摘 要:現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)經(jīng)常需要大小平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn),較為典型的是有/ 無(wú)人編隊(duì)協(xié)同作戰(zhàn)。在協(xié)同作戰(zhàn)過(guò)程中,由于大目標(biāo)的回波副瓣掩蓋了小目標(biāo)回波,導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)大小目標(biāo)一體化檢測(cè),給指揮員戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)的判斷帶來(lái)了嚴(yán)峻的挑戰(zhàn)。為此研究了一種基于稀疏重構(gòu)的空域大目標(biāo)背景下的小目標(biāo)檢測(cè)方法,利用壓縮感知稀疏重構(gòu)算法的高分辨特性實(shí)現(xiàn)大小目標(biāo)在空域上分離,進(jìn)而消除大目標(biāo)對(duì)小目標(biāo)的檢測(cè)影響。針對(duì)傳統(tǒng)稀疏重構(gòu)方法存在重構(gòu)準(zhǔn)確率與計(jì)算效率相互矛盾的問(wèn)題,提出了一種基于虛變換的稀疏重構(gòu)方法。仿真分析結(jié)果表明,所提方法相對(duì)于傳統(tǒng)正交投影(Orthogonal Matching Projection,OMP) 方法具有更好的大小目標(biāo)分離準(zhǔn)確度,而相對(duì)于傳統(tǒng)凸優(yōu)化重構(gòu)方法,可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算效率提升16% 。
關(guān)鍵詞:協(xié)同作戰(zhàn);目標(biāo)檢測(cè);大小目標(biāo);稀疏重構(gòu)
中圖分類(lèi)號(hào):TN957. 51 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 開(kāi)放科學(xué)(資源服務(wù))標(biāo)識(shí)碼(OSID):
文章編號(hào):1003-3106(2024)05-1162-06
0 引言
隨著戰(zhàn)爭(zhēng)技術(shù)的發(fā)展,單一平臺(tái)已難以獨(dú)立應(yīng)付未來(lái)戰(zhàn)場(chǎng)高強(qiáng)度的對(duì)抗,多平臺(tái)協(xié)同成為未來(lái)的主流作戰(zhàn)樣式之一[1-2]。在多平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)過(guò)程中,由于需要承擔(dān)不同的作戰(zhàn)任務(wù),經(jīng)常存在大小平臺(tái)協(xié)同作戰(zhàn)的情況。較為典型的如在有/ 無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)系統(tǒng)中,有人戰(zhàn)車(chē)(機(jī))作為載人系統(tǒng)與中心控制系統(tǒng),通常具有較大的雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section,RCS),而無(wú)人戰(zhàn)車(chē)(機(jī))為滿足靈活作戰(zhàn)需求,通常個(gè)體和RCS 很小。因此當(dāng)有/ 無(wú)人系統(tǒng)協(xié)同作戰(zhàn)時(shí),有人戰(zhàn)車(chē)(機(jī))作為大目標(biāo),回波能量通常較大,從而導(dǎo)致無(wú)人戰(zhàn)車(chē)(機(jī))等小目標(biāo)掩蓋在大目標(biāo)回波副瓣之下,無(wú)法被有效檢測(cè),給指揮員正確判斷戰(zhàn)場(chǎng)態(tài)勢(shì)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)[3-4]。此外,城市環(huán)境下建筑物導(dǎo)致的強(qiáng)靜雜波對(duì)無(wú)人機(jī)等小目標(biāo)的掩蓋,也是大目標(biāo)對(duì)小目標(biāo)掩蓋的一種情況。
