一种基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测方法

摘要

本发明公开了一种基于交替方向法(ADM)的海杂波背景下雷达目标检测方法，该方法包括下述步骤：选取两帧雷达图像进行归一化；从归一化后的两帧雷达图像中按列重组为多个矩阵；基于交替方向乘子法对每一个重组后的矩阵进行前、背景分离，分解为低秩矩阵和稀疏矩阵，低秩矩阵对应海杂波分量，稀疏矩阵对应感兴趣目标分量；设置每个重组矩阵的ADM迭代停止条件；从分离好的低秩矩阵中按列依次排列成复原矩阵，检测出海杂波结果；从分离好的稀疏矩阵中按列依次排列成复原矩阵，检测出感兴趣目标结果。本发明降低了将矩阵分离技术应用于杂波抑制中所面临的超参数选择问题的难度，有效实现目标提取与杂波抑制。

说明书

技术领域

本发明涉及雷达目标检测技术领域，具体涉及一种基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测方法。

背景技术

开发海洋、利用海洋、保护海洋、管控海洋的各项任务日益繁重，要顺利完成这些任务，离不开各种海洋监测雷达系统所获取的信息。然而，海面杂波的非均匀、非平稳和非高斯特性，导致其易产生极强的回波(海浪尖峰)，这些强回波与目标回波特性非常相似，倘若不有效滤除它们，则会造成较大的虚警。所以海洋监测雷达不得不具备强大的海杂波抑制能力，以便于更好的实现各类目标的检测。因此，如何贴近实际应用场景，并基于实测数据将杂波背景与海上感兴趣目标有效分离，从而提升海用雷达目标探测性能，具有非常大的实用价值。

目前普遍采用传统物理方法对海杂波统计特性进行研究，并针对性地研发出广义似然比检测器、自适应匹配滤波技术等一系列杂波抑制技术。然而海杂波是自然产生的物体，其表面上看似随机过程，但其本质特性无法用统计模型完全描述。此外，在环境和雷达设备参数等众多因素共同作用下，海杂波的非线性随机变化，使得现有基于统计模型的海杂波滤波方法存在着滤波响应时间久、杂波抑制能力不足等问题。

发明内容

为了克服现有技术存在的缺陷与不足，本发明提供一种基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测方法，实现海杂波的抑制与感兴趣目标的提取；本发明从图像处理角度出发，将海洋监测雷达图像中杂波与目标分离的问题转化为矩阵分解问题，针对海杂波背景的低秩特性和运动目标的稀疏特性，采用交替方向法(ADM)直接将这两种不同特性的部分(即杂波与目标)视为两个变量，通过交替迭代，实现了海杂波背景下的雷达图像前景(目标)、背景(杂波)的有效分离，该技术克服了由海杂波的统计特性和复杂细节特征难以分析所带来的不确定问题，同时充分挖掘雷达图像的海杂波低秩性和运动目标的稀疏性，直接对雷达图像的稀疏分量(目标)和低秩分量(杂波)进行交替迭代求解，降低了将矩阵分离技术应用于杂波抑制中所面临的超参数选择问题的难度，有利于快速、有效实现目标提取与杂波抑制，为后续的目标特征提取奠定了良好基础。

