齊美彬,李亞斌,項厚宏,楊艷芳,張學(xué)森
(1.合肥工業(yè)大學(xué)計算機(jī)與信息工程學(xué)院,安徽合肥 230009;2.中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所,安徽合肥 230088)
近年來,小型無人機(jī)等一系列低空慢速的小目標(biāo)的研發(fā)實現(xiàn)了較快的發(fā)展,其數(shù)量也日益增多。為了更好地防止低空事故的發(fā)生,如何檢測到這些弱目標(biāo),成為了近年來雷達(dá)領(lǐng)域的熱點之一。但是在雷達(dá)目標(biāo)檢測中,弱目標(biāo)因其散射截面積(Radar Cross Section, RCS)小,信噪比(Signal to Noise Ratio,SNR)低,給檢測任務(wù)帶來了巨大的挑戰(zhàn)。
傳統(tǒng)雷達(dá)弱目標(biāo)的檢測大多采用恒虛警方法(Constant False Alarm Rate, CFAR)[1-2]實現(xiàn)目標(biāo)的定位。但是,由于其回波能量小于周圍雜波與噪聲,引發(fā)大量虛警、漏警現(xiàn)象。該方法的性能過分地依賴于門限值的設(shè)定,對目標(biāo)檢測結(jié)果造成一定的干擾。
由于卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Convolutional Neural Network,CNN)[3-4]具備良好的特征提取能力,其已經(jīng)成功在計算機(jī)視覺、自然語言處理等多個領(lǐng)域取得了良好的性能。受到基于深度學(xué)習(xí)的視覺目標(biāo)檢測成果[5-8]的啟發(fā),在卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)應(yīng)用于雷達(dá)目標(biāo)檢測方面,本文進(jìn)行了初步探索。
文獻(xiàn)[9]設(shè)計了一種基于CNN 的檢測器實現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)的檢測。與傳統(tǒng)CFAR 檢測器不同,該方法通過使用窗口函數(shù)在距離-多普勒(Range-Doppler,RD)圖上滑動,根據(jù)網(wǎng)絡(luò)學(xué)習(xí)到的窗口內(nèi)的雷達(dá)信號特征,來判斷滑窗內(nèi)的RD 圖是否包含目標(biāo)。該檢測器采用兩個卷積層和兩個池化層去提取雷達(dá)信號特征。RadCNN[10]在文獻(xiàn)[9]的基礎(chǔ)上,加深了網(wǎng)絡(luò)的卷積層至四層,并采用動量隨機(jī)梯度下降法對網(wǎng)絡(luò)進(jìn)行訓(xùn)練。但是該類算法沒有考慮RD 圖中區(qū)域之間的相關(guān)性,無法應(yīng)對低信噪比情況下的小目標(biāo)的檢測。同時,由于滑窗大小是固定的,此類方法容易發(fā)生小目標(biāo)的漏檢情況,目標(biāo)的定位精度有待提高。
針對上述問題,本文采用U-Net網(wǎng)絡(luò)[11-12],通過對RD 圖中的雷達(dá)信號進(jìn)行編碼和解碼操作,從而實現(xiàn)逐單元的目標(biāo)檢測。此外,本文在網(wǎng)絡(luò)中引入了自注意力模塊[13-14],因其RD 矩陣中目標(biāo)點特殊的幅度信息和相位信息,網(wǎng)絡(luò)根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式建模輸入信號中任意兩個信號間的關(guān)系,來獲取RD 矩陣中具有辨別性的深度語義特征從而提高網(wǎng)絡(luò)的全局關(guān)系建模能力。該網(wǎng)絡(luò)可以進(jìn)行端到端的檢測訓(xùn)練,且可以對任意尺寸的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行編碼,再將其解碼恢復(fù)數(shù)據(jù)原來尺寸大小,因此可以靈活地應(yīng)用于多種雷達(dá)信號檢測場景中。
具體來說,本文根據(jù)信號預(yù)處理模塊得到的距離-多普勒(RD)復(fù)數(shù)矩陣,擴(kuò)展為實部、虛部、模值三個通道矩陣,并將其輸入到深度學(xué)習(xí)網(wǎng)絡(luò)框架中訓(xùn)練。對每個距離和速度單元都產(chǎn)生了一個預(yù)測,同時加入自注意力模塊建模多個映射空間的雷達(dá)信號自注意力關(guān)系來獲取更加豐富的特征信息,從而精確的定位目標(biāo)點所在的距離單元和多普勒信息。
此外,本文進(jìn)行了廣泛的實驗證明了所提出方法的有效性。實驗的可視化效果證明了本文的方法是優(yōu)于傳統(tǒng)CFAR 檢測的方法,檢測性能在低信噪比場景下具有較強(qiáng)的魯棒性,能夠?qū)崿F(xiàn)對弱目標(biāo)的有效檢測。
本文采用的方法總體分為3個模塊:預(yù)處理模塊、檢測模塊、結(jié)果模塊,如圖1所示。

