一種基于特征加權(quán)的點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估方法及應(yīng)用

趙三偉 徐敏超 孫玉璽

(武漢濱湖電子有限責(zé)任公司 武漢 430205)

0 引言

一般而言，對(duì)于云雨、海浪、箔條等物體引起的無源干擾信號(hào)，可以通過設(shè)計(jì)自適應(yīng)MTI濾波器進(jìn)行抑制，但隨著現(xiàn)代雷達(dá)分辨率和靈敏度的提高，發(fā)現(xiàn)由于云雨引起的氣象雜波具有特殊的特征。通過大量實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，氣象雜波一般分為兩類：一類氣象雜波面積比較大，運(yùn)動(dòng)速度緩慢，通過自適應(yīng)MTI濾波器及恒虛警(CFAR)進(jìn)行有效抑制后，該類雜波不能夠形成穩(wěn)定航跡，因此通過信號(hào)處理的方法能夠?qū)υ擃愲s波信號(hào)進(jìn)行剔除；另一類氣象雜波則與之不同，其在雷達(dá)屏幕上成點(diǎn)狀，通過上述的自適應(yīng)MTI濾波器及恒虛警(CFAR)檢測(cè)后能夠形成穩(wěn)定航跡[1]，通過傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理手段不能夠?qū)ζ溥M(jìn)行有效判別。

對(duì)于上述問題，一種直觀的思路是采用劃取速度門限的方法來對(duì)上述氣象目標(biāo)進(jìn)行剔除，但是由于該類雜波同典型低慢小目標(biāo)(無人機(jī)、直升機(jī)等)的特征類似，該方法在剔除氣象目標(biāo)的同時(shí)會(huì)引起系統(tǒng)對(duì)低慢小目標(biāo)的漏警。本文擬采取目標(biāo)分類的思路在點(diǎn)跡維[2-3]對(duì)上述問題進(jìn)行解決。

對(duì)檢測(cè)視頻進(jìn)行點(diǎn)跡凝聚，給出點(diǎn)跡的距離和方位信息，同時(shí)獲取點(diǎn)跡的距離展寬、方位展寬、凝聚點(diǎn)數(shù)和幅度等點(diǎn)跡特征；針對(duì)不同的點(diǎn)跡特征，剔除奇異特征值的點(diǎn)跡；根據(jù)點(diǎn)跡特征進(jìn)行點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估，通過點(diǎn)跡質(zhì)量門限對(duì)點(diǎn)跡進(jìn)行判決。基于特征加權(quán)的點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估流程圖如圖1所示：

圖1 點(diǎn)跡處理流程圖

1 點(diǎn)跡凝聚與奇異點(diǎn)跡剔除

1.1 點(diǎn)跡凝聚

點(diǎn)跡凝聚處理的過程是，先進(jìn)行距離上的凝聚，得到水平波瓣內(nèi)不同方位上的距離值，因回波大小及量化誤差等因素的影響，這時(shí)的距離值可能不在同一單元；再進(jìn)行方位上的凝聚，計(jì)算時(shí)不要求距離位于同一單元[4-5]。

對(duì)于同一目標(biāo)產(chǎn)生的在距離上連續(xù)或間隔一個(gè)量化單元的點(diǎn)跡，按公式(1)求取質(zhì)心，然后將質(zhì)心的數(shù)值作為相應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)跡的距離估計(jì)值。

(1)

其中n為目標(biāo)點(diǎn)跡的個(gè)數(shù)，Ri為第i個(gè)目標(biāo)點(diǎn)跡的距離，Vi為第i個(gè)目標(biāo)的回波幅度值。

對(duì)由同一目標(biāo)產(chǎn)生的在方位上相鄰的點(diǎn)跡按式(2)求取質(zhì)心，將質(zhì)心數(shù)值作為相應(yīng)目標(biāo)點(diǎn)跡的方位估計(jì)值。

(2)

其中n為目標(biāo)點(diǎn)跡的個(gè)數(shù)，Ai為第i個(gè)目標(biāo)點(diǎn)跡的方位，Vi為第i個(gè)目標(biāo)的回波幅度值。

1.2 點(diǎn)跡特征選取與奇異點(diǎn)跡剔除

在點(diǎn)跡凝聚的過程中同時(shí)提取點(diǎn)跡的特征。點(diǎn)跡的特征眾多，如凝聚點(diǎn)數(shù)、原始視頻幅度、點(diǎn)跡環(huán)境信息(CFAR估值)、方位展寬、距離展寬、多普勒通道號(hào)等。在選取點(diǎn)跡特征時(shí)要盡量保證各特征之間的正交性。本文所需的點(diǎn)跡特征有距離展寬，方位展寬，凝聚點(diǎn)數(shù)和幅度凝聚點(diǎn)數(shù)比。

