高頻地波雷達下船只目標檢測研究范文

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《海洋科學雜志》2016年第9期

摘要:

針對高頻地波雷達目標檢測的海雜波干擾問題,分為目標處于海雜波譜區之內和之外兩種情況綜述了海雜波背景下的目標檢測方法。對于海雜波譜區內目標檢測的難題,介紹了一種基于現場海態同步觀測信息的檢測新思路以及初步驗證結果。對國內外相關研究進展的歸納總結和新思路的提出,為深入研究相關方法,解決海雜波干擾下的目標檢測問題提供了重要的參考。

關鍵詞:

高頻地波雷達;海雜波;海態;目標檢測

高頻地波雷達[1](簡稱:地波雷達)作為一種新型的海洋探測雷達,輻射的高頻電磁波沿著海面傳播不受地球曲率的影響,實現對海面的超視距監測。地波雷達主要有兩大應用方向,一是海上目標探測,能夠獲取海上船只和低空飛機等目標的距離、速度、方位等信息;二是海洋動力參數監測,能夠探測表面流、浪、風等海洋動力參數。相較于傳統的現場布放式測量儀器,地波雷達具有監測范圍大的優勢;相較于星載可見、紅外等遙感儀器,地波雷達具有可全天候、連續觀測的優勢。在地波雷達目標探測應用中,海面回波常疊加在目標信號上,形成影響目標探測的雜波,因而將其稱為“海雜波”。由雷達發射的高頻電磁波與海浪諧振產生的強一階回波構成了海雜波的主要成分,尤其是在雷達孔徑受限及海表面流的作用下,該海雜波尖峰在頻譜中被進一步展寬,構成了對船只目標檢測的主要干擾。當船只的徑向速度落人海雜波譜區域時,對應的船只運動速度稱為“盲速”,相應的海雜波譜區域稱為檢測盲區[2-4],這給海面移動目標監視監測帶來了更大的挑戰。本文將探討地波雷達海雜波(特指一階海雜波)對目標檢測的干擾問題,綜述實現在其背景下的目標探測方法。特別地,針對地波雷達海雜波譜區域內目標檢測難題,介紹了一種基于現場海態同步觀測信息的檢測思路和最新的研究進展。

1海雜波背景下的目標檢測方法

1.1檢測背景描述

作為傳播媒介的海洋中始終存在與雷達波長尺度相近的海浪,產生高頻電磁波諧振散射,因此雷達探測期間海雜波隨時存在。另一方面,船只目標的運動狀態決定了其在雷達回波譜中,會存在與展寬的海雜波多普勒譜區重合和非重合兩種情況,因此需要分別討論。圖1為實測的4.7MHz地波雷達回波多普勒譜,目標位置以A、B、C、D表示,一階海雜波譜區(即正負一階海雜波譜)用點劃線和雙箭頭標出。目標A、B、C位于海雜波譜區域外,在設置目標檢測閾值時,海雜波易抬高基底,導致對鄰近弱目標的漏警。目標D由于其徑向速度引起的多普勒頻移落入海雜波譜中,所以其回波與一階海雜波譜重合,閾值和目視解譯均難以實現檢測。

1.2海雜波譜外目標檢測方法

目標在雷達回波譜中與海雜波不重合,但與海雜波譜鄰近,海雜波對目標探測的影響主要是抬高了檢測背景的基底,易導致虛警和弱小目標的漏警。目前,大部分研究通過先抑制海雜波再檢測目標的思路。國內外開展了大量的地波雷達海雜波抑制研究,主要有子空間分解類[5-11]、模型預測[12-15]、對消類[16-21]、多尺度分解類[22-25]等方法。子空間分解類方法將回波投影到海雜波子空間的空集抑制海雜波,但在海雜波與目標多普勒頻率接近時,難以實現區分,而且兩者的奇異值也存在不確定性,因此主要適合于海雜波大奇異值或者頻率范圍明確的情況。另外,目前空間分解多利用將雷達信號正交投影到海雜波子空間空集的方式,如海雜波與目標空間非完全正交,則效果下降,將來需要考慮非正交的投影方法。另外,構造數據矩陣的維數選擇決定了子空間分解的抑制效果,還需開展相關參數優化的研究。模型預測的方法分為線性和非線性建模兩類,通過建立的海雜波模型實現海雜波的預測和對消,對模型的準確性要求較高。線性建模難以準確刻畫海雜波在多數情況下的復雜性,而基于混沌理論或神經網絡的非線性預測方法,尚存在模型參數的自適應選擇問題(嵌入維數,訓練樣本數等)。對消類分為時域和譜圖對消,時域對消通過正弦信號幅度、相位及頻率的估計,循環迭代抵消海雜波分量,需解決的是短時間內信號參數的高精度估計問題。譜圖對消則要求海雜波幅度分布具有沿譜圖多普勒和距離項相似或者緩變的特點。多尺度分解類有基于信號分解的時頻方法(S方法、小波變換等)和圖像形態學元素分析的方法,通過變化尺度(多普勒、頻率、時間、距離和重復率)分離目標和海雜波,實現目標檢測的目的。但要求雷達回波經變換分解后,能夠體現出目標和海雜波的顯著差異,因此結合兩者的特性差異選擇變換的種類和尺度,將是提高該類方法性能的有效途徑。采用上述海雜波抑制方法后,進行恒虛警CFAR閾值處理得到目標檢測門限,實現去除海雜波影響后的檢測。但上述方法主要適用于海雜波譜區外的目標檢測,并不能解決處于海雜波內的目標檢測問題。

