一种基于投影卷积的星载激光雷达非相干积累检测方法

摘要

一种基于投影卷积的星载激光雷达非相干积累检测方法，通过在星载激光雷达距离维度上引入了回波能量投影的卷积运算机制，实现跨多个距离区间的运动目标检测，消除了空间快速运动目标在多个距离区间上徙动造成的能量积累分散的影响，提高了微弱快速运动目标的非相干积累检测能力。本发明解决了传统雷达目标非相干积累检测方法对于快速运动目标无法有效积累的问题，特别适合FPGA等数字电路的硬件实现。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于投影卷积的星载激光雷达非相干积累检测方法，属于雷达微弱目标检测技术领域。

背景技术

星载激光雷达具有体积小、重量轻、测距分辨率高和抗电磁干扰能力强等优点，是未来卫星测距载荷的主要发展方向之一。但受制于卫星平台有限的资源和激光的能量转换效率，星载激光雷达的发射功率和重频受到较大限制，为了提高雷达的测距威力，需要提高雷达的目标检测能力。

经典的模拟激光雷达采用阈值法进行单脉冲检测，只能工作在大信噪比条件下，大大降低了激光雷达探测目标的能力。目前，数字化激光雷达已成为主要技术发展趋势。与模拟激光雷达相比，数字激光雷达也可以采用阈值法进行单脉冲检测，但单次探测对弱小信号检测能力差，还不能充分发挥激光雷达的数字信号处理能力。然而数字化激光雷达可以根据目标的相关性进行多脉冲相关检测，通过相关检测可以提高激光雷达的检测概率，降低虚警概率，提高了激光雷达对弱小目标的检测能力。由于激光雷达使用非相干激光的测距体制较多，因此非相干积累检测是目前提高数字化激光雷达探测能力的主要检测手段。

激光雷达的目标检测和跟踪是紧密关联的。二者可以互为因果，根据技术途径不同，可以分为先跟踪后检测(TBD)和先检测后跟踪(DBT)。

TBD是目前红外和微波雷达广泛使用的方法，常见的TBD算法有动态规划、粒子滤波及Hough变换法等。TBD检测能够在低信噪比下利用多帧积累检测到远程目标。在地面和大型机载设备中得到很好的应用。这种方法的优点是鲁棒性好，经过多帧积累检测性能得到较大提高，在有较高地地面杂波的环境中能够有效发现微弱的雷达目标；缺点是运算处理复杂，实时性较差，对计算资源的要求比较高。

DBT较为经典，是在非相干检测之后，再进行目标跟踪。激光雷达的非相干检测的一般方法是是将距离分为若干个BIN(距离区间)，将每次的测距结果在与距离值对应的BIN上进行积累，多次回波测量之后，积累数量最大BIN所对应的距离即是检测结果。如图1所示。对于星载激光雷达，没有地表杂波，背景比较简单，干扰相对较少，同时卫星平台的处理器资源有限，因此使用DBT方法较为合适。但与地面激光测距机不同，如果使用传统的非相干积累方法，对于高速运动的卫星平台，会出现运行目标回波能量积累分散的情况，检测效果会明显降低。如图2所示。因此，如何提高星载激光雷达DBT运动目标的非相干检测能力是实现目标跟踪和测距之前必须解决的一个关键问题。

发明内容

本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种基于投影卷积的星载激光雷达非相干积累检测方法，解决了传统雷达目标非相干积累检测方法对于快速运动目标无法有效积累的问题。

本发明的技术方案是：

一种基于投影卷积的星载激光雷达非相干积累检测方法，步骤如下：

1)将雷达测距范围划分为多个连续的距离区间；

2)根据每一次雷达获取的目标位置信息，获取每一个距离区间对应的目标出现次数；

3)根据雷达的测距频率和目标对应的飞行速度上限值，获取水平积累窗口的宽度；

4)根据每一个距离区间长度、水平积累窗口的宽度、以及每一个距离区间对应的目标出现次数，获取每一个水平积累窗口位置分别对应的水平投影结果；

5)根据所述水平投影结果中水平投影结果最大值对应的水平积累窗口位置，获取所述目标位置。

所述获取每一个距离区间对应的目标出现次数的方法为：

根据公式进行计算，其中，F(m)为每一个距离区间对应的目标出现次数，N为测距次数，m为雷达测程范围内的距离区间编号，f_i(m)表示第i次测距雷达获取的目标位置信息位于编号为m的距离区间。

