尹 俊，紀永剛，黎 明

(1.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100； 2.國家海洋局第一研究所，山東 青島 266061)

高頻地波雷達航跡一體化探測中的虛假目標剔除方法*

尹 俊1,2，紀永剛2**，黎 明1

(1.中國海洋大學工程學院，山東 青島 266100； 2.國家海洋局第一研究所，山東 青島 266061)

在高頻地波雷達目標探測中，利用動態(tài)規(guī)劃法可以實現(xiàn)目標點跡和航跡的一體化探測。但由于噪聲的存在以及一體化算法中閾值設(shè)置的不合理，會導致探測結(jié)果中存在虛假的目標航跡。本文分析了地波雷達目標參數(shù)的測量精度，結(jié)合目標運動特性，提出了一種虛假目標航跡剔除方法。對于真實目標，在距離-多普勒(Range-Doppler，RD)譜上由距離維和多普勒頻移估計的目標位移應(yīng)接近，不滿足限定條件則被判別為虛假目標。實測地波雷達數(shù)據(jù)的探測結(jié)果與同步船只自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)數(shù)據(jù)的對比實驗表明，本文提出的方法能有效排除噪聲引起的虛假航跡，提高地波雷達系統(tǒng)目標探測的整體性能。

高頻地波雷達； 目標航跡一體化探測； 動態(tài)規(guī)劃法； 虛假航跡排除

高頻地波雷達(High Frequency Surface Wave Radar,HFSWR)是海上艦船目標大范圍連續(xù)探測的重要手段。傳統(tǒng)的地波雷達目標航跡探測流程是先點跡檢測后航跡跟蹤，即通過在距離-多普勒(Range-Doppler，RD)譜上進行恒虛警(Constant False Alarm Rate，CFAR)檢測和測向得到目標點跡，然后在一段時間內(nèi)對目標點跡進行跟蹤，得到目標航跡信息[1-2]。在目標點跡檢測過程中，對于一些尺寸較小或探測距離較遠的目標，由于其目標回波強度較弱，信噪比較低，使用CFAR檢測時存在目標漏檢的情況，引起航跡斷裂，甚至出現(xiàn)目標航跡失蹤的情況，影響高頻地波雷達目標航跡探測的效果。

檢測跟蹤一體化技術(shù)是近些年來雷達信號處理領(lǐng)域的新興技術(shù)，可實現(xiàn)低信噪比目標的檢測。檢測跟蹤一體化技術(shù)的思想是直接利用傳感器的原始觀測信號，對單幀RD譜不進行目標有無的判斷，而是將可能來自于同一目標的回波能量按照時間進行積累，提高目標信噪比，航跡決策只在最后環(huán)節(jié)進行，檢測出目標的同時也得到目標的航跡。目前檢測跟蹤一體化技術(shù)的具體實現(xiàn)方法包括動態(tài)規(guī)劃法(Dynamic Programming Algorithm，DPA)[3-7]、粒子濾波算法(Particle Filter，PF)[8]、霍夫變換法(Hough Transform，HT)[9]等。在目標航跡的檢測跟蹤一體化過程中，剔除噪聲引起的虛假航跡是其中一個非常重要的步驟，本文主要討論的是動態(tài)規(guī)劃法中的虛假航跡排除方法。

動態(tài)規(guī)劃法最初被用來解決多階段的最優(yōu)控制問題，后來被應(yīng)用到信號處理和最優(yōu)估計問題。1985年，Barniv首次將該方法應(yīng)用于微弱目標的探測[3-4]，目前廣泛應(yīng)用于雷達領(lǐng)域的DPA算法是1996年由澳大利亞的Tonissen和Evans提出的[5]。國內(nèi)也有學者[6,10-12]將DPA算法應(yīng)用于高頻地波雷達目標探測并得到了目標航跡集合。從目前研究來看，基于DPA算法的地波雷達目標航跡的檢測跟蹤一體化僅依靠回波強度積累值來判斷目標航跡的真?zhèn)?，噪聲引起的部分虛假航跡不能被有效地排除，需發(fā)展新的航跡判別和虛假航跡剔除方法。

本文提出了一種適用于地波雷達的虛假目標航跡排除方法，提高動態(tài)規(guī)劃法目標航跡探測的性能，該方法不僅利用了目標回波強度的積累值，而且利用了目標的連續(xù)運動特性，不再僅依靠回波強度閾值判斷目標航跡的真?zhèn)巍?/p>