本发明的第二目的在于提供一种基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测系统。

本发明的第三目的在于提供一种存储介质。

本发明的第四目的在于提供一种计算设备。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

本发明提供一种基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测方法，包括下述步骤：

选取两帧雷达图像进行归一化；

从归一化后的两帧雷达图像中按列重组为多个矩阵；

基于交替方向乘子法对每一个重组后的矩阵进行前、背景分离，分解为低秩矩阵和稀疏矩阵，所述低秩矩阵对应海杂波分量，所述稀疏矩阵对应感兴趣目标分量；

设置每个重组矩阵的ADM迭代停止条件；

从分离好的低秩矩阵中按列依次排列成复原矩阵，检测出海杂波结果；

从分离好的稀疏矩阵中按列依次排列成复原矩阵，检测出感兴趣目标结果。

作为优选的技术方案，所述选取两帧雷达图像进行归一化，选取连续两帧或者选取间隔预设值的两帧图像。

作为优选的技术方案，所述归一化公式表示为：

其中，Ymax表示最大像素值，Ymin表示最小像素值，Y

作为优选的技术方案，所述低秩矩阵具体表示为：

所述稀疏矩阵表示为：

其中，

作为优选的技术方案，软阈值算子的更新公式为：

奇异值阈值算子的更新公式为：

其中，x

作为优选的技术方案，迭代公式具体表示为：

其中，0＜ε＜1，ε＝10

为了达到上述第二目的，本发明采用以下技术方案：

一种基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测系统，包括：归一化模块、矩阵重组模块、分离模块、迭代条件设置模块和复原模块；

所述归一化模块用于选取两帧雷达图像进行归一化；

所述矩阵重组模块用于从归一化后的两帧雷达图像中按列重组为多个矩阵；

所述分离模块用于基于交替方向乘子法对每一个重组后的矩阵进行前、背景分离，分解为低秩矩阵和稀疏矩阵，所述低秩矩阵对应海杂波分量，所述稀疏矩阵对应感兴趣目标分量；

所述迭代条件设置模块用于设置每个重组矩阵的ADM迭代停止条件；

所述复原模块用于从分离好的低秩矩阵中按列依次排列成复原矩阵，检测出海杂波结果，从分离好的稀疏矩阵中按列依次排列成复原矩阵，检测出感兴趣目标结果。

为了达到上述第三目的，本发明采用以下技术方案：

一种存储介质，存储有程序，所述程序被处理器执行时实现如上述基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测方法。

为了达到上述第四目的，本发明采用以下技术方案：

一种计算设备，包括处理器和用于存储处理器可执行程序的存储器，所述处理器执行存储器存储的程序时，实现上述基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测方法。

本发明与现有技术相比，具有如下优点和有益效果：

(1)本发明将交替方向法应用于海洋检测雷达杂波抑制领域，利用杂波的低秩性和目标信号的稀疏性进行杂波与目标的分离，避免了对海杂波复杂细节和特征进行描述，解决了实际杂波环境通常不符合均匀杂波假设，克服广义似然比检测器的均匀高斯杂波背景的缺点，适用性更强。

(2)本发明采用ADM算法对矩阵分离问题进行求解，将海杂波低秩矩阵和目标稀疏矩阵转化为两个变量交替迭代，在抑制海杂波的同时可以进行感兴趣目标的提取，而不单单是抑制海杂波，相比于采用加速近端梯度法(APG)算法的方案，运用ADM算法无需对每个参数进行内部循环，克服了APG中间参数多、运行速度慢等问题，提高了矩阵分离的速度和准确度，本申请对矩阵分离的应用场景、海杂波抑制技术和目标提取技术的发展均有创新，是一种高效海杂波抑制方法。

附图说明

图1为本发明基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测方法的框架示意图；

图2为本发明基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测方法的实现过程示意图；

图3为本发明真实海洋监测雷达图像杂波抑制效果示意图；

图4为图3的局部放大示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1

如图1、图2所示，本实施例提供一种基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测方法，为有效抑制海杂波并提取目标，本实施例考虑将一个由雷达图像重组而来的矩阵M，分解为一个低秩矩阵部分L(背景杂波)，和一个稀疏矩阵部分S(感兴趣目标)，且M、L、

s.t.L+S＝M

其中，rank(·)表示矩阵的秩，||·||

由于rank(L)和||S||

s.t.L+S＝M

其中，||·||

本实施例采用矩阵分离解决了海杂波背景下雷达目标提取的问题，避免了对海杂波复杂细节的讨论，在抑制海杂波的同时可以进行感兴趣目标的提取，而不单单是抑制海杂波，降低了将矩阵分离技术应用于杂波抑制中所面临的超参数选择问题的难度，有利于快速、有效实现目标提取与杂波抑制。

具体包括下述步骤：

S1：首先对两帧连续的雷达图像

在本实施例中，由于实测雷达图像数据中包含的待测目标数目大，每时每刻都存在位置变化，可以直接选取连续两帧，若两帧间的待测目标近似静止，也可取间隔大于30的两帧图像。