所述根据雷达的测距频率和目标对应的飞行速度上限值，获取水平积累窗口的宽度的方法为：

根据公式进行计算，其中，W为水平积累窗口的宽度，N是测距次数，V_max是目标相对于雷达的最大径向速度先验值，f_r是雷达测距频率，∈是距离区间长度。

所述根据每一个距离区间长度、水平积累窗口的宽度、以及每一个距离区间对应的目标出现次数，获取每一个水平积累窗口位置分别对应的水平投影结果的方法为：

根据公式进行计算，其中，Y(m)为每一个水平积累窗口位置分别对应的水平投影结果，H(m)为卷积窗函数，F(m)为每一个距离区间对应的目标出现次数，m是雷达测程范围内的距离区间编号，取值范围为[1，M-1]，m为正整数，L为雷达测程；W是紧支集卷积窗函数宽度，即水平积累窗口的宽度，k是卷积运算宗量，k的取值范围为[1，W-1]，k为正整数。

所述根据所述水平投影结果中水平投影结果最大值对应的水平积累窗口位置，获取所述目标位置的方法：

从所述水平积累窗口位置对应的距离区间中，获取起始位置最小的距离区间作为所述目标位置。

本发明与现有技术相比的优点在于：

1)与传统高重频脉冲串非相干积累方法相比，这种方法可以有效积累快速运动的微弱目标回波能量，实现回波能量聚焦，解决了快速运动目标在多个单元格上的距离徙动造成的能量分散问题，有效提高了微弱运动目标的检测能力。适合低重频或快速目标的非相干积累检测；

2)与现有的其它复杂的非相干运动检测方法相比，这种方法简洁有效，在保持较好的检测能力的同时运算速度快，实时性非常好；可以使用线性存贮器和累加器实现积分投影和滑动窗口的卷积运算，特别适合FPGA等数字电路的硬件实现。

附图说明

图1为低速运动目标积累结果示意图；

图2为快速运动目标非相干积累示意图；

图3为本发明方法的投影卷积非相干积累检测原理示意图；

图4为多次测距回波分布函数求解方法示意图。

具体实施方式

定义1：距离区间长度∈，它是根据系统的检测指标需求定义的。∈越小目标检测的精度越高但积累分辨区间的数量增大，系统运算和处理的复杂度提高。∈的取值要能够满足目标粗略定位的精度需求，同时又要尽量减少积累分辨区间的数量，提高处理速度。

其中，入是调整因子，可以根据雷达系统的实际情况选择，一般选为

定义2：单次测距回波分布函数f(m).

将雷达测程L划分为M个长度为∈的单元区间，

单次测距回波分布函数f(m)定义如下：

其中，d为当前测距结果，因此，f(m)是一维距离域上的离散函数，m为雷达测程范围内的距离区间编号。

定义3：多次测距回波分布函数F(m)

将N个单次测距回波分布函数f_i(m)进行叠加，得到多次测距回波分布函数。它是N个单次测距函数在对应单元区间编号为m上的数值f_i(m)累加的结果。

多次测距回波分布函数求解方法如图4所示。

定义4：水平投影卷积函数H(m)

1)将雷达测距范围L划分为多个连续的距离区间；

2)根据每一次雷达获取的目标位置信息，获取每一个距离区间对应的目标出现次数；

3)根据雷达的测距频率f_r和目标对应的飞行速度上限值V_max，获取水平积累窗口的宽度∈；

4)根据距离区间长度∈、水平积累窗口的宽度W、以及每一个距离区间对应的目标出现次数，即多次测距回波分布函数F(m)，获取每一个水平积累窗口位置分别对应的水平投影结果；

根据公式进行计算，其中，Y(m)为每一个水平积累窗口位置分别对应的水平投影结果，H(m)为卷积窗函数，F(m)为每一个距离区间对应的目标出现次数，m是雷达测程范围内的距离区间编号，取值范围为[1，M-1]，m为正整数；W是紧支集卷积窗函数宽度，即水平积累窗口的宽度，k是卷积运算宗量，取值范围为[1，W-1]，k为正整数。

5)对水平投影结果进行滑窗卷积，如图3所示，根据所述水平投影卷积结果最大值对应的水平积累窗口位置，从所述水平积累窗口位置对应的距离区间中，获取起始位置最小的距离区间作为所述目标似然位置，进而可以提供给后续的跟踪滤波器作为迭代运算的初始值。