高昆鵬, 紀(jì)永剛, 王祎鳴, 孟俊敏

基于PS-VF-TBD的地波雷達(dá)船只目標(biāo)航跡起始方法

高昆鵬1, 3, 紀(jì)永剛2, 王祎鳴1, 3, 孟俊敏1, 3

(1. 自然資源部第一海洋研究所, 山東 青島 266061; 2. 中國(guó)石油大學(xué)(華東), 山東 青島 266580; 3. 自然資源部海洋遙測(cè)技術(shù)創(chuàng)新中心, 山東 青島 266061)

針對(duì)地波雷達(dá)低信噪比目標(biāo)信號(hào)“閃爍”導(dǎo)致的航跡起始困難問題, 本文提出了一種基于PS-VF-TBD的航跡起始方法。該方法綜合利用了地波雷達(dá)回波譜中目標(biāo)信號(hào)的展寬特征和運(yùn)動(dòng)特性, 利用PS-VF-TBD方法對(duì)運(yùn)動(dòng)目標(biāo)能量有效積累的特點(diǎn), 提高對(duì)疑似目標(biāo)多幀信號(hào)間的關(guān)聯(lián)概率, 進(jìn)而提高對(duì)真實(shí)目標(biāo)的搜索概率和航跡起始成功率。通過地波雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的航跡起始結(jié)果及長(zhǎng)時(shí)間跟蹤結(jié)果與同步AIS信息的對(duì)比分析, 表明本文提出的方法相對(duì)于基于DP-TBD的航跡起始方法可以給出更好的航跡起始結(jié)果, 提高了遠(yuǎn)端低信噪比下“閃爍”目標(biāo)的航跡起始概率, 可提高目標(biāo)跟蹤性能, 并具有區(qū)分距離-多普勒譜中鄰近目標(biāo)的能力。

高頻地波雷達(dá); 航跡起始; PS-VF-TBD; 海上目標(biāo)跟蹤

高頻地波雷達(dá)(high frequency surface wave radar, HFSWR)是海上艦船目標(biāo)大范圍連續(xù)探測(cè)的重要手段, 它利用高頻電磁波(3～30 MHz)沿海面爬行的特性實(shí)現(xiàn)超視距的目標(biāo)(海上船只、低空飛機(jī)等)探測(cè), 并獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置及航速航向信息, 最遠(yuǎn)探測(cè)距離可達(dá)300 km, 因此又被稱為地波超視距雷達(dá)[1-3]。在地波雷達(dá)船只目標(biāo)跟蹤過程中, 航跡起始是在目標(biāo)跟蹤過程中未進(jìn)入穩(wěn)定跟蹤之前的航跡確認(rèn)過程, 包括真實(shí)目標(biāo)的確認(rèn)和初始航跡段的確認(rèn), 是目標(biāo)跟蹤的首要環(huán)節(jié), 因此航跡起始的性能對(duì)于海上目標(biāo)航跡探測(cè)的最終結(jié)果有重要的影響。

