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        利用現(xiàn)場(chǎng)海態(tài)觀測(cè)信息的地波雷達(dá)一階海雜波內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)方法

        2015-03-18 04:52:19王祎鳴紀(jì)永剛楚曉亮常廣弘
        海洋科學(xué)進(jìn)展 2015年2期
        關(guān)鍵詞:波譜雜波雷達(dá)

        王祎鳴,張 杰,紀(jì)永剛,楚曉亮,常廣弘

        (國(guó)家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061)

        利用現(xiàn)場(chǎng)海態(tài)觀測(cè)信息的地波雷達(dá)一階海雜波內(nèi)目標(biāo)檢測(cè)方法

        王祎鳴,張 杰,紀(jì)永剛,楚曉亮,常廣弘

        (國(guó)家海洋局 第一海洋研究所,山東 青島 266061)

        為解決地波雷達(dá)一階海雜波內(nèi)船只目標(biāo)檢測(cè)的難題,提出了一種利用風(fēng)浪流等現(xiàn)場(chǎng)海態(tài)觀測(cè)信息檢測(cè)海雜波內(nèi)目標(biāo)的方法。該方法通過對(duì)比實(shí)測(cè)雷達(dá)回波譜和基于現(xiàn)場(chǎng)海態(tài)觀測(cè)信息重構(gòu)的無目標(biāo)回波譜,發(fā)現(xiàn)實(shí)測(cè)雷達(dá)回波譜中一階譜頻率范圍和左右峰值比等特征的異常變化,實(shí)現(xiàn)船只目標(biāo)的檢測(cè)。將該方法應(yīng)用于實(shí)測(cè)地波雷達(dá)數(shù)據(jù),并利用同步的船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)信息(AIS)對(duì)檢測(cè)結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證,結(jié)果表明本文方法是一種有效的一階海雜波內(nèi)目標(biāo)的檢測(cè)方法。

        地波雷達(dá);一階海雜波;目標(biāo)檢測(cè);海態(tài)觀測(cè)信息

        地波雷達(dá)[1]是一種新型的海洋探測(cè)雷達(dá),發(fā)射的電磁波沿著海面?zhèn)鞑?,因此不受地球曲率的影響,能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)海上移動(dòng)目標(biāo)的超視距探測(cè)。其具有全天候、實(shí)時(shí)、大面積監(jiān)測(cè)的優(yōu)點(diǎn),是實(shí)現(xiàn)船只監(jiān)視監(jiān)測(cè)的有效手段。地波雷達(dá)回波會(huì)受到多種雜波和噪聲的影響,尤其是海雜波的一階成份(稱為一階海雜波)幅度很強(qiáng),對(duì)混疊在其中的船只目標(biāo)探測(cè)干擾嚴(yán)重,甚至造成檢測(cè)盲區(qū)[2]。

        在船只運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移與展寬的一階海雜波譜相互重疊時(shí),目標(biāo)信號(hào)回波幅度往往低于一階海雜波分量,使得目標(biāo)被完全掩蓋在海雜波中。此時(shí),兩者已經(jīng)不能在頻譜中區(qū)分,基于幅度閾值的檢測(cè)方法也已失效,目標(biāo)難以被發(fā)現(xiàn)。目前,消除海雜波對(duì)目標(biāo)檢測(cè)影響的方法主要有子空間分解[3-5]、循環(huán)對(duì)消等[6-7]。這些方法有利于提高一階海雜波譜之外的目標(biāo)的檢測(cè)效果,但在目標(biāo)信號(hào)與一階海雜波重疊時(shí),往往在抑制海雜波的同時(shí)也會(huì)將其中的目標(biāo)信號(hào)一起去除,難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的正確檢測(cè)。通過改變雷達(dá)的工作頻率使海雜波在距離多普勒譜中的位置變化,可以使其與船只目標(biāo)回波不再重合。但工作頻率的變化又會(huì)造成目標(biāo)散射特征的變化,也不是一種理想的解決方案。

