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一种波束交错投影与多假设抛物线Hough变换的滑跃式目标检测方法

摘要

本发明公开了一种波束交错投影与多假设抛物线Hough变换的滑跃式目标检测方法,首先将雷达俯仰波束分成交错叠加的波束簇,每个波束簇对应一个处理通道,在每个处理通道内分别利用多速度假设的抛物线Hough变换实现滑跃式机动目标信号能量按轨迹非相参积累,然后提取所有波束簇处理通道中信号能量积累最大的通道作为目标所在通道,并对该通道多假设抛物线模型检测出来的量测进行加权融合作为最终的检测结果。本发明通过多波束交错投影,降低了杂波密度,提高了检测概率,同时多假设抛物线Hough变换TBD技术与普通抛物线Hough变换相比,参数空间由5维变为2维,极大降低了计算量和复杂度,适合工程应用。

著录项

法律信息

  • 法律状态公告日

    法律状态信息

    法律状态

  • 2019-06-25

    专利权的转移 IPC(主分类):G01S7/41 登记生效日:20190606 变更前: 变更后: 申请日:20140612

    专利申请权、专利权的转移

  • 2016-06-22

    授权

    授权

  • 2014-12-24

    实质审查的生效 IPC(主分类):G01S7/41 申请日:20140612

    实质审查的生效

  • 2014-11-26

    公开

    公开

说明书

一、技术领域

本发明隶属于雷达目标跟踪领域,适用于解决临近空间高超声速滑跃式机动目标的信号积累检测问题。 

二、背景技术

临近空间是指距海平面20~l00km的空域,临近空间高超声速飞行器具有速度快、机动性好、隐身性强等特点,可在两小时内对全球任一目标进行快速精确打击,例如美国的X-51飞行器等。临近空间高超声速飞行器通常采用经典的Sanger弹道或其衍生弹道,该类弹道的主要特点是飞行器在临近空间内“打水漂”似的上下跳跃式飞行,基本原理为:1)离地球近的空间空气密度大,高速飞行器会得到很大升力,从而使其具有很大的向上加速度,像打水漂一样被“弹出”空气稠密的大气层;2)飞行器远离地球表面后空间空气密度低,升力忽略不计,飞行器受重力作用将作抛物线运动再次进入大气层;3)发动机间歇性的加力来克服空气阻力的影响,从而反复冲压、滑跃,完成了省能量、射程远的效果。 

临近空间高超声速目标通常具有一定的隐身性,从而使得地基雷达面临着隐身机动目标的检测跟踪问题。而现有的机动目标跟踪技术基本上是针对高信噪比情况的,很少涉及隐身机动目标的跟踪,不能满足临近空间滑越式机动隐身目标的跟踪需要。临近空间目标飞行速度快、机动性强,很大程度上限制了雷达相参积累的时间,因而,采用非相参积累是有效途径之一,基于Hough变换的TBD技术是常用非相参积累方法,它的基本原理是通过Hough变换,将数据空间的一个点变换为参数空间的一条直线,通过判断参数空间的多条直线是否相交于一点,来判断它们在数据空间是否位于一条直线轨迹上,从而实现对隐身目标的积累检测。传统的Hough变换主要适用于二维平面上的直线运动目标的信号积累检测,而临近空间目标是三维空间的滑跃式机动目标,使得雷达面临着三维空间的“隐身+高机动”目标积累检测难题,传统的Hough变换方法还不能适应临近空间高超声速高机动目标的积累检测要求。 

三、发明内容

本发明所要解决的问题就是,针对临近空间高超声速目标滑跃段机动轨迹类似于抛物线的特点,提供一种临近空间滑跃式机动目标的多假设抛物线Hough变换积累检测方法。 

本发明解决所述技术问题,采用技术方案步骤如下: 

1.一种波束交错投影与多假设抛物线Hough变换的滑跃式目标检测方法,其特征在于包括以下步骤: 

