王祎鳴, 張 杰, 紀永剛, 毛興鵬

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高頻地波雷達海雜波背景下的船只目標檢測研究進展

王祎鳴1, 2, 張 杰1, 紀永剛1, 毛興鵬2

(1. 國家海洋局第一海洋研究所, 山東青島 266061; 2. 哈爾濱工業(yè)大學, 黑龍江哈爾濱 150001)

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(qū)之內(nèi)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(qū)內(nèi)目標檢測的難題, 介紹了一種基于現(xiàn)場海態(tài)同步觀測信息的檢測新思路以及初步驗證結(jié)果。對國內(nèi)外相關(guān)研究進展的歸納總結(jié)和新思路的提出, 為深入研究相關(guān)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。

高頻地波雷達; 海雜波; 海態(tài); 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?zhèn)鞑ゲ皇艿厍蚯实挠绊? 實現(xiàn)對海面的超視距監(jiān)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(shù)監(jiān)測, 能夠探測表面流、浪、風等海洋動力參數(shù)。相較于傳統(tǒng)的現(xiàn)場布放式測量儀器, 地波雷達具有監(jiān)測范圍大的優(yōu)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(xù)觀測的優(yōu)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(fā)射的高頻電磁波與海浪諧振產(chǎn)生的強一階回波構(gòu)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(gòu)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(qū)域時, 對應的船只運動速度稱為“盲速”, 相應的海雜波譜區(qū)域稱為檢測盲區(qū)[2-4], 這給海面移動目標監(jiān)視監(jiān)測帶來了更大的挑戰(zhàn)。

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(xiàn)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(qū)域內(nèi)目標檢測難題, 介紹了一種基于現(xiàn)場海態(tài)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(chǎn)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(tài)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(qū)重合和非重合兩種情況, 因此需要分別討論。

圖1為實測的4.7 MHz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(qū)(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(qū)域外, 在設(shè)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(xiàn)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(nèi)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(xiàn)區(qū)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(gòu)造數(shù)據(jù)矩陣的維數(shù)選擇決定了子空間分解的抑制效果, 還需開展相關(guān)參數(shù)優(yōu)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(xiàn)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(shù)情況下的復雜性, 而基于混沌理論或神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的非線性預測方法, 尚存在模型參數(shù)的自適應選擇問題(嵌入維數(shù), 訓練樣本數(shù)等)。對消類分為時域和譜圖對消, 時域?qū)οㄟ^正弦信號幅度、相位及頻率的估計, 循環(huán)迭代抵消海雜波分量, 需解決的是短時間內(nèi)信號參數(shù)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(tài)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(xiàn)目標檢測的目的。但要求雷達回波經(jīng)變換分解后, 能夠體現(xiàn)出目標和海雜波的顯著差異, 因此結(jié)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 (Constant False Alarm Rate) 閾值處理得到目標檢測門限, 實現(xiàn)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(qū)外的目標檢測, 并不能解決處于海雜波內(nèi)的目標檢測問題。

1.3 海雜波譜內(nèi)目標檢測方法

由于目標處于海雜波譜內(nèi), 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(fā)現(xiàn)和鑒別目標。

針對海雜波內(nèi)的目標檢測問題, 文獻[26]利用海雜波正負一階峰的包絡(luò)相關(guān)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(guān)性, 通過待檢測單元與相間隔單元的相關(guān)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(shù)據(jù)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(guān)性實現(xiàn)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(shè)置密集的空域濾波凹陷, 實現(xiàn)波束內(nèi)海雜波頻譜含量的抑制, 發(fā)現(xiàn)落入海雜波中的目標。

可以看出, 面對海雜波內(nèi)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(nèi)目標檢測的新思路

造成海雜波譜內(nèi)目標檢測困難的原因可歸結(jié)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(tài), 缺少必要的參考信息。

本質(zhì)上, 海雜波是由雷達電磁波與海面相互作用產(chǎn)生的回波?，F(xiàn)場海態(tài)觀測手段如浮標、海流計、風速風向儀等能夠提供觀測區(qū)域內(nèi)的風、浪、流等海態(tài)信息。如果在關(guān)注的海域內(nèi), 同步獲取這些海態(tài)信息, 并利用這些信息構(gòu)造海雜波[29], 獲得海雜波的相關(guān)特征, 這必將有利于海雜波內(nèi)的目標檢測。研究表明, 地波雷達探測區(qū)域內(nèi)與海雜波具有近似多普勒頻率的目標會對海雜波譜產(chǎn)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(jù)。因而, 發(fā)展基于現(xiàn)場海態(tài)信息的海雜波內(nèi)目標檢測方法, 成為一種地波雷達海雜波內(nèi)目標檢測研究的新思路。研究路線如圖2所示。