奇異點(diǎn)跡剔除是對(duì)上述獲取的點(diǎn)跡特征值中不符合理論的奇異點(diǎn)跡進(jìn)行剔除。

1)距離展寬

距離展寬為目標(biāo)點(diǎn)跡最遠(yuǎn)距離單元與最近距離單元之差。目標(biāo)與雜波的距離展寬特征分析如圖2所示：

圖2 目標(biāo)與雜波距離展寬特征分析

由圖2可知，目標(biāo)的距離展寬略大于雜波的距離展寬。距離展寬特征與雷達(dá)的距離分辨率有關(guān)，當(dāng)雷達(dá)距離分辨率越高時(shí)，目標(biāo)和雜波的距離展寬特征差別越大。

根據(jù)最大目標(biāo)RCS、雷達(dá)的距離分辨率和半脈壓區(qū)目標(biāo)展寬等因素，可以確定點(diǎn)跡距離展寬最大值；當(dāng)距離展寬大于該值時(shí)，認(rèn)為是奇異點(diǎn)跡。

2)方位展寬

方位展寬為目標(biāo)點(diǎn)跡最大方位與最小方位之差，當(dāng)目標(biāo)跨正北方位時(shí)，需要求模計(jì)算。目標(biāo)和雜波的方位展寬特征分析如圖3所示：

圖3 目標(biāo)與雜波的方位展寬特征分析

由圖3可知，目標(biāo)的方位展寬多集中在4-11個(gè)脈沖，約占85%，雜波的方位展寬多集中于1-8個(gè)脈沖，約占90%。目標(biāo)的方位展寬明顯大于雜波的方位展寬。

根據(jù)天線波束寬度和雷達(dá)脈沖積累個(gè)數(shù)可以計(jì)算出方位展寬的最大值，當(dāng)方位展寬大于該值時(shí)，認(rèn)為是奇異點(diǎn)跡。

3)凝聚點(diǎn)數(shù)

凝聚點(diǎn)數(shù)為目標(biāo)點(diǎn)跡凝聚的檢測(cè)點(diǎn)個(gè)數(shù)。目標(biāo)與雜波的凝聚點(diǎn)數(shù)分布如圖4所示，點(diǎn)跡百分比對(duì)比如圖5所示：

圖4 目標(biāo)與雜波凝聚點(diǎn)數(shù)特征分布

圖5 目標(biāo)與雜波凝聚點(diǎn)數(shù)特征分析

由圖4，圖5可知，雜波的凝聚點(diǎn)數(shù)偏少，小于15點(diǎn)的約占90%；目標(biāo)凝聚點(diǎn)數(shù)分布均勻，但基本小于45點(diǎn)。

組成點(diǎn)跡的凝聚點(diǎn)數(shù)過小時(shí)，認(rèn)為該點(diǎn)跡為虛假點(diǎn)跡。

4)幅度凝聚點(diǎn)數(shù)比

點(diǎn)跡幅度為目標(biāo)點(diǎn)跡中幅度最大的檢測(cè)點(diǎn)的幅度。幅度凝聚點(diǎn)數(shù)比分布如圖6所示，點(diǎn)跡百分比對(duì)比如圖7所示：

圖6 目標(biāo)與雜波幅度凝聚點(diǎn)數(shù)比分布

圖7 目標(biāo)與雜波幅度凝聚點(diǎn)數(shù)比特征分析

由圖6，圖7可知，目標(biāo)的幅度凝聚點(diǎn)數(shù)比較小，比值小于15的約占95%；雜波的幅度凝聚點(diǎn)數(shù)比較大，分布均勻，但比值基本都小于45。

當(dāng)目標(biāo)信噪比越大時(shí)，組成點(diǎn)跡的脈沖數(shù)越大，當(dāng)信噪比越小時(shí)，組成點(diǎn)跡的脈沖數(shù)據(jù)越小。當(dāng)信噪比與組成點(diǎn)跡脈沖數(shù)過大或過小時(shí)，認(rèn)為虛假目標(biāo)。

2 基于特征加權(quán)的點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估

2.1 點(diǎn)跡特征質(zhì)量

點(diǎn)跡特征質(zhì)量表示點(diǎn)跡的某個(gè)特征的可信度評(píng)估值。第i個(gè)點(diǎn)跡特征的質(zhì)量計(jì)算公式如式(3)所示：

(3)

根據(jù)(3)式可知，點(diǎn)跡特征的質(zhì)量表示點(diǎn)跡的該特征距該特征超平面的距離，距離越近，點(diǎn)跡質(zhì)量值越小，點(diǎn)跡的可信度越高。

2.2 點(diǎn)跡特征權(quán)值

點(diǎn)跡特征權(quán)值為點(diǎn)跡的各個(gè)特征質(zhì)量在整個(gè)點(diǎn)跡質(zhì)量中所占的比重。第i個(gè)點(diǎn)跡特征權(quán)值計(jì)算公式如式(4)所示：

(4)

根據(jù)式(4)可知，點(diǎn)跡特征權(quán)值表示目標(biāo)的該點(diǎn)跡超平面與雜波的該點(diǎn)跡超平面的距離占整個(gè)該點(diǎn)跡特征寬度的比例。