(1)将雷达的俯仰波束划分成多个相邻波束组成的相互交叠的波束簇,每个波束簇对应一个处理通道。 

(2)每个波束簇处理通道内,雷达探测的量测进行如下处理: 

a)对波束簇探测到的三维量测进行预处理,舍弃信号能量低于某一较低门限的量测,剩下的三维量测分别垂直投影到地平面,得到水平面内的二维伪量测; 

b)将得到的二维伪量测进行直线Hough变换,检测出伪量测空间的直线,并根据该直线得到该直线所在垂直平面内的三维空间的量测集[Z1,...,Zn]; 

c)将形成的三维量测[Z1,...,Zn]坐标转换到以第b)步中检测出的直线为x轴,[Z1,...,Zn]量测中任一点为坐标原点、竖直方向为z轴的x-y-z直角坐标系,得到新的量测集[Z'1,...,Z'n]; 

d)选取临近空间高超声速目标滑跃段中最高点水平方向的多个假设速度V1,V2,...,Vi,在第c)步得到的量测集[Z'1,...,Z'n]中各个量测的x、z坐标进行多个假设通道的并行处理,每个通道分别以临近空间高超声速目标某一速度假设Vi和重力加速度g为抛物线已知量、抛物线顶点坐标[xP,zP]为参数的抛物线Hough变换,在抛物线顶点坐标的二维参数空间里进行信号能量积累,找出积累能量值最高值,并找出该最大值对应的量测集[Z″1,...,Z″n]作为该通道的检测结果; 

(3)在所有波束簇对应的处理通道中找出经过多假设抛物线Hough变换得到的信号能量最大的那个通道,认为该通道是目标存在的通道; 

(4)对目标所在波束簇对应的通道内多个假设Hough变换检测出来的量测进行加权融合检测,融合量测作为最终检测出的目标量测。 

具体的,所述步骤(2)中的d)具体为: 

1)根据量测集[Z'1,...,Z'n]所有量测点在x-z平面内分布的最大范围,将x-z坐标平面划分成边长为Δr的N×M个正方形单元格,各正方形单元格的中心x坐标分别为B(i),i=1,2,3,...,N,z坐标分别为C(j),j=1,2,3,...,M,定义一个元素初始化全为0的N×M矩阵A(i,j),i=1,2,3,...,N,j=1,2,3,...,M,用于存放参数空间的能量积累值; 

2)选取临近空间高超声速目标多个假设速度V1,V2,...,Vi,构造多个假设通道的并行处理,每一个假设通道的处理过程如下(以目标假设速度Vi为例): 

a1)令顶点坐标[xP,zP]=[B(i)],C(j)],使i从1到N变化,j从1到M变化,将量测集[Z'1,...,...Z'k...,Z'n]中的x、z坐标[xk,zk]逐一带入下式 

|zp-(zk+g2Vi2(xp-xk)2)|<Δr

其中,Vi表示假定的目标速度(为常量),g表示重力加速度常量。如果某一组i,j对应的抛物线顶点坐标[xP,zP]满足上式,则i,j对应的参数空间用下式进行能量积累 

A(i,j)=A(i,j)+Ek

其中Ek表示量测Z'k的信号能量; 

b1)量测集[Z'1,...,...Z'k...,Z'n]全部经过a1)步处理后,找出积累矩阵A中最大值,并判断出该最大值对应的矩阵行列标号,计为imax,jmax,并根据行列标号imax,jmax得到抛物线的顶点坐标[B(imax),C(jmax))]; 

c1)将所有量测点集[Z'1,...,Z'n]的x、z坐标[xk,zk]分别带入下式进行判断 

|C(jmax)-(zk+g2Vi2(B(imax)-xk)2)|<Δr

满足上式的量测提取出来组成可能航迹[Z″1,...,Z″n]。 

具体的,所述步骤(4)具体为: 

1)首先将多假设抛物线Hough变换后得到的能量积累矩阵Am,m=1,2,…p(p表示椭圆模型个数,Am表示第m个椭圆模型对应的能量积累矩阵)中能量最大值Am(imax,jmax)与某一预定门限E_th进行比较,如果Am(imax,jmax)小于预定门限,则认为该能量最大值Am(imax,jmax)对应的量测不可能是目标,不再参与余下的步骤; 