圖1 信號檢測框架
預(yù)處理模塊:對于雷達(dá)信號本文采用線性調(diào)頻(LFM)發(fā)射信號。在持續(xù)時間內(nèi),LFM信號的實部和虛部都為時間的振蕩函數(shù),信號頻率隨時間呈線性規(guī)律,其示意圖如圖2所示。


圖2 線性調(diào)頻波信號
根據(jù)RD 矩陣中目標(biāo)點的幅度信息和相位信息,網(wǎng)絡(luò)根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式建模輸入信號中任意兩個信號間的關(guān)系,來獲取RD 矩陣中具有辨別性的深度語義特征,從而提高網(wǎng)絡(luò)的全局關(guān)系建模能力。
因此雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的預(yù)處理通過脈沖壓縮、多普勒處理之后,形成的雷達(dá)數(shù)據(jù)是一個距離-多普勒二維矩陣X。矩陣中每個像素都以復(fù)數(shù)i + jQ形式表示,包含實部和虛部。矩陣X的行代表距離信息,X的列代表速度信息。為了便于深度網(wǎng)絡(luò)的處理,本文將單通道的矩陣X整合成三通道矩陣X。3 個通道分別由矩陣X的實數(shù)、虛數(shù)和絕對值構(gòu)成。絕對值通道用于更好地讓網(wǎng)絡(luò)獲取數(shù)據(jù)中的幅度信息,實數(shù)和虛數(shù)通道則是讓網(wǎng)絡(luò)來獲取數(shù)據(jù)中的相位信息。
檢測模塊:由于自注意力機(jī)制模塊可以獲取輸入信號中任意兩個信號間的關(guān)系,不需要任何先驗信息,是一種數(shù)據(jù)驅(qū)動的網(wǎng)絡(luò)。因此,其可以由任務(wù)自身驅(qū)動,自動學(xué)習(xí)雷達(dá)信號間的關(guān)系,獲得雷達(dá)的全局信息和長時依賴。而U-Net作為卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò),包含編碼和解碼模塊,其通過局部先驗獲取雷達(dá)信號的局部關(guān)系,但其在長期依賴的建模能力尚且不足。綜上,兩個網(wǎng)絡(luò)的結(jié)合可以形成功能性的互補(bǔ)。因此為了提高雷達(dá)信號的特征的辨別性,本文在U-Net 網(wǎng)絡(luò)中加入自注意力模塊,構(gòu)建出基于自注意力機(jī)制的U-Net網(wǎng)絡(luò),利用自注意力機(jī)制模塊提高U-Net 網(wǎng)絡(luò)的全局關(guān)系建模能力,從而改善特征的辨別性來提高網(wǎng)絡(luò)檢測的魯棒性。網(wǎng)絡(luò)通過大量數(shù)據(jù)訓(xùn)練來提取目標(biāo)的特征信息,從而獲取目標(biāo)所在位置來代替CFAR 檢測。網(wǎng)絡(luò)的具體實現(xiàn)過程見本文第2 節(jié)。
結(jié)果模塊:多普勒處理后的RD 矩陣經(jīng)過檢測模塊后,得到僅含目標(biāo)的距離多普勒圖。