本实施例的两帧图像分别为Y

式中，以第i帧图像为例，将其最大像素值定义为Ymax，最小像素值定义为Ymin。

S2：从规范化后的图像Y′

S3：利用交替方向乘子法对每一个M矩阵进行前、背景分离，对应分解为低秩矩阵L(背景杂波)和稀疏矩阵S(感兴趣目标)，且L、

以第j个M矩阵为例，利用ADM对下述模型进行求解：

s.t.L+S＝M

具体的ADM求解步骤为：

S31:首先求出低秩矩阵L的近似值，该部分对应雷达图像的杂波分量：

S32:再求出稀疏矩阵S的近似值，该部分对应雷达图像的目标分量：

S33:注意到步骤S31和S32中均需要用到矩阵W

其中，下标k为迭代次数，

令

令

①先对Y进行奇异值分解，

[U，∑，V]＝svd(Y)

②再令上述的[S

S34：对于每个M

(1)最大迭代次数p，p＝200；

(2)满足下述公式：

其中0＜ε＜1，ε＝10

S4：再从分离好的低秩矩阵L中提取出相应的列依次排列成复原矩阵，Y

具体表示为：

将n个

本发明运用ADM技术求解海杂波背景下的目标检测RPCA问题，该方法较已有的利用加速近端梯度法(APG)求解RPCA，需要迭代的参数少，(APG每次需要迭代5个，ADM每次仅需要3个)，可以达到较高的精度，只需要较低的存储空间；同时ADM技术不需要对每个参数再进行内部循环，速度较快。

如下表1所示，以两帧3001*601的雷达图像，对于APG和ADM分别迭代50次，取第一帧秩为601的雷达图像为例，得到APG和ADM性能的详细对比结果：

表1 APG和ADM性能对比表

为了说明本实施例的时效性和适应性，如图3-图4所示，采用来源于真实海面回波散射实测数据进行实验，图中从左往右依次是原图、前景图、背景图，两幅雷达图像为日期相同的目标位置和轨迹图像，其中图3、图4为两幅3001*601的雷达图像用ADM处理后的效果可以明显看出，海杂波被滤除，目标的轮廓清晰。

实施例2

本实施例提供一种基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测系统，包括：归一化模块、矩阵重组模块、分离模块、迭代条件设置模块和复原模块；

在本实施例中，归一化模块用于选取两帧雷达图像进行归一化；

在本实施例中，矩阵重组模块用于从归一化后的两帧雷达图像中按列重组为多个矩阵；

在本实施例中，分离模块用于基于交替方向乘子法对每一个重组后的矩阵进行前、背景分离，分解为低秩矩阵和稀疏矩阵，所述低秩矩阵对应海杂波分量，所述稀疏矩阵对应感兴趣目标分量；

在本实施例中，迭代条件设置模块用于设置每个重组矩阵的ADM迭代停止条件；

在本实施例中，复原模块用于从分离好的低秩矩阵中按列依次排列成复原矩阵，检测出海杂波结果，从分离好的稀疏矩阵中按列依次排列成复原矩阵，检测出感兴趣目标结果。

实施例3

本实施例提供一种存储介质，存储介质可以是ROM、RAM、磁盘、光盘等储存介质，该存储介质存储有一个或多个程序，所述程序被处理器执行时，实现实施例1的基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测方法。

实施例4

本实施例提供一种计算设备，所述的计算设备可以是台式电脑、笔记本电脑、智能手机、PDA手持终端、平板电脑或其他具有显示功能的终端设备，该计算设备包括该计算设备包括处理器和存储器，存储器存储有一个或多个程序，处理器执行存储器存储的程序时，实现实施例1的基于交替方向法的海杂波背景下雷达目标检测方法。

上述实施例为本发明较佳的实施方式，但本发明的实施方式并不受上述实施例的限制，其他的任何未背离本发明的精神实质与原理下所作的改变、修饰、替代、组合、简化，均应为等效的置换方式，都包含在本发明的保护范围之内。