        我們?cè)谘芯恐邪l(fā)現(xiàn),地波雷達(dá)探測(cè)區(qū)域內(nèi)與一階海雜波具有近似多普勒頻率的目標(biāo)會(huì)對(duì)一階海雜波譜產(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(biāo)檢測(cè)的依據(jù)。利用浮標(biāo)、海流計(jì)等現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)手段獲得該區(qū)域內(nèi)的海態(tài)信息,可以重構(gòu)無目標(biāo)的雷達(dá)回波譜,通過與實(shí)測(cè)雷達(dá)回波譜的比較分析,有助于提高對(duì)實(shí)測(cè)海雜波譜中是否包含目標(biāo)的識(shí)別能力。據(jù)此,本文提出了一種地波雷達(dá)一階海雜波內(nèi)的目標(biāo)檢測(cè)方法。首先,利用探測(cè)區(qū)域內(nèi)的浮標(biāo)、石油平臺(tái)等提供的同步海流、風(fēng)場(chǎng)和浪場(chǎng)等海態(tài)觀測(cè)數(shù)據(jù),準(zhǔn)確地獲取相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的海態(tài)信息;然后,以現(xiàn)場(chǎng)海態(tài)觀測(cè)信息為基礎(chǔ)導(dǎo)出無目標(biāo)的參考海雜波;最后,將其與實(shí)際測(cè)量得到的海雜波進(jìn)行特征比較,基于特征異常實(shí)現(xiàn)船只目標(biāo)的檢測(cè)。

        1 方法原理及處理流程

        1.1 方法原理

        地波雷達(dá)的海面回波頻譜可以由單位面積內(nèi)的雷達(dá)散射截面積σ(ω)來描述,其中ω為多普勒角頻率。在深水中且忽略海水表面流的情況下,由Barrick推導(dǎo)的高頻雷達(dá)一階散射截面積方程[8]為:

        (1)

        式中,k0為發(fā)射電波波數(shù);k0是指向散射元的電波波矢;ωB為Bragg角頻率;m'為多普勒頻率的符號(hào),正負(fù)分別代表海浪波列行進(jìn)方向?yàn)槌蚶走_(dá)或背離雷達(dá);S(k)為波矢為k的海浪波列的海浪方向譜。通常S(k)=S(k)G(θw),其中S(k)為無向海浪譜,G(θw)為方向函數(shù),可表示為

        (2)

        式中,θw為雷達(dá)波束方向與風(fēng)向的夾角,可由正負(fù)一階峰的比值進(jìn)行反演;s為方向分布系數(shù),典型值為4[8]。

        由式(1)可以看出,由于δ函數(shù)的限制作用,只有波長(zhǎng)等于雷達(dá)發(fā)射電磁波波長(zhǎng)的一半且傳播方向恰好為朝向和背離雷達(dá)的兩列海浪才會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)烈的后向散射,從而在回波譜的ω=ωB和ω=-ωB的位置上形成兩個(gè)一階峰,且其幅度與海況有關(guān)。

        海表面流的存在會(huì)引起正負(fù)一階峰整體偏移其理論位置(±ωB),且雷達(dá)回波譜中一階峰的實(shí)際位置與理論位置之間的頻差與海流徑向流速之間滿足如下關(guān)系

        (3)

        式中,λ為電磁波波長(zhǎng);ωc為一階峰位置與理論位置之間的角頻率偏差。當(dāng)考慮海流對(duì)一階峰引起的頻偏時(shí),公式(1)中的δ函數(shù)可以表示為δ(ω-m'ωB-ωc)。

        通過上述原理分析可知,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的海流、海浪和風(fēng)場(chǎng)等海態(tài)信息,能夠重構(gòu)無目標(biāo)時(shí)的雷達(dá)回波譜。圖1a和圖1b給出了徑向流速為0.4 m/s,風(fēng)速為10 m/s且風(fēng)向與雷達(dá)徑向之間的夾角分別為60°和120°的兩種情況下產(chǎn)生的雷達(dá)回波譜仿真結(jié)果。從圖中可以看出,由于海流的存在,一階峰已經(jīng)偏離了理論位置(圖中豎直虛線所示,圖2同);而且隨著風(fēng)向的變化,正負(fù)一階峰的相對(duì)幅度產(chǎn)生了較大的變化,峰值比由-20 dB變?yōu)?0 dB,變化幅度達(dá)40 dB。

        圖1 風(fēng)向?yàn)?0°和120°的仿真雷達(dá)回波譜Fig.1 Simulated radar spectra of 60°and 120°wind directions

