一种基于动态规划的多帧相参积累目标检测前跟踪方法

摘要

本发明公开了一种基于动态规划的多帧相参积累目标检测前跟踪方法，它是利用动态规划获得目标在几帧回波数据中的可能航迹，通过对目标回波相位的二次项进行估计和补偿和对多帧回波数据中的目标回波进行相参积累来提高输出信噪比，实现对微弱目标的跟踪。与传统非相参TBD方法在帧间积累时没有利用目标回波的相位信息相比，本发明在帧间积累时利用了回波信号的相位信息，它使用较少帧数回波数据就提高了输出信噪比，从而提高了目标检测概率；同时提供了目标的航迹和运动信息，实现了目标的跟踪。

主权项

1.一种基于动态规划的多帧相参积累目标检测前跟踪方法，其特征是它包括如下步骤：步骤1、相关参数的初始化初始化的参数均已知且如下所示：雷达发射脉冲的载频记为f_c；雷达发射脉冲重复时间为记T；雷达的距离分辨率记为δ_r；相参处理的雷达数据帧数记为K，K为正整数；雷达在距离向上的距离单元个数记为L；雷达扫描空间被划分成的方位向个数记为N，雷达在每个方位向发射的脉冲个数记为M；帧序号记为l，第l帧的回波方位向序号记为m，第l+1帧的回波方位向序号记为p，第l帧第m个方位向的雷达回波可以表示成一个L行M列的矩阵，记为且第l+1帧第p个方位向的雷达回波可以表示成一个L行M列的矩阵，记为其中m为第l帧的回波方位向序号，p为第l+1帧的回波方位向序号，取值范围为l=1，2，3，…，K-1，m=1，2，3，…，N，p=1，2，3，…，N；雷达虚警门限值记为V_δ；电磁波传播速度记为v；目标在两帧数据之间的方位向走动最大值为△x；目标回波相位二次项系数最小值记为γ_min；目标回波相位二次项系数最大值记为γ_max；回波相位二次项系数参考值个数记为G；步骤2、利用动态规划得到积累矩阵采用传统的动态规划方法进行如下循环：步骤2.1、选取第一帧与第二帧相关联的回波数据初始化步骤1中的帧序号l和方位向序号m，p，令l=1，m=1，p=1；定义一个M×M行K列的动态存储矩阵A，并初始化动态存储矩阵A的所有元素为零，动态存储A的行序号记为r，则r=1，2，…，M×M，初始化r=1，转到步骤2.1.1；步骤2.1.1取出步骤1中的第l帧第m个方位向的雷达回波矩阵并取出第l+1帧第p个方位向的回波矩阵转到步骤2.1.2；步骤2.1.2如果|p-m|＞△x，将p的值增加1，转到步骤2.1.3；其中|·|表示绝对值运算，＞表示大于，△x为步骤1中已知的方位向走动最大值；如果|p-m|≤△x，将m的值存入动态存储矩阵A的第r行第一列，将p的值存入动态存储矩阵A的第r行第二列，并令r的值增加1，p的值增加1，转到步骤2.1.3；其中|·|表示绝对值运算，≤表示小于或者等于，△x为步骤1中已知的方位向走动最大值；步骤2.1.3如果p≤N，则转到步骤2.1.1；如果p＞N，则将p置为1，将m的值增加1，转到步骤2.1.1；步骤2.1.4如果m≤N，则转到步骤2.1.1；如果m＞N，则将m置为1，将l的值增加1，第一帧存储结束，转到步骤2.1.5；步骤2.1.5删除动态存储矩阵A的全部为零的行，得到第一帧完整关联存储后的矩阵，记为矩阵B，转到步骤2.2；步骤2.2、从第二帧起选取关联回波数据取步骤2.1.4中得到的第一帧完整关联存储后的矩阵B，第一帧完整关联存储后的矩阵B的行数记为T1，第一帧完整关联存储后的矩阵B的列数记为Y1，第一帧完整关联存储后的矩阵B的行序号记为i，取值范围i=1，2，…，T1，其列序号记为j，取值范围j=1，2，…，Y1，第一帧完整关联存储后的矩阵B的元素记为B(i，j)(i=1,2，…，T1；j=1,2，…，Y1)，令i=1，l=2，m=1，p=1，转到步骤2.2.1；步骤2.2.1取出步骤1中的第l帧第m个方位向的雷达回波矩阵并取出第l+1帧第p个方位向的回波矩阵转到步骤2.2.2；步骤2.2.2如果|p-m|＞△x，转到步骤2.2.4，其中|·|表示绝对值运算，＞表示大于，△x为步骤1中已知的方位向走动最大值；如果|p-m|≤△x，转到步骤2.2.3，其中|·|表示绝对值运算，≤表示小于或者等于，△x为步骤1中已知的方位向走动最大值；步骤2.2.3将m的值与矩阵B的第i行第j(j=l)列的值作比较：如果相等，则将p的值存入第一帧完整关联存储后的矩阵B的第i行第j(j=l+1)列，即B(i，j)=p，j=l+1，将p的值增加1，转到步骤2.2.5；如果不相等，则将i的值增加1，转到步骤2.2.4；步骤2.2.4如果i≤T1，则转到步骤2.2.3；如果i＞T1，则将p的值增加1，转到步骤2.2.5；步骤2.2.5如果p≤N，则转到步骤2.2.1；如果p＞N，则将p置为1，将m的值增加1，转到步骤2.2.6；步骤2.2.6如果m≤N，则转到步