自動(dòng)檢測(cè)與恒虛警處理

自動(dòng)檢測(cè)與恒虛警處理自動(dòng)檢測(cè)1.自動(dòng)監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的基本原理自動(dòng)檢測(cè)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(cè)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(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)組成原理框圖，如圖1所示，說(shuō)明當(dāng)前自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的基本組成。圖一自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)原理圖圖中表明，當(dāng)前的自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)，通常包括以下幾個(gè)部分。（1）控制器：控制器是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的核心，它由計(jì)算機(jī)構(gòu)成。其功能是管理檢測(cè)周期，控制數(shù)據(jù)流向，接收檢測(cè)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(cè)結(jié)果送到顯示器或打印機(jī)?？刂破魇窃跈z測(cè)程序的作用下，對(duì)檢測(cè)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(hào)源：激勵(lì)信號(hào)源是主動(dòng)式檢測(cè)系統(tǒng)必不可少的組成部分．其功能是向被測(cè)單元（UUT）提供檢測(cè)所需的激勵(lì)使號(hào)。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(cè)量?jī)x器：測(cè)量?jī)x器的功能是檢測(cè)UUT的輸出信號(hào)．根據(jù)檢測(cè)的不同要求，測(cè)量?jī)x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(cè)儀器等。（4）開(kāi)關(guān)系統(tǒng)：開(kāi)關(guān)系統(tǒng)的功能是控制UUT和自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)中有關(guān)部件間的信號(hào)通道。即控制激勵(lì)信號(hào)輸入U(xiǎn)UT，和UUT的被測(cè)信號(hào)輸往測(cè)量裝置的信號(hào)通道。（5）適配器：適配器的功能是實(shí)現(xiàn)UUT與自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)之間的信號(hào)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(jiàn)的形式為，操作員用鍵盤(pán)或開(kāi)關(guān)向控制器輸人信息，控制器將檢測(cè)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(jí)管（LED）顯示器或燈光顯示裝置等。當(dāng)需要打印檢測(cè)結(jié)果時(shí)，人機(jī)接口內(nèi)應(yīng)配備打印機(jī)。（7）檢測(cè)程序：自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)是在檢測(cè)程序的控制下進(jìn)行性能檢測(cè)和故障診斷的。檢測(cè)程序完成人機(jī)交互、儀器管理和驅(qū)動(dòng)、檢測(cè)流程控制、檢測(cè)結(jié)果的分析處理和輸出顯示、故障診斷等，是自動(dòng)檢測(cè)系統(tǒng)的重要組成部分。2.自動(dòng)檢測(cè)的算法簡(jiǎn)介任何一種自動(dòng)檢測(cè)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(lái)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(duì)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(guò)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(dòng)檢測(cè)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?cè)陬l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(méi)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(jí),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(hào)圖像自動(dòng)檢測(cè)算法電視信號(hào)檢測(cè)時(shí),使用電視信號(hào)模板與電視圖像進(jìn)行匹配運(yùn)算,利用像素比對(duì)法確定模板圖像和當(dāng)前采集圖像的電視信號(hào)檢測(cè)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(hào)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(hào)圖像模板的過(guò)程中已經(jīng)確定電視信號(hào)有效像素,無(wú)效像素?cái)?shù)值已設(shè)置為0,所以電視信號(hào)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(hào)模板進(jìn)行圖像減影的圖像電視信號(hào)檢測(cè)區(qū)域的尺寸與電視信號(hào)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(hào)圖像中有效像素標(biāo)志;x0,y0——電視信號(hào)檢測(cè)區(qū)域起始坐標(biāo);S(x0+m,y0+n)——采集圖像相對(duì)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(hào)傳輸?shù)纫蛩氐挠绊?