1 傳統(tǒng)DPA算法及排除虛假航跡的局限性

DPA算法航跡搜索的過程在RD譜上進行，每幀RD譜如圖1所示：縱軸為徑向距離，橫軸為多普勒頻移。距離、多普勒頻移坐標值可結(jié)合地波雷達參數(shù)分別轉(zhuǎn)化為徑向距離和徑向速度。根據(jù)其頻率分辨率和距離分辨率，將RD譜圖分為N×M個單元格，其中M為距離單元格的個數(shù)，N為頻率單元格的個數(shù)。目標在RD譜中的位置可以用坐標(i,j)來表示。

圖1 高頻地波雷達RD譜

(1)

Ak為目標回波強度幅值，wk(i,j)為k幀RD譜第(i,j)單元的噪聲幅度值。

DPA算法實現(xiàn)目標航跡一體化探測流程如下：

(a)航跡初始化：對所有的x1=[i,j]'∈X1

I(x1)=z1(i,j)，

(2)

Ψ1(x1)=0，

(3)

I(xk)為k時刻的值函數(shù)，Ψk(xk)為I(xk-1)取最大值對應(yīng)的xk-1，在k=1時設(shè)置為0。

(b)迭代：對2≤k≤K，對所有的xk= [i,j]'∈Xk′

(4)

(5)

Xk′為目標可能的轉(zhuǎn)移范圍，一般為目標當前位置附近的幾個單元格。

(c)航跡終止：滿足

(6)

VT為閾值。

(7)

每幀RD譜上同時包含了信噪比較低和較高的目標，進行目標航跡一體化探測時，所有目標都按照(4)式進行了回波強度積累，可以明顯提高目標信噪比。但與同一批回波信號中信噪比高的目標相比，信噪比低的目標航跡回波累積強度仍然偏低，利用(6)式對航跡的真?zhèn)芜M行判斷時，若閾值設(shè)置較高，可能會出現(xiàn)信噪比低的目標航跡雖然被搜索到，但是由于閾值設(shè)置較高而被錯誤舍棄的情況，導致航跡漏檢；而如果閾值設(shè)置較低，可能出現(xiàn)較多由噪聲引起的虛假航跡。

2 基于目標運動特性的虛假航跡排除方法

為解決傳統(tǒng)DPA算法在排除虛假航跡時的局限性，本文結(jié)合船只運動目標在RD譜的連續(xù)運動特性和地波雷達目標參數(shù)的測量特性提出虛假航跡排除方法，該方法可只利用RD譜的距離和多普勒頻移信息，不需目標方位信息，在DPA算法進行無向航跡搜索階段即可實現(xiàn)虛假航跡的排除。

2.1 目標連續(xù)運動特性分析

(8)

r1-r0=v0(t1-t0)，

(9)

在RD譜中的航跡檢測是對上式的離散化，因此有：

r(k+1)=r(k)+Tv(k)，

(10)

T=t1-t0為相鄰兩幀RD譜的時間間隔。

需要說明的是，在目標相對于雷達站運動角度φ控制在10°之內(nèi)能保證有較高精度。對(10)式進一步遞推可得：

(11)

由此可知：短時間內(nèi)船只目標連續(xù)運動時，已知目標在RD譜上的初始徑向距離和每一幀譜的多普勒頻移信息，就可以連續(xù)遞推得到目標在各幀譜上的徑向距離位置。

利用DPA算法完成目標航跡搜索時，可從起始幀和最后幀RD譜的目標徑向距離信息直接得到目標徑向位移，該位移記做sr；利用RD譜的徑向速度與T的乘積得到相鄰譜間的目標徑向位移，在一段時間內(nèi)進行積累后可得目標總的徑向位移，該位移記做st。對于真實的目標航跡，目標的運動規(guī)律符合(11)式，因此sr與st的值相同；而虛假目標航跡是由雜波或噪聲引起的，并不符合目標在RD譜的連續(xù)運動特性，sr與st間距離估計偏差較大。

2.2 虛假航跡排除方法

本文基于上述目標連續(xù)運動特性提出虛假航跡排除方法，其基本思想是：計算目標航跡徑向位移sr與st的距離估計偏差，若超過距離估計偏差門限值則被判定為虛假航跡。但為了避免目標長時間運動導致的運動角度φ變化引起的位移誤差，將目標航跡的排除過程分為多次短時檢驗，即每搜索幾幀RD譜就進行一次檢測。每次短時檢驗的具體實現(xiàn)如下：

(a)在DPA算法進行步驟b的同時，更新RD譜多普勒頻移信息得到的目標徑向位移st

(12)

(b)達到一次短時檢驗時間時，計算RD譜距離信息得到的目標徑向位移sr

sr=rf-rs，

(13)

rs為一次短時檢驗時段內(nèi)初始目標徑向距離；rf為一次短時檢驗時段內(nèi)最終目標徑向距離。

(c)計算距離估計偏差εr

(14)

