朱源才,王 紅,譚賢四,曲智國

(空軍預警學院防空預警裝備系,湖北 武漢 430019)

0 引 言

本文討論的探測對象是指飛行速度較慢和雷達散射截面積(radar cross section,RCS)小的目標[1-2],簡稱“慢速小目標”(slow and small target,SST)。隨著各類滿足SST特征飛行器的快速發(fā)展和我國低空開放的迫切需求[3],SST對現(xiàn)代防空預警系統(tǒng)威脅程度越來越大。而目前缺乏專用于SST的探測裝備,該類目標的探測任務主要依靠常規(guī)地面情報雷達[4]和空中預警機[5]等裝備完成,由于這些裝備均不是為探測SST而量身設計[6],普遍缺乏有效發(fā)現(xiàn)SST的手段[7],即使通過信號處理能夠?qū)⑵錂z測出來,也往往會因為雜波干擾強度大和目標回波微弱等原因[8-9],導致雷達操縱員將其誤當成雜波點[10-11]。從目前多個SST探測案例來看,雷達對該類目標并非完全沒有檢測能力,在其檢測視頻的連續(xù)多幀(雷達天線掃描一周為一幀)掃描中,有部分幀還是可以檢測到SST的,只是信號很弱,且可能“淹沒”在雜波中,難以及時發(fā)現(xiàn)。SST是世界公認的技術(shù)難題,目前國內(nèi)外對其研究依然處于初步階段。文獻[12]提出一種強激光輻照低慢小目標抖動光斑功率密度估計方法,在特定大氣能見度條件下得出了瞄準誤差角度、目標天頂角和目標高度的關(guān)系,同時得到了不同初始天頂角條件下到達目標表面光斑形態(tài)及功率密度,分析輻照天頂角及目標飛行高度對目標表面歸一化功率密度的影響,得出了低慢小目標尼龍材料激光防御中對獲取、跟蹤、瞄準(acquisition,tracking ,and pointing,ATP)跟瞄誤差的要求,為SST探測參數(shù)設置提供了依據(jù)。文獻[13]提出一種低空慢速小目標探測與定位技術(shù)研究方法,利用標準時基發(fā)生器對計時電路進行驗證,通過線性擬合方法使測量時間精度達到10-10量級,該方法能夠在近距離內(nèi)快速定位SST,加大雷達裝備對SST發(fā)現(xiàn)概率。文獻[14]提出一種檢測前跟蹤 (track-before detect,TBD自動檢測SST方法,該方法借助數(shù)據(jù)處理算法和計算機處理能力,能夠?qū)ST有一定的探測能力,同時可以降低操作員勞動強度、提高SST被自動發(fā)現(xiàn)的可能。文獻[15]提出一種SST探測時的氣象干擾抑制方法,在目標穩(wěn)定跟蹤,形成穩(wěn)定航跡時,聯(lián)合目標信號特征、航跡分布特征,通過多幀回波積累,減小了氣象干擾對SST探測影響。以上文獻所提及的方法,在常規(guī)背景條件下對SST探測性能有一定提高,但在強雜波背景條件下依然難以檢測到SST。

通過事后情報分析可知,如果將連續(xù)多幀檢測視頻圖像進行長時間積累,再輔以濾波處理,這些難以發(fā)現(xiàn)的弱小目標會連成斷斷續(xù)續(xù)的航線,這種情況就便于操縱員發(fā)現(xiàn)SST?；谶@個特點,本文立足現(xiàn)有雷達裝備(文中若不做特殊說明,均是指現(xiàn)有地面情報雷達裝備)的探測能力,研究基于多幀雷達圖像積累的SST探測方法,旨在利用該方法檢測出可能的SST。

1 SST積累特性

SST由于速度較慢、RCS小和回波微弱等特點,其回波在多幀雷達圖像積累后,往往會呈現(xiàn)以下兩種情況:

(1)SST由于運動速度慢,相鄰掃描幀間運動距離不大(以徑向速度55 m/s、天線轉(zhuǎn)速6 r/min計算,天線掃描一周,SST的運動距離為550 m),假設雷達每次掃描都能檢測到其回波,那么多幀積累后,其回波在顯示器上顯示時,會聚集于同一位置及周圍相鄰的位置上,形成一個連通的區(qū)域,本文將這種情況定義為“目標回波連通”,如圖1(a)和圖1(c)“目標回波連通”區(qū)域所示,其中Q為多幀積累的雷達幀數(shù)。

