蔣培培，王　建

(1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，南京 210044；2.中國船舶重工集團第七二四研究所，南京 210003)

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小型化高頻地波雷達艦船目標檢測方法*

蔣培培**1，王建2

(1.南京信息工程大學 電子與信息工程學院，南京 210044；2.中國船舶重工集團第七二四研究所，南京 210003)

摘要：針對OSMAR2003型小型化高頻地波雷達系統(tǒng)的目標檢測問題，討論了對小型化高頻地波雷達系統(tǒng)低信雜比回波信號的優(yōu)化處理過程，給出了一種峰值檢測后同時在距離域、多普勒域和波束域進行聯(lián)合的三維聯(lián)合恒虛警(CFAR)目標檢測方法，利用高分辨力測向算法對檢測到的目標進行方位估計，然后利用最鄰近法進行目標關聯(lián)得到目標點航跡，最后結(jié)合小型化高頻地波超視距雷達的實測數(shù)據(jù)驗證了三維CFAR檢測器的有效性。

關鍵詞：高頻地波雷達；目標檢測；小型化；優(yōu)化處理；三維聯(lián)合恒虛警檢測；超分辨算法

1引言

高頻地波雷達利用高頻段(3～15 MHz)垂直極化電磁波沿海面繞射傳播衰減小的特點，實現(xiàn)對海洋表面環(huán)境和海上移動目標的大范圍、超視距實時監(jiān)測[1-2]。高頻地波雷達接收到的回波信號中，除了目標回波信號以外，還夾雜著各種雜波和干擾信號，兩者常常與目標回波信號混疊在一起，而且雜波干擾的強度往往比目標回波信號大得多，要在這種雜波和干擾背景下檢測目標，雷達系統(tǒng)必須解決在抑制雜波干擾的同時保留目標有用信息的難題[3]。同時，由于高頻地波雷達工作頻率較低，目標回波信號的多普勒譜與海雜波的譜線非常接近，在采用多普勒濾波方法進行運動目標信號檢測時，對多普勒濾波的頻譜分辨力要求很高，必須進行長時間信號積累才可以通過多普勒速度差別來區(qū)分目標回波與雜波干擾信號。

另一方面，高頻地波雷達工作波長相比微波雷達大幾個數(shù)量級，要獲得與微波雷達相近的空間分辨力，需要架設孔徑尺寸達到幾百米至上千米的龐大天線陣列，這使其天線架設陣地的選址十分困難，建造和管理、維護代價高昂。因此，為了滿足高頻地波雷達在民用海洋監(jiān)測領域日益廣泛的應用需求，采用小孔徑天線陣列的小型化高頻地波雷達系統(tǒng)技術(shù)得到迅速發(fā)展[4]。

為了減小對天線架設陣地的面積需求，以利于陣地選址和適應不同應用環(huán)境，小型化高頻地波雷達系統(tǒng)的天線陣列一般僅有4～16個單元，使得其天線波束變寬，方向性變差，增益顯著降低，接收的目標回波信號能量大大減少，而天線波束覆蓋的雜波區(qū)域卻明顯增大，由此造成小型化高頻地波雷達系統(tǒng)接收回波信號的信雜比很低，采用原有的常規(guī)高頻地波雷達目標信號檢測算法難以有效地檢測目標和測量目標參數(shù)，還可能增大虛警概率，這使小型化高頻地波雷達系統(tǒng)的目標檢測面臨的問題更加復雜。

針對小型化高頻地波雷達系統(tǒng)的方位分辨率低、民用地波雷達發(fā)射功率低以及噪聲和干擾(包括海洋回波的干擾)等問題，對目標尤其是小目標和機動目標的檢測概率、虛警率、定位和跟蹤精度等方面都存在需要克服的一系列問題[5]。為此，本文討論了對小型化高頻地波雷達系統(tǒng)低信雜比回波信號的優(yōu)化處理過程，包括對接收信號的高分辨力距離譜和多普勒譜估計、海雜波一階Bragg峰及其頻譜延展范圍估計和高分辨力數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)；給出了一種三維聯(lián)合恒虛警目標檢測方法，通過最鄰近法進行關聯(lián)得到目標點航跡；最后利用小型高頻地波超視距雷達的實測數(shù)據(jù)，對上述處理過程和算法的處理效果進行了仿真分析和驗證。

