一种基于慢衰减思想的杂波图设计方法与流程

1.本发明属于雷达信号处理技术领域，具体涉及一种基于慢衰减思想的杂波图设计方法。


背景技术：

2.杂波图是一种利用杂波在慢时间域的统计数值进行目标检测的技术，它假定杂波在时间上是统计平稳的。杂波图的设计需要考虑数据存储空间的限制，在数据空间充裕的情况下，应当建立尽可能多维度的杂波图，如方位维、俯仰维、距离维、频率维、prf维等等，多维杂波图能更好地实现对杂波的抑制。
3.一般来讲，俯仰维、距离维、频率维、prf维设计参照雷达系统参数，方位维设计则相对灵活。方位颗粒划分通常有两种方式：按波束驻留划分，按固定码盘划分。若按波束驻留划分，波束驻留时间内方位扫描角度＝天线转速
×
波束驻留时间；若按固定码盘划分，每个码盘对应的方位扫描角度＝360
°
/固定值，这里的固定值为固定方位颗粒数(比如固定256个方位颗粒)。
4.不管采用何种划分方式，方位颗粒数都要在合理的取值范围内。这是因为，如果方位颗粒划分太细，会使杂波图难以在一个扫描周期内完成全部或者绝大部分的更新，从而导致杂波图效果不好；如果方位颗粒划分太粗，会使多个波束驻留时间的回波数据落在同一方位颗粒内，导致不同波束驻留时间的回波数据相互影响，并造成杂波图的过度迭代，不利于杂波的抑制。
5.雷达在进行相参积累时，每一个积累时间内都会建立一幅距离-多普勒子图，即当前积累时间内回波在距离-多普勒维的幅值。根据波束当前所在方位，取杂波图中相应方位颗粒的子图，通过距离-多普勒子图与杂波图子图的加权求和，完成当前积累时间内杂波图子图的迭代更新。这里的权值就是杂波图设计的另一个重要参数
‑‑
更新速率。
6.更新速率的选取需要考虑雷达关心的目标特性，通常在一个扫描周期内，目标要能够走出一个距离量化单元，否则目标信号就会参与到当前杂波图子图的更新中，检测门限便被抬高，从而造成检测损失，严重时还会产生自遮蔽效应。通常更新速率取2的幂次方的倒数，比如更新速率为1/8时，新的杂波图子图＝距离-多普勒子图
×
1/8 杂波图子图
×
7/8。
7.在稳定散射特性的地物场景中，上述杂波图常规设计方法在选取合理的设计参数时，一般都能取得较好的杂波抑制和目标检测效果。然而在实际场景中，往往有很多地物的散射特性是时变的，比如树叶、草丛、麦田等等，自然环境的变化(如风吹雨打等)会引起各散射点在一个固定位置来回摆动，回波的幅度和相位也会出现随机起伏，从而造成杂波点迹过多且较难抑制。
8.在实际工程中，有些雷达系统为了优化方位测角性能，还会采用滑窗处理，这样不同波束驻留时间的回波数据不可避免地相互影响，杂波图也会在一个扫描周期内进行多次迭代，杂波的抑制性能难免受到影响。针对实际中遇到的种种问题，我们设计了一种基于慢
衰减思想的杂波图设计方法。