2)将剩余的量测按照时标进行集中,并利用下式 

dmax=argmaxm=1,2,..p[Am(imax,jmax)]

获得多个速度假设抛物线模型中积累能量最大的模型编号dmax,其中p'表示经过b1)步后剩下的抛物线模型数。然后提取编号dmax对应抛物线的各个时刻量测集Zmax{ti},i=1,2,..,l(其中l表示用于积累雷达帧数,ti表示第i帧数据的时标); 

3)分别计算获得的量测Zmax{ti}与除模型dmax以外的其它模型检测出来的同一时标量测之间的距离,若它们的距离小于某一预定门限R_th,则认为这两个量测可以融合,融合过程为:先令ti时刻融合航迹zf{ti}=Zmax{ti},然后利用下式将这两点融合为一点 

zf{ti}=zf{ti}·a1+zmj{ti}·(1-a1)

其中,表示第m个椭圆模型Hough变换检测出来的第j个量测的坐标,zf{ti}为ti时刻融合量测的坐标,a1表示权重,其大小为 

a1=Admax(imax,jmax)Am(imax,jmax)+Admax(imax,jmax)

式中,Am(imax,jmax)表示能量积累矩阵Am中的最大值,表示能量积累矩阵中的最大值; 

4)找出每个时刻量测数大于1的量测集,拿出这些量测集中的量测逐一与每个时刻只有一个量测的量测点进行如下的判断 

R(Z1,Z2)<Vmin·(t2-t1

R(Z1,Z2)>Vmax·(t2-t1

其中,Z1,Z2表示用于判断的两个量测点的坐标,R(·,·)表示求两个量测之间的欧式距离,Vmin,Vmax分别表示临近空间高超声速飞行器最小和最大可能速度,t2,t1分别表示两个量测对应的时标,如果上两式均成立,则认为该时刻的该量测是杂波,予以剔除,剩下的量测点作为最终的目标检测结果输出。 

本发明的有益效果是,提高了临近空间高超声速目标的发现能力,将雷达俯仰波束分成交错叠加的波束簇,每个波束簇对应一个处理通道,在每个处理通道内分别利用多速度假设的抛物线Hough变换实现滑跃式机动目标信号能量按轨迹非相参积累,然后提取所有波束簇处理通道中信号能量积累最大的通道作为目标所在通道,并对该通道多假设抛物线模型检测出来的量测进行加权融合作为最终的检测结果。本发明通过多波束交错投影,降低了杂波密度,提高了检测概率,同时多假设抛物线Hough变换TBD技术与普通抛物线Hough变换相比,参数空间由5维变为2维,极大降低了计算量和复杂度,适合工程应用。 

四、附图说明

附图1是本发明的方法步骤流程图; 

附图2是用本发明进行仿真实验时临近空间冲压滑跃式飞行器轨迹图,实线表示目标整体 飞行过程轨迹图,实线加粗部分表示截取的一段滑跃段轨迹; 

附图3是用本发明进行仿真实验时在附图2的轨迹中截取的7个时刻量测,量测的间隔时间为2秒; 

附图4是用本发明进行仿真实验时波束簇2-4探测到的三维量测图,其中○表示量测值,●表示临近空间目标的真实量测位置; 

附图5是用本发明进行仿真实验时波束簇3-5探测到的三维量测图,其中○表示量测值,●表示临近空间目标的真实量测位置; 

附图6是用本发明进行仿真实验时波束簇4-6探测到的三维量测图,其中○表示量测值,●表示临近空间目标的真实量测位置; 

附图7是用本发明进行仿真实验时波束簇5-7探测到的三维量测图,其中○表示量测值,●表示临近空间目标的真实量测位置; 

附图8是用本发明进行仿真实验时波束簇6-8探测到的三维量测图,其中○表示量测值,●表示临近空间目标的真实量测位置; 

