自動檢測與恒虛警處理

自動檢測與恒虛警處理自動檢測1.自動監(jiān)測系統(tǒng)的基本原理自動檢測系統(tǒng)（ATS）是一個(gè)不斷發(fā)展的概念，隨著各種高新技術(shù)在檢測領(lǐng)域的運(yùn)用，它不斷被賦予各種新的內(nèi)容和組織形式。因此，以現(xiàn)代電子設(shè)備的自動檢測系統(tǒng)組成原理框圖，如圖1所示，說明當(dāng)前自動檢測系統(tǒng)的基本組成。圖一自動檢測系統(tǒng)原理圖圖中表明，當(dāng)前的自動檢測系統(tǒng)，通常包括以下幾個(gè)部分。（1）控制器：控制器是自動檢測系統(tǒng)的核心，它由計(jì)算機(jī)構(gòu)成。其功能是管理檢測周期，控制數(shù)據(jù)流向，接收檢測結(jié)果，進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，檢查讀數(shù)是否在誤差范圍內(nèi)，進(jìn)行故障診斷，并將檢測結(jié)果送到顯示器或打印機(jī)。控制器是在檢測程序的作用下，對檢測周期內(nèi)的每一步驟進(jìn)行控制，從而完成上述功能的。（2）勵(lì)信號源：激勵(lì)信號源是主動式檢測系統(tǒng)必不可少的組成部分．其功能是向被測單元（UUT）提供檢測所需的激勵(lì)使號。根據(jù)各種UUT的不同要求，激勵(lì)裝置的形式也不同，如交直流電源、函數(shù)發(fā)生器、D／A變換器、頻率合成器、微波源等。（3）測量儀器：測量儀器的功能是檢測UUT的輸出信號．根據(jù)檢測的不同要求，測量儀器的形式也不同，如數(shù)字式多用表，頻率計(jì)，A／D變換器及其它類型的檢測儀器等。（4）開關(guān)系統(tǒng)：開關(guān)系統(tǒng)的功能是控制UUT和自動檢測系統(tǒng)中有關(guān)部件間的信號通道。即控制激勵(lì)信號輸入U(xiǎn)UT，和UUT的被測信號輸往測量裝置的信號通道。（5）適配器：適配器的功能是實(shí)現(xiàn)UUT與自動檢測系統(tǒng)之間的信號連接。（6）人機(jī)接口：人機(jī)接口的功能是實(shí)現(xiàn)操作員和控制器的雙向通信。常見的形式為，操作員用鍵盤或開關(guān)向控制器輸人信息，控制器將檢測結(jié)果及操作提示等有關(guān)信息送到顯示器顯示。顯示器的類型有陰極射線管（CRT）顯示器、液晶（LCD）顯示器、發(fā)光二級管（LED）顯示器或燈光顯示裝置等。當(dāng)需要打印檢測結(jié)果時(shí)，人機(jī)接口內(nèi)應(yīng)配備打印機(jī)。（7）檢測程序：自動檢測系統(tǒng)是在檢測程序的控制下進(jìn)行性能檢測和故障診斷的。檢測程序完成人機(jī)交互、儀器管理和驅(qū)動、檢測流程控制、檢測結(jié)果的分析處理和輸出顯示、故障診斷等，是自動檢測系統(tǒng)的重要組成部分。2.自動檢測的算法簡介任何一種自動檢測算法的總計(jì)算量等于所采用的相關(guān)算法的計(jì)算量與搜索位置數(shù)之積,即由總計(jì)算量=(相關(guān)算法的計(jì)算量)(搜索位置數(shù))來決定的。因此為了減少總的計(jì)算量,除上面介紹的方法外還有其他幾種方法。（1）幅度排序相關(guān)算法這種算法由兩個(gè)步驟組成:第一步把實(shí)時(shí)圖中的各個(gè)灰度值按幅度大小排列成列的形式,然后對它們進(jìn)行二進(jìn)制(或三進(jìn)制)編碼,最后根據(jù)二進(jìn)制排序的序列,把實(shí)時(shí)圖像變換成二進(jìn)制陣列的一個(gè)有序集合,這一過程稱為幅度排序的預(yù)處理;第二步,順序地將這些二進(jìn)制陣列與基準(zhǔn)圖進(jìn)行由粗到細(xì)相關(guān),直到確定出自動檢測點(diǎn)位置。