檢測(cè)時(shí)要對(duì)電視信號(hào)模板檢測(cè)區(qū)域和像素值進(jìn)行修正。通常以電視信號(hào)檢測(cè)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(cè)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(cè)到電視信號(hào)圖像,對(duì)應(yīng)的(i,j)坐標(biāo)作為新的電視信號(hào)檢測(cè)區(qū)域的起始坐標(biāo),并用對(duì)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(hào)是多種多樣的,其中動(dòng)畫(huà)電視信號(hào)、半透明電視信號(hào)受電視節(jié)目背景影響很大,這時(shí)可以通過(guò)以下方法加以改進(jìn):1建立表示電視信號(hào)大致形狀的蒙板,在識(shí)別過(guò)程中,對(duì)區(qū)域外的部分不處理;o利用電視信號(hào)前后幀的相關(guān)性來(lái)提高識(shí)別的穩(wěn)定性,正常播出電視節(jié)目都要求有電視信號(hào)標(biāo)識(shí),因此電視信號(hào)在播出過(guò)程中是相對(duì)穩(wěn)定保持不變的;.利用前后幾幀畫(huà)面來(lái)增強(qiáng)待識(shí)別的電視信號(hào),可以提高電視信號(hào)識(shí)別的穩(wěn)定性;.利用播出規(guī)律提高識(shí)別正確率。例如對(duì)于動(dòng)畫(huà)電視信號(hào),一種情況是動(dòng)畫(huà)的部分較少,這時(shí)可以利用不動(dòng)的部分將電視信號(hào)識(shí)別出來(lái),或者動(dòng)畫(huà)的時(shí)間很短,電視信號(hào)消失很短時(shí)間之后就恢復(fù)過(guò)來(lái),將電視信號(hào)消失的這種變化記錄下來(lái),可以識(shí)別動(dòng)畫(huà)電視信號(hào)。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(cè)概率條件下，信號(hào)通過(guò)CFAR處理器比不通過(guò)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(cè)量法，即按定義對(duì)CFAR處理器進(jìn)行測(cè)量；另一種為間接測(cè)試方法，即用平均決策門(mén)限（ADT）來(lái)測(cè)量。這兩種測(cè)試方法測(cè)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(lái)一定的簡(jiǎn)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(cè)試。測(cè)試的步驟如下：首先確定理想的ADT0值，將檢測(cè)單元加上固定門(mén)限，將超過(guò)門(mén)限的1bit信號(hào)加以計(jì)數(shù)，調(diào)整固定門(mén)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(mén)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(mén)現(xiàn)改為自適應(yīng)門(mén)限，此時(shí)不斷調(diào)整門(mén)限乘子T，使得超過(guò)門(mén)限的1bit信號(hào)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(mén)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(cè)性能，提出一種新的自適應(yīng)CFAR檢測(cè)器——逐步積累單元平均CFAR檢測(cè)器。通過(guò)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(mén)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(mén)限，再對(duì)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(cè)器應(yīng)用于多目標(biāo)環(huán)境下的SAR圖像目標(biāo)檢測(cè)，可提高概率，保留目標(biāo)輪廓特征，降低目標(biāo)識(shí)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(cè)閾值升高，對(duì)住目標(biāo)的檢測(cè)概率會(huì)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(cè)方法：SAR圖像目標(biāo)的CFAR檢測(cè)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(duì)比度特征進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè)。目前最具實(shí)用性的是雙參數(shù)CFAR檢測(cè)方法，他一起較低的計(jì)算復(fù)雜度和具有簡(jiǎn)單的雜波自適應(yīng)統(tǒng)計(jì)量成為檢測(cè)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(hào)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(jí),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(cè)方法在距離擴(kuò)展目標(biāo)回波模型方面,針對(duì)秩1信號(hào)的距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測(cè)研究較多,對(duì)更為一般的多秩距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測(cè)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(cè)研究還有待開(kāi)展。