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）是一個不斷發(fā)展的概念，隨著各種高新技術在檢測領域的運用，它不斷被賦予各種新的內容和組織形式。因此，以現(xiàn)代電子設備的自動檢測系統(tǒng)組成原理框圖，如圖1所示，說明當前自動檢測系統(tǒng)的基本組成。圖一自動檢測系統(tǒng)原理圖圖中表明，當前的自動檢測系統(tǒng)，通常包括以下幾個部分。（1）控制器：控制器是自動檢測系統(tǒng)的核心，它由計算機構成。其功能是管理檢測周期，控制數據流向，接收檢測結果，進行數據處理，檢查讀數是否在誤差范圍內，進行故障診斷，并將檢測結果送到顯示器或打印機?？刂破魇窃跈z測程序的作用下，對檢測周期內的每一步驟進行控制，從而完成上述功能的。（2）勵信號源：激勵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使號。根據各種UUT的不同要求，激勵裝置的形式也不同，如交直流電源、函數發(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．根據檢測的不同要求，測量儀器的形式也不同，如數字式多用表，頻率計，A／D變換器及其它類型的檢測儀器等。（4）開關系統(tǒng)：開關系統(tǒng)的功能是控制UUT和自動檢測系統(tǒng)中有關部件間的信號通道。即控制激勵信號輸入UUT，和UUT的被測信號輸往測量裝置的信號通道。（5）適配器：適配器的功能是實現(xiàn)UUT與自動檢測系統(tǒng)之間的信號連接。（6）人機接口：人機接口的功能是實現(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向控制器輸人信息，控制器將檢測結果及操作提示等有關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。當需要打印檢測結果時，人機接口內應配備打印機。（7）檢測程序：自動檢測系統(tǒng)是在檢測程序的控制下進行性能檢測和故障診斷的。檢測程序完成人機交互、儀器管理和驅動、檢測流程控制、檢測結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算量等于所采用的相關算法的計算量與搜索位置數之積,即由總計算量=(相關算法的計算量)(搜索位置數)來決定的。因此為了減少總的計算量,除上面介紹的方法外還有其他幾種方法。（1）幅度排序相關算法這種算法由兩個步驟組成:第一步把實時圖中的各個灰度值按幅度大小排列成列的形式,然后對它們進行二進制(或三進制)編碼,最后根據二進制排序的序列,把實時圖像變換成二進制陣列的一個有序集合,這一過程稱為幅度排序的預處理;第二步,順序地將這些二進制陣列與基準圖進行由粗到細相關,直到確定出自動檢測點位置。（2）FFT的相關算法由傅立葉分析中的相關定理可知,兩個函數在定義域中的卷積等于它們在頻域中的乘積,而相關則是卷積的一種特定形式。因此,存在著另一種計算相關函數的方法。雖然這樣做在時間上并沒有縮短,但是快速傅立葉變換技術比直接法計算速度提高了一個數量級,因此,用FFT進行頻域相關計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,使用電視信號模板與電視圖像進行匹配運算,利用像素比對法確定模板圖像和當前采集圖像的電視信號檢測區(qū)域的差異度,據此度量值判斷當前圖像和模板之間相匹配的程度。因為背景是一直在變化的,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算,在制作電視信號圖像模板的過程中已經確定電視信號有效像素,無效像素數值已設置為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,差異度計算公式如下。其中，P(m,n)——電視信號圖像中有效像素標志;x0,y0——電視信號檢測區(qū)域起始坐標;S(x0+m,y0+n)——采集圖像相對x0,y0偏移m,n點的像素值;T(m,n)——模板圖像中坐標為m,n點的像素值;E——相似度。由于信號傳輸等因素的影響,檢測時要對電視信號模板檢測區(qū)域和像素值進行修正。通常以電視信號檢測區(qū)域起始坐標區(qū)域作為基準,在圖像中先進行模板匹配運算確定最佳匹配點坐標,例如可在設定的檢測區(qū)域擴展100個像素進行模板匹配運算,并分別求出差異度。當最小差異度E小于設定閾值時,認為檢測到電視信號圖像,對應的(i,j)坐標作為新的電視信號檢測區(qū)域的起始坐標,并用對應圖像加權更新模板像素值。有時也可用圖像的互相關度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,這時可以通過以下方法加以改進: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,這時可以利用不動的部分將電視信號識別出來,或者動畫的時間很短,電視信號消失很短時間之后就恢復過來,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（CFAR）1.CFAR損失衡量一個CFAR性能優(yōu)劣的主要參數為均勻背景下的CFAR損失、雜波邊界條件下的虛警變化和抗多目標能力，其中CFAR損失被作為主要參數加以考慮。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，但后者卻給計算和分析帶來一定的簡化，因而受到人們的推崇。由于ADT計算的CFAR損失之和實際CFAR損失之間最多僅相差0.1dB，因而可以用ADT作為實際CFAR電路的CFAR損失進行測試。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信號加以計數，調整固定門限值，使得計數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化為ADT值，做若干次試驗，獲得的ADT加以平均，得到理想的ADT。將固定門現(xiàn)改為自適應門限，此時不斷調整門限乘子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。