1.3海雜波譜內目標檢測方法

由于目標處于海雜波譜內,目標與海雜波的頻率、距離甚至幅度相一致,依靠時域、頻域或空域等單一域的信號差異難以有效發現和鑒別目標。針對海雜波內的目標檢測問題,文獻[26]利用海雜波正負一階峰的包絡相關性,通過最小均方自適應對消檢測可能落入一階海雜波的目標。文獻[27]利用海雜波功率在相鄰距離多普勒單元沿方位向的相關性,通過待檢測單元與相間隔單元的相關值與檢測閾值的比較檢測目標。但在海流切變的情況下,利用鄰近單元格的回波數據作為參考效果不佳,可能會引起目標漏檢或虛警的情況。不同于利用海雜波的相關性實現目標檢測的方法,文獻[28]利用船只目標和海雜波的空域回波差異,通過設置密集的空域濾波凹陷,實現波束內海雜波頻譜含量的抑制,發現落入海雜波中的目標。可以看出,面對海雜波內的目標檢測問題時,目前有上述兩類具有代表性的思路,但有效的方法不多,仍然是待解決的難題。

2海雜波譜內目標檢測的新思路

造成海雜波譜內目標檢測困難的原因可歸結為在兩者回波譜相重合的情況下,難以得到任何單一回波的真實形態,缺少必要的參考信息。本質上,海雜波是由雷達電磁波與海面相互作用產生的回波。現場海態觀測手段如浮標、海流計、風速風向儀等能夠提供觀測區域內的風、浪、流等海態信息。如果在關注的海域內,同步獲取這些海態信息,并利用這些信息構造海雜波[29],獲得海雜波的相關特征,這必將有利于海雜波內的目標檢測。研究表明,地波雷達探測區域內與海雜波具有近似多普勒頻率的目標會對海雜波譜產生影響。而如果將這種影響合理地利用,則可以作為海雜波中船只目標檢測的依據。因而,發展基于現場海態信息的海雜波內目標檢測方法,成為一種地波雷達海雜波內目標檢測研究的新思路。研究路線如圖2所示。采用同步數據進行初步驗證,實驗數據于2014年4月在渤海海域開展的海上合作船只目標多手段同步探測期間獲取,現場觀測的海流、風場信息分別由海上測量船“意興號”搭載安德拉海流計和風速風向儀定點測量,海浪譜則由該船布放波浪浮標獲取。測量點的海流流速是0.1m/s,流向為北偏東20°;風速是6.30m/s,風向為235°;通過海浪譜求得的海浪浪高為0.71m。現場測量手段準確度較高,風速誤差在±0.8m/s,海流流速誤差在±0.03m/s均低于地波雷達對這些參數的反演誤差,所以以此為模型輸入構造的回波譜能夠反映海面的實際情況。由圖3可見,重構的無目標回波與實測不含目標的海雜波幾乎重合(見右側尖峰),而與實測含目標海雜波差別較大(見左側尖峰),重構的無目標回波譜[30]能夠作為較好的參考。地波雷達同步探測數據由8陣元接收,相干積累時間291s,經解調和相干積累后,多普勒分辨率0.0034Hz。提取海雜波一階譜的頻率范圍特征,作為異常檢測的敏感特征。圖3給出了一艘貨船(通過AIS廣播船舶自身識別信息)進入海雜波譜區情況下的雷達實測回波譜與基于現場海態數據重構的無目標回波譜。該船徑向航速為–24.7km/h,在雷達譜中多普勒頻率為–0.2155Hz。從圖中可以看出在海雜波譜區的目標回波導致雷達左一階海雜波較重構的無目標海雜波展寬0.0068Hz。該展寬量超過了檢測門限,表示敏感特征存在異常,據此檢測到目標的存在。由目標在雷達回波多普勒譜中的位置得到的目標速度較實測值誤差為0.09km/h,實現了較高準確度的速度估計。

3總結與展望

綜上分析,在地波雷達海雜波背景下的船只目標檢測研究中,傳統上采取先抑制海雜波再恒虛警閾值檢測的思路。為進一步降低虛警,提高目標檢測能力,國內外發展了一系列的海雜波抑制算法。但是,從有關的研究進展來看,目前海雜波譜內的目標尚未有有效的檢測方法,仍是一個具有挑戰性的難題。將現場海態同步觀測用于地波雷達海雜波譜內的目標檢測,對造成海雜波的現場海面狀況有了必要的了解和知識,相當于豐富了目標檢測的信息量,將能夠提高對目標的檢測能力。發展基于現場海態同步觀測的目標檢測方法,成為解決地波雷達海雜波內目標檢測難題的新思路。將來還可針對諸如模型重構、譜特征(譜能量、峰值比、頻移等)挖掘等問題開展深入研究。

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作者:王祎鳴 張杰 紀永剛 毛興鵬 單位:國家海洋局第一海洋研究所 哈爾濱工業大學