目前常應(yīng)用于地波雷達(dá)的航跡起始方法主要采用先檢測(cè)后跟蹤(detect before track, DBT)的處理流程, 如直觀法、邏輯法[4]和Hough變換法等[5-6], 這些方法都是先在距離-多普勒(range-Doppler, RD)譜中進(jìn)行恒虛警率檢測(cè)(constant false alarm rate, CFAR)、目標(biāo)測(cè)向和精確參數(shù)估計(jì)得到目標(biāo)點(diǎn)跡信息, 實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的確認(rèn); 然后基于點(diǎn)跡數(shù)據(jù)開展航跡關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)初始航跡段的確認(rèn)[7-8]。這類航跡起始方法可以實(shí)現(xiàn)具有較高信噪比、能被持續(xù)穩(wěn)定探測(cè)目標(biāo)的航跡起始, 而對(duì)于尺寸較小或者遠(yuǎn)距離的船只目標(biāo), 目標(biāo)回波強(qiáng)度較弱、信噪比較低, 難以保持持續(xù)穩(wěn)定探測(cè), 影響真實(shí)目標(biāo)的確認(rèn)和航跡關(guān)聯(lián)過程, 導(dǎo)致航跡起始失敗。檢測(cè)前跟蹤(track before detect, TBD)是近年來提出的針對(duì)低信噪比目標(biāo)的檢測(cè)方法, 其不對(duì)單幀回波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)有無(wú)的判斷, 而是利用在時(shí)空序列上目標(biāo)的關(guān)聯(lián)性和雜波的隨機(jī)性, 對(duì)多幀回波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行信號(hào)能量積累, 最大化積累目標(biāo)信號(hào)能量從而提高目標(biāo)的信噪比, 在目標(biāo)檢測(cè)的同時(shí)得到目標(biāo)航跡。目前常應(yīng)用于地波雷達(dá)的檢測(cè)前跟蹤方法主要有基于動(dòng)態(tài)規(guī)劃的TBD算法(DP-TBD)[9]和基于粒子濾波的TBD算法(PF- TBD)[10]。其中, PF-TBD算法需要大量的粒子保持魯棒性, 計(jì)算復(fù)雜度較高, 實(shí)用性較弱, 因此通常較少用于工程應(yīng)用; DP-TBD算法使用最優(yōu)化策略在最大允許速度的可行區(qū)域內(nèi)進(jìn)行搜索, 可能會(huì)錯(cuò)誤積累低信噪比條件下大于目標(biāo)信號(hào)強(qiáng)度的噪聲值, 導(dǎo)致弱目標(biāo)信號(hào)能量積累錯(cuò)誤等問題, 容易導(dǎo)致產(chǎn)生虛假航跡。

VF-TBD是近幾年發(fā)展的一種新的TBD方法, 該方法假設(shè)目標(biāo)在多幀處理期間具有恒定的速度, 當(dāng)濾波器假設(shè)的速度與測(cè)量的速度相匹配時(shí), 目標(biāo)能量沿軌跡積分到最大, 具有提高信噪比和復(fù)雜度適中的優(yōu)點(diǎn)。Zhou等[11]和Wang等[12]發(fā)展了基于VF-TBD的偽譜方法(PS-VF-TBD), 將該方法推廣到距離-多普勒域, 通過構(gòu)建點(diǎn)擴(kuò)展函數(shù)的方式構(gòu)建偽譜, 可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)信號(hào)擴(kuò)展情況下的信號(hào)能量精確積累, 仿真驗(yàn)證了在提高快速移動(dòng)目標(biāo)信噪比、進(jìn)行弱目標(biāo)提取方面具有優(yōu)勢(shì)。目前該方法主要用于常規(guī)多普勒雷達(dá)仿真研究, 還未應(yīng)用于高頻地波雷達(dá)。

相對(duì)于其他常規(guī)多普勒雷達(dá)而言, 高頻地波雷達(dá)具有距離分辨率較低的特性, 而且船只目標(biāo)具有慢速運(yùn)動(dòng)的特點(diǎn), 因此, 有必要結(jié)合地波雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)特點(diǎn)發(fā)展適用于地波雷達(dá)的PS-VF-TBD航跡起始方法。本文首先結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)給出了PS-VF- TBD的原理推導(dǎo), 然后給出了基于PS-VF-TBD的航跡起始數(shù)據(jù)處理流程, 最后結(jié)合實(shí)測(cè)AIS數(shù)據(jù)對(duì)方法進(jìn)行驗(yàn)證, 并與DP-TBD航跡起始方法進(jìn)行了比較。

1 基于PS-VF-TBD的方法原理與處理流程

1.1 PS-VF-TBD原理

PS-VF-TBD依據(jù)多普勒雷達(dá)目標(biāo)的展寬特性和運(yùn)動(dòng)特性, 通過構(gòu)建偽譜和速度匹配濾波進(jìn)行目標(biāo)回波能量的有效積累, 偽譜構(gòu)建示意圖如圖1所示?；趲繕?biāo)的距離-多普勒預(yù)測(cè)值使用如下公式構(gòu)建偽譜:

其中,(n, k,n, k)為距離-多普勒單元格為(n, k,n, k)處的回波幅度值,、λ為目標(biāo)的回波擴(kuò)展參數(shù),SS、SS為在距離維和多普勒維的單元格選取范圍,為能量積累批次數(shù)。