        當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入一階海雜波譜范圍內(nèi)時(shí),會(huì)引起一階譜的變化。為分析目標(biāo)對(duì)一階譜的影響,仿真了目標(biāo)開始進(jìn)入一階譜區(qū)和目標(biāo)完全進(jìn)入一階譜區(qū)時(shí)的回波譜。圖2a中,粗虛線為無目標(biāo)時(shí)的一階譜仿真結(jié)果,實(shí)線為添加仿真目標(biāo)后的一階譜仿真結(jié)果。在此情況下,目標(biāo)進(jìn)入一階譜區(qū),但未與一階峰完全重合,引起一階峰的展寬,從而影響一階峰值位置的判斷,導(dǎo)致一階峰頻偏和譜寬的異常。圖2b目標(biāo)完全進(jìn)入一階譜區(qū),此種情況下,目標(biāo)會(huì)增大一階峰位置處的幅值,導(dǎo)致正負(fù)一階峰之間的幅度差異常。

        圖2 兩種目標(biāo)位于一階譜區(qū)的仿真結(jié)果Fig.2 Simulated results of target in the first order spectrum under two scenarios

        通過以上的仿真分析可以看出,當(dāng)目標(biāo)多普勒落入海雜波一階譜區(qū)域內(nèi)時(shí),會(huì)導(dǎo)致雷達(dá)回波譜產(chǎn)生異常變化,主要表現(xiàn)在影響一階譜頻率范圍、左右一階譜峰值比等特征。因此,可以利用這種異常變化來判斷一階海雜波譜是否受到了目標(biāo)的影響。

        1.2 處理流程

        基于以上方法原理的分析,可以給出一階海雜波內(nèi)船只目標(biāo)檢測(cè)的方法,該方法共包含4步:無目標(biāo)回波譜重構(gòu)、一階譜特征參數(shù)提取、特征異常檢測(cè)和目標(biāo)參數(shù)估計(jì),具體處理流程見圖3。

        圖3 方法流程圖Fig.3 Flowchart of the proposed method

        1.2.1 無目標(biāo)回波譜重構(gòu)

        根據(jù)實(shí)測(cè)的海流、海浪和風(fēng)場(chǎng)等現(xiàn)場(chǎng)海態(tài)信息構(gòu)造無目標(biāo)時(shí)的雷達(dá)回波譜。首先根據(jù)實(shí)測(cè)海流確定其引起的一階譜譜峰的頻偏,得到一階譜譜峰的實(shí)際位置及頻率分布范圍;然后根據(jù)實(shí)測(cè)風(fēng)向與雷達(dá)波束方向獲得方向分布函數(shù);最后由實(shí)測(cè)的無向海浪譜及方向分布函數(shù)得到方向海浪譜,并根據(jù)一階海雜波譜方程生成無目標(biāo)情況下的雷達(dá)回波頻譜。相關(guān)方法可參考文必洋等[9]和Grosdidiers等[10]的模擬與仿真部分的工作。

        1.2.2 一階譜特征參數(shù)提取

        (4)

        式中,正負(fù)一階譜范圍可根據(jù)基于信噪比的一階譜區(qū)分離方法[11]提??;瞬時(shí)頻率及幅度等參數(shù)可利用IF方法實(shí)現(xiàn)[12-13]。

        1.2.3 一階譜特征異常檢測(cè)

        基于實(shí)測(cè)回波譜數(shù)據(jù)和重構(gòu)的雷達(dá)回波提取的一階回波譜特征,分別對(duì)不同特征的異常檢測(cè)做判別,綜合多種特征的異常檢測(cè)通過“或”運(yùn)算給出最終的檢測(cè)結(jié)果,判別一階譜中是否存在目標(biāo)。

        (5)

        式中,A為總體的異常檢測(cè)結(jié)果;Af表示一階譜頻率范圍異常檢測(cè)結(jié)果;AR表示左右一階譜峰值比異常檢測(cè)結(jié)果。無異常,檢測(cè)結(jié)果輸出值為‘0’;有異常,輸出值為‘1’。