為實(shí)現(xiàn)大小目標(biāo)一體化檢測(cè),目前國(guó)內(nèi)外通常采用clean 類(lèi)相消算法[5-6],其基本原理是通過(guò)先檢測(cè)大目標(biāo),然后將大目標(biāo)消除以后,再檢測(cè)小目標(biāo)。但clean 方法要求大小目標(biāo)在距離或多普勒域上有較大的區(qū)分度,否則在消除大目標(biāo)的過(guò)程中,小目標(biāo)也會(huì)被一起消除。為此,本文考慮當(dāng)協(xié)同作戰(zhàn)時(shí),大小目標(biāo)距離和多普勒域上都相距比較近,導(dǎo)致clean 相消算法失效的情況下,研究一種基于壓縮感知稀疏重建的大小目標(biāo)分離方法,利用壓縮感知稀疏重構(gòu)算法的高分辨特性實(shí)現(xiàn)大小目標(biāo)在空域上分離,進(jìn)而消除大目標(biāo)對(duì)小目標(biāo)的檢測(cè)影響。
由于壓縮感知具有稀疏采樣和高分辨特性,近年來(lái)在語(yǔ)音信號(hào)處理[7-8]、圖像信號(hào)處理[9-10]和雷達(dá)[11-14]等領(lǐng)域都得到了廣泛應(yīng)用。本文所提基于壓縮感知稀疏重建的大小目標(biāo)分離方法,通過(guò)對(duì)雷達(dá)天線陣列接收的信號(hào)進(jìn)行脈沖壓縮和動(dòng)目標(biāo)檢測(cè)(Moving Target Detection,MTD)處理,對(duì)距離-多普勒單元的數(shù)據(jù)進(jìn)行空域稀疏重構(gòu),實(shí)現(xiàn)大目標(biāo)和小目標(biāo)在空域上分離,從而達(dá)到對(duì)大小目標(biāo)一體化檢測(cè)。目前壓縮感知重構(gòu)算法主要分凸優(yōu)化[15-16]與正交投影(Orthogonal Matching Projection,OMP )[17-18]2 類(lèi)算法。OMP 算法類(lèi)具有較高的運(yùn)行效率,但是對(duì)信號(hào)的正交特性和參數(shù)選擇敏感性較高,恢復(fù)準(zhǔn)確率相對(duì)較低。相對(duì)于OMP 類(lèi)方法,凸優(yōu)化的方法具有更高的恢復(fù)準(zhǔn)確度,但凸優(yōu)化方法在迭代過(guò)程中,涉及矩陣求逆,導(dǎo)致算法運(yùn)行效率較低。為了提高凸優(yōu)化方法的求逆計(jì)算,文獻(xiàn)[15-16]研究通過(guò)預(yù)處理共軛梯度(Preconditioned Conjugate Gradients,PCG)方法得到一個(gè)逆矩陣的近似解,從而避免了矩陣求逆,同時(shí)通過(guò)引入了一個(gè)特殊的預(yù)處理矩陣,使得PCG 方法的迭代步數(shù)遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于信號(hào)的維數(shù)。因此文獻(xiàn)[15-16]的方法具有很快的計(jì)算速度,能夠應(yīng)用于求解大規(guī)模的L1 范數(shù)最小均方凸優(yōu)化重構(gòu)問(wèn)題。但是該方法首先需要通過(guò)引入一個(gè)新的未知信號(hào)矢量,把L1 范數(shù)最小均方的問(wèn)題轉(zhuǎn)換為帶不等式約束的二次規(guī)劃的問(wèn)題,這樣不僅增加了計(jì)算復(fù)雜度和內(nèi)存占有量,同時(shí)降低了運(yùn)算速度。為此本文提出了一種將實(shí)L1 范數(shù)最小均方轉(zhuǎn)換為虛L1 范數(shù)最小均方進(jìn)行求解的方法。