若目標(biāo)初始距離-多普勒為(n, 0,n, 0), 那么PS- VF-TBD的傳遞函數(shù)[11]可以表示為:

其中,,分別代表在距離和多普勒方向上從目標(biāo)能量峰值點(diǎn)到量化單元格之間的距離。目標(biāo)信號(hào)積累總能量可表示為:

其中,、代表能量積累區(qū)域在距離和多普勒方向上分別占據(jù)幾個(gè)單元格, 如圖2 所示所占單元格為n1—n8。最后將信號(hào)積累總能量與設(shè)定的閾值進(jìn)行比較, 判斷目標(biāo)是否存在。

1.2 PS-VF-TBD航跡起始方法應(yīng)用

PS-VF-TBD對(duì)于探測(cè)具有勻速直線運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)具有極佳的目標(biāo)提取性能[13], 但是實(shí)際中的海上船只目標(biāo)多為非勻速直線運(yùn)動(dòng)的慢速目標(biāo)。再加上地波雷達(dá)具有較高的速度分辨率和較低的距離分辨率, 在實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中會(huì)存在目標(biāo)在距離-多普勒譜中的速度抖動(dòng)、距離變化緩慢的現(xiàn)象, 如果將該方法直接用于地波雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù), 則無(wú)法取得良好的目標(biāo)提取效果。

圖2 多幀能量積累示意圖

針對(duì)以上問題, 本文采用低門限CFAR檢測(cè)獲取疑似目標(biāo)點(diǎn), 基于目標(biāo)在距離-多普勒中的運(yùn)動(dòng)特征利用PS-VF-TBD對(duì)展寬目標(biāo)信號(hào)準(zhǔn)確積分的特性進(jìn)行能量積累, 通過疑似目標(biāo)點(diǎn)與信號(hào)積累點(diǎn)相結(jié)合的方式將目標(biāo)的首、末幀特征信息進(jìn)行關(guān)聯(lián), 實(shí)現(xiàn)真實(shí)目標(biāo)的提取和初始航跡段的確認(rèn)。一方面, 使用首幀疑似目標(biāo)點(diǎn)的距離-多普勒坐標(biāo)作為PS-VF-TBD的目標(biāo)信號(hào)能量積累起始基準(zhǔn)點(diǎn)以減少計(jì)算量; 另一方面, 通過末幀疑似目標(biāo)點(diǎn)的距離-多普勒坐標(biāo)與PS-VF- TBD的信號(hào)能量積累點(diǎn)的關(guān)聯(lián)完成真實(shí)目標(biāo)的確認(rèn)。

其中, Δ、Δ分別為距離分辨率和多普勒速度分辨率,min為最小多普勒速度。對(duì)每個(gè)疑似目標(biāo)點(diǎn)進(jìn)行目標(biāo)信號(hào)積累, 為排除其他目標(biāo)信號(hào)的影響, 以疑似目標(biāo)點(diǎn)的距離-多普勒坐標(biāo)為基準(zhǔn)限定距離-多普勒范圍n_width、n_width基于假設(shè)的速度的平方V[11], 計(jì)算各單元格在第幀的距離-多普勒預(yù)測(cè)值:

進(jìn)而得到對(duì)應(yīng)的距離-多普勒單元格:

圖3(a、b)展示了對(duì)仿真的疑似展寬目標(biāo)3在限定區(qū)域內(nèi)的PS-VF-TBD疑似目標(biāo)信號(hào)能量積累。

圖3 疑似目標(biāo)信號(hào)積累與真實(shí)目標(biāo)確認(rèn)

對(duì)于遠(yuǎn)離雷達(dá)運(yùn)動(dòng)的目標(biāo)(徑向速度為負(fù))在-1幀的搜索區(qū)域?yàn)?