計算，此值即為CFAR處理器的CFAR損失。2.多目標效應為在多目標環(huán)境下提高SAR圖像目標的檢測性能，提出一種新的自適應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樣本點與一個獨立于干擾目標的判決門限進行比較，刪除參考窗中的干擾目標樣本點或者累計均勻雜波樣本點，然后重新計算判決門限，再對下一個樣本做判決，直至所有樣本點完成判決。將剩下的均勻雜波樣本做單元平均處理，形成檢驗統(tǒng)計量，可以完全不需要干擾目標的先驗信息。結合雙參數CFAR方法，將該監(jiān)測器應用于多目標環(huán)境下的SAR圖像目標檢測，可提高概率，保留目標輪廓特征，降低目標識別困難。干擾目標樣本點刪除：多目標環(huán)境中，干擾目標的出現(xiàn)使檢測閾值升高，對住目標的檢測概率會大幅下降，這就是所謂的遮蔽效應，因此必須刪除參考窗中的干擾目標樣本點。雙參數CFAR檢測方法：SAR圖像目標的CFAR檢測方法基于這樣一個事實：目標的雷達截面積在平均意義上要高于背景雜波。當不存在相干斑時，在SAR圖像上就表現(xiàn)為目標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行目標檢測。目前最具實用性的是雙參數CFAR檢測方法，他一起較低的計算復雜度和具有簡單的雜波自適應統(tǒng)計量成為檢測SAR圖像目標的一種最基本的方法。3.距離分辨率高距離分辨率(HighRangeResolution,HRR)雷達由于采用了脈沖壓縮或者頻率捷變技術,使得雷達發(fā)射信號具有很大的時寬帶寬積,從而獲得了距離高分辨的能力。HRR雷達距離分辨率可達亞米級,一般目標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,形成了距離擴展目標。(1)HRR雷達多秩目標檢測方法在距離擴展目標回波模型方面,針對秩1信號的距離擴展目標檢測研究較多,對更為一般的多秩距離擴展目標檢測研究較少,尤其是非高斯雜波背景下多秩距離擴展目標的檢測研究還有待開展。(2)HRR雷達運動目標檢測方法當目標高速運動時,經脈壓處理后的回波包絡會在不同的脈沖重復周期之間發(fā)生走動,由于HRR雷達的距離分辨單元很小,這種..包絡走動現(xiàn)象會比普通的低分辨率雷達更加嚴重,進一步增加了運動距離擴展目標檢測的難度。部分學者針對一維距離像信號模型進行了一定的研究,但是在利用原始復信號的運動距離擴展目標相參積累檢測方面有待進一步研究。(3)HRR雷達弱目標檢測方法與普通低分辨率雷達相比,HRR雷達在檢測弱目標方面具有先天的優(yōu)勢,因此需要深入分析弱目標的HRR雷達回波信號在時域、頻域、時頻域、空域、極化域和其它變換域中的特點,研究有效的HRR雷達弱目標檢測手段。(4)HRR雷達自適應目標檢測方法前期多數的研究工作是基于已知背景功率水平協(xié)方差矩陣的假設下進行的,目前關于距離擴展標的自適應檢測問題已逐步展開。一方面可以利用不含目標信號的輔助數據進行背景估計;另外,可以考慮無需輔助數據的距離擴展目標自適應檢測方法。(5)適用于實際應用的HRR雷達目標檢測方法當實際中目標或雜波模型與理想條件的模型不一致時,就會出現(xiàn)模型..失配的問題。點目標的..失配檢測問題得到了較好的解決,但是距離擴展目標的失配檢測問題由于其難度較大,至今研究進展不大。另外,目前大多數距離擴展目標檢測方法比較復雜,計算量較大,無法滿足工程中的實時性要求,因此,研究簡化算法或計算復雜度較低的高效算法也有著重要的現(xiàn)實意義。需要說明的是,上述問題在本質上是相互關聯(lián)和相互交叉的,一個方面的研究進展必將影響和推動其它方面的研究。隨著雷達技術的發(fā)展,HRR雷達目標檢測技術將得到更廣泛的應用。4.多普勒估計虛警控制從天線俘獲的信號一般經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行放大和匹配濾波，然后送入同步檢波器，同步檢波器產生兩種極性輸出：同相(I)和正交(Q)信號，接下來進行A/D變換，其幅度以大約一個脈沖寬度量級的間隔進行采樣。信號處理機根據信號到達的時間，即距離，對從A/D變換器來的輸入數據進行排序，將每個距離間隔的數存入距離單元內存位置，然后根據其多普勒頻率濾除大量雜波，通對每個距離單元形成一個窄帶濾波器組，信號處理機積累從同一目標來的后續(xù)回波（即具有相同多普勒頻率的回波）的能量，并進一步降低和目標回波相對抗的噪聲和背景雜波?；夭ㄐ盘柦涍^多普勒濾波和包絡檢波后進行恒虛警檢測處理。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，它們的共同特點是在局部估計中采用了取均值的方法利用均值類CFAR檢測技術可以較好地實現(xiàn)虛警率的恒定。均值類CFAR適用于空間上統(tǒng)計平穩(wěn)的背景，它在檢測單元前、后沿各有一個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，再對局部估計平均、選大、選小或加權平均，以確定檢測單元的背景雜波平均功率估計。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，如果目標信’作者簡介：袁興生，山東聊城人，國防科學技術大學系統(tǒng)仿真教研室研究生，主要研究方向為雷達系統(tǒng)仿真．號大于運算檢測門限則發(fā)現(xiàn)目標，否則目標就不能被發(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玎個參考單元采樣的均值估計得到，它在參考單元服從指數分布的假設下是雜波功率水平的一個充分統(tǒng)計量。它在雜波邊緣會引起虛警率的上升，而在多目標環(huán)境中將導致檢測性能的下降：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檢測器性能可能因為其他目標信號出現(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信號干擾的影響，因此具有一定的抗