為了逐像素預(yù)測RD 圖中是否包含目標(biāo),本文采用了具有編碼和解碼結(jié)構(gòu)的U 型網(wǎng)絡(luò)作為雷達(dá)檢測網(wǎng)絡(luò)的主體框架。在此主體網(wǎng)絡(luò)的基礎(chǔ)之上,本文引入了自注意力模塊建模雷達(dá)信號間的關(guān)系。其中,U-Net 主體框架的實現(xiàn)過程在2.1 節(jié)中詳細(xì)介紹,自注意力模塊的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)在2.2 節(jié)中詳細(xì)介紹。
U-Net 網(wǎng)絡(luò)廣泛應(yīng)用于計算機(jī)視覺中圖像語義分割等領(lǐng)域,并獲得了良好的效果。具體來說,采用U-Net 網(wǎng)絡(luò)作為雷達(dá)目標(biāo)檢測網(wǎng)絡(luò)的主要原因如下:1)U-Net 網(wǎng)絡(luò)主要由編碼和解碼部分構(gòu)成,編碼結(jié)構(gòu)可以使用任意的網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu),解碼結(jié)構(gòu)使整體網(wǎng)絡(luò)更加完善,能夠提高網(wǎng)絡(luò)對目標(biāo)特征的擬合程度;2)該網(wǎng)絡(luò)可采用端到端的方式,對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行逐單元預(yù)測,輸入與輸出的尺寸相同,因此可以靈活地應(yīng)用于多種雷達(dá)信號檢測場景中;3)與全卷積網(wǎng)絡(luò)(FCN)[15]相比,該網(wǎng)絡(luò)有更長距離的殘差連接,其可以保留雷達(dá)回波數(shù)據(jù)的多尺度原始數(shù)據(jù)信息,從而應(yīng)對弱目標(biāo)的尺寸變化,同時其能夠有效地防止網(wǎng)絡(luò)的梯度消失。
U-Net 網(wǎng)絡(luò)主要包含兩個部分:編碼器和解碼器。1)編碼器,用于對數(shù)據(jù)進(jìn)行特征提取。具體來說,編碼器中包含4 個下采樣模塊,每個模塊包含1 個最大池化層,2 個卷積層,其卷積核為3×3、步長為1、填充為1,從而得到不同尺度的特征信息j,j∈{2,3,4,5}。每個模塊都進(jìn)行卷積層提取特征,并使用最大池化層進(jìn)行下采樣。4個模塊輸出4個尺度的特征j,從而更好的應(yīng)對目標(biāo)的尺度變化。2)解碼器,用于獲取與輸入數(shù)據(jù)尺寸相同的輸出。解碼部分包含了4 個上采樣模塊,融合特征信息i,i∈{6,7,8,9}。具體來說是對特征信息5 進(jìn)行上采樣模塊處理。其利用線性插值法對每一層數(shù)據(jù)進(jìn)行原尺寸的兩倍填充,得到上采樣特征信息6。同時對該上采樣特征信息6 和其對應(yīng)層下采樣的特征信息4 進(jìn)行殘差連接,之后經(jīng)過一個1×1 卷積層將通道數(shù)縮小至一半,恢復(fù)到和特征信息4一樣的通道數(shù),從而更好地保留原始雷達(dá)多尺度數(shù)據(jù)信息。相似地,經(jīng)過4 次上采樣操作,得到特征融合特征信息9,最終輸出與輸入相同尺度的目標(biāo)位置預(yù)測得分圖輸出。圖中每個值被視為輸入RD 圖中對應(yīng)位置是否包含目標(biāo)的概率,因此該輸出可用于預(yù)測RD 圖每個位置是否包含目標(biāo)。這使得U-Net 在雷達(dá)目標(biāo)檢測過程中,效果優(yōu)于普通CFAR 檢測以及基于滑窗的深度檢測器。U-Net 網(wǎng)絡(luò)框架如圖3所示。