其中,Z-1(,)代表在第-1幀RD譜中距離-多普勒坐標(biāo)(,)處的幅度值。在航跡回溯中取A-1中回波幅度最大值對(duì)應(yīng)的距離-多普勒坐標(biāo)作為在-1中的目標(biāo)搜索結(jié)果, 最終完成初始航跡段的確認(rèn)。

1.3 航跡起始數(shù)據(jù)處理流程

基于本文提出的航跡起始方法的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理流程圖如圖4所示。

圖4 數(shù)據(jù)處理流程圖

步驟1: 利用多幀回波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行R-D-T三維數(shù)據(jù)構(gòu)建。地波雷達(dá)數(shù)據(jù)往往有多個(gè)陣列從而形成多通道數(shù)據(jù), 為了使航跡起始效果最優(yōu), 主要采用對(duì)強(qiáng)目標(biāo)進(jìn)行信噪比分析的方式進(jìn)行不同通道的數(shù)據(jù)質(zhì)量評(píng)估, 判別各通道信號(hào)接收質(zhì)量的優(yōu)劣, 通過對(duì)多通道的回波譜數(shù)據(jù)對(duì)比, 選取目標(biāo)信噪比高, 背景更加純凈的通道來構(gòu)建數(shù)據(jù)集。

步驟2: 數(shù)據(jù)預(yù)處理。該步包括對(duì)R-D-T數(shù)據(jù)進(jìn)行雜波抑制和低門限CFAR檢測(cè)。對(duì)于地波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)而言, 地雜波和一階海雜波都屬于雜波干擾, 其較高的幅度對(duì)于步驟3中目標(biāo)信號(hào)的積累會(huì)產(chǎn)生不良影響。本文采用文獻(xiàn)[14]中基于信噪比的方法提取一階海雜波并進(jìn)行抑制, 基于地雜波固定在零頻附近的特性進(jìn)行提取并置為背景值, 對(duì)雜波抑制后的數(shù)據(jù)進(jìn)行低門限CFAR檢測(cè)。這樣處理有利篩選出疑似目標(biāo)點(diǎn), 減少步驟3中PS-VF-TBD處理的計(jì)算量, 提高算法運(yùn)行效率。

步驟3: 基于PS-VF-TBD的無(wú)向航跡起始。理論表明積累批次越多越有利于把握目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 疑似目標(biāo)信號(hào)積累點(diǎn)的信噪比越高; 然而, 通過結(jié)合AIS目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性分析, 發(fā)現(xiàn)積累批次越多目標(biāo)速度發(fā)生變化的可能性越大, 會(huì)影響目標(biāo)提取效果, 因此本文將航跡起始時(shí)間限定為10 min。結(jié)合回波譜數(shù)據(jù)中的目標(biāo)展寬范圍將展寬參數(shù)、設(shè)置為0.7; 綜合考慮地波雷達(dá)分辨率和船只目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特點(diǎn)選取積累區(qū)域范圍, 在10 min內(nèi)按船速30節(jié)計(jì)算最遠(yuǎn)行駛9.3 km, 在回波譜中展寬目標(biāo)的變化范圍對(duì)應(yīng)大約4～5個(gè)距離單元格, 因此積累區(qū)域范圍設(shè)置為5; 綜合考慮地波雷達(dá)較低的距離分辨率和航跡起始的準(zhǔn)確性將關(guān)聯(lián)參數(shù)設(shè)置為2。

步驟4: 目標(biāo)航跡空間定位。對(duì)無(wú)向航跡進(jìn)行測(cè)向、精確徑向距離估計(jì)、精確徑向速度估計(jì), 實(shí)現(xiàn)起始航跡的精確參數(shù)估計(jì), 然后結(jié)合雷達(dá)站的空間位置將目標(biāo)航跡投影到地理坐標(biāo)系, 完成目標(biāo)航跡的空間定位。

步驟5: 航速航向估計(jì)。由于地波雷達(dá)測(cè)向誤差較大, 在進(jìn)行航跡空間定位后可能會(huì)出現(xiàn)航跡抖動(dòng)現(xiàn)象, 為保持起始航跡的良好線性特征, 根據(jù)目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)基站方位緩慢變化的規(guī)律性, 進(jìn)行異常點(diǎn)篩除和方位角變化曲線擬合, 最后進(jìn)行航速航向估計(jì), 實(shí)現(xiàn)對(duì)起始航跡運(yùn)動(dòng)特征的把握。