（2）FFT的相關(guān)算法由傅立葉分析中的相關(guān)定理可知,兩個(gè)函數(shù)在定義域中的卷積等于它們在頻域中的乘積,而相關(guān)則是卷積的一種特定形式。因此,存在著另一種計(jì)算相關(guān)函數(shù)的方法。雖然這樣做在時(shí)間上并沒有縮短,但是快速傅立葉變換技術(shù)比直接法計(jì)算速度提高了一個(gè)數(shù)量級,因此,用FFT進(jìn)行頻域相關(guān)計(jì)算是一種可行的方法。3.電視信號圖像自動檢測算法電視信號檢測時(shí),使用電視信號模板與電視圖像進(jìn)行匹配運(yùn)算,利用像素比對法確定模板圖像和當(dāng)前采集圖像的電視信號檢測區(qū)域的差異度,據(jù)此度量值判斷當(dāng)前圖像和模板之間相匹配的程度。因?yàn)楸尘笆且恢痹谧兓?模板中除電視信號圖像以外的區(qū)域不能加入模板匹配運(yùn)算,在制作電視信號圖像模板的過程中已經(jīng)確定電視信號有效像素,無效像素?cái)?shù)值已設(shè)置為0,所以電視信號有效像素模板可表示為如下公式。原始圖像和利用電視信號模板進(jìn)行圖像減影的圖像電視信號檢測區(qū)域的尺寸與電視信號相同。以灰度圖像為例,差異度計(jì)算公式如下。其中，P(m,n)——電視信號圖像中有效像素標(biāo)志;x0,y0——電視信號檢測區(qū)域起始坐標(biāo);S(x0+m,y0+n)——采集圖像相對x0,y0偏移m,n點(diǎn)的像素值;T(m,n)——模板圖像中坐標(biāo)為m,n點(diǎn)的像素值;E——相似度。由于信號傳輸?shù)纫蛩氐挠绊?檢測時(shí)要對電視信號模板檢測區(qū)域和像素值進(jìn)行修正。通常以電視信號檢測區(qū)域起始坐標(biāo)區(qū)域作為基準(zhǔn),在圖像中先進(jìn)行模板匹配運(yùn)算確定最佳匹配點(diǎn)坐標(biāo),例如可在設(shè)定的檢測區(qū)域擴(kuò)展100個(gè)像素進(jìn)行模板匹配運(yùn)算,并分別求出差異度。當(dāng)最小差異度E小于設(shè)定閾值時(shí),認(rèn)為檢測到電視信號圖像,對應(yīng)的(i,j)坐標(biāo)作為新的電視信號檢測區(qū)域的起始坐標(biāo),并用對應(yīng)圖像加權(quán)更新模板像素值。有時(shí)也可用圖像的互相關(guān)度R(i,j)度量S(i,j)和T之間的相同性,R(i,j)越大S(i,j)與T越相近。由于實(shí)際中存在的電視信號是多種多樣的,其中動畫電視信號、半透明電視信號受電視節(jié)目背景影響很大,這時(shí)可以通過以下方法加以改進(jìn):1建立表示電視信號大致形狀的蒙板,在識別過程中,對區(qū)域外的部分不處理;o利用電視信號前后幀的相關(guān)性來提高識別的穩(wěn)定性,正常播出電視節(jié)目都要求有電視信號標(biāo)識,因此電視信號在播出過程中是相對穩(wěn)定保持不變的;.利用前后幾幀畫面來增強(qiáng)待識別的電視信號,可以提高電視信號識別的穩(wěn)定性;.利用播出規(guī)律提高識別正確率。例如對于動畫電視信號,一種情況是動畫的部分較少,這時(shí)可以利用不動的部分將電視信號識別出來,或者動畫的時(shí)間很短,電視信號消失很短時(shí)間之后就恢復(fù)過來,將電視信號消失的這種變化記錄下來,可以識別動畫電視信號。