附图9是用本发明进行仿真实验时波束簇7-8探测到的三维量测图,其中○表示量测值,●表示临近空间目标的真实量测位置; 

附图10是用本发明进行仿真实验时在目标所在波束簇对应的通道内,利用抛物线模型1—直线(直线是抛物线的特例)进行Hough变换时能量积累图,x-y平面是抛物线顶点的参数空间,z轴表示参数空间的能量积累值; 

附图11是用本发明进行仿真实验时在目标所在波束簇对应通道内,利用抛物线模型2—假设目标在抛物线顶点时的水平速度为3000米/秒2时对应的抛物线,进行Hough变换时能量积累图,x-y平面是抛物线顶点的参数空间,z轴表示参数空间的能量积累值; 

附图12是用本发明进行仿真实验时在目标所在波束簇对应通道内,利用抛物线模型2—假设目标在抛物线顶点时的水平速度为3500米/秒2时对应的抛物线,进行Hough变换时能量积累图,x-y平面是抛物线顶点的参数空间,z轴表示参数空间的能量积累值; 

五、具体实施方法 

下面参照附图对本发明创造做进一步详细说明 

参照附图1,本发明的具体步骤如下 

步骤一:将雷达的俯仰波束划分成多个相邻波束组成的相互交叠的波束簇,例如,俯仰波束宽度为1度,俯仰范围为2~8度,共有8个波位,编号从1到8依次编号,那么雷达完成俯仰的搜索需要5个波位,若以2个波束为一个簇进行交错划分,则波束簇可以为{2-4,3-5,4-6,5-7,6-8}(其中2~9分别表示波束编号),然后将每个波束簇内的量测送入其对应的处 理通道; 

步骤二:每个波束簇处理通道内,雷达探测的量测进行如下处理: 

1.将波束簇的观测区域内雷达的三维空间量测(距离、方位、俯仰、信号能量)的信号能量逐一与一个较低的门限进行比较,将能量大于该门限的三维空间量测垂直投影到水平面,形成水平面内直角坐标系下二维伪量测,转换公式如下: 

r=rcos(ϵ)θ=θ

其中,r、θ、ε表示雷达三维空间量测的距离、方位、俯仰,r'、θ'表示转换后二维伪量测的距离、方位; 

2.将平面内二维伪量测进行直线Hough变换,检测出伪量测空间的直线,具体步骤为: 

a1)将r'-θ'平面内的观测区域划分成N×M个分辨单元,并假设分辨单元距离为Δr,方位为Δθ,那么观测区域各个分辨单元中点距离分别为B(i),i=1,2,3,...,N,方位分别为C(j),j=1,2,3,...,M,并定义一个N×M的矩阵A(i,j),i=1,2,3,...,N,j=1,2,3,...,M,矩阵各元素初始化全为0,用于存放参数空间的能量积累值; 

a2)将二维极坐标伪量测极坐标利用如下公式 

x=rcos(θ)y=rsin(θ)

转换为x、y坐标,按顺序分别取出直角坐标系下量测,并将量测进行坐标转换,将坐标平移到观测区域的左下角得到新的量测坐标[xk,yk],对于每一个新的量测坐标,将分辨单元中点坐标[r,θ]=[B(i),C(j)](i从1到N变化,j从1到M变化)逐一带入下式比较 

|ri-[xk·cos(θj)+yk·sin(θj)]|<Δr 

如果上式成立,则参数空间利用如下公式进行积累 

A(i,j)=A(i,j)+Ek

其中Ek表示量测[xk,yk]的信号能量; 

a3)提取能量积累矩阵A中最大值,获得该最大值对应的imax,jmax,并根据imax,jmax得到一条直线的参数

a4)将所有雷达二维伪量测点坐标[xk,yk]逐一带入下式 

|rimax-[xk·cos(θjmax)+yk·sin(θjmax)]|<Δr

找出满足上式的三维量测集[Z1,...,Zn]。 

3.将步骤三中形成的三维量测[Z1,...,Zn]坐标转换到以直线为x轴,[Z1,...,Zn]量测中任意一点为原点、竖直方向为z轴的x-y-z直角坐标系,得到新的量测集[Z'1,...,Z'n],转换步骤为: 