2小型化高頻地波雷達低信雜比回波信號的優(yōu)化處理過程

OSMAR 2003型小型化高頻地波雷達采用了線性調(diào)頻中斷連續(xù)波(Frequency Modulated Interrupted Continuous Wave,FMICW)的信號形式[6]，最高工作比可以達到50%，有效解決了收發(fā)隔離問題，并可在較低的峰值功率下獲得較高的平均發(fā)射功率，還解決了近距離盲區(qū)問題[7]。

一個周期的FMICW的時-頻圖如圖1所示。

圖1　FMICW的時-頻圖

雷達工作頻率f0，發(fā)射脈沖寬度Te，脈沖重復周期Tr，工作占空比D=Te/Tr，調(diào)頻帶寬B(對應調(diào)頻周期Tm=B/μ，μ為調(diào)頻斜率)，M為調(diào)制周期內(nèi)的脈沖數(shù)目，因此，一個調(diào)制周期的發(fā)射信號可表示為[8]

(1)

2.1對接收信號的高分辨力距離譜和多普勒譜估計

小型化高頻地波超視距雷達的發(fā)射天線陣列由N個等距離的天線單元組成，收發(fā)共址。發(fā)射信號采用FMICW信號，則第l陣元的一個調(diào)制周期的發(fā)射信號可表示為

(2)

式中：fl(fl=f0+Δfl)為第l陣元載頻；f0為雷達工作頻率；Δf為第l陣元發(fā)射信號的相對載頻差；μ為調(diào)頻斜率。

圖2所示為FMICW回波信號處理流程。接收信號經(jīng)低噪放大、A/D變換和數(shù)字中頻正交采樣得到的數(shù)字復信號，通過混頻(去斜率)和數(shù)字低通濾波(Low Pass Filter,LPF)后完成對各路信號的分離并消除距離模糊的影響，并按照一定的距離分辨率對各路信號進行抽取[9]。

圖2　FMICW信號處理流程

因此對接收的N路信號進行一次快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform,FFT)就能得到距離譜信息；然后根據(jù)所要求的多普勒分辨力(即速度分辨力)進行積累。M為相干積累周期數(shù)目，接著對上述距離單元對齊后FFT變換一行接著一行共進行M次，再對相同距離單元上的每一列FFT進行多普勒變換[10]，可以得到與速度信息對應的多普勒譜，這樣就可以得到雷達的距離多普勒譜。

2.2高分辨力數(shù)字波束形成

對上述得到的每個陣元的距離多普勒譜進行數(shù)字波束形成(Digital Beam Forming，DBF)?？紤]天線陣列為均勻線陣，信號波形入射到均勻線陣，假設波的到達角為θ(相對陣列的法線方向)，則導向矢量可表示為

a(θ)=[1,e-j2πdsin(θ)/λ,…,e-j2π(L-1)dsin(θ)/λ]。

(3)

式中：d為陣元間隔；λ為雷達波長。

常規(guī)的DBF就是對陣元接收信號進行加權(quán)，因此在不加窗的情況下，加權(quán)系數(shù)h=a，則經(jīng)過DBF后的輸出為z=h′y，y為各個陣元的距離多普勒譜，同時可以加窗選擇合適的權(quán)系數(shù)得到更好加權(quán)。

2.3海雜波一階Bragg峰及其頻譜延展范圍估計

根據(jù)一階Bragg頻率公式和多普勒頻率公式：

(4)

式中：v為經(jīng)驗海雜波的最大展寬速度(這里一般取1.5m/s)；±fB為正負一階Bragg頻率；fd為海雜波展寬的多普勒頻率。這樣海雜波頻譜的一階Bragg峰延展范圍估計的多普勒區(qū)域為

[-fB-fd,-fB+fd] 、 [fB-fd,fB+fd]，

(5)

因此在檢測時應盡量避開式(5)對應的多普勒區(qū)域。

對于速度對應頻率在零頻附近的不易被檢測到，這里就假定速度在2kn以下是速度盲區(qū)，即去除零頻附近2kn速度對應的多普勒檢測范圍。

3三維聯(lián)合恒虛警目標檢測方法

通過兩次FFT可以得到接收回波的高分辨力距離譜和多普勒譜估計，然后進行目標檢測，圖3所示為目標檢測流程圖。

圖3　目標檢測流程

3.1三維聯(lián)合恒虛警檢測器模型

經(jīng)過小型化高頻地波雷達低信雜比回波信號的優(yōu)化處理過程后，可以對距離單元、多普勒單元以及波束單元滑窗進行峰值檢測。保留檢測的結(jié)果作為恒虛警(ConstantFalseAlarmRate,CFAR)檢測的待檢測目標的輸入值。