恒虛警接收機(jī)（CFAR）1.CFAR損失衡量一個(gè)CFAR性能優(yōu)劣的主要參數(shù)為均勻背景下的CFAR損失、雜波邊界條件下的虛警變化和抗多目標(biāo)能力，其中CFAR損失被作為主要參數(shù)加以考慮。所謂CFAR損失是指在特定虛警概率和檢測概率條件下，信號通過CFAR處理器比不通過CFAR處理器所需增加的信噪比的數(shù)值。目前，CFAR損失的度量有兩種，一種為直接測量法，即按定義對CFAR處理器進(jìn)行測量；另一種為間接測試方法，即用平均決策門限（ADT）來測量。這兩種測試方法測出的CFAR損失值不完全相同，但在一定條件下兩者相差不大，但后者卻給計(jì)算和分析帶來一定的簡化，因而受到人們的推崇。由于ADT計(jì)算的CFAR損失之和實(shí)際CFAR損失之間最多僅相差0.1dB，因而可以用ADT作為實(shí)際CFAR電路的CFAR損失進(jìn)行測試。測試的步驟如下：首先確定理想的ADT0值，將檢測單元加上固定門限，將超過門限的1bit信號加以計(jì)數(shù)，調(diào)整固定門限值，使得計(jì)數(shù)的虛警概率為所確定的值，如10-4。然后用ADT算法將固定門限值轉(zhuǎn)化為ADT值，做若干次試驗(yàn)，獲得的ADT加以平均，得到理想的ADT。將固定門現(xiàn)改為自適應(yīng)門限，此時(shí)不斷調(diào)整門限乘子T，使得超過門限的1bit信號的虛警概率為先所確定得值，同樣，按照ADT計(jì)算方法將加以比較器的門限值改為ADT值，做若干次并將得到的ADT加以平均，從而得到所需要的ADT值。計(jì)算，此值即為CFAR處理器的CFAR損失。2.多目標(biāo)效應(yīng)為在多目標(biāo)環(huán)境下提高SAR圖像目標(biāo)的檢測性能，提出一種新的自適應(yīng)CFAR檢測器——逐步積累單元平均CFAR檢測器。通過將參考窗中的每一個(gè)樣本點(diǎn)與一個(gè)獨(dú)立于干擾目標(biāo)的判決門限進(jìn)行比較，刪除參考窗中的干擾目標(biāo)樣本點(diǎn)或者累計(jì)均勻雜波樣本點(diǎn)，然后重新計(jì)算判決門限，再對下一個(gè)樣本做判決，直至所有樣本點(diǎn)完成判決。將剩下的均勻雜波樣本做單元平均處理，形成檢驗(yàn)統(tǒng)計(jì)量，可以完全不需要干擾目標(biāo)的先驗(yàn)信息。結(jié)合雙參數(shù)CFAR方法，將該監(jiān)測器應(yīng)用于多目標(biāo)環(huán)境下的SAR圖像目標(biāo)檢測，可提高概率，保留目標(biāo)輪廓特征，降低目標(biāo)識別困難。干擾目標(biāo)樣本點(diǎn)刪除：多目標(biāo)環(huán)境中，干擾目標(biāo)的出現(xiàn)使檢測閾值升高，對住目標(biāo)的檢測概率會大幅下降，這就是所謂的遮蔽效應(yīng)，因此必須刪除參考窗中的干擾目標(biāo)樣本點(diǎn)。雙參數(shù)CFAR檢測方法：SAR圖像目標(biāo)的CFAR檢測方法基于這樣一個(gè)事實(shí)：目標(biāo)的雷達(dá)截面積在平均意義上要高于背景雜波。當(dāng)不存在相干斑時(shí)，在SAR圖像上就表現(xiàn)為目標(biāo)像素的灰度值要高于背景雜波像素的灰度值。這使得我們可以利用圖像的對比度特征進(jìn)行目標(biāo)檢測。目前最具實(shí)用性的是雙參數(shù)CFAR檢測方法，他一起較低的計(jì)算復(fù)雜度和具有簡單的雜波自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)量成為檢測SAR圖像目標(biāo)的一種最基本的方法。