b1)将三维量测[Z1,...,Zn]由极坐标[r,θ,ε]转化为直角坐标[x,y,z],应用转换公式为 

x=rcos(θ)cos(ϵ)y=rsin(θ)cos(ϵ)z=rsin(ϵ)

b2)将转换后的直角坐标系量测进行平移到量测集[Z1,...,Zn]中的任意一个点,假设平移到Z1点,Z1的直角坐标为[x1,y2,z3],则[Z1,...,Zn]中任意点[x,y,z]平移后的坐标为 

x=x-x1y=y-y1z=z-z1

b3)将b2)转换后的量测坐标旋转到x轴与直线重合,各个量测[Z1,...,Zn]旋转后坐标[x″,y″,z″]按如下公式进行转化 

[x,y]=[x,y]·cos(θjmax)sin(θjmax)-sin(θjmax)cos(θjmax)z=z

全部转换完毕后,得到新的量测集[Z'1,...,Z'n]。 

4.将新的量测集进行多假设抛物线Hough变换,具体步骤如下 

c1)根据量测集[Z'1,...,Z'n]所有量测点在x-z平面内分布的最大范围,将x-z坐标平面划分成边长为Δr的N×M个正方形单元格,各正方形单元格的中心x坐标分别为B(i),i=1,2,3,...,N,z坐标分别为C(j),j=1,2,3,...,M,定义一个元素初始化全为0的N×M矩阵A(i,j),i=1,2,3,...,N,j=1,2,3,...,M,用于存放参数空间的能量积累值; 

c2)选取临近空间高超声速目标多个假设速度V1,V2,...,Vi,构造多个假设通道的并行处理,每一个假设通道的处理过程如下(以目标假设速度Vi为例): 

c3)令顶点坐标[xP,zP]=[B(i)],C(j)],使i从1到N变化,j从1到M变化,将量测集[Z'1,...,...Z'k...,Z'n]中的x、z坐标[xk,zk]逐一带入下式 

|zp-(zk+g2Vi2(xp-xk)2)|<Δr

其中,Vi表示假定的目标速度(为常量),g表示重力加速度常量。如果某一组i,j对应的抛物线顶点坐标[xP,zP]满足上式,则i,j对应的参数空间用下式进行能量积累 

A(i,j)=A(i,j)+Ek

其中Ek表示量测Z'k的信号能量; 

c4)量测集[Z'1,...,...Z'k...,Z'n]全部经过c3)步处理后,找出积累矩阵A中最大值,并判断出该最大值对应的矩阵行列标号,计为imax,jmax,并根据行列标号imax,jmax得到抛物线的顶点坐标[B(imax),C(jmax))]; 

c5)将所有量测点集[Z'1,...,Z'n]的x、z坐标[xk,zk]分别带入下式进行判断 

|C(jmax)-(zk+g2Vi2(B(imax)-xk)2)|<Δr

满足上式的量测提取出来组成可能航迹[Z″1,...,Z″n]。 

步骤三:在所有波束簇对应的处理通道中找出经过多假设抛物线Hough变换得到的信号能量最大的那个通道,认为该通道是目标存在的通道; 

步骤四:目标所在的波束簇内的多假设抛物线Hough变换检测结果加权融合,具体如下 

1.首先将多假设抛物线Hough变换后得到的能量积累矩阵Am,m=1,2,…p(p表示椭圆模型个数,Am表示第m个椭圆模型对应的能量积累矩阵)中能量最大值Am(imax,jmax)与某一预定门限E_th进行比较,如果Am(imax,jmax)小于预定门限,则认为该能量最大值Am(imax,jmax)对应的量测不可能是目标,不再参与余下的步骤; 

2.将剩余的量测按照时标进行集中,并利用下式 

dmax=argmaxm=1,2,..p[Am(imax,jmax)]