這種方法不僅能像文獻(xiàn)[15-16]那樣,每一步迭代的牛頓方程通過(guò)PCG方法得到一個(gè)近似解,同時(shí)不需要引入新的未知信號(hào)矢量,計(jì)算規(guī)模更低。因此相對(duì)于文獻(xiàn)[17-18],本文方法具有更低的復(fù)雜度和內(nèi)存占有量。仿真分析結(jié)果表明,在進(jìn)行雷達(dá)大小目檢測(cè)時(shí),本文所提出的方法相對(duì)于傳統(tǒng)OMP 方法[15-16]具有更高的檢測(cè)準(zhǔn)確度,而相對(duì)于傳統(tǒng)凸優(yōu)化方法[17-18],其在具有足夠的檢測(cè)準(zhǔn)確度的情況下,具有更高的運(yùn)行效率,因此更能滿足工程實(shí)踐需要。
1 基于虛變換的壓縮感知稀疏重構(gòu)算法原理
1. 1 算法模型
在壓縮感知中,基于實(shí)L1 范數(shù)最小均方的凸優(yōu)化重建算法可以表示為使代價(jià)函數(shù)式(1)最小化:
J =||Ax - y||22+ λ | x | 1 , (1)
式中:A∈RM×N 為觀測(cè)矩陣,y∈RM×1 為觀測(cè)值,x∈RN×1 為所需要求得的稀疏信號(hào),λ 為一個(gè)規(guī)則變量。信號(hào)維數(shù)N 一般遠(yuǎn)大于觀測(cè)數(shù)M。
根據(jù)文獻(xiàn)[15]可知,代價(jià)函數(shù)J 的PCG 和Hes-sian 矩陣為一個(gè)奇異矩陣。因此為實(shí)現(xiàn)應(yīng)用牛頓迭代法最小化式(1),文獻(xiàn)[15]通過(guò)引入一個(gè)新的未知信號(hào)矢量u∈?。巍粒?使重建算法的信號(hào)模型變換為式(2):
式(2)雖然能夠通過(guò)牛頓迭代法進(jìn)行求解,但由于引入了一個(gè)新的信號(hào)矢量,不可避免地增加了計(jì)算的復(fù)雜度和內(nèi)存占有量。
將式(1)從實(shí)數(shù)域變換到純虛數(shù)域,可以改寫(xiě)成:
J1 =|| Ax - y|| 22+ λ|| x ||1 。(3)
因此可以將J1 的PCG 和Hessian 矩陣寫(xiě)成如下形式:
可以看出經(jīng)過(guò)虛變換以后,J1 的Hessian 矩陣是一個(gè)非奇異的矩陣。因此可以用牛頓迭代法最小化式(1)。
可以看出,把L1 范數(shù)最小化均方從實(shí)數(shù)域變換到純虛數(shù)域,其實(shí)質(zhì)在于使式(1)中的代價(jià)函數(shù)J的Hessian 矩陣用式(6)表示:
1. 2 算法流程
給出使式(1)最小化的算法流程,為了避免由于初始化時(shí)x 中含有零元素,而導(dǎo)致式(5)中的Hessian 矩陣無(wú)法求得,因此代價(jià)函數(shù)J 的Hessian矩陣在第一步迭代時(shí)用式(1)求得的Hessian 矩陣(由于本文使用PCG 方法求得牛頓方程近似解,因此盡管第一步中用到的Hessian 矩陣是一個(gè)奇異矩陣,仍然可以求得這一步的牛頓方程的近似解并且對(duì)最終的結(jié)果不會(huì)產(chǎn)生影響),在其他步迭代時(shí)用式(4)表示。牛頓迭代法被用于最小化式(1),即迭代方向通過(guò)求解下式得到:
當(dāng)信號(hào)的維數(shù)N 很大時(shí),直接按照矩陣求逆的方法求解式(7)的運(yùn)算量將會(huì)很大,因此參照文獻(xiàn)[9],利用PCG 法得到式(7)的一個(gè)近似解。參照文獻(xiàn)[9],算法流程如算法1 所示。
其中:
① 對(duì)偶空隙ηk(dual gap)為原問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)與對(duì)偶問(wèn)題的目標(biāo)函數(shù)之差,即:
2 基于壓縮感知稀疏重構(gòu)大小目標(biāo)檢測(cè)流程
基于壓縮感知稀疏重構(gòu)大小目標(biāo)檢測(cè)流程如圖1所示,從圖中可以看出其主要包括以下幾個(gè)步驟:
① 回波信號(hào)接收:主要利用多通道陣列天線接收包含大、小目標(biāo)回波和噪聲等數(shù)據(jù),以供后續(xù)處理。
② 脈壓和MTD 處理:通過(guò)對(duì)各通道的數(shù)據(jù)分別依次進(jìn)行脈壓和MTD 處理,主要目的是提高目標(biāo)回波的信噪比,同時(shí)將非協(xié)同作戰(zhàn)的目標(biāo)(即在距離或者多普勒上相隔比較遠(yuǎn)的目標(biāo))在距離-多普勒域上進(jìn)行分離,消除其對(duì)小目標(biāo)檢測(cè)的影響。
③ 距離-多普勒維數(shù)據(jù)空域稀疏重構(gòu):對(duì)各個(gè)距離-多普勒單元的數(shù)據(jù)分別進(jìn)行空域稀疏重構(gòu),利用稀疏重構(gòu)高分辨特性將大目標(biāo)和小目標(biāo)在空域上進(jìn)行分離,消除大目標(biāo)回波副瓣對(duì)小目標(biāo)檢測(cè)的影響。
④ 數(shù)據(jù)重排:將稀疏重構(gòu)以后的數(shù)據(jù),按照同一方向進(jìn)行距離-多普勒重排,獲得同一方向的距離-多普勒數(shù)據(jù),為后續(xù)的目標(biāo)檢測(cè)做準(zhǔn)備。
⑤ 目標(biāo)檢測(cè):對(duì)上一步獲得同一方向的距離-多普勒數(shù)據(jù),利用恒虛警檢測(cè)算法進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè),最后將檢測(cè)結(jié)果輸出。
3 算法仿真與性能分析
本節(jié)對(duì)算法的性能進(jìn)行仿真分析,回波天線陣列采用16 個(gè)全向陣元的等距線陣組成(陣元間距為半波長(zhǎng)),回波天線接收的信號(hào)包括一個(gè)大目標(biāo)和一個(gè)小目標(biāo),大目標(biāo)來(lái)波方向?yàn)椋梗薄悖∧繕?biāo)來(lái)波方向?yàn)椋梗场?。?duì)回波天線接收的信號(hào)直接進(jìn)行脈沖壓縮和MTD 處理,得到距離-多普勒結(jié)果如圖2 所示。從圖中可以看出由于大目標(biāo)回波能量比較強(qiáng),在距離-多普勒?qǐng)D上只能看大目標(biāo)回波,無(wú)法檢測(cè)到小目標(biāo)回波,因此如果直接進(jìn)行目標(biāo)檢測(cè),將導(dǎo)致小目標(biāo)被漏檢。
采用傳統(tǒng)clean 算法進(jìn)行大目標(biāo)相消,結(jié)果如圖3 所示。從圖中可以看出由于大小目標(biāo)在距離和多普勒域上比較接近,因此消除大目標(biāo)同時(shí),也會(huì)將小目標(biāo)消除,利用傳統(tǒng)clean 算法無(wú)法實(shí)現(xiàn)大小目標(biāo)一體化檢測(cè)。
下面對(duì)各個(gè)距離-多普勒的數(shù)據(jù)利用本文所提的基于虛變換的壓縮感知稀疏重構(gòu),得到小目標(biāo)回波所在的距離-多普勒單元的稀疏重構(gòu)結(jié)果,如圖4所示。從圖中可以看出雖然在小目標(biāo)回波所在的距離-多普勒單元處,大目標(biāo)回波能量副瓣仍然占據(jù)比較主要的能量,但是利用壓縮感知稀疏重構(gòu)算法的高分辨特性,可以實(shí)現(xiàn)大目標(biāo)回波和小目標(biāo)回波在空域上分離。
在對(duì)各個(gè)距離-多普勒的數(shù)據(jù)進(jìn)行稀疏重構(gòu)和數(shù)據(jù)重排以后可以得到各個(gè)方向的距離- 多普勒?qǐng)D。圖5 為經(jīng)過(guò)稀疏重構(gòu)以后分別得到的大目標(biāo)和小目標(biāo)方向距離-多普勒?qǐng)D。從圖5 中可以看出不僅可以實(shí)現(xiàn)對(duì)大目標(biāo)的有效檢測(cè),同時(shí)利用本文方法將大目標(biāo)和小目標(biāo)在空域分離以后,可以消除大目標(biāo)對(duì)小目標(biāo)檢測(cè)的影響,從而實(shí)現(xiàn)大小目標(biāo)一體化檢測(cè)。