3.距離分辨率高距離分辨率(HighRangeResolution,HRR)雷達(dá)由于采用了脈沖壓縮或者頻率捷變技術(shù),使得雷達(dá)發(fā)射信號具有很大的時(shí)寬帶寬積,從而獲得了距離高分辨的能力。HRR雷達(dá)距離分辨率可達(dá)亞米級,一般目標(biāo)的回波分布在不同的徑向距離單元中,呈現(xiàn)為..一維距離像,形成了距離擴(kuò)展目標(biāo)。(1)HRR雷達(dá)多秩目標(biāo)檢測方法在距離擴(kuò)展目標(biāo)回波模型方面,針對秩1信號的距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測研究較多,對更為一般的多秩距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測研究較少,尤其是非高斯雜波背景下多秩距離擴(kuò)展目標(biāo)的檢測研究還有待開展。(2)HRR雷達(dá)運(yùn)動目標(biāo)檢測方法當(dāng)目標(biāo)高速運(yùn)動時(shí),經(jīng)脈壓處理后的回波包絡(luò)會在不同的脈沖重復(fù)周期之間發(fā)生走動,由于HRR雷達(dá)的距離分辨單元很小,這種..包絡(luò)走動現(xiàn)象會比普通的低分辨率雷達(dá)更加嚴(yán)重,進(jìn)一步增加了運(yùn)動距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測的難度。部分學(xué)者針對一維距離像信號模型進(jìn)行了一定的研究,但是在利用原始復(fù)信號的運(yùn)動距離擴(kuò)展目標(biāo)相參積累檢測方面有待進(jìn)一步研究。(3)HRR雷達(dá)弱目標(biāo)檢測方法與普通低分辨率雷達(dá)相比,HRR雷達(dá)在檢測弱目標(biāo)方面具有先天的優(yōu)勢,因此需要深入分析弱目標(biāo)的HRR雷達(dá)回波信號在時(shí)域、頻域、時(shí)頻域、空域、極化域和其它變換域中的特點(diǎn),研究有效的HRR雷達(dá)弱目標(biāo)檢測手段。(4)HRR雷達(dá)自適應(yīng)目標(biāo)檢測方法前期多數(shù)的研究工作是基于已知背景功率水平協(xié)方差矩陣的假設(shè)下進(jìn)行的,目前關(guān)于距離擴(kuò)展標(biāo)的自適應(yīng)檢測問題已逐步展開。一方面可以利用不含目標(biāo)信號的輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行背景估計(jì);另外,可以考慮無需輔助數(shù)據(jù)的距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測方法。(5)適用于實(shí)際應(yīng)用的HRR雷達(dá)目標(biāo)檢測方法當(dāng)實(shí)際中目標(biāo)或雜波模型與理想條件的模型不一致時(shí),就會出現(xiàn)模型..失配的問題。點(diǎn)目標(biāo)的..失配檢測問題得到了較好的解決,但是距離擴(kuò)展目標(biāo)的失配檢測問題由于其難度較大,至今研究進(jìn)展不大。另外,目前大多數(shù)距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測方法比較復(fù)雜,計(jì)算量較大,無法滿足工程中的實(shí)時(shí)性要求,因此,研究簡化算法或計(jì)算復(fù)雜度較低的高效算法也有著重要的現(xiàn)實(shí)意義。