2 基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的方法驗(yàn)證

采用2019年4月在威海海域獲取的地波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù), 驗(yàn)證本文提出的基于PS-VF-TBD的地波雷達(dá)航跡起始方法的性能。雷達(dá)工作中心頻率4.7 MHz, 距離分辨率2.5 km, 接收陣元數(shù)為5個(gè), 相干積累時(shí)間262.144 s, 選取其中10幀回波譜數(shù)據(jù)開展航跡起始, 相鄰幀的時(shí)間間隔為1 min, 回波譜數(shù)據(jù)圖5(a)所示。

圖5 回波譜數(shù)據(jù)及AIS信息

通過回波譜數(shù)據(jù)可以看出船只目標(biāo)多為面目標(biāo), 在多普勒維度上和距離維度上均存在一定的展寬。本文對(duì)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(automatic identification system, AIS)航跡數(shù)據(jù)進(jìn)行了航跡分析, 典型AIS個(gè)例兩個(gè)小時(shí)的航跡信息如圖5(b、c)所示?？梢钥闯瞿繕?biāo)在該時(shí)段航行期間(綠色部分)航速變化幅度達(dá)到0.5節(jié), 在航跡起始階段(紅色部分)航速變化幅度為0.1節(jié), 航跡起始階段可以近似看作目標(biāo)做勻速直線運(yùn)動(dòng)。

為比較本文提出方法的航跡起始性能, 與常規(guī)檢測(cè)前跟蹤方法DP-TBD算法進(jìn)行了航跡起始結(jié)果對(duì)比并給出了長(zhǎng)時(shí)間(60 min)跟蹤結(jié)果。圖6分別展現(xiàn)了目標(biāo)在雷達(dá)坐標(biāo)系下的航跡起始結(jié)果和長(zhǎng)時(shí)間跟蹤結(jié)果。通過圖6可以看出, 兩種方法起始的航跡數(shù)量較為接近, 航跡起始最遠(yuǎn)距離可以達(dá)到150 km左右, 在60～120 km距離處起始了相對(duì)較多的航跡。結(jié)合長(zhǎng)時(shí)間跟蹤結(jié)果可以看出從整體上看航跡結(jié)果大致相當(dāng), 由于兩種航跡起始方法都是基于檢測(cè)前跟蹤思想, 因此從整體上無(wú)法直觀看出方法的優(yōu)劣及航跡起始質(zhì)量。為了驗(yàn)證本文所提出方法的航跡起始效果, 采用同步AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比分析, 圖7展示了具有同步AIS信息的部分長(zhǎng)航跡目標(biāo)跟蹤個(gè)例結(jié)果。

本文選取典型個(gè)例進(jìn)行具體分析, 圖8展示了對(duì)個(gè)例1的分析結(jié)果:

通過目標(biāo)航跡與AIS信息的對(duì)比可以看出, 本文方法實(shí)現(xiàn)了對(duì)目標(biāo)56航跡的正確起始, 對(duì)該目標(biāo)的最遠(yuǎn)探測(cè)距離可以達(dá)到114.5 km, 對(duì)地波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)而言屬于遠(yuǎn)端目標(biāo), 且起始航跡的徑向速度誤差小于0.5 km/h, 徑向距離誤差小于1.5 km, 均在地波雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)允許的誤差范圍之內(nèi); 而DP-TBD方法在航跡起始階段的第6～8 min沒有正確搜索到航跡點(diǎn), 出現(xiàn)了航跡中斷的問題, 導(dǎo)致航跡起始失敗。下面結(jié)合目標(biāo)的幅度信息和信噪比進(jìn)行具體分析。