(2) SST還具有RCS小的特性,本身回波很弱,加之速度慢,有可能被雷達作為慢動雜波處理掉,這樣雷達很難每次掃描都能檢測到SST回波,往往只能隔幀或相隔多幀檢測到,那么多幀積累后目標回波間就會有一定的間隔距離,本文將這種情況定義為“目標回波不連通”,如圖1(b)和圖1(c)“目標回波不連通”區(qū)域所示。

圖1 多幀雷達圖像積累的SST連通性定義圖示Fig.1 Multi-frame radar image accumulation SST connectivity definition diagram

現(xiàn)有雷達的信號處理很難完全濾除雜波,因此,在送往雷達顯示終端的0/1檢測信號中,依然會存在大量的雜波剩余。其中,慢動雜波具有與SST相近的運動速度,在多幀雷達圖像積累中,慢動雜波也會聚集于同一位置或同一區(qū)域。但是,由于SST和慢動雜波在運動方向和運動規(guī)律上存在較大不同,因此多幀雷達圖像積累后,SST和慢動雜波的目標回波就會存在較大差異。主要表現(xiàn)在:

(1) 慢動雜波往往是無規(guī)則運動的,多幀積累后,其回波會呈現(xiàn)無規(guī)則的形狀,且大多無確定的方向,如圖2(a)所示;

(2) SST的運動是有方向的,多幀積累后,其回波會呈現(xiàn)具有一定長寬比的、較規(guī)則的“線狀”或“航跡狀”形狀,如圖2(b)所示。

圖2 SST和慢動雜波多幀積累Fig.2 SST and slow clutter multi-frame accumulation

本文討論的算法就是基于SST和雜波多幀積累后,目標回波間存在的這種積累特性差異而設計的。

圖2是SST和慢動雜波回波不連通的多幀積累示意圖,當然,在實際工作中,也經(jīng)常會遇到SST在雜波環(huán)境中運動的情況,這時的多幀積累回波情況就會比上述目標與雜波分離的情況復雜得多。

本文處理的雷達圖像是一種二值圖像[16-17],其中“1”表示存在目標,“0”表示不存在目標。在多幀雷達圖像積累中,如果目標回波出現(xiàn)疊加將難以對所檢測目標類型進行區(qū)分,因此本文處理的前提是假設目標回波相互間不存在疊加現(xiàn)象。

2 多幀雷達圖像濾波

由于本文處理的是目標回波不連通的SST(見圖2),因此多幀雷達圖像中的SST與單幀雷達圖像的SST大小將會很相似,所占像素值[18]不會很大?？梢酝ㄟ^控制所設定的目標回波像素值門限,提前濾除大片連通目標回波,減小運算的工作量。在像素值濾波后的多幀積累雷達圖像中,還是會存在很多慢動雜波,這些慢動雜波難以通過控制設定的像素值門限進行濾除。但從多幀雷達圖像積累來看,這些SST和慢動雜波在運動方向存在著很大差別,基于這個特點通過濾波可以實現(xiàn)對SST和慢動雜波的部分區(qū)分。

多幀雷達圖像積累SST的濾波由目標回波的像素值濾波、目標回波分類、距離值濾波、SST的確定組成。

2.1 目標回波像素值濾波

(1)

(2)

2.2 目標回波分類

占空比和長寬比是目標的描述向量,同一目標相鄰幀目標回波的占空比和長寬比將會很相似,根據(jù)目標回波的占空比和長寬比可以把目標特性相似的SST分到一個域中,減小不同目標回波間的相互干擾。信息值[21-22]是常用的描述向量之一,本文使用的信息值由占空比和長寬比設計得到。

在K×M的Q幀雷達圖像積累中,目標回波信息值表達式為

(3)

2.3 距離值濾波

目標回波分類可以減小不同目標間的相互干擾,在SST存在的分類域中,依然存在很多與SST具有相同積累特性的慢動雜波。對于SST的多幀積累雷達圖像而言,目標回波的間隔距離會小于或等于多幀積累時間與SST運動速度之積。根據(jù)SST多幀積累時間內(nèi)的運動距離,可以進一步縮小SST的探測范圍。