為了更詳盡地分析本文所提方法性能,進(jìn)行500 次蒙特卡洛試驗(yàn),在蒙特卡洛試驗(yàn)中陣列天線個(gè)數(shù)設(shè)定為12,固定大目標(biāo)的回波方向?yàn)椋梗啊?,調(diào)整小目標(biāo)回波方向。圖6 為分別利用本文所提的虛變換稀疏重構(gòu)、傳統(tǒng)凸優(yōu)化稀疏重構(gòu)[15-16]和OMP 方法[17-18]進(jìn)行處理,得到的2 個(gè)目標(biāo)被同時(shí)正確檢測(cè)的概率(在本文中,定義當(dāng)2 個(gè)目標(biāo)能在空域上實(shí)現(xiàn)有效分離,同時(shí)大小目標(biāo)回波均能利用傳統(tǒng)的單元平均恒虛警(Cell Averaging Constant False AlarmRate,CA-CFAR)檢測(cè)得到,即判定大小目標(biāo)被正確分離和檢測(cè))與兩目標(biāo)方向相隔之間的關(guān)系。從圖中看出相對(duì)于OMP 方法,本文所提的虛變換稀疏重構(gòu)方法具有更高的目標(biāo)檢測(cè)概率。與傳統(tǒng)凸優(yōu)化稀疏重構(gòu)方法相比,本文所提方法雖然目標(biāo)準(zhǔn)確檢測(cè)概率與其基本一致。但本文方法由于不需要引入新的信號(hào)矢量,計(jì)算規(guī)模更小,因此具有更好的計(jì)算效率。在500 次蒙特卡洛實(shí)驗(yàn)室中,傳統(tǒng)凸優(yōu)化方法的平均每次檢測(cè)時(shí)間為0. 3 s,而本文所提方法的平均運(yùn)行時(shí)間為0. 25 s,計(jì)算效率平均提升了16% ,更適合工程應(yīng)用。
4 結(jié)束語(yǔ)。
針對(duì)有/ 無(wú)人協(xié)同作戰(zhàn)時(shí),有人戰(zhàn)車(chē)(機(jī))掩蓋無(wú)人戰(zhàn)車(chē)(機(jī)),導(dǎo)致無(wú)法實(shí)現(xiàn)大小目標(biāo)同時(shí)檢測(cè)的問(wèn)題,研究了一種基于壓縮感知稀疏重構(gòu)的大小目標(biāo)檢測(cè)方法。提出將實(shí)L1 范數(shù)最小均方轉(zhuǎn)換為虛L1 范數(shù)最小均方進(jìn)行求解,進(jìn)行虛變換以后可以發(fā)現(xiàn)相對(duì)于傳統(tǒng)凸優(yōu)化的方法,由于不需要引入新的未知信號(hào)矢量,求解信號(hào)規(guī)模更小,因此具有更低的計(jì)算復(fù)雜度和內(nèi)存占有量。仿真分析結(jié)果表明,本文所提方法相對(duì)于傳統(tǒng)OMP 方法具有更好的大小目標(biāo)檢測(cè)準(zhǔn)確度,相對(duì)于傳統(tǒng)凸優(yōu)化重構(gòu)方法,可以實(shí)現(xiàn)計(jì)算效率提升16% 。
參考文獻(xiàn)
[1] 王榮浩,文曉,向崢嶸. 人機(jī)融合系統(tǒng)協(xié)同與優(yōu)化方法研究進(jìn)展[J / OL]. 指揮控制與仿真:1 -11[2024 -02 -13]. http:∥ kns. cnki. net / kcms / detail / 32. 1759. TJ.20240130. 1727. 004. html.
[2] 楊廣超,周傳睿,邢文革. 海戰(zhàn)場(chǎng)無(wú)人機(jī)集群與反艦導(dǎo)彈協(xié)同作戰(zhàn)樣式與反制策略研究[J / OL]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù),2024(1):141-149.
[3] 張旭東,李少波,李傳江,等. 無(wú)人機(jī)集群綜述:技術(shù)、挑戰(zhàn)與未來(lái)[J]. 無(wú)線電工程,2023,53(7):1487-1501.