        考慮到重構(gòu)誤差以及實(shí)測(cè)回波譜中噪聲等因素的影響,重構(gòu)的回波譜不可能與實(shí)測(cè)回波譜完全相同,因此提取的一階譜范圍也不完全相同。對(duì)于一階譜頻率范圍異常檢測(cè)結(jié)果Af的判別,可以參考實(shí)測(cè)一階譜寬度與重構(gòu)波形一階譜寬度的差值,如果這個(gè)差值超過了設(shè)定的門限,則可判定出現(xiàn)一階譜頻率范圍的異常。具體公式如下:

        (6)

        (7)

        (8)

        (9)

        對(duì)于左右一階峰值比AR異常的判別,可根據(jù)公式(4)計(jì)算實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)峰值比R1和重構(gòu)波形峰值比R2的差與左右一階峰值比門限確定,即:

        (10)

        式中,門限ΔRT可參考地波雷達(dá)風(fēng)向探測(cè)精度確定,通常地波雷達(dá)探測(cè)精度優(yōu)于30°[14],對(duì)應(yīng)的一階峰值比誤差約為15 dB。當(dāng)兩個(gè)回波左右一階峰值比差異超過了實(shí)際風(fēng)向探測(cè)誤差的正常范圍時(shí),表示存在異常。

        1.2.4 目標(biāo)參數(shù)估計(jì)

        當(dāng)檢測(cè)到目標(biāo)存在時(shí)需要對(duì)目標(biāo)的參數(shù),包括距離、速度和方位等進(jìn)行估計(jì)。由于異常檢測(cè)前已經(jīng)獲取多普勒譜的距離,因此如果確定此一階譜存在異常,則表示當(dāng)前的距離單元格內(nèi)存在目標(biāo)。目標(biāo)的速度V可根據(jù)公式(11)來確定:

        (11)

        式中,fA為異常的多普勒頻率位置;λ為雷達(dá)波長(zhǎng)。

        目標(biāo)的方位信息可利用存在異常的多普勒頻率位置,選擇相對(duì)應(yīng)的多通道雷達(dá)接收數(shù)據(jù)采用DBF測(cè)向或MUSIC超分辨方法確定[15]。

        2 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

        地波雷達(dá)數(shù)據(jù)于2014-04-14在威海錄取。地波雷達(dá)接收陣陣元數(shù)為8,陣元間距14.5 m,工作頻率為4.7 MHz,相干積累時(shí)間291 s,頻率分辨率0.003 4 Hz,距離分辨率經(jīng)插值后為1.5 km。

        現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的海流、風(fēng)場(chǎng)和海浪信息分別由安德拉海流計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向儀和波浪浮標(biāo)提供。其中測(cè)量點(diǎn)的海流流速是0.1 m/s,流向?yàn)楸逼珫|20°(與雷達(dá)波束的徑向夾角為70°);風(fēng)速是6.30 m/s,風(fēng)向?yàn)?35°(與雷達(dá)波束的徑向夾角為77°);在模型重構(gòu)過程中也使用了海浪譜信息,通過海浪譜求得的海浪浪高為0.71 m。

        采用本文提出的方法對(duì)實(shí)測(cè)地波雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了一階譜中的目標(biāo)探測(cè),圖4a和圖4b給出了2個(gè)一階譜特征存在異常的頻譜及目標(biāo)探測(cè)個(gè)例,用粗直線表示出了檢測(cè)到的船只目標(biāo)的位置。圖4a中的目標(biāo)1距離為32 km,多普勒頻率為-0.223 2 Hz。圖4b中的目標(biāo)2距離為45 km,多普勒頻率為0.216 3 Hz。

        圖4 兩種一階譜中的船只目標(biāo)檢測(cè)個(gè)例Fig.4 Ship target detection results under two scenarios