在K×M的Q幀雷達圖像積累中,SST的運動距離表達式為

(4)

式中,α為SST多幀積累時間內(nèi)的運動距離；V為SST運動速度；Tr為雷達掃描一幀的時間；R為現(xiàn)有雷達探測范圍。當多幀積累的雷達圖像K一定時,R的大小不但會影響目標回波的連通性而且還會影響距離值濾波的門限設定,即R越大目標回波不連通的可能性也就越大,α的取值則會變得越小。

(5)

式中,dIJ為目標回波的間隔距離;δ=1,2,…,K;β=1,2,…,M,I=1,2,…,KM;J=1,2,…,KM。在同一目標回波分類區(qū)域中,若dIJ>α,則該目標回波將會被濾除,反之則目標回波將會繼續(xù)保留在多幀雷達圖像積累中,等待下一步處理。

2.4 SST的確定

在同一目標回波分類區(qū)域內(nèi),通過判斷目標回波間隔距離,很多慢動雜波能被濾除。但在SST存在的分類區(qū)域中,滿足距離條件的慢動雜波依然還有很多,依舊難以進行分辨。因此，還需要進一步濾波處理。

本文基于SST的運動特點設計濾波方法。即當SST回波不連通時,經(jīng)過多幀積累,多點目標回波間隔距離應不超過α。圖3為SST的確定示意圖。

圖3 SST的確定示意圖Fig.3 SST to determine the schematic

步驟1由圖3(a)可知,A、B、C為3個目標回波,SAB、SBC、SAC為3個目標回波中心坐標的間隔距離,若SAB<α,SBC<α,SAC<α,則這3個目標回波能構(gòu)成一個有效的目標航跡,并標記該目標航跡回波個數(shù)為“3”。同樣方法,可以找出每個分類域中滿足目標回波個數(shù)等于“3”的目標航跡,并濾除目標回波個數(shù)小于“3”的目標回波。

步驟2由圖3(b)可知,A、B、C和B、C、D構(gòu)成的目標航跡都滿足目標回波個數(shù)等于“3”的要求,如果SAD<α,則這4個目標回波可以確定為同一個目標;如果SAD>α,則這4個目標回波不能確定為同一個目標,在后續(xù)處理時把相關(guān)目標回波濾除。

在SST確定時,對于同一目標而言,滿足距離條件目標回波個數(shù)越多,該目標航跡被檢測為SST的概率也就越大。

目標回波不連通的SST探測方法算法步驟如下:

步驟3通過式(3)求解出O個目標回波最小外接矩形的信息值H(Aj),當ΔH(Aj)=0.5時,對目標回波進行分類處理,把1≤H(Aj)≤1.5的目標回波分到W1,把1.53的目標回波分到W5;

步驟4通過式(4)求出多幀積累時間內(nèi)的SST運動距離α,根據(jù)式(5)求出每個分類域中目標回波間隔距離dIJ,如果dIJ<α轉(zhuǎn)至步驟5,否則把相關(guān)目標回波濾除;

步驟5根據(jù)圖3(a)所示的規(guī)律,求解出滿足dIJ條件目標回波個數(shù),當目標回波個數(shù)等于“3”時,把滿足條件3個目標回波確定的區(qū)域暫定為一個目標航跡并轉(zhuǎn)至步驟6,否則把相關(guān)目標回波濾除;

步驟6根據(jù)圖3(b)所示的規(guī)律,判斷滿足步驟5的任意相鄰兩個目標航跡是否存在目標回波共用,如果不存在目標回波公共用則判定為SST;如果存在目標回波公共用,則繼續(xù)判定兩個目標航跡是否屬于同一目標,如果兩個目標航跡屬于同一個目標則判定為SST,否則把相關(guān)目標回波濾除。

3 仿真分析

為了驗證所提出算法的有效性,截取了部分送往雷達終端顯示的雷達圖像,圖4是第1～第4幀試驗數(shù)據(jù)。

圖4 仿真數(shù)據(jù)Fig.4 Simulation data

由圖4可以發(fā)現(xiàn),在雷達連續(xù)掃描4幀中“目標區(qū)域”的SST只檢測到2次,加之SST的RCS小,導致這樣的數(shù)據(jù)難以被雷達有效地探測。為了成功的發(fā)現(xiàn)這類SST,本文把連續(xù)多幀的雷達圖像進行累積,增大對SST發(fā)現(xiàn)概率。