技术实现要素：

9.要解决的技术问题
10.在雷达目标检测处理过程中，因地物时变散射特性引起的地物杂波幅度与相位出现随机起伏，甚至扩散到其他分辨单元，从而造成杂波点迹较多较难抑制的问题。针对上述问题，本发明提供一种基于慢衰减思想的杂波图设计方法。
11.技术方案
12.一种基于慢衰减思想的杂波图设计方法，其特征在于步骤如下：
13.步骤1：创建整体杂波图矩阵cmap存储空间；所述的整体杂波图矩阵cmap为(num
×
m)
×
n矩阵；其中num为方位颗粒数，m为多普勒通道数，n为距离单元数；
14.步骤2：获取当前相参积累时间内的距离-多普勒子图data
rd
；所述的距离-多普勒子图data
rd
为m
×
n矩阵；
15.步骤3：计算当前波束方位角azimuth所在方位颗粒索引值index
az
，以及对应方位颗粒的杂波图子图data
cm
在杂波图矩阵cmap中的行索引值index
row
，所述的杂波图子图data
cm
为m
×
n矩阵：
16.index
az
＝fix(azimuth/360*num),(0≤index
az
≤num-1)
17.index
row
＝index
az
×
m,(0≤index
row
≤num
×
m-1)
18.其中fix(
·
)表示向下取整，方位角单位是度；
19.步骤4：假定雷达开始工作或者模式切换后的前5个扫描周期为杂波图快速建立时间，判断当前时刻是否在前5个扫描周期内，若是跳转至步骤5，若不是跳转至步骤6；
20.步骤5：将距离-多普勒子图data
rd
直接赋值给杂波图子图data
cm
，得到新的杂波图子图data
cm_new
，即data
cm_new
＝data
rd
，所述的杂波图子图data
cm_new
为m
×
n矩阵；然后跳转至步骤7；
21.步骤6：将距离-多普勒子图data
rd
与杂波图子图data
cm
加权求和，得到新的杂波图子图data
cm_new
；具体执行以下分步骤：
22.步骤6.1：距离-多普勒子图中任一元素为a
ij
，其中0≤i≤m-1，0≤j≤n-1，杂波图子图中任一元素为b
ij
，求出二者幅值差diff
ij
和符号sign
ij
：
23.diff
ij
＝a
ij-b
ij
24.sign
ij
＝(((uint32)diff
ij
)＞＞31)&1
25.其中uint32(
·
)表示数据类型强制转换成无符号32位，(
·
)＞＞31表示右移31位，(
·
)&1表示位与1；
26.步骤6.2：用大更新速率k1和小更新速率k2组成数组array＝{k1,k2}，即array(0)＝k1，array(1)＝k2，求出更新速率矩阵k的任一元素kk
ij
，所述的更新速率矩阵k为m
×
n矩阵：
27.kk
ij
＝array(sign
ij
)
28.步骤6.3：用更新速率矩阵k对距离-多普勒子图data
rd
与杂波图子图data
cm
进行加权求和，得到新的杂波图子图data
cm_new
：
29.data
cm_new
＝data
rd
.*k data
cm
.*(i-k)
30.其中“.*”表示矩阵对应元素相乘，i为单位矩阵；
31.步骤7：将新的杂波图子图data
cm_new
填入其在杂波图矩阵cmap中的存储空间，完成当前相参积累时间内杂波图子图的更新：
32.cmap(index
row
:index
row
m-1,1:n)＝data
cm_new
33.其中index
row
:index
row
m-1表示从第index
row
行到第index
row
m-1行，1:n表示从第1列到第n列；
34.步骤8：下一个相参积累时间，获取新的距离-多普勒子图data
rd
，重复步骤2～8，完成每个积累时间内杂波图子图的更新，直至雷达停止扫描工作。
35.本发明进一步的技术方案：采用c代码实现。
36.本发明进一步的技术方案：步骤4中判断当前时刻是否在前5个扫描周期内的方法是看是否经过某个方位角5次。
37.本发明进一步的技术方案：方位角为零度。
38.一种计算机系统，其特征在于包括：一个或多个处理器，计算机可读存储介质，用于存储一个或多个程序，其中，当所述一个或多个程序被所述一个或多个处理器执行时，使得所述一个或多个处理器实现上述的方法。
39.一种计算机可读存储介质，其特征在于存储有计算机可执行指令，所述指令在被执行时用于实现上述的方法。
40.有益效果
41.本发明提供的一种基于慢衰减思想的杂波图设计方法，具有的特点和有益效果：
42.1、采用杂波图快速新建处理，可以在前几个扫描周期内快速完成杂波图的建立，在雷达开机及工作模式切换时能够大大缩短杂波图的建立时间，进一步提高对杂波的抑制能力；
43.2、采用杂波图快增慢减迭代更新，可以减少时变散射点回波起伏造成的杂波点迹，也可以降低不同波束驻留时间回波数据的相互影响，有效提高雷达的杂波抑制能力和目标检测性能；
44.3、采用c代码优化处理，用执行时间较短的减法、移位、位与和数组元素引用指令替代执行时间较长的判断语句指令，可以有效降低c代码的执行时间，进一步提高该方法的工程实用性。
附图说明
45.附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。
46.图1慢衰减杂波图原理图；
47.图2三维杂波图存储逻辑；
48.图3杂波图迭代更新处理示意图；
49.图4本发明方法流程图。
具体实施方式
50.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