圖6 不同方法下的結(jié)果對(duì)比

圖 7 地波雷達(dá)航跡與AIS航跡結(jié)果對(duì)比

圖8 個(gè)例1運(yùn)動(dòng)特性分析

通過圖9可以看出, 在航跡起始階段目標(biāo)56的幅度強(qiáng)度較低, 整體上在189～194 dB范圍內(nèi)波動(dòng), 信噪比最低為3.5 dB最高為11.5 dB, 總體上在6 dB左右波動(dòng), 目標(biāo)信號(hào)“閃爍”。該目標(biāo)在前6時(shí)刻幅度相對(duì)較高, 在第6～8時(shí)刻幅度迅速降低, 由于DP-TBD算法是通過設(shè)定搜索范圍通過搜索回波信號(hào)強(qiáng)度最大的位置確定目標(biāo), 另外該時(shí)段內(nèi)目標(biāo)信噪比較低(3～6 dB), 導(dǎo)致在連續(xù)批次的搜索中找不到目標(biāo)點(diǎn), 最終導(dǎo)致航跡起始失敗; 而本文方法是依據(jù)目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性對(duì)航跡起始時(shí)段內(nèi)的目標(biāo)信號(hào)積累作為判斷疑似目標(biāo)點(diǎn)的依據(jù), 雖然目標(biāo)56在6～8時(shí)刻信號(hào)變?nèi)? 但是多幀信號(hào)的有效積累使得目標(biāo)信號(hào)突顯, 如圖9(c)所示, 實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)多幀信息的關(guān)聯(lián), 找到了起始航跡的始末幀點(diǎn)位并最終成功起始航跡。圖10展示了該目標(biāo)的航跡起始及長(zhǎng)時(shí)間跟蹤的V-T、R-T分布圖。

圖9 個(gè)例1幅度特性分析

圖10 個(gè)例1 V-T、R-T分布

圖11展示了對(duì)個(gè)例2的分析結(jié)果:

通過圖11可以看出, 對(duì)于42號(hào)目標(biāo)(AIS編號(hào)1881)和72號(hào)目標(biāo)(AIS編號(hào)1890), 本文方法分別實(shí)現(xiàn)了兩條航跡的起始, 并且通過長(zhǎng)時(shí)間跟蹤結(jié)果及AIS信息證明了航跡起始結(jié)果的正確性。基于DP-TBD的航跡起始方法則只完成其中一條航跡的起始, 并在航跡起始階段存在航跡關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤的現(xiàn)象, 在第1、2個(gè)時(shí)刻提取出了對(duì)應(yīng)AIS編號(hào)1881的目標(biāo)的徑向距離、徑向速度信息, 在第6～10個(gè)時(shí)刻提取出了對(duì)應(yīng)AIS編號(hào)1890的目標(biāo)的徑向距離、徑向速度信息。下面給出了回波譜數(shù)據(jù)及AIS投影結(jié)果進(jìn)一步分析。

圖11 個(gè)例2 R-V變化分析

圖12 結(jié)合回波譜數(shù)據(jù)的個(gè)例2分析

通過回波譜數(shù)據(jù)及AIS投影結(jié)果可以看出, 這兩個(gè)目標(biāo)在距離-多普勒譜中為鄰近目標(biāo), 相差2～3個(gè)多普勒單元格, 有相似的運(yùn)動(dòng)特征, 而且這兩個(gè)目標(biāo)在回波譜數(shù)據(jù)中能量較為分散, 目標(biāo)中心點(diǎn)能量不突出, 在航跡起始階段信噪比都是低于10 dB。通過這兩個(gè)目標(biāo)的幅度變化曲線可以看出, 目標(biāo)42的幅度變化較為穩(wěn)定, 幅度值在193 dB上下浮動(dòng); 而目標(biāo)72的幅度變化較大, 總體上呈上升趨勢(shì), 幅度最低為180 dB左右, 幅度最高可達(dá)202 dB。在前5個(gè)時(shí)刻目標(biāo)42的幅度值大于目標(biāo)72, 在后5個(gè)時(shí)刻目標(biāo)42的幅度值小于目標(biāo), 從而導(dǎo)致了基于DP-TBD起始的航跡在第3～6時(shí)刻航跡關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤, 導(dǎo)致航跡起始失敗, 最終影響了航跡起始質(zhì)量; 而本文方法利用航跡起始階段目標(biāo)近似勻速直線運(yùn)動(dòng)的特性, 在設(shè)定的距離-多普勒范圍內(nèi)進(jìn)行目標(biāo)信號(hào)積累, 降低了目標(biāo)信號(hào)積累錯(cuò)誤的可能性, 從而實(shí)現(xiàn)了鄰近弱目標(biāo)的提取及區(qū)分。圖13、圖14通過V-T、R-T分布展示了上述兩個(gè)目標(biāo)起始航跡和長(zhǎng)時(shí)間跟蹤航跡結(jié)果。