把圖4所示采集的連續(xù)28幀雷達圖像進行多幀積累,得到圖5所示的多幀雷達圖像積累圖。

圖5 多幀雷達圖像積累圖Fig.5 Multi-frame radar image accumulation figure

由圖4和圖5比較可知,多幀積累后,目標回波不連通SST的像素值與單幀雷達圖像SST的像素值相比變化不是很大,但會形成一條目標回波不連通的SST航跡,這類SST航跡比單幀雷達圖像的SST體積要大,通過檢測該類目標航跡能一定程度提高對SST發(fā)現(xiàn)概率。

3.1 目標回波像素值濾波仿真分析

圖6 濾波效果Fig.6 filter effect

3.2 目標回波分類仿真分析

圖7 目標回波分類效果Fig.7 Target echo classification effect

由圖6和圖7比較可知,分類處理可以把具有相同積累特性的SST分到同一個域中,能有效避免不同積累特性目標回波間的相互干擾,一定程度的提高對SST發(fā)現(xiàn)概率。

3.3 距離值濾波仿真分析

雖然分類處理能一定程度避免不同目標回波間的相互干擾,但在同一個目標回波分類域中,依然會存在著大量雜波干擾。本小節(jié)通過對SST多幀積累時間內(nèi)的運動距離進行檢測,進一步減小SST出現(xiàn)的范圍。

在該組數(shù)據(jù)中,雷達探測距離R為385 km,多幀積累時間QTr為280 s,SST的速度V與SST類型、運動特性、氣候、風向等均有關(guān),為研究方便,本文將V定為55 m/s,根據(jù)式(4)可得α的最大取值為14。當dIJ<α,1≤H(Aj)≤1.5,1.5

圖8 距離值濾波效果Fig.8 Distance value filtering effect

由圖6和圖8(a)比較可知,通過未分類處理的距離值濾波,目標回波個數(shù)由132減少為119;由圖6和圖8(b)比較可知,通過分類處理的距離值濾波,目標回波個數(shù)由132減少為72。以上仿真結(jié)果表明:

(1) 分類與未分類處理的兩種距離值濾波方法都有一定的濾波效果,該結(jié)果很好地驗證了距離值濾波處理的有效性;

(2) 分類處理距離值濾波效果遠好于未分類處理距離值濾波效果,該結(jié)果很好地驗證了目標分類處理的有效性。

3.4 SST的確定仿真分析

把圖8(b)分類處理的距離濾波效果作為仿真對象,通過60次蒙特卡羅仿真,可以得到如圖9所示SST探測效果圖。

圖9 SST探測效果Fig.9 SST detection effect

由圖9可知,滿足目標回波個數(shù)等于“3”且相鄰目標航跡存在目標回波共用的目標回波個數(shù)為50,滿足目標回波個數(shù)等于“3”且相鄰目標航跡不存在目標回波共用的目標回波個數(shù)為27,該仿真結(jié)果表明,在滿足距離值要求且目標回波個數(shù)等于“3”時,依然存在著23個目標回波所確定的目標航跡存在目標回波共用現(xiàn)象。由于存在目標回波共用的相鄰兩個目標航跡不屬于同一個目標,因此該類目標回波是慢動雜波的概率要大于SST。

由圖8(b)和圖9(b)可知,通過SST的確定,目標回波個數(shù)由72減少為27。該仿真結(jié)果表明,通過SST的確定能進一步濾除很多雜波干擾。

由圖5和圖9(b)可知,通過對多幀雷達圖像積累的濾波,目標回波個數(shù)由212減少為27,其中9個為SST,18個為慢動雜波。該仿真結(jié)果表明:

(1) 本文提出的多幀雷達圖像積累的濾波方法濾除了大量的雜波干擾,能一定程度提高對SST的探測能力;

(2) 雖然本文算法能一定程度提高SST探測性能,但最終檢測出的目標不一定全部是SST,因此需要雷達操縱員對提醒的目標區(qū)域進行重點關(guān)注,根據(jù)自身專業(yè)知識和后續(xù)目標情況做出合理的判斷。

4 結(jié) 論