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雷达低慢小目标检测算法研究

雷达低慢小目标检测算法研究

作者：董佳鑫西安电子科技大学

学位级别：硕士

无人机、隐身飞机等低慢小目标由于其飞行高度低、飞行速度慢及雷达散射截面积(RCS)小等特点难以被传统低分辨雷达发现,因此对这类低慢小目标的检测一直以来是研究的热点问题。本文围绕雷达低慢小目标检测算法及相关跟踪问题展开研究,... 详细信息

无人机、隐身飞机等低慢小目标由于其飞行高度低、飞行速度慢及雷达散射截面积(RCS)小等特点难以被传统低分辨雷达发现,因此对这类低慢小目标的检测一直以来是研究的热点问题。本文围绕雷达低慢小目标检测算法及相关跟踪问题展开研究,具体工作如下:1.研究了雷达杂波与目标检测基础理论。介绍了常规雷达杂波特性、杂波回波建模方法为杂波抑制及目标检测算法的研究做准备。对比了固定门限检测及恒虚警率(CFAR)检测算法的先验条件,并仿真分析了两种算法的检测性能。对比了先检测后跟踪(DBT)及检测前跟踪(TBD)技术算法实现流程的异同。2.针对地物杂波环境研究零频杂波抑制算法。建立了雷达杂波的时域模型,设计了动目标显示(MTI)、动目标检测(MTD)及Kalmus滤波器,并分析各滤波器的频率响应结果,通过性能仿真和实测数据验证了不同杂波强度情况下各滤波器低速通道的信杂噪比(SCNR)改善能力。3.在DBT技术框架下研究基于杂波图的慢速目标检测算法。以瑞利分布杂波为背景研究了杂波图CFAR点技术与面技术的实现流程和相关参数设计,分析了不同参数对检测性能的影响。在实测数据中对比了各种均值类CFAR检测算法及杂波图CFAR检测算法对慢速目标的检测能力,结果表明通过MTD低速通道和Kalmus滤波后的数据共同建立杂波图的方式由于其既抑制了零频杂波又保留了慢速目标信息,因此具有更好的慢速或接近零速目标的检测能力。4.在TBD技术框架下研究基于PF-TBD的机动弱目标检测算法。建立雷达TBD模型并在此模型的基础上对PF-TBD算法的检测和跟踪过程进行详细的理论推导及仿真分析,并分析了算法在不同信噪比和不同粒子数下的检测和跟踪性能。针对机动弱目标研究了基于混合估计理论的多模PF-TBD算法,并针对弱目标运动状态突变场景,对多模PF-TBD算法引起的检测和跟踪性能损失进行改进,通过仿真及实测数据的实验结果表明改进算法具有更好的检测性能和跟踪误差,同时也表明PF-TBD算法相对于传统单帧目标检测算法具有更好的低慢小目标检测能力。

关键词：低慢小目标杂波抑制恒虚警粒子滤波检测前跟踪多模型

基于自适应阈值卷积网络的雷达低慢小目标检测

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基于自适应阈值卷积网络的雷达低慢小目标检测

作者：高静唯杭州电子科技大学

学位级别：硕士

无人机在军民领域提供便捷服务的同时,也给公共安全带来了巨大隐患。利用雷达对其进行探测和监管,能够克服其它遥感方式无法全天候全天时工作的缺点,但无人机多样的飞行环境及其低慢小特性,致使雷达回波背景复杂且信噪比低下,基于先验... 详细信息