圖3 U-Net網(wǎng)絡(luò)框架
為了建模多個映射空間的雷達(dá)信號自注意力關(guān)系,本文采用了多頭并行自注意力模塊。其中,并行的多個自注意力單元用于在不同的映射空間建模雷達(dá)信號的自注意力關(guān)系。最后,自注意力模塊整合多頭注意力單元的結(jié)果,從而獲取更加豐富的自注意力關(guān)系。
具體來說,每個注意力單元先采用點積的形式,計算Q和K的注意力。由于Q和K來自相同的輸入,因此該注意力記為自注意力。該自注意力機(jī)制的優(yōu)點在于,網(wǎng)絡(luò)對信息長期依賴關(guān)系有著更強(qiáng)的捕捉能力。
而對于單個注意力單元其結(jié)果如圖4所示,將輸入X送進(jìn)3 個卷積層,得到Q、K、V三個向量。用Q中每一個向量與K中每一個向量計算點積,即score=Q·KT。score中包含Q中每個元素和K中每個元素之間的注意力。將score與V進(jìn)行點積,即對Q中每個元素,根據(jù)其與V中所有元素的注意力值對V中所有元素進(jìn)行累加得到Z。

圖4 單個注意力單元
最終,自注意力模塊將h個并行的注意力單元所獲得的結(jié)果進(jìn)行了拼接,得到了網(wǎng)絡(luò)的最終輸出。其網(wǎng)絡(luò)框架如圖5所示。

圖5 自注意力模塊
自注意力模塊主要包括多頭通道注意[16]、正則化(Layer Normalization,LN)和多層感知器(Multilayer Perceptron,MLP[17])。
加入自注意力模塊的雷達(dá)信號檢測網(wǎng)絡(luò)VUNet 如圖6 所示。VU-Net 網(wǎng)絡(luò)在U-Net 網(wǎng)絡(luò)基礎(chǔ)上,將特征信息輸入到自注意力模塊中,得到輸出特征信息i,i∈{6,7,8,9},再將其與對應(yīng)的上采樣數(shù)據(jù)進(jìn)行拼接。其可以在多個尺度建模雷達(dá)信號的自注意力信息,捕捉更加豐富的雷達(dá)信號關(guān)系,從而提升雷達(dá)信號特征的辨別性,進(jìn)而提升雷達(dá)信號檢測的精度。

圖6 VU-Net網(wǎng)絡(luò)框架
本文生成的測試U-Net 網(wǎng)絡(luò)和傳統(tǒng)CFAR 檢測所需要的雷達(dá)回波數(shù)據(jù),由線性調(diào)頻波(LFM)脈沖調(diào)制,其載波工作在3 GHz 載波上,脈沖寬度為50 μs,調(diào)頻帶寬為10 MHz,同時添加高斯白噪聲。
為了更好地證實VU-Net 網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性,本文數(shù)據(jù)產(chǎn)生與RadCNN 網(wǎng)絡(luò)實驗同等量級的數(shù)據(jù)量,訓(xùn)練4 000 組帶有目標(biāo)的距離多普勒矩陣,根據(jù)目標(biāo)設(shè)定的距離和速度信息找到其所在的矩陣中位置,將其設(shè)置為標(biāo)簽1,其余沒有目標(biāo)的點設(shè)置為標(biāo)簽0。將數(shù)據(jù)送到網(wǎng)絡(luò)里訓(xùn)練。
對于測試集本文產(chǎn)生2 000 組帶有目標(biāo)的距離多普勒矩陣,對于標(biāo)簽設(shè)置方法和訓(xùn)練集設(shè)置方法一致。驗證集則是在信噪比為7 背景下仿真2 000 組帶有目標(biāo)的距離多普勒矩陣,用來消融實驗。
同時對測試集的數(shù)據(jù)進(jìn)行CFAR 檢測。為驗證U-Net網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性,本文設(shè)置10組不同信噪比的噪聲背景,將CFAR檢測后的結(jié)果,與U-Net網(wǎng)絡(luò)和VU-Net網(wǎng)絡(luò)的檢測結(jié)果進(jìn)行對比。
針對如何判定雷達(dá)目標(biāo)預(yù)測的準(zhǔn)度,本文用兩個評估指標(biāo),分別是Precious(P)精確度:反映系統(tǒng)正確判定1 的樣本中真正的1 的樣本的比重;Recall(R)召回率:反映系統(tǒng)正確判定為1 的樣本占總的1 的樣本的比重。兩個評估指標(biāo)的計算公式如下:
式中,True Positive(TP)、False Negative(FN)作為評估標(biāo)準(zhǔn)。其中True Positive(TP)為類別為1 的樣本被系統(tǒng)正確判定為類別1 的比例;False Negative(FN)為類別為1 的樣本被系統(tǒng)誤判定為類別0 的比例;False Positive(FP)表示類別為0 的樣本被系統(tǒng)誤判定為類別1的比例。
本文采用的是Dice 損失函數(shù)[18-19]。Dice 用于計算兩個樣本的相似度。其計算公式為
Dice損失的計算公式如下:
當(dāng)Y為預(yù)測數(shù)據(jù),Z為真實標(biāo)簽時,最小化損失函數(shù)可以驅(qū)動網(wǎng)絡(luò)去增加Y與Z的Dice值,從而增加Y與Z交集,使得預(yù)測數(shù)據(jù)更加接近于真實標(biāo)簽。
因為多頭在多個映射空間建模雷達(dá)信號間的深度關(guān)系,所以多頭數(shù)h在本文提出的方法中是個至關(guān)重要的參數(shù),通過在驗證集上的實驗確定了參數(shù)h的數(shù)值,實驗結(jié)果如圖7所示。