骤2.2.1；如果m＞N，则将m置为1，将l的值增加1，转到步骤2.2.7；步骤2.2.7如果l≤K-1，则转到步骤2.2.1；如果l＞K-1，则整个动态规划步骤结束，得到针对步骤2.1.5中的矩阵B利用动态规划积累后所得到的矩阵，记为矩阵E，转到步骤3；步骤3删除无效数据对于步骤2.2.7中得到的矩阵E，删除矩阵E中非零元素个数小于K的行，得到删除无效行后的矩阵，记为矩阵F，转到步骤4；步骤4相参积累步骤4.1取出步骤3中得到的矩阵F，统计矩阵F的行数，记为T2，统计矩阵F的列数，记为Y2，矩阵F的行序号记为a1，矩阵F的列序号记为a2，取值范围a1=1，2，…，T2，a2=1，2，…，Y2；定义一个L行M×N×K列动态积累矩阵C，并将矩阵C的所有元素置零；定义一个T2行G列的动态存储矩阵H，动态存储矩阵H的行序号记为z1，列序号记为z2，则矩阵H的第z1行第z2列的元素记为H(z1，z2)(z1=1，2，…T2，z2=1，2，…，G)，将动态存储矩阵H的所有元素置零；定义一个最大值存储参数W；初始化a1=1，相参积累方法如下：步骤4.2首先取出矩阵F第a1行所有列的数据，记为R_a1，1，R_a1，2，…，R_a1，T2，其中R_a1，a2(a2=1，2，…，T2)为整数；然后按照行不变，列数递增的顺序，将步骤1中的雷达回波矩阵的第1列到第M列依次存储到动态积累矩阵C对应的第1+(R_a1，a2-1)×M+(a2-1)×M×N列至M+(R_a1，a2-1)×M+(a2-1)×M×N列，a2=1，2，…，T2，得到动态积累矩阵C第1次存储回波后的矩阵，记为矩阵X_a1，转到步骤4.3；步骤4.3令a1取值依次增加1，将动态积累矩阵C所有元素置零，重复步骤4.2，直到a1＞T2时停止重复过程，即a1=1，2，…，T2，得到T2个存储完整回波的矩阵，即X₁，X₂，…，X_T2，记为X_f，(f=1，2，…，T2)，转到步骤4.4；步骤4.4取出步骤1中初始化的目标回波相位二次项系数最小值γ_min和最大值γ_max，计算出G个二次项参考系数γ₁，γ₂，…，γ_G的值，其中第g个二次项参考系数的计算公式为${\gamma }_g={\gamma }_{\min }+(g-1)\frac{({\gamma }_{\max }-{\gamma }_{\min })}{G-1},g=\mathrm{1,2},...G,$转到步骤4.5；步骤4.5取出步骤4.4中计算出的G个二次项参考系数γ₁，γ₂，…，γ_G，计算出G个L行M×N×K列的参考回波二次相位补偿矩阵，记为D_g(g=1，2，…G)，参考回波二次相位补偿矩阵D_g的计算方法如下：参考回波二次相位补偿矩阵D_g的每一行都相同，参考回波二次相位补偿矩阵D_g的列序号记为w，参考回波二次相位补偿矩阵D_g任意一行的第w列元素记为D_g(w)，D_g(w)=exp[-j4πf_cγ_g(w*T)²/v]，w=1,2，…，(M×N×K)，得到的G个二次相位补偿矩阵D₁，D₂，…，D_G，其中exp(·)为自然指数为底的指数函数，j为虚数单位，g=1,2，…G，π为圆周率，v为光速，转到步骤4.6；步骤4.6取出步骤4.3得到的T2个矩阵X₁，X₂，…，X_T2与步骤4.5中得到的G个二次相位补偿矩阵D₁，D₂，…，D_G，将矩阵X_f(f=1,2，…，T2)与G个二次相位补偿矩阵D₁，D₂，…，D_G分别进行矩阵点乘，得到G×T2个二次相位补偿后的矩阵，记为表示T2次利用K帧相关联的方位向数据进行相位补偿后得到的G×T2个矩阵，其中第g×f个矩阵记为刚转到步骤4.7；步骤4.7取出步骤4.6中得到的G个矩阵对进行FFT，得到G个进行FFT后的矩阵，记为即表示第f次利用K帧相关联的数据进行相位补偿，然后进行FFT后得到的G个矩阵，f=1，2，…，T2，转到步骤4.8；步骤4.8取出步骤4.7中得到的G个矩阵找出矩阵的最大值，分别记为按照下标g由小到大的顺序，依次将最大值放在动态存储矩阵H的第f行的第一列至第G列，即$H(z1,z2)={\omega }_2^f(z1=f,z2=2),...,H(z1,z2)={\omega }_2^f(z1=f,z2=G),$将f增加1，转到步骤4.9；步骤4.9重复步骤4.7-4.8，直到f＞T2时结束上述重复操作，得到完整的存储最大值的动态存储矩阵H，找出矩阵H的最大值存储到最大值存储参数W中，转到步骤5；步骤5目标判决取出步骤4.9得到的最大值存储参数W，将最大值存储参数W与虚警门限V_δ做比较：如果W≥V_δ，判为所处理的回波数据中有目标；如果W＜V_δ，则判为所处理的回波数据中没有目标；经过以上步骤，就完成了对于微弱目标的基于动态规划的多帧相参积累目标检测前跟踪。