无人机在军民领域提供便捷服务的同时,也给公共安全带来了巨大隐患。利用雷达对其进行探测和监管,能够克服其它遥感方式无法全天候全天时工作的缺点,但无人机多样的飞行环境及其低慢小特性,致使雷达回波背景复杂且信噪比低下,基于先验模型的传统恒虚警方法容易产生漏检,且依赖于人工分析,泛化能力弱。将能够从数据中自动提取高维特征的深度学习技术引入到雷达低慢小目标检测中,虽然极大提高了对环境的适应性,但现有方法使用固定概率阈值进行分类识别,对于难分样本识别效果非常有限,从而导致高虚警率。基于可微分二值化技术,本文研究基于自适应阈值卷积网络的雷达低慢小目标检测,具体内容包含以下几个方面:1.鉴于丰富充足的训练数据是深度学习技术得以成功的基础,基于少量实测数据的采集参数,建立了一套数据仿真体系,能够生成大量具有不同信噪比的雷达低慢小目标回波信号,用于深度神经网络模型得训练。同时,引入了一个低慢小目标检测公共数据集,并将距离速度标注信息转换成了实验所需的距离多普勒信息,以在介绍的分类指标和定位指标上验证所提方法的有效性。2.现有雷达低慢小目标二维卷积检测网络采用固定概率阈值抑制虚警,对于难分负样本抑制效果有限,且易过滤掉真实正样本。对此,基于可微分二值化技术设计了自适应阈值检测模型,同时预测输入样本的类别概率、概率阈值、位置偏移量。将预测概率和阈值进行比较得到候选目标单元后,对位置回归结果进行投票统计实现目标的准确定位。实验表明,提出方法在提升或维持检测率的情况下能够有效抑制虚警。3.针对以单帧距离-多普勒图作为输入的二维卷积检测网络没有充分利用目标的时间连续性特征的缺点,进一步提出基于自适应阈值三维卷积网络的雷达低慢小目标检测方法。以多帧连续的距离-多普勒图像体为输入,利用三维卷积在空间维度和时间维度同时提取目标的尖峰状特征,以更好地抑制背景和杂波。针对正负样本不均衡问题,设计了梯度均衡驱动的多任务损失函数。根据网络输出得到候选目标单元后,设计了密度分布筛选法,以减少虚假候选单元对回归结果的影响,从而进一步提高目标定位的准确性。4.开发了一个雷达低慢小目标检测仿真系统,集成了提出的自适应阈值二维卷积检测模型,交互地实现了数据载存、目标检测和结果显示等功能,为后续开发用于无人机等低慢小目标监测的安防系统建立了基础。

关键词：雷达目标检测低慢小目标卷积神经网络自适应阈值

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基于邻域特征的红外低慢小目标检测

红外与激光工程 2019年第A1期48卷 180-186页

作者：南天章耿建君陈旭陈颖天津津航技术物理研究所天津300308 北京电子工程总体研究所北京100854 中国科学院天津工业生物技术研究所天津300308

红外搜索系统具有不发射电磁波、抗电磁干扰能力强、目标指示精度高等优势,在低慢小目标探测领域有很好的应用前景。目前国内外基于红外搜索系统的目标检测算法通常利用当前图像与背景图像配准、差分的手段提取疑似目标,往往需要较大的... 详细信息

红外搜索系统具有不发射电磁波、抗电磁干扰能力强、目标指示精度高等优势,在低慢小目标探测领域有很好的应用前景。目前国内外基于红外搜索系统的目标检测算法通常利用当前图像与背景图像配准、差分的手段提取疑似目标,往往需要较大的存储空间保存周视背景图像,高精度实时图像配准算法的工程化应用也有较大难度。针对以上问题,设计了一种基于邻域特征的红外低慢小目标检测方法。通过高通滤波、边缘检测法提取疑似目标、目标邻域特征值统计法剔除背景干扰、多帧图像目标信息相关等处理过程,可在有效排除地物、云层及飞鸟等多种干扰的同时,准确地检测图像中的无人机目标。试验结果表明,该方法相比传统LCM算法目标检测概率更高、虚警率更低,且不涉及图像差分,具有对硬件资源要求低、实时性好等优点,有较高的工程应用价值。

关键词：图像处理目标检测红外搜索系统低慢小目标

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低慢小目标探测时的气象干扰抑制方法研究

现代雷达 2016年第7期38卷 36-39页

作者：魏耀张靖叶杰南京电子技术研究所南京210039

针对低慢小目标探测时可能出现的低速气象干扰航迹的问题,在低分辨雷达基于信号维特征的目标分类正确率偏低的情况下,提出一种基于多特征联合的气象虚警抑制方法,在目标稳定跟踪,形成稳定航迹时,联合目标的信号特征(形状、雷达散射截面... 详细信息

针对低慢小目标探测时可能出现的低速气象干扰航迹的问题,在低分辨雷达基于信号维特征的目标分类正确率偏低的情况下,提出一种基于多特征联合的气象虚警抑制方法,在目标稳定跟踪,形成稳定航迹时,联合目标的信号特征(形状、雷达散射截面积等),航迹分布特征(气象点迹比例、速度、方向等)等多种特征,利用多圈点迹的积累,提高气象干扰航迹的正确识别率并加以抑制,同时不影响真实低慢小目标的正常检测和跟踪。实际试飞结果表明:文中提出的基于多特征联合的气象虚警抑制方法在有效抑制气象干扰航迹的同时,不影响配试无人机的正常检测和跟踪。