需要說明的是,上述問題在本質(zhì)上是相互關(guān)聯(lián)和相互交叉的,一個(gè)方面的研究進(jìn)展必將影響和推動其它方面的研究。隨著雷達(dá)技術(shù)的發(fā)展,HRR雷達(dá)目標(biāo)檢測技術(shù)將得到更廣泛的應(yīng)用。4.多普勒估計(jì)虛警控制從天線俘獲的信號一般經(jīng)過低噪聲放大器先將輸入回波信號的功率放大，再送至混頻器，高頻接受脈沖信號從天線俘獲的信號一般經(jīng)過低噪聲放大器先將輸入回波的功率放大，再送至混頻器，高頻接收脈沖信號與本機(jī)振蕩器的等幅高頻電壓混頻，將信號頻率降為中頻，再由多級中頻放大器對中頻脈沖信號進(jìn)行放大和匹配濾波，然后送入同步檢波器，同步檢波器產(chǎn)生兩種極性輸出：同相(I)和正交(Q)信號，接下來進(jìn)行A/D變換，其幅度以大約一個(gè)脈沖寬度量級的間隔進(jìn)行采樣。信號處理機(jī)根據(jù)信號到達(dá)的時(shí)間，即距離，對從A/D變換器來的輸入數(shù)據(jù)進(jìn)行排序，將每個(gè)距離間隔的數(shù)存入距離單元內(nèi)存位置，然后根據(jù)其多普勒頻率濾除大量雜波，通對每個(gè)距離單元形成一個(gè)窄帶濾波器組，信號處理機(jī)積累從同一目標(biāo)來的后續(xù)回波（即具有相同多普勒頻率的回波）的能量，并進(jìn)一步降低和目標(biāo)回波相對抗的噪聲和背景雜波?；夭ㄐ盘柦?jīng)過多普勒濾波和包絡(luò)檢波后進(jìn)行恒虛警檢測處理。這里討論均值類CFAR處理方法：單元平均CFAR方法，最大選擇GO--CFAR和最小選擇SO--CFAR。CFAR方法，它們的共同特點(diǎn)是在局部估計(jì)中采用了取均值的方法利用均值類CFAR檢測技術(shù)可以較好地實(shí)現(xiàn)虛警率的恒定。均值類CFAR適用于空間上統(tǒng)計(jì)平穩(wěn)的背景，它在檢測單元前、后沿各有一個(gè)覆蓋若干距離單元的滑動窗，利用滑動窗中參考采樣的均值，形成前、后沿局部估計(jì)，再對局部估計(jì)平均、選大、選小或加權(quán)平均，以確定檢測單元的背景雜波平均功率估計(jì)。鑒于信號可能會跨越到前后鄰近單元中，檢測單元及其臨近前后距離單元一般不包括在平均窗內(nèi)，如果目標(biāo)信’作者簡介：袁興生，山東聊城人，國防科學(xué)技術(shù)大學(xué)系統(tǒng)仿真教研室研究生，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)仿真．號大于運(yùn)算檢測門限則發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，否則目標(biāo)就不能被發(fā)現(xiàn)。在單元平均CA—CFAR方法榆測器中，背景雜波功率水平由２玎個(gè)參考單元采樣的均值估計(jì)得到，它在參考單元服從指數(shù)分布的假設(shè)下是雜波功率水平的一個(gè)充分統(tǒng)計(jì)量。它在雜波邊緣會引起虛警率的上升，而在多目標(biāo)環(huán)境中將導(dǎo)致檢測性能的下降：GO--CFAR檢測在雜波邊緣環(huán)境中能保持較好的控制虛警性能；CA--CFAR和GO--CFAR檢測器性能可能因?yàn)槠渌繕?biāo)信號出現(xiàn)在參考單元中而意外抬高檢測門限，降低了檢測性能，但SO--CFAR恒虛警檢測器不受此類目標(biāo)信號干擾的影響，因此具有一定的抗