[4] 張宏,李文華,鄭家毅,等. 有人/ 無(wú)人機(jī)協(xié)同作戰(zhàn):概念、技術(shù)與挑戰(zhàn)[J / OL]. 航空學(xué)報(bào):1 - 28 [2023 - 12 -22]. http:∥ kns. cnki. net / kcms / detail / 11. 1929. V.20231207. 1343. 002. html.
[5] 康崢,黃志華,賴(lài)惠成. 基于深度壓縮感知的語(yǔ)音增強(qiáng)模型[J]. 聲學(xué)技術(shù),2022,41(6):862-870.
[6] 李俊輝,侯興松. 基于偽監(jiān)督注意力短期記憶與多尺度去偽影網(wǎng)絡(luò)的圖像分塊壓縮感知[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2024,60(2):472-480.
[7] 于君娜,單子力,李方方,等. 多源圖像融合技術(shù)在無(wú)人機(jī)中的應(yīng)用[J]. 無(wú)線電工程,2019,49(7):581-586.
[8] 夏朝禹,裴錫凱,鐘建華,等. 壓縮感知理論在空管數(shù)據(jù)處理技術(shù)中的應(yīng)用綜述[J]. 電訊技術(shù),2022,62(6):836-844.
[9] 劉志棟,李曉花,汪潤(rùn)生,等. 雷達(dá)復(fù)雜環(huán)境下的群目標(biāo)快速分辨方法[J]. 測(cè)控技術(shù),2022,41(6):102-106.
[10] 辛文凱,閆坤,甘海銘,等. 基于改進(jìn)Radon 域多次波抑制的強(qiáng)弱目標(biāo)分離[J]. 電子測(cè)量技術(shù),2023,46(16):119-125.
[11] 陳子睿,陳阿磊,劉維建,等. 天波超視距雷達(dá)非均勻采樣信號(hào)頻譜重構(gòu)[J / OL]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù):1-13[2023- 12 - 22]. http:∥ kns. cnki. net / kcms / detail /11. 2422. TN. 20230725. 1807. 002. html.
[12] 陳勝篧,席峰,張素玲,等. 正交壓縮采樣系統(tǒng)時(shí)域分析[J]. 電子學(xué)報(bào),2023,51(3):573-584.
[13] CHEN S Y,FENG X,LIU Z. A General and Yet Efficient"Scheme for SubNyquist Radar Processing [J]. Signal"Processing,2018,142(C):206-211.
[14] 張素玲,席峰,陳勝篧,等. 基于正交壓縮采樣系統(tǒng)的脈沖雷達(dá)回波信號(hào)實(shí)時(shí)重構(gòu)方法[J]. 電子與信息學(xué)報(bào),2016,38(5):1064-1071.
[15] KIM S J,KOH K,LUSTIG M,et al. An Interiorpoint Method for Largescale L1regularized Least Squares[J].IEEE Journal of Selected Topics in Signal Processing,2007,1(4):606-617.
[16] WANG H T,WANG J,JIANG J Z,et al. Target Detection and DOA Estimation for Passive Bistatic Radar in the"Presence of Residual Interference[J]. Remote Sensing,2022,14(4):1044.
[17] LIU Z Y,WEI Z H,SUN W Y. An Iteratively Approximated Gradient Projection Algorithm for Sparse Signal Reconstruction[J]. Applied Mathematics and Computation,2014,228:454-462.
[18] CHEN S Y,CHENG Z Y,LIU C,et al. A Blind Stopping Condition for Orthogonal Matching Pursuit with"Applications to Compressive Sensing Radar [J]. Signal"Processing,2019,165:331-342.
作者簡(jiǎn)介
溫 博 男,(1985—),博士,高級(jí)工程師。
尹 偉 男,(1985—),博士,高級(jí)工程師。
李增輝 男,(1983—),博士,工程師。
尤鵬杰 男,(1994—),博士,工程師。
洪永彬 男,(1983—),博士,高級(jí)工程師。
王海濤 男,(1986—),博士,正高級(jí)工程師。主要研究方向:雷達(dá)信號(hào)處理。
基金項(xiàng)目:廣西高校中青年教師科研基礎(chǔ)能力提升項(xiàng)目(2021KY0197);中國(guó)電科第54 研究所高??蒲泻献黜?xiàng)目(SKX212010052)