地波雷達進行目標探測的距離探測分辨率較低，為千米級[13]，經(jīng)過補償處理后測距誤差為百米級。而速度探測分辨率較高，以雷達工作頻率為4.7MHz，相干積累時間291.261s為例，速度探測分辨率為0.394km/h，利用多普勒頻移信息按時間進行積累得到位移st，其誤差小于百米級，更符合目標的真實徑向位移。

(d)更新虛假航跡標識值F

(15)

εT為距離估計偏差門限值，可根據(jù)工程需要設(shè)定。不同于傳統(tǒng)的DPA算法中的閾值設(shè)置，誤差判別閾值是無量綱的，不受目標回波強度大小的影響。

一條目標航跡經(jīng)過多次短時檢驗，若虛假航跡標識值F累計超過限定值則判定為虛假航跡。

將短時檢驗的方法應(yīng)用到DPA航跡搜索中，目標航跡搜索流程見圖3。

3 實測數(shù)據(jù)驗證

3.1 目標航跡搜索有效性驗證

實測數(shù)據(jù)來自威海某高頻地波雷達站。雷達工作頻率為4.7 MHz，距離單元分辨率為1.5 km，每幀RD譜數(shù)據(jù)的相干積累時間是291.261 s，相鄰幀的時間間隔是1 min。本文選用了1 h的實測數(shù)據(jù)。閾值設(shè)置與雷達參數(shù)選取有關(guān)，在本實驗的參數(shù)設(shè)置情況下，對于真實目標，兩者的相對誤差在15%以內(nèi)，當 設(shè)置為10%，每5 min進行一次短時檢驗，虛假航跡標識值F設(shè)置為5時，與AIS數(shù)據(jù)的匹配結(jié)果較好，同時可以減少計算復雜度。

圖3 航跡搜索流程圖

在目標航跡探測過程中進行了數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括雜波抑制和低門限CFAR預(yù)處理。如圖4所示，地雜波和一階海雜波在地波雷達的目標航跡探測中都屬于雜波干擾，需進行抑制。

本文采用文獻[14]中基于信噪比的方法提取一階海雜波，并進行抑制。傳統(tǒng)的CFAR檢測目的是為了得到目標點跡，本文采用了低門限CFAR算法對數(shù)據(jù)進行預(yù)處理，一方面是為了剔除非目標的背景區(qū)域信息，減小DPA算法進行航跡搜索時的復雜度，另一方面是為了濾除明顯的噪聲干擾，避免噪聲積累產(chǎn)生偽航跡。

圖4 高頻地波雷達RD譜中的雜波Fig.4 Clutter in RD spectrum of HFSWR

虛假航跡排除后的RD二維航跡圖

(藍色實線為虛假目標航跡，綠色*為虛假航跡排除后的真實目標航跡。Blue solide line shows the false tracks,green star shows the true tracks.)

圖5 目標航跡結(jié)果

Fig.5 The track detection results

利用DPA算法進行目標航跡一體化探測并進行虛假航跡排除。本次試驗共排除虛假航跡18條，搜索真實航跡61條。圖5為利用本文提出的虛假航跡排除方法處理后的航跡距離-速度二維結(jié)果，其中綠色航跡為最終真實目標航跡，藍色航跡被判定為虛假航跡。

從中挑選2個航跡個例，與同步船只自動識別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)數(shù)據(jù)進行對比，論證方法進行目標航跡搜索的可行性，如圖6所示。

1號目標航跡跟蹤時長為60 min，部分時刻的距離-速度信息如表1所示。

未進行測向的航跡與AIS數(shù)據(jù)的匹配結(jié)果如圖6(a)所示；對航跡進行測向后，得到的結(jié)果如圖6(b)所示，可知該航跡與AIS數(shù)據(jù)匹配較好，對該條航跡共進行了12次短時檢測，結(jié)果如表2所示：F累計值為1，可判定為真實航跡。說明該方法可有效探測并判別出真實目標航跡。

(藍色圓圈為目標在RD譜的位置。Blue circle is the position of targets.)

