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基于特征时序性的海杂波环境小目标检测方法

董云龙 罗霄 丁昊 王国庆 刘宁波

董云龙, 罗霄, 丁昊, 王国庆, 刘宁波. 基于特征时序性的海杂波环境小目标检测方法[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(3): 707-719. doi: 10.11999/JEIT240528
引用本文: 董云龙, 罗霄, 丁昊, 王国庆, 刘宁波. 基于特征时序性的海杂波环境小目标检测方法[J]. 电子与信息学报, 2025, 47(3): 707-719. doi: 10.11999/JEIT240528
DONG Yunlong, LUO Xiao, DING Hao, WANG Guoqing, LIU Ningbo. A Detection Method of Small Target in Sea Clutter Environment Based on Feature Temporal Sequence[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(3): 707-719. doi: 10.11999/JEIT240528
Citation: DONG Yunlong, LUO Xiao, DING Hao, WANG Guoqing, LIU Ningbo. A Detection Method of Small Target in Sea Clutter Environment Based on Feature Temporal Sequence[J]. Journal of Electronics & Information Technology, 2025, 47(3): 707-719. doi: 10.11999/JEIT240528

基于特征时序性的海杂波环境小目标检测方法

doi: 10.11999/JEIT240528
基金项目: 国家自然科学基金(62388102, 62101583)
详细信息
    作者简介:

    董云龙:男,博士,教授,研究方向为雷达目标组网检测等

    罗霄:男,硕士生,研究方向为雷达信号处理、目标检测等

    丁昊:男,博士,副教授,研究方向为海杂波特性认知、雷达目标检测等

    王国庆:男,博士,副教授。研究方向为雷达信号目标检测、电路系统设计等

    刘宁波:男,博士,教授,研究方向为雷达信号处理、海杂波抑制与目标智能检测

    通讯作者:

    丁昊 hao3431@tom.com

  • 中图分类号: TN957.51

A Detection Method of Small Target in Sea Clutter Environment Based on Feature Temporal Sequence

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62388102, 62101583)
  • 摘要: 特征检测作为海杂波环境下小目标检测的有效手段,受到了广泛关注与深入研究。过去对特征的研究大多关注于当前帧,近年来使用帧间时序信息融合当前帧特征的方法也被提出并在检测方面取得一定效果。但该方法不能很好地适应具有时变性的海杂波数据,且仅采用静态加权算法融合特征,对历史帧信息的利用不够充分。针对上述问题,该文提出基于模型稳定的修正Burg方法进行特征自回归(AR)建模与一步预测,使模型能够自适应调整极点分布,提高了海杂波特征预测的准确性,并基于求解多变量极值问题提出了一种动态加权算法得到了最小方差的融合特征。该文结合IPIX数据集和海军航空大学共享数据集进行实验,利用相对平均幅度(RAA)、相对多普勒峰高(RDPH)、频域峰均值比(FPAR)3特征构建凸包检测器验证了所提方法的有效性。
  • 图  1  航道浮标图

    图  2  不同海况时域回波图

    图  3  加入稳定因子后AR模型极点变化

    图  4  特征频谱对比

    图  5  特征相对预测误差随稳定参数变化曲线

    图  6  修正Burg方法的AR预测曲线与观测曲线对比

    图  7  动态加权算法检测器流程

    图  8  不同滑窗宽度对应的数据方差曲线

    图  9  3种算法计算后数据方差对比

    图  10  凸包检测器图示

    图  11  不同极化3种算法计算后特征巴氏距离对比

    图  12  融合特征后平均检测概率随AR阶数增加的变化曲线

    图  13  不同极化本文所提方法与其他特征组合的检测效果对比

    图  14  不同海况背景下本文所提方法与其他检测方法的边界性能对比

    表  1  IPIX数据集信息

    文件序号采样数浪高风力目标影响单元
    目标所在单元
    总距离
    最大(m)一般(m)风向(°)风速(m/s)单元个数
    17131 0723.12.1301108:11914
    26131 0721.561.0321196:9714
    30131 0721.250.89210196:8714
    31131 0721.280.89206156:9714
    54131 0720.970.66308207:10814
    280131 0722.41.44216117:10814
    310131 0721.380.9313336:9714
    311131 0721.380.9310336:9714
    320131 0721.340.91317276:9714
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    表  2  LSTM训练参数设置

    预设参数设置值
    最大训练次数150
    梯度阈值1
    使用历史帧数20
    初始学习率0.01
    调整学习率节点60次以后
    学习率调整因子0.2
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    表  3  不同预测方法下杂波特征的平均相对预测误差

    AR预测方法 不同特征的平均相对预测误差
    RAA FPAR RDPH
    本文所提方法 0.128 3 0.204 7 0.319 4
    未修正Burg方法 0.153 0 0.225 6 0.345 0
    文献[10]方法 0.198 3 0.260 3 0.338 4
    LSTM 0.263 2 0.198 5 0.296 0
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    表  4  不同预测方法下目标特征的平均相对预测误差

    AR预测方法 不同特征的平均相对预测误差
    RAA FPAR RDPH
    本文方法 0.112 6 0.183 1 0.285 8
    未修正Burg方法 0.126 9 0.199 9 0.315 8
    文献[10]方法 0.198 3 0.260 3 0.338 4
    LSTM 0.152 7 0.183 2 0.310 7
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    表  5  IPIX数据检测结果

    检测器 使用脉冲数 不同极化方式下的平均检测概率 平均检测概率
    HH HV VH VV
    原3特征
    检测器
    64 0.245 9 0.349 1 0.339 3 0.177 2 0.277 9
    128 0.437 2 0.574 3 0.569 9 0.368 7 0.487 5
    256 0.569 4 0.699 6 0.696 7 0.496 2 0.615 5
    文献[10]检测器 64 0.348 1 0.472 8 0.456 1 0.276 4 0.388 4
    128 0.629 2 0.743 9 0.735 4 0.535 6 0.661 0
    256 0.709 9 0.813 9 0.809 3 0.642 0 0.743 8
    本文检测器 64 0.417 7 0.543 2 0.537 3 0.347 4 0.461 4
    128 0.692 1 0.794 1 0.792 6 0.630 0 0.727 2
    256 0.776 3 0.856 3 0.854 4 0.732 1 0.804 8
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    表  6  海军航空大学共享数据集检测结果

    检测器 使用脉冲数 检测概率 平均检测概率
    4级HH 4级VV 5级HH 5级VV
    原3特征
    检测器
    64 0.305 5 0.682 0 0.218 2 0.155 8 0.340 4
    128 0.456 7 0.808 4 0.453 1 0.334 8 0.513 2
    256 0.632 7 0.907 1 0.647 5 0.459 4 0.661 7
    文献[10]检测器 64 0.400 7 0.718 6 0.334 7 0.208 9 0.415 7
    128 0.592 3 0.886 5 0.644 5 0.443 3 0.641 7
    256 0.753 3 0.959 1 0.820 8 0.534 6 0.767 0
    本文检测器 64 0.442 4 0.778 5 0.434 1 0.255 6 0.477 7
    128 0.647 1 0.922 5 0.727 6 0.497 5 0.698 7
    256 0.803 1 0.976 6 0.866 4 0.597 9 0.811 0
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出版历程
  • 收稿日期:  2024-06-25
  • 修回日期:  2025-02-15
  • 网络出版日期:  2025-02-24
  • 刊出日期:  2025-03-01

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