关键词：低慢小目标窄带雷达气象干扰抑制目标分类多特征联合

多波段FMCW雷达低慢小探测数据集(LSS-FMCWR-1.0)及高分辨微动特征提取方法

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雷达学报（中英文） 2024年第3期13卷 539-553页

作者：陈小龙袁旺杜晓林于刚何肖阳关键汪兴海海军航空大学烟台264001 烟台大学烟台264005 济南大学济南250022

无人机等低慢小目标探测对雷达目标检测和识别技术提出了很高的挑战,迫切需要构建相关数据集,支撑低慢小探测技术的发展和应用。该文公开了一个多波段调频连续波(FMCW)雷达低慢小目标探测数据集,基于Ku波段和L波段的FMCW雷达采集6种类... 详细信息

无人机等低慢小目标探测对雷达目标检测和识别技术提出了很高的挑战,迫切需要构建相关数据集,支撑低慢小探测技术的发展和应用。该文公开了一个多波段调频连续波(FMCW)雷达低慢小目标探测数据集,基于Ku波段和L波段的FMCW雷达采集6种类型的无人机回波数据,通过雷达调制周期和调制带宽,具备不同时域和频域分辨和测量能力,构建了多波段FMCW雷达低慢小探测数据集(LSS-FMCWR-1.0)。为了进一步提升无人机微动特征提取能力,该文提出基于局部极大值同步提取变换的无人机微动提取和参数估计方法,在短时傅里叶变换的基础上提取时频能量最大值,保留有用信号分量,实现精细化时频表示。基于LSS-FMCWR-1.0进行验证分析,结果表明该方法相较于传统时频方法,熵值平均降低了5.3 dB,旋翼叶长估计误差降低了27.7%,所提方法兼顾高时频分辨率和较高的参数估计精度,为后续目标识别奠定了基础。

关键词：低慢小目标调频连续波雷达微动特性局部极大值同步提取变换公开数据集

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面向低慢小目标探测的稳健发射波束控制技术

石家庄铁道大学学报（自然科学版） 2023年第1期36卷 114-119页

作者：金松坡庄珊娜魏晓凤王鹏毅中国电子科技集团公司第54研究所河北石家庄050081 石家庄铁道大学信息科学与技术学院河北石家庄050043 中国空间技术研究院卫星应用总体部北京100094

针对低空、慢速小目标探测易被地面动目标或强地物杂波影响的问题,提出一种抑制近地侧杂波对低慢小目标检测影响的稳健发射波束控制算法。通过约束发射波束对地侧副瓣电平,可以减少对地侧区域的动目标或强地物杂波的回波。算法以波束稳... 详细信息

针对低空、慢速小目标探测易被地面动目标或强地物杂波影响的问题,提出一种抑制近地侧杂波对低慢小目标检测影响的稳健发射波束控制算法。通过约束发射波束对地侧副瓣电平,可以减少对地侧区域的动目标或强地物杂波的回波。算法以波束稳健性为目标函数,以峰均比约束优化发射能量利用率,将该优化问题转换为二阶锥优化(Second-Order Cone Programming,SOCP)问题,并求解该优化问题。仿真结果表明,该算法能够在保持发射效率的同时有效减少近地侧副瓣发射功率,同时提高发射波束的稳健性。

关键词：低慢小目标波束形成目标检测二阶锥优化

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低慢小目标跟踪算法的设计与研究

低慢小目标跟踪算法的设计与研究

作者：丁梦蝶哈尔滨工程大学

学位级别：硕士

低慢小目标是低空、慢速、小型目标的统称,一般将飞行高度在1000米以下,飞行时速小于200公里的低空飞行物称之为低慢小目标。近年来,随着无人机等低慢小航空器的飞速发展与低空空域管制的逐渐开放,低慢小目标违规飞行的事件日益增多,产... 详细信息