采用同步數(shù)據(jù)進行初步驗證, 實驗數(shù)據(jù)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(xiàn)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0.1 m/s, 流向為北偏東20°; 風速是6.30 m/s, 風向為235°; 通過海浪譜求得的海浪浪高為0.71 m?，F(xiàn)場測量手段準確度較高, 風速誤差在±0.8 m/s, 海流流速誤差在±0.03 m/s均低于地波雷達對這些參數(shù)的反演誤差, 所以以此為模型輸入構(gòu)造的回波譜能夠反映海面的實際情況。由圖3可見, 重構(gòu)的無目標回波與實測不含目標的海雜波幾乎重合(見右側(cè)尖峰), 而與實測含目標海雜波差別較大(見左側(cè)尖峰), 重構(gòu)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(shù)據(jù)由8陣元接收, 相干積累時間291 s, 經(jīng)解調(diào)和相干積累后, 多普勒分辨率0.003 4 Hz。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(qū)情況下的雷達實測回波譜與基于現(xiàn)場海態(tài)數(shù)據(jù)重構(gòu)的無目標回波譜。該船徑向航速為–24.7 km/h, 在雷達譜中多普勒頻率為–0.215 5 Hz。從圖中可以看出在海雜波譜區(qū)的目標回波導致雷達左一階海雜波較重構(gòu)的無目標海雜波展寬0.006 8 Hz。該展寬量超過了檢測門限, 表示敏感特征存在異常, 據(jù)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0.09 km/h, 實現(xiàn)了較高準確度的速度估計。

3 總結(jié)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(tǒng)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(nèi)外發(fā)展了一系列的海雜波抑制算法。但是,從有關(guān)的研究進展來看, 目前海雜波譜內(nèi)的目標尚未有有效的檢測方法, 仍是一個具有挑戰(zhàn)性的難題。

將現(xiàn)場海態(tài)同步觀測用于地波雷達海雜波譜內(nèi)的目標檢測, 對造成海雜波的現(xiàn)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(fā)展基于現(xiàn)場海態(tài)同步觀測的目標檢測方法, 成為解決地波雷達海雜波內(nèi)目標檢測難題的新思路。將來還可針對諸如模型重構(gòu)、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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(本文編輯: 李曉燕)

Progress in research on HFSWR target detection under a background of sea clutter

WANG Yi-ming1, 2, ZHANG Jie1, JI Yong-gang1, MAO Xing-peng2

(1. The First Institute of Oceanography, State Oceanic Administration, Qingdao 266061, China; 2. School of Electronics and Information Engineering, Harbin Institute of Technology, Harbin 150001, China)

In view of the sea clutter interference problem of target detection in high-frequency ground wave radar, ship targets that fell inside and outside of the sea clutter spectrum were reviewed. To solve the detection problem of a target falling inside the sea clutter, a novel detection idea based on sea state synchronous observation information was introduced and preliminarily verified. The related research progress at home and abroad was summarized and a new idea was suggested, which provided an important reference for developing a more effective ship detection method under the interference of sea clutter.

high frequency surface wave radar; sea clutter; sea state; target detection

Dec. 16, 2015

TN958.93

A

1000-3096(2016)09-0140-05

10.11759/hykx20151216002

2015-12-16;

2016-02-01

國家自然科學基金(61501131, 61171180); 國家海洋公益性科研專項項目(201505002)

王祎鳴(1981-), 男, 山東煙臺人, 助理研究員, 博士研究生, 主要從事超視距雷達目標探測研究, E-mail: 467744980@ qq.com; 毛興鵬, 通信作者, 教授, 主要從事超視距雷達抗干擾技術(shù)研究, E-mail: mxp@hit.edu.cn

[Foundation: National Natural Science Foundation of China, No. 61501131, No. 61171180; Marine scientific research special funds for public welfare, No. 201505002]