進行信噪比估計，按照達到要求的信噪比的峰值檢測的結(jié)果作為CFAR待檢測目標的輸入,然后采用三維聯(lián)合恒虛警檢測。某CFAR檢測器如圖4所示。

圖4　三維CFAR檢測器

圖4中，D為經(jīng)過峰值檢測后的待檢測單元，同時在距離域、多普勒域和波束域進行聯(lián)合的三維CFAR[11]，選擇較大的門限作為檢測門限，xi、yi分別為距離維和多普勒維參考單元，那么距離維Pr_fa和多普勒維虛警概率Pd_fa可以表示為

(6)

式中：p、q分別為距離維和多普勒維參考單元數(shù)目；Z1、Z2分別為選取的距離維參考單元的第R小單元和多普勒維參考單元的第S小單元；T1、T2分別為距離維和多普勒維門限系數(shù)；s1、s2分別為距離維和多普勒維閾值，且s1=Z1T1和s2=Z2T2，s=max(s1,s2)為檢測閾值，檢測閾值s低于待檢測單元值的判斷為目標，否則判斷不是目標。

3.2目標方位精確估計

3.2.1協(xié)方差矩陣的構(gòu)造

這里采用了一種類似短時傅里葉變換的方法獲取快拍數(shù)據(jù)，就是通過對多普勒維進行滑窗以獲取足夠的快拍數(shù)目。

接收信號經(jīng)過第一次FFT后得到距離譜數(shù)據(jù)為ym,j,k,其中m表示距離單元，j表示幀序號，k為陣元數(shù)。假定通過檢測到距離單元、多普勒單元和波束單元(ri,di,bi)存在目標，我們可以得到目標距離譜，然后在幀序號維(可以認為是多普勒維)上進行滑窗獲取要求的快拍數(shù)據(jù)。

(7)

3.2.2信源數(shù)估計

對樣本協(xié)方差矩陣進行特征值分解可以得到

(8)

3.2.3多重信號分類(MultiplesignalClassification,MUSIC)超分辨算法

對于均勻線陣，可以根據(jù)陣元數(shù)目與陣元間距估計波束寬度:

(9)

式中：K為陣元數(shù)目；d為陣元間距；λ為雷達工作波長；BW0.5為波束寬度，根據(jù)檢測到的波束單元bi數(shù)目確定搜索范圍。采用循環(huán)法搜索，所在波束單元前后一個波束寬度為搜索步進，通過超分辨算法估計方位角，其表達式為

(10)

3.3目標點航跡關聯(lián)

對多幀連續(xù)數(shù)據(jù)進行目標檢測，得到目標的距離、速度和方位角信息，然后一批批的進行目標檢測和方位角估計，利用最鄰近法進行目標點跡關聯(lián)，輸出目標的距離、速度和方位角信息。

4基于實測數(shù)據(jù)的處理性能仿真分析

小型化高頻地波雷達工作參數(shù)如下：單站雷達工作頻率為10.75 MHz，帶寬為30 kHz，F(xiàn)MICW幀周期為652.8 ms，脈沖重復周期為3.2 ms，陣元間距為10 m,陣列天線個數(shù)為10，地波雷達采集的數(shù)據(jù)經(jīng)處理后的某時刻的距離譜。經(jīng)過256幀周期積累得到的多普勒譜如圖5所示，圖6所示為多普勒譜經(jīng)DBF后的某波束的多普勒譜。圖5和圖6所示的是同一個距離單元的多普勒譜，經(jīng)過DBF可提高信噪比。

圖5　某距離單元的多普勒譜

圖6　DBF后某距離單元的多普勒譜

由式(4)得到fB為0.334 4 Hz，fd為0.107 5 Hz,因此，根據(jù)式(5)可得到頻譜延展范圍估計為

[-0.441 9 Hz -0.226 9 Hz]、[0.226 9 Hz 0.441 9 Hz]。

經(jīng)過對低信雜比回波信號的優(yōu)化處理后，峰值檢測基礎上，同時在距離域、多普勒域和波束域進行聯(lián)合的三維恒虛警檢測，得到目標距離和速度信息，這里Pr_fa和Pd_fa分別為0.08和0.05，p和q為3和8，R和S分別為4和12，再利用MUSIC算法對目標進行方位估計，以得到目標空域信息。

圖7所示為MUSIC方法用于目標方位估計時得到的MUSIC空間譜，通過前面的DBF確定目標所在的波束單元，大大縮減了MUSIC譜的搜索范圍，這就提高了目標檢測算法的效率。