2.3 基于特征加權(quán)的點(diǎn)跡質(zhì)量

基于特征加權(quán)的點(diǎn)跡質(zhì)量是對(duì)所有點(diǎn)跡評(píng)估質(zhì)量加權(quán)所得，計(jì)算公式如式(5)所示：

(5)

其中Q為基于特征加權(quán)的點(diǎn)跡質(zhì)量，ωi為第i的點(diǎn)跡特征的權(quán)重；Qi為第i個(gè)點(diǎn)跡特征的質(zhì)量。

根據(jù)式(5)可知，基于特征加權(quán)的點(diǎn)跡質(zhì)量在0～1之間，越接近1，其點(diǎn)跡的可信度越高，點(diǎn)跡質(zhì)量越接近0，其可信度越低。

3 應(yīng)用驗(yàn)證

利用某地面預(yù)警雷達(dá)在沿海采集的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)對(duì)上述方法進(jìn)行驗(yàn)證。由于海面環(huán)境復(fù)雜，海面氣象變化無常，常規(guī)的點(diǎn)跡處理方式對(duì)點(diǎn)狀雜波抑制效果很差，目標(biāo)在穿越雜波區(qū)時(shí)跟蹤不連續(xù)。

利用采集數(shù)據(jù)作為樣本，統(tǒng)計(jì)2.2節(jié)中提出的點(diǎn)跡特征均值和上下界值如表1所示：

表1 樣本特征

樣本特征目標(biāo)特征均值雜波特征均值點(diǎn)跡特征上界點(diǎn)跡特征下界凝聚點(diǎn)數(shù)18.585.49452距離展寬2.111.0491方位展寬(CPI數(shù))6.572.04161幅度脈沖數(shù)比6.4327.31800.8

根據(jù)式(4)中點(diǎn)跡特征權(quán)值的計(jì)算方法，利用采集數(shù)據(jù)作為樣本，統(tǒng)計(jì)各特征所占權(quán)重如表2所示：

表2 特征權(quán)重

特征權(quán)重凝聚點(diǎn)數(shù)距離展寬方位展寬幅度脈沖數(shù)比特征比例0.310.130.30.26

根據(jù)式(3)中Qi的計(jì)算公式計(jì)算點(diǎn)跡的凝聚點(diǎn)數(shù)、距離展寬、方位展寬和幅度凝聚點(diǎn)數(shù)比等目標(biāo)和雜波特征質(zhì)量估值；根據(jù)式(5)中Q的計(jì)算公式將上述特征質(zhì)量估值加權(quán)求和，可得點(diǎn)跡的目標(biāo)質(zhì)量估值Q目標(biāo)和雜波質(zhì)量估值Q雜波。

當(dāng)Q雜波-Q目標(biāo)>gate時(shí)，判斷該點(diǎn)跡為雜波，否則，判斷該點(diǎn)跡為目標(biāo)。gate為點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估判斷門限，可手動(dòng)調(diào)節(jié)。

利用某雷達(dá)采集數(shù)據(jù)對(duì)基于特征加權(quán)的點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估方法進(jìn)行仿真，點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估判斷門限gate選擇為0.2，將70圈掃描數(shù)據(jù)點(diǎn)跡進(jìn)行顯示，點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估前后的點(diǎn)跡個(gè)數(shù)對(duì)比如圖8所示，點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估前如圖9所示，點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估后如圖10所示：

圖8 點(diǎn)跡個(gè)數(shù)對(duì)比

圖9 點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估判斷前點(diǎn)跡圖

圖10 點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估判斷前點(diǎn)跡圖

由圖8可知，奇異點(diǎn)跡剔除之前每一圈的點(diǎn)跡數(shù)約為140，奇異點(diǎn)跡剔除之后點(diǎn)跡數(shù)約為100，經(jīng)點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估濾除后，點(diǎn)跡數(shù)約為80。經(jīng)過兩級(jí)點(diǎn)跡濾波后，雜波點(diǎn)跡得到有效抑制。對(duì)比圖8和圖9可知，基于特征加權(quán)的點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估方法對(duì)點(diǎn)狀雜波有明顯的抑制作用，且目標(biāo)點(diǎn)跡無明顯變化。

4 結(jié)束語(yǔ)

本文提出的基于特征加權(quán)的點(diǎn)跡質(zhì)量評(píng)估方法經(jīng)實(shí)測(cè)雷達(dá)數(shù)據(jù)驗(yàn)證可以有效地抑制點(diǎn)狀雜波。由于大多雷達(dá)的點(diǎn)跡處理流程基本相同，所以該方法可推廣到其他雷達(dá)上應(yīng)用。其中點(diǎn)跡特征的選取可根據(jù)不同雷達(dá)的特性選取不同的特征，如三坐標(biāo)雷達(dá)可以選取高度特征，點(diǎn)跡特征的均值、上下界和權(quán)重也需要根據(jù)不同雷達(dá)的目標(biāo)屬性進(jìn)行計(jì)算。