低慢小目标是低空、慢速、小型目标的统称,一般将飞行高度在1000米以下,飞行时速小于200公里的低空飞行物称之为低慢小目标。近年来,随着无人机等低慢小航空器的飞速发展与低空空域管制的逐渐开放,低慢小目标违规飞行的事件日益增多,产生了较大的负面影响。因此,基于低慢小目标的预警探测、处置拦截等问题已经成为了近期的研究热点之一。本文设计了一套针对低慢小目标的单目标跟踪算法,包括低慢小目标跟踪预处理模块与低慢小目标跟踪模块,可自动地从图像序列中发现低慢小目标、判定低慢小目标所属类别、跟踪低慢小目标。在跟踪预处理模块中,本文采用帧差法判断图像中是否存在运动的目标,通过一定的规则筛选掉非低慢小目标,引入最大类间方差法提取低慢小目标区域。为了判定低慢小目标的所属类别,本文提取目标的HOG特征,构建多分类支持向量机将低慢小目标划分为四旋翼无人机、飞鸟、风筝三类。本文采用上述过程作为跟踪预处理过程,为后续的低慢小目标跟踪奠定了基础。在跟踪模块中,本文设计了一种改进的TLD算法作为低慢小目标跟踪算法。在原始的TLD算法的基础上,改进算法以卡尔曼滤波作为预测器预估当前帧目标的中心位置,并根据目标在上一帧的大小自适应地调整检测窗口的尺度,以缩小检测器的搜索范围、减少检测器检测窗口个数,在保证跟踪准确度的前提下,提高了算法的实时性。最后,本文将上述跟踪预处理模块与跟踪模块结合在一起,形成了一套完整的针对低慢小目标的跟踪算法,可自动地从图像序列中发现低慢小目标、判定低慢小目标所属类别、跟踪低慢小目标。文中对算法的性能进行了大量测试,测试结果显示,本文设计的算法在简单背景下、背景发生较大改变的场景下与存在部分遮挡的场景中均能稳定地跟踪到低慢小目标,且可有效地适应目标在飞行中出现的尺度变化、旋转变化、消失重出现等情况,跟踪精度最低可以达到10×10像素,重叠度一般大于0.6,中心偏移误差一般小于10个像素,算法整体具有较高的准确度与较好的实时性。

关键词：低慢小目标目标跟踪 TLD算法多分类支持向量机

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低慢小目标频扫探测雷达系统设计

低慢小目标频扫探测雷达系统设计

作者：马鲁潼西安电子科技大学

学位级别：硕士

如今低空领域面临开放,滑翔机、动力伞、特别是无人机的使用愈加广泛,于是迫切需要一种对低空、慢速、弱小目标的完备监测手段。因此,研制一款具有体积小、功耗低、重量轻、可靠性高、价格便宜,以及距离盲区小、无速度盲点、距离分辨力... 详细信息

如今低空领域面临开放,滑翔机、动力伞、特别是无人机的使用愈加广泛,于是迫切需要一种对低空、慢速、弱小目标的完备监测手段。因此,研制一款具有体积小、功耗低、重量轻、可靠性高、价格便宜,以及距离盲区小、无速度盲点、距离分辨力高、抗干扰性能强的通用型低慢小目标探测雷达迫在眉睫。本文从早先的单兵探测装备出发,设计实现了一个能够探测及跟踪低慢小目标的雷达系统,分别从系统方案设计、算法流程仿真、硬件实现及系统测试分析等方面详细做了介绍。首先从系统的期望指标出发,设计了系统总体方案。系统主要由天线及射频前端模块、信号处理板与上位机软件组成。设计使用脉冲压缩雷达体制,天线使用波导裂缝阵频扫天线,方位扫描可覆盖90°范围。同时提出了射频前端模块的指标,介绍了射频前端模块的架构,并介绍了信号处理板的结构。其次,根据雷达参数在MATLAB中建立了雷达仿真模型,仿真了系统的信号处理流程,包括中频带通采样、数字下变频、脉冲压缩、动目标检测、恒虚警、点迹形成及目标跟踪等算法,并对仿真结果做了讨论。再次,介绍了系统在FPGA中的硬件实现。主要包括FPGA中的时钟域划分、带通采样、数字下变频及脉冲压缩算法的逻辑实现及千兆以太网的接口设计。最后对整个系统的性能做了分析,包括射频前端的动态范围、泄漏及相参性等性能,根据射频前端的实测性能推导了系统的检测能力,并在空旷环境和城市背景中以大疆精灵4无人机作为目标对系统进行了测试。系统检测的难题在于目标尺寸小,回波信号强度弱,在复杂背景下虚警很多,所以在文章最后提出了一种改善虚警率的方法。

关键词：低慢小目标频扫天线复杂杂波背景虚警率动态范围

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针对低慢小目标的雷达信号处理

电讯工程 2023年第1期 9-10页

作者：王锦陕西黄河集团设计研究所陕西西安710043

针对低慢小目标的特点,本文研究了雷达信号处理的实现流程,重点阐述了强杂波抑制、自适应恒虚警检测两个方法,结果说明该方法能有效抑制杂波干扰,在复杂背景条件下检测出低慢小目标。

关键词：低慢小目标雷达信号处理实测数据