圖7　MUSIC空間譜

緊接著對一批批多幀數(shù)據(jù)(256個重復周期積累)重復以上算法得到一批批目標的距離、速度和方位，利用最鄰近法關聯(lián)這些目標，當目標連續(xù)跟蹤上3次才輸出目標點跡，最后得到的目標軌跡(點跡)如圖8所示(圖8縱軸正方向為正北方向)。

圖8　檢測的目標軌跡

經(jīng)過一段時間的實測數(shù)據(jù)結(jié)果和船訊網(wǎng)比對結(jié)果如圖9所示。

圖9　目標結(jié)果對比

小型化高頻地波雷達實測數(shù)據(jù)和船訊網(wǎng)數(shù)據(jù)對比后，距離均方根誤差902.533 m,方位均方根誤差2.010 0°，誤差結(jié)果分析表明了三維CFAR檢測器的有效性。

5結(jié)束語

本文基于小型化高頻地波雷達檢測海上艦船目標的需求，討論了小型化高頻地波雷達的信號檢測處理流程和優(yōu)化處理方法，分析了海上目標距離、速度和方位獲取的方法，重點研究了峰值檢測基礎上的三維CFAR檢測器模型和MUSIC算法用于目標方位估計的性能，并且通過實測數(shù)據(jù)結(jié)果表明了三維CFAR檢測器的有效性。

小型化高頻地波雷達由于電離層的反射作用能夠探測超視距目標，但該雷達系統(tǒng)的距離、方位分辨率低，方位角的測量精度不高，不能滿足戰(zhàn)術(shù)需求和應用[12]?；陔s波干擾的強度往往比目標回波信號大得多，要解決在抑制雜波干擾的同時保留目標有用信息的難題，根本的就是提高目標的信雜比。采用動目標檢測技術(shù)，通過多普勒濾波器組來提高某一通道的目標的信雜比，這是一個有效的手段，也是我們將要繼續(xù)研究的課題。

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Ship Target Detection for High Frequency Ground Wave Radars with Mini Antenna Array

JIANG Peipei1,WANG Jian2

(1.School of Electronic & Information Engineering,Nanjing University of Information Science & Technology,Nanjing 210044,China;2.No.724 Research Institute of China Shipbuilding Industry Corporation,Nanjing 210003,China)

Abstract：For the ship target detection of OSMAR 2003(Ocean State Measuring and Analyzing Radar in 2003) high frequency(HF) ground wave radar system with mini antenna array,the optimizing process based on the echo signal with the characteristics of low signal-to-clutter ratio(SCR) is discussed.The method about the three-dimensional joint constant false alarm rate(CFAR) detector applied to target detection simultaneously in range,Doppler and beam fields after peak detection(PD) is presented,and the high-resolution algorithm is used to estimate the target direction,further more,target tracks are formed by the method of the nearest neighbor(NN) algorithm.Finally,with the experimental data of the radar,the result shows good performance of the method on the CFAR detectors,which makes it a reliable solution to radar target detection.

Key words：high frequency ground wave radar;target detection;mini antenna array;optimizing process;three-dimensional joint CFAR;high-resolution algorithm

doi:10.3969/j.issn.1001-893x.2016.06.016

收稿日期：2015-11-05；修回日期：2016-02-26Received date:2015-11-05；Revised date：2016-02-26

通信作者：695832654@qq.comCorresponding author：695832654@qq.com

中圖分類號：TN958.93

文獻標志碼：A

文章編號：1001-893X(2016)06-0686-06

作者簡介：

蔣培培(1990—),男，江蘇南通人，2009年獲學士學位，現(xiàn)為南京信息工程大學碩士研究生，主要研究方向為雷達信號處理;

JIANG Peipei was born in Nantong，Jiangsu Province,in 1990.He received the B.S. degree in 2009.He is now a graduate student.His research concerns radar signal processing.

Email：695832654@qq.com

王建(1958—)，男，福建福州人，研究員、碩士生導師，主要研究方向為雷達系統(tǒng)。

WANG Jian was born in Fuzhou,Fujian Province，in 1958.He is now a senior engineer of professor and also the instructor of graduate students.His research direction is radar system.

引用格式：蔣培培，王建.小型化高頻地波雷達艦船目標檢測方法[J].電訊技術(shù)，2016,56(6):686-691.[JIANG Peipei,WANG Jian.Ship target detection for high frequency ground wave radars with mini antenna array[J].Telecommunication Engineering,2016,56(6):686-691.]