圖7 參數(shù)h驗證結(jié)果
由圖7可以看出,隨著h的增大,準(zhǔn)確率P先是增大,而后減小,因為當(dāng)多頭數(shù)過大時,網(wǎng)絡(luò)會學(xué)到冗余信息,從而使網(wǎng)絡(luò)過擬合。召回率R在h等于4 后,隨著h的增大,R的增長不明顯。因此,綜合準(zhǔn)確率P與召回率R,選定多頭數(shù)h等于4,可以獲得相對較好的檢測性能。所以在實驗中,h均設(shè)置為4。
基于自注意力機(jī)制的U-Net 網(wǎng)絡(luò)的輸入與輸出的尺寸相同。本文在圖8 可視化了信噪比為10的噪聲背景下多普勒處理后的雷達(dá)數(shù)據(jù),以及網(wǎng)絡(luò)的輸出的目標(biāo)位置預(yù)測得分圖。


圖8 不同網(wǎng)絡(luò)檢測后的可視化結(jié)果
從圖8 可以看出,多普勒處理后的RD 數(shù)據(jù)經(jīng)過VU-Net 網(wǎng)絡(luò),濾除噪聲,將目標(biāo)清晰地展現(xiàn)在RD 圖上。網(wǎng)絡(luò)能夠精準(zhǔn)地預(yù)測和定位目標(biāo)的位置。而U-Net 網(wǎng)絡(luò)因其沒有添加自注意力機(jī)制,RD 數(shù)據(jù)特征學(xué)習(xí)不夠深入,U-Net 網(wǎng)絡(luò)只學(xué)習(xí)到矩陣信息的空間特征,會使目標(biāo)點的附近單元的信息特征學(xué)習(xí)不準(zhǔn)確,造成假目標(biāo)現(xiàn)象,從而造成其單元延伸。而自注意力模塊根據(jù)數(shù)據(jù)驅(qū)動的方式建模輸入信號中任意兩個信號間的關(guān)系,來獲取RD 矩陣中具有辨別性的深度語義特征從而提高網(wǎng)絡(luò)的全局關(guān)系建模能力,使其檢測更加精確。因此U-Net 網(wǎng)絡(luò)檢測后的目標(biāo)在其附近距離、多普勒單元會有延伸,致使目標(biāo)檢測不夠精確。相比于U 型網(wǎng)絡(luò),CFAR 檢測器檢測出的RD 圖,不僅在目標(biāo)附近會有距離和多普勒單元上的延伸,同時還會有一些虛警現(xiàn)象。
對于實際場景中,本文采用海軍航空大學(xué)信息融合研究所劉寧波等人對海探測的公開數(shù)據(jù)集[20]。通過Matlab 將其一個周期內(nèi)的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行讀取,其距離-方位圖如圖9所示。

圖9 實測海雜波數(shù)據(jù)
從圖9 可以看出,海雜波分布極不均勻,且分布也處于未知狀態(tài),以第800 方位為例,讀取回波信號,同時添加雷達(dá)回波數(shù)據(jù),如圖10所示。