T/min31428364654地波雷達探測的目標距離①rr/km152.9148.5142.7139.6135.5132.3地波雷達探測的目標速度②vr/km·h-121.824.124.324.324.323.7AIS探測的目標距離③ra/km152.3148.0142.3139.1135.0131.7AIS探測的目標速度④va/km·h-121.923.824.324.224.323.4

①Target range by HFSWR；②Target velocity by HFSWR；③Target range by AIS；④Target velocity by AIS

表2 航跡個例1的短時檢驗結(jié)果

3.2 虛假航跡排除有效性驗證

下面給出另外兩個例驗證虛假航跡排除的有效性：

3號航跡跟蹤時長為39 min，部分時刻的距離-速度信息如表3所示：

圖7 疑似航跡個例Fig.7 Suspected track results

T/min51220273439rr/km45.644.742.240.839.239vr/km·h-125.125.125.125.125.125.1

獲取的AIS數(shù)據(jù)中沒有與之匹配的航跡，對該條航跡共進行了7次短時檢測，結(jié)果如表4所示：

表4 航跡個例3的短時檢驗結(jié)果

注：n為短時檢驗次數(shù)。

Note：nis short-term test number.

F累計值為7，可判定為虛假航跡。如圖7所示，該目標在跟蹤時長內(nèi)徑向速度較快，但與之對應(yīng)的徑向位移變化卻相對較慢，不符合目標連續(xù)運動特征。

4號航跡跟蹤時長為41 min，部分時刻的距離-速度信息如表5所示：

表5 疑似航跡個例4的距離與速度信息

獲取的AIS數(shù)據(jù)中沒有與之匹配的航跡，對該條航跡共進行了8次短時檢測，結(jié)果如表6所示：

表6 航跡個例4的短時檢驗結(jié)果

注：n為短時檢驗次數(shù)，st、sr單位均為 km。

Note：nis short-term test number.

F累計值為8，可判定為虛假航跡。分析該虛假航跡，結(jié)合原始的RD譜，該目標的徑向速度較一般船只快，但其徑向距離卻改變很小，如圖8(a)所示；該航跡在3和18 min時的距離-速度如圖8(b)所示，可看到該虛假目標在RD譜上的位置固定，不隨時間變化，可推斷該航跡是由于某固定噪聲源引起的虛假航跡。

圖8 虛假航跡

4 結(jié)語

本文針對傳統(tǒng)DPA算法地波雷達航跡檢測跟蹤一體化結(jié)果中的虛假航跡排除困難問題，提出一種虛假航跡排除方法，該方法利用了船只運動目標的連續(xù)運動特性，并對傳統(tǒng)方法中僅利用回波強度閾值的做法進行了改進，引入了無量綱的距離估計偏差閾值，在此基礎(chǔ)上實測數(shù)據(jù)表明，對由某些系統(tǒng)噪聲引起的虛假航跡具有很好的排除效果。

本方法下一步的工作是對方法進行擴展，使之適用于相對于雷達運動角度范圍較大的機動目標。

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責任編輯 陳呈超

False Target Exclusion in Integration of Detection-and-Tracking for HFSWR

YIN Jun1，2,JI Yong-Gang2,LI Ming1

(1.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100 China; 2.The First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061，China)

The dynamic programming algorithm can be used in the integration of detection-and-tracking for high frequency surface wave radar (HFSWR).However,the false targets,which are caused by noise or clutter,are difficult to be excludedwhen an inappropriate threshold value was chosen forthe dynamic programming algorithm.In this paper,the parametersaccuracyof HFSWR is alsoconsidered,and a false tracks exclusion methodis proposed based on the continuous characteristics of moving targets.The motion displacements of a real target calculated with the range information should be close to that estimated with theDoppler frequency shift in the(Range-Doppler，RD)spectrum,and the false targetsshould be excluded when the conditions is not satisfied.The comparison of the measured HF radar and synchronousAIS data show that the false targetscaused by the noise wereeliminated effectively,and the performance of real target tracking wasimprovedsignificantly.

high frequency surface wave radar (HFSWR); integration and detection-and-tracking; dynamic programming method; false target exclusion

海洋公益性行業(yè)科研專項項目(201505002)；國家自然科學基金項目(61671166)；中央高校基本科研業(yè)務(wù)費專項基金項目(2008T04)資助

Supported by Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean(201505002)；National Nature Science Foundation of China(61671166);the Fundamental Research Funds for the Central Universities(2008T04)

2016-09-15；

2016-12-11

尹俊(1992-)，男，碩士生。E-mail:15610538248@163.com

** 通訊作者：E-mail:jiyonggang@fio.org.cn

TN958.93

A

1672-5174(2017)02-014-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20160217

尹俊，紀永剛，黎明.高頻地波雷達航跡一體化探測中的虛假目標剔除方法[J].中國海洋大學學報(自然科學版),2017,47(2):14-21.

YIN Jun,JI Yong-Gang,LI Ming.False Target exclusion in integration of detection-and-tracking for HFSWR[J].Periodical of Ocean University of China,2017,47(2):14-21.