51.本发明解决技术问题的方案如下：首先在一个或几个雷达扫描周期内快速建立多维杂波图，然后在之后的每个相参积累时间内，判断距离-多普勒子图与对应方位颗粒的杂波图子图中每个量化单元的幅值大小，若大于则该量化单元选取较大的更新速率，反之则取较小的更新速率，再对距离-多普勒子图与杂波图子图进行加权求和，完成每个积累时间内杂波图子图快增慢减的迭代更新。
52.图1为慢衰减杂波图原理图，包括快速建立和迭代更新两部分。在杂波图快速建立部分，设置合理的设计参数尤其是方位维参数，令杂波图可以在第一个扫描周期内完成快速建立，快速建立的过程是通过将距离-多普勒子图直接填入相应方位颗粒的杂波图子图实现的。考虑到精细度稍高的杂波图在一个扫描周期内只能获得绝大部分方位颗粒的数据，因此杂波图的快速建立时间可以扩展到前几个扫描周期(比如前3～5个扫描周期)。
53.在迭代更新部分，对于每一个相参积累时间内的距离-多普勒子图和对应方位颗粒的杂波图子图，计算两个子图中每个距离-多普勒量化单元的幅值差，若大于零则该量化单元的杂波图更新速率取较大值k1，反之取较小值k2，所有量化单元的更新速率组成系数矩阵k。那么，新的杂波图子图＝距离-多普勒子图.*k 杂波图子图.*(i-k)，其中i为单位矩阵，k为更新速率系数矩阵，符号“.*”表示矩阵对应元素相乘。
54.若用c语言编写程序，判断幅值大小和选取更新速率有更优化的实现方式，具体如下：用距离-多普勒子图减去杂波图子图，得到一个差值矩阵；由于正数和负数的符号位分别为0和1，取差值矩阵中每一个元素的符号位(用移位和位与实现)，可得到由0和1组成的符号矩阵；用大更新速率k1和小更新速率k2组成数组{k1，k2}，k1、k2在数组中的索引值分别为0和1，那么符号矩阵就成为选取更新速率的索引值矩阵。综上，整个实现过程由相对费时的判断语句转变成减法、移位、位与和引用数组元素的操作，大大提高了代码的执行效率。
55.图2给出了三维杂波图的存储逻辑，三维分别是：方位维、距离维、频率维，存储优先级依次为：方位维》多普勒维》距离维，其中方位颗粒数为num，多普勒通道数为m，距离单元数为n。下面以周扫雷达三维杂波图为例，结合附图3对杂波图慢衰减处理的具体实施方式进行详细阐述，考虑到c代码实现，以下所有数组索引值从0起始：
56.步骤1：创建整体杂波图矩阵cmap((num
×
m)
×
n矩阵)存储空间；
57.步骤2：获取当前相参积累时间内的距离-多普勒子图data
rd
(m
×
n矩阵)；
58.步骤3：计算当前波束方位角azimuth所在方位颗粒索引值index
az
，以及对应方位颗粒的杂波图子图data
cm
(m
×
n矩阵)在杂波图矩阵cmap中的行索引值index
row
，其中“fix(
·
)”表示向下取整，方位角单位是度：
59.index
az
＝fix(azimuth/360*num),(0≤index
az
≤num-1)
60.index
row
＝index
az
×
m,(0≤index
row
≤num
×
m-1)
61.步骤4：假定雷达开始工作或者模式切换后的前5个扫描周期为杂波图快速建立时间，判断当前时刻是否在前5个扫描周期内，一个简单方法是看是否经过某个方位角5次(比如5次过零度)，若是跳转至步骤5，若不是跳转至步骤6；
62.步骤5：将距离-多普勒子图data
rd
直接赋值给杂波图子图data
cm
，得到新的杂波图
子图data
cm_new
(m
×
n矩阵)，即data
cm_new
＝data
rd
，然后跳转至步骤7；
63.步骤6：将距离-多普勒子图data
rd
与杂波图子图data
cm
加权求和，得到新的杂波图子图data
cm_new
(m
×
n矩阵)，具体执行以下分步骤：
64.步骤6.1：距离-多普勒子图中任一元素为a
ij
(0≤i≤m-1，0≤j≤n-1)，杂波图子图中任一元素为b
ij
，求出二者幅值差diff
ij
和符号sign
ij
，其中“uint32(
·
)”表示数据类型强制转换成无符号32位，“(
·
)＞＞31”表示右移31位，“(
·
)&1”表示位与1：
65.diff
ij
＝a
ij-b
ij
66.sign
ij
＝(((uint32)diff
ij
)＞＞31)&1
67.步骤6.2：用大更新速率k1和小更新速率k2组成数组array＝{k1,k2}，即array(0)＝k1，array(1)＝k2，求出更新速率矩阵k(m
×
n矩阵)的任一元素kk
ij
：
68.kk
ij
＝array(sign
ij
)
69.步骤6.3：用更新速率矩阵k对距离-多普勒子图data
rd
与杂波图子图data
cm
进行加权求和，得到新的杂波图子图data
cm_new
，其中“.*”表示矩阵对应元素相乘，i为单位矩阵：
70.data
cm_new
＝data
rd
.*k data
cm
.*(i-k)
71.步骤7：将新的杂波图子图data
cm_new
填入其在杂波图矩阵cmap中的存储空间，完成当前相参积累时间内杂波图子图的更新，其中“index
row
:index
row
m-1”表示从第index
row
行到第index
row
m-1行，“1:n”表示从第1列到第n列：
72.cmap(index
row
:index
row
m-1,1:n)＝data
cm_new
73.步骤8：下一个相参积累时间，获取新的距离-多普勒子图data
rd
，重复步骤2～8，完成每个积累时间内杂波图子图的更新，直至雷达停止扫描工作。
74.以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。