(2)HRR雷達(dá)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)方法當(dāng)目標(biāo)高速運(yùn)動(dòng)時(shí),經(jīng)脈壓處理后的回波包絡(luò)會(huì)在不同的脈沖重復(fù)周期之間發(fā)生走動(dòng),由于HRR雷達(dá)的距離分辨單元很小,這種..包絡(luò)走動(dòng)現(xiàn)象會(huì)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(dòng)距離擴(kuò)展目標(biāo)檢測(cè)的難度。部分學(xué)者針對(duì)一維距離像信號(hào)模型進(jìn)行了一定的研究,但是在利用原始復(fù)信號(hào)的運(yùn)動(dòng)距離擴(kuò)展目標(biāo)相參積累檢測(cè)方面有待進(jìn)一步研究。(3)HRR雷達(dá)弱目標(biāo)檢測(cè)方法與普通低分辨率雷達(dá)相比,HRR雷達(dá)在檢測(cè)弱目標(biāo)方面具有先天的優(yōu)勢(shì),因此需要深入分析弱目標(biāo)的HRR雷達(dá)回波信號(hào)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(cè)手段。(4)HRR雷達(dá)自適應(yīng)目標(biāo)檢測(cè)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(cè)問(wèn)題已逐步展開(kāi)。一方面可以利用不含目標(biāo)信號(hào)的輔助數(shù)據(jù)進(jìn)行背景估計(jì);另外,可以考慮無(wú)需輔助數(shù)據(jù)的距離擴(kuò)展目標(biāo)自適應(yīng)檢測(cè)方法。(5)適用于實(shí)際應(yīng)用的HRR雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)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(huì)出現(xiàn)模型..失配的問(wèn)題。點(diǎn)目標(biāo)的..失配檢測(cè)問(wèn)題得到了較好的解決,但是距離擴(kuò)展目標(biāo)的失配檢測(cè)問(wèn)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(cè)方法比較復(fù)雜,計(jì)算量較大,無(wú)法滿足工程中的實(shí)時(shí)性要求,因此,研究簡(jiǎn)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(shuō)明的是,上述問(wèn)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(dòng)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(cè)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(hào)一般經(jīng)過(guò)低噪聲放大器先將輸入回波信號(hào)的功率放大，再送至混頻器，高頻接受脈沖信號(hào)從天線俘獲的信號(hào)一般經(jīng)過(guò)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(hào)與本機(jī)振蕩器的等幅高頻電壓混頻，將信號(hào)頻率降為中頻，再由多級(jí)中頻放大器對(duì)中頻脈沖信號(hào)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(hào)，接下來(lái)進(jìn)行A/D變換，其幅度以大約一個(gè)脈沖寬度量級(jí)的間隔進(jìn)行采樣。信號(hào)處理機(jī)根據(jù)信號(hào)到達(dá)的時(shí)間，即距離，對(duì)從A/D變換器來(lái)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(duì)每個(gè)距離單元形成一個(gè)窄帶濾波器組，信號(hào)處理機(jī)積累從同一目標(biāo)來(lái)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(duì)抗的噪聲和背景雜波?；夭ㄐ盘?hào)經(jīng)過(guò)多普勒濾波和包絡(luò)檢波后進(jìn)行恒虛警檢測(cè)處理。這里討論均值類CFAR處理方法：?jiǎn)卧骄鵆FAR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(cè)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(cè)單元前、后沿各有一個(gè)覆蓋若干距離單元的滑動(dòng)窗，利用滑動(dòng)窗中參考采樣的均值，形成前、后沿局部估計(jì)，再對(duì)局部估計(jì)平均、選大、選小或加權(quán)平均，以確定檢測(cè)單元的背景雜波平均功率估計(jì)。鑒于信號(hào)可能會(huì)跨越到前后鄰近單元中，檢測(cè)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(jiǎn)介：袁興生，山東聊城人，國(guó)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(hào)大于運(yùn)算檢測(cè)門(mén)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(cè)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(huì)引起虛警率的上升，而在多目標(biāo)環(huán)境中將導(dǎo)致檢測(cè)性能的下降：GO--CFAR檢測(cè)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(cè)器性能可能因?yàn)槠渌繕?biāo)信號(hào)出現(xiàn)在參考單元中而意外抬高檢測(cè)門(mén)限，降低了檢測(cè)性能，但SO--CFAR恒虛警檢測(cè)器不受此類目標(biāo)信號(hào)干擾的影響，因此具有一定的抗