        為了驗(yàn)證結(jié)果的有效性,圖5a和圖5b分別給出了目標(biāo)開始進(jìn)入和目標(biāo)完全進(jìn)入一階譜區(qū)兩種情況下的重構(gòu)回波譜與實(shí)測(cè)回波譜,并用虛線標(biāo)注了實(shí)測(cè)船只目標(biāo)的AIS位置。對(duì)應(yīng)于上述兩種情況的船只目標(biāo)1和目標(biāo)2的同步AIS信息和圖片見表1和圖6。其中,目標(biāo)1為一艘貨船,距離地波雷達(dá)32.66 km,航速為13.8 kn,航向?yàn)?85°。該船徑向速度為-24.7 km/h,轉(zhuǎn)換為多普勒頻率為-0.215 5 Hz。從圖5a可以看出該目標(biāo)未完全被左一階峰覆蓋,目標(biāo)的存在導(dǎo)致一階峰較重構(gòu)一階峰展寬0.006 8 Hz。目標(biāo)引起的展寬量超過了設(shè)置的0.005 Hz檢測(cè)門限,表示一階譜頻率范圍存在異常。目標(biāo)2為一艘集裝箱船,距離地波雷達(dá)45.49 km處,航速為15 kn,航向?yàn)?7°。該船徑向速度為25 km/h,轉(zhuǎn)換為多普勒頻率為0.217 9 Hz。從圖5b可以看出該目標(biāo)恰好位于左一階峰頻率范圍內(nèi),目標(biāo)信號(hào)已被完全覆蓋,目標(biāo)的存在導(dǎo)致一階峰的幅度增大了24 dB,超過了設(shè)置的15 dB檢測(cè)門限,表示左右一階峰值比存在異常。

        圖5 兩種目標(biāo)位于一階譜區(qū)的實(shí)測(cè)結(jié)果Fig.5 Detection results of real target in first order spectrum under two scenarios

        項(xiàng) 目船只1信息船只2信息MMSI413375890353066000船名MINGZHOU67QIYUNHE船長(zhǎng)/m180183船寬/m3128吃水/m11.18.5

        圖6 檢測(cè)到的船只目標(biāo)圖片F(xiàn)ig.6 Pictures of the detected ship targets

        3 結(jié) 論

        針對(duì)位于地波雷達(dá)一階海雜波內(nèi)的目標(biāo)檢測(cè)問題,本文提出了一種利用現(xiàn)場(chǎng)海態(tài)信息的船只目標(biāo)檢測(cè)方法,給出了方法的原理說明和具體處理流程。將該方法應(yīng)用于實(shí)測(cè)地波雷達(dá)數(shù)據(jù),并開展了檢測(cè)結(jié)果與同步AIS信息的比對(duì)驗(yàn)證,結(jié)果表明該方法能夠探測(cè)到淹沒在一階海雜波內(nèi)的目標(biāo),從而提高了地波雷達(dá)的目標(biāo)探測(cè)性能。

        在后續(xù)研究中,除一階譜頻率范圍和峰值比兩個(gè)特征外,還將挖掘更多的反映一階海雜波異常變化的特征,完善本文提出的方法,進(jìn)一步提高對(duì)一階海雜波內(nèi)的目標(biāo)探測(cè)能力。

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        Received: February 9, 2015

        Ship Detection in First Order Sea Clutter of HFSWR Using Sea State Observation Information

        WANG Yi-ming, ZHANG Jie, JI Yong-gang, CHU Xiao-liang, CHANG Guang-hong

        (TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

        To solve the ship detection problem in the first order sea clutter of High Frequency Surface Wave Radar (HFSWR), the spectrum reconstruction and the analysis of the influence of the ship targets to the first order spectrum were analyzed. Further, a target detection method using sea state measuring data was proposed. The abnormal detection of frequency range and the first-order peak ratio were performed to facilitate the target detection using HFSWR field data and spectrum reconstructed by sea current, wind direction and sea wave information. The detection results were verified by the synchronous ship Automatic Identification System (AIS) information and the detection method presented is effective in detecting the ship target in first order sea clutter.

        HFSWR;first order sea clutter;target detection;sea state observation information

        2015-02-09

        國(guó)家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)——海上船只目標(biāo)星-機(jī)-島立體監(jiān)視監(jiān)測(cè)技術(shù)系統(tǒng)(201505002);中央級(jí)公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目——基于現(xiàn)場(chǎng)觀測(cè)的高頻雷達(dá)海雜波分析與抑制研究(2013T04)

        王祎鳴(1981-),男,山東煙臺(tái)人,助理研究員,博士研究生,主要從事超視距雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)方面研究.E-mail: 467744980@qq.com

        (王 燕 編輯)

        TN958.93

        A

        1671-6647(2015)02-0239-07

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