況適時計算出來的。將雙參數雜波圖檢測門限乘以檢測門限係數t得到雙參數雜波圖恆虛警的最終門限，並將待檢測單元幅度值和最終門限進行比較，如果待檢測單元幅度值大於最終門限，則認為有目標存在，否則沒有目標。基於某相控陣雷達採集的複雜環境下無目標的地雜波數據分析結果，對比本發明的有效性。利用傳統的雜波圖和本發明所提出的方法分別做雜波圖恆虛警檢測處理，如果某個距離某個都卜勒檢測到目標，則在該位置用1做標記，否則用0標記，由於沒有真實目標存在，因此檢測到的目標為虛假目標。在雜波圖剛建立時，兩種方法檢測結果如圖5所示，圖5中(a)圖為傳統雜波圖檢測結果，(b)為本發明檢測結果，由於雜波圖才開始建立，此時雜波圖不能反映雜波的真實情況，因此兩種方法虛假目標都比較多。在雜波圖建立過程中，兩種方法檢測結果如圖6所示，圖6中(a)圖為傳統雜波圖檢測結果，(b)為本發明檢測結果，此時兩中檢測方法都能夠抑制掉部分虛假，本發明的方法比傳統方法具有更好的抑制效果。而當雜波圖穩定的建立起來後，兩種方法檢測結果如圖7所示，圖7中(a)圖為傳統雜波圖檢測結果，(b)為本發明檢測結果。此時傳統方法依然還有虛假目標存在，而本發明的方法檢測結果沒有目標，本發明方法已經能夠很好的將地物雜波抑制掉。本發明在複雜地雜波環境下，能很好的適應雜波環境，能夠降低系統的虛警概率。

4.待檢測單元周圍的雜波幅度均值和雜波方差統計如圖8所示。待檢測單元為o，與待檢測單元相鄰的距離單元和相鄰都卜勒單元為保護單元p，選取周圍距離和都卜勒平面上9x5共45個單元，去掉一個待檢測單元o和4個保護單元p，分別計算總共40個背景單元b的雜波幅度均值的平均值和雜波方差的平均值，根據兩個平均值與基底噪聲的比值關係，將雜波幅度均值和雜波方差進行強度等級劃分，其中基底噪聲由雷達不開發射機時的電噪聲幅度平均值測得。對於距離都卜勒平面中，都卜勒單元0與m-1為相鄰的都卜勒單元，因此若待檢測單元的都卜勒單元為0，則計算平均值時包含的都卜勒單元為m-2、m-1、0、1、2。根據待檢測單元周圍的雜波幅度均值的強度等級，選擇對應的雜波幅度均值加權係數調整因子t1，根據待檢測單元周圍的雜波方差的強度等級，選擇對應的雜波方差加權係數調整因子t2，並分別將雜波幅度均值和方差加權係數的調整因子送給步驟s102中的雜波圖門限求和使用，得到自適應的雙參數雜波圖檢測門限。本發明中將雜波幅度均值和雜波方差等級劃分為5個等級，每個等級分別對應一個調整因子。