圖10 添加目標(biāo)后的海雜波數(shù)據(jù)
如圖10 所示,目標(biāo)信雜比設(shè)置為10 dB,雖然該處的目標(biāo)有明顯的增強(qiáng),但是強(qiáng)雜波的干擾依然存在。對此,本文設(shè)置信雜比8 dB、10 dB、12 dB三組不同信雜比數(shù)據(jù),將其送入網(wǎng)絡(luò),得到的雜波抑制實驗結(jié)果如圖11所示。


圖11 雜波干擾下的檢測效果
由圖11可以看出,在強(qiáng)雜波背景下,該網(wǎng)絡(luò)可以有效地抑制雜波,使得目標(biāo)信號功率得到明顯增強(qiáng)。同時為了進(jìn)一步驗證基于自注意力機(jī)制的U-Net網(wǎng)絡(luò)的優(yōu)越性,實驗進(jìn)行了10組不同信噪比背景下的目標(biāo)檢測,其準(zhǔn)確率P和召回率R在不同網(wǎng)絡(luò)和信噪比中的檢測效果如圖12和圖13所示。

圖12 4種方法在不同SNR下的準(zhǔn)確率

圖13 4種方法在不同SNR下的召回率
圖12、圖13 所示U-Net 網(wǎng)絡(luò)在檢測概率上明顯優(yōu)于CNN 檢測器和CFAR 檢測器,特別是在回波信號干擾能量大的背景下,用傳統(tǒng)CFAR 檢測會出現(xiàn)大量的漏警現(xiàn)象,導(dǎo)致檢測概率會比較低,同時CNN 網(wǎng)絡(luò)雖然一定程度上改善了CFAR 檢測器檢測目標(biāo)和噪聲所帶來的巨大誤差,但是因其網(wǎng)絡(luò)沒有考慮區(qū)域間的相關(guān)性,網(wǎng)絡(luò)捕捉回波信息的不足,其檢測概率也略低。
同時VU-Net在信噪比1到5的背景下,其準(zhǔn)確度的衰減程度要低于CFAR 檢測,VU-Net 網(wǎng)絡(luò)檢測不會因信噪比越來越低從而導(dǎo)致網(wǎng)絡(luò)的檢測準(zhǔn)確度迅速下降。證明了VU-Net網(wǎng)絡(luò)對雷達(dá)回波數(shù)據(jù)有著良好的魯棒性。而U-Net 的準(zhǔn)確度在信噪比為1 到10 的背景下要低于VU-Net。因此證明了VU-Net網(wǎng)絡(luò)在對信息長期依賴關(guān)系有著更強(qiáng)的捕捉能力,同時自注意力機(jī)制模塊提高U-Net 的全局關(guān)系建模能力,從而改善特征的辨別性,增強(qiáng)其魯棒性。證明了基于自注意力機(jī)制的U-Net 網(wǎng)絡(luò)在弱目標(biāo)的雷達(dá)檢測能力的優(yōu)越性。
對于雷達(dá)目標(biāo)檢測,傳統(tǒng)方法是用各種CFAR來進(jìn)行目標(biāo)檢測,但是對于弱目標(biāo)的雷達(dá)檢測,其信噪比低,目標(biāo)散射截面積小是其檢測的難點。然而通過CFAR 模式判斷目標(biāo)是否存在,不能很好地滿足弱目標(biāo)的檢測。對此本文采用U-Net 網(wǎng)絡(luò)來代替?zhèn)鹘y(tǒng)恒虛警檢測,通過分別在信噪比為1到10 的低信噪比的背景下來進(jìn)行實驗,其結(jié)果表明U-Net 網(wǎng)絡(luò)相對于CFAR 檢測效果有著較好的提升,同時在U-Net 網(wǎng)絡(luò)中加上自注意力機(jī)制后的檢測性能要高于U-Net 網(wǎng)絡(luò)。本文所提的網(wǎng)絡(luò)模型,其后續(xù)可在復(fù)雜環(huán)境背景下進(jìn)行深入研究,來進(jìn)一步提高網(wǎng)絡(luò)模型的泛化能力和魯棒性。