获得多个速度假设抛物线模型中积累能量最大的模型编号dmax,其中p'表示经过b1)步后剩 下的抛物线模型数。然后提取编号dmax对应抛物线的各个时刻量测集Zmax{ti},i=1,2,..,l(其中l表示用于积累雷达帧数,ti表示第i帧数据的时标); 

3.分别计算获得的量测Zmax{ti}与除模型dmax以外的其它模型检测出来的同一时标量测之间的距离,若它们的距离小于某一预定门限R_th,则认为这两个量测可以融合,融合过程为:先令ti时刻融合航迹zf{ti}=Zmax{ti},然后利用下式将这两点融合为一点 

zf{ti}=zf{ti}·a1+zmj{ti}·(1-a1)

其中,表示第m个椭圆模型Hough变换检测出来的第j个量测的坐标,zf{ti}为ti时刻融合量测的坐标,a1表示权重,其大小为 

a1=Admax(imax,jmax)Am(imax,jmax)+Admax(imax,jmax)

式中,Am(imax,jmax)表示能量积累矩阵Am中的最大值,表示能量积累矩阵中的最大值; 

4.找出每个时刻量测数大于1的量测集,拿出这些量测集中的量测逐一与每个时刻只有一个量测的量测点进行如下的判断 

R(Z1,Z2)<Vmin·(t2-t1

R(Z1,Z2)>Vmax·(t2-t1

其中,Z1,Z2表示用于判断的两个量测点的坐标,R(·,·)表示求两个量测之间的欧式距离,Vmin,Vmax分别表示临近空间高超声速飞行器最小和最大可能速度,t2,t1分别表示两个量测对应的时标,如果上两式均成立,则认为该时刻的该量测是杂波,予以剔除,剩下的量测点作为最终的目标检测结果输出。 

本发明的效果可以通过以下仿真实验进一步说明: 

仿真环境:设有临近空间高超声速飞行器初始的速度大小为3000米/秒,航向角为270度(逆时针为正),俯仰角为10度,初始位置坐标为[0,300000米,70000米],质量为1000千克,假设飞行器飞行过程中受四个力作用,即重力,、推力、升力、阻力,其中推力主要用于克服阻力,在飞行器冲压阶段以间歇的方式加力,力的方向与阻力相反。飞行器飞行过程中受到升力的计算公式为 

L=0.5·ClρSV2

ρ=ρ0e-Bh

其中,升力系数Cl=1,飞行器迎风面积S=1米2,V表示飞行器的速度大小,ρ表示空气密度,地表的空气密度ρ0(等于0.0034磅/英尺3),B为常数(等于英尺-1),h表示飞行器离地高度(单位英尺),升力与飞行器速度方向垂直且向上。阻力计算公式为 

D=0.5·CdρSV2

其中,阻力系数Cd=0.48,ρ、S、V意义与升力公式相同。利用以上的仿真参数生成临近空间目标的三维空间“打水漂式”飞行轨迹(如附图2所示),间歇2秒在该轨迹的滑跃段取点,共取7个点(如附图3所示),以这7个点为目标真实位置(如附图4所示)产生雷达量测并加入杂波(以雷达分辨率为距离100米,方位1度、信噪比为6dB条件随机产生杂波)构成微弱目标检测场景来验证本发明方法的有效性。 

仿真结果及分析:用本发明方法,将波束进行交错分簇后,得到的量测图如附图4至附图8所示,目标的量测落在某一个波束簇内(波束簇6-8),可以看出,通过波束分簇极大的减少了投影后Hough变换时的杂波数;对多个波束簇通道进行多假设抛物线Hough变换后,通过提取能量积累的最大值,得到目标存在于波束簇6-8,并提取波束簇6-8处理通道内的3个抛物线模型Hough变换(如附图9-图11)检测出的量测,通过对3个模型检测出的量测进行加权融合处理,得到最终的检测结果(如附图12所示),可以看出,目标对应的量测被正确的检测出来了,证明了算法的有效性。 

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