圖13 航跡起始階段目標(biāo)V-T、R-T分布圖

圖14 長(zhǎng)時(shí)段目標(biāo)航跡V-T、R-T分布圖

圖15 個(gè)例2在地理坐標(biāo)系下的運(yùn)動(dòng)分析

圖15展示了基于兩種航跡起始方法提取的目標(biāo)個(gè)例2在地理坐標(biāo)系下的長(zhǎng)時(shí)間跟蹤結(jié)果及對(duì)應(yīng)的AIS信息。

通過圖15可以看出, 42號(hào)目標(biāo)(AIS編號(hào)1881)和72號(hào)目標(biāo)(AIS編號(hào)1890)在地理坐標(biāo)系下也為鄰近目標(biāo)。通過目標(biāo)的徑向速度、徑向距離、角度變化曲線可以看出, 這兩個(gè)目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的徑向距離、徑向速度、方位角參數(shù)接近, 具有相似的動(dòng)態(tài)信息特征, 使得在航跡起始階段有相似的運(yùn)動(dòng)特征。由于地波雷達(dá)距離分辨率和方位分辨率較低, 再加上這兩個(gè)目標(biāo)在回波譜中呈現(xiàn)弱目標(biāo)特性, 使得對(duì)此類目標(biāo)的提取及區(qū)分存在一定的困難。對(duì)此類情況目標(biāo)的區(qū)分進(jìn)一步展現(xiàn)了本文方法對(duì)鄰近目標(biāo)具有一定的區(qū)分能力。

綜上所述, 通過本文提出的航跡起始方法與基于DP-TBD的航跡起始方法對(duì)比, 證明了本文方法航跡起始的優(yōu)越性能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明, 相對(duì)于基于DP-TBD的航跡起始方法, 本文提出的航跡起始方法可以提高遠(yuǎn)端航跡的起始成功率, 并對(duì)于在距離-多普勒譜中具有相似運(yùn)動(dòng)特征的鄰近目標(biāo)有一定的區(qū)分能力。

3 結(jié)論

通過對(duì)高頻地波雷達(dá)回波譜數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)展寬特性分析, 結(jié)合AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性分析, 將PS-VF-TBD方法應(yīng)用于地波雷達(dá)航跡起始, 通過對(duì)疑似目標(biāo)首幀與末幀信息的關(guān)聯(lián)實(shí)現(xiàn)虛假目標(biāo)的剔除和真實(shí)航跡的確認(rèn), 最后與基于DP-TBD的航跡起始方法進(jìn)行對(duì)比, 結(jié)果表明: 本文方法可實(shí)現(xiàn)較遠(yuǎn)端、非穩(wěn)定觀測(cè)的低信噪比目標(biāo)的航跡起始, 進(jìn)而提高航跡跟蹤結(jié)果; 對(duì)于距離-多普勒譜中的鄰近目標(biāo)具有一定的區(qū)分能力。

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Ship track initiation method of a high-frequency surface wave radar based on PS-VF-TBD

GAO Kun-peng1, 3, JI Yong-gang2, WANG Yi-ming1, 3, MENG Jun-min1, 3

(1. First Institute of Oceanography, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China; 2. China University of Petroleum (East China), Qingdao 266580, China; 3. Technology Innovation Center for Ocean Telemetry, Ministry of Natural Resources, Qingdao 266061, China)

The high-frequency surface wave radar has a low signal-to-noise ratio, making the target signal “flicker” and tracking initiation difficult. To address this problem, this paper proposes a track initiation method based on PS-VF-TBD. This method makes comprehensive use of the broadening and motion characteristics of the target signal in the echo spectrum, as well as the PS-VF-TBD method that can effectively accumulate the energy of the moving target, to improve the correlation probability between multi-frame signals of suspected targets, thereby improving the search probability of the real target and the success rate of track initiation. The track initiation and long-time tracking performance based on the measured data and synchronous AIS information of the ground wave radar were compared and analyzed; the result reveals that the proposed method could give better track initiation results than the method based on DP-TBD, improve the track initiation probability of “flickering” targets with low signal-to-noise ratio at the far, and improve the target tracking performance. Moreover, it can distinguish adjacent targets in the range-Doppler spectrum.

high-frequency surface wave radar; track initiation; PS-VF-TBD; marine target tracking

Oct. 13, 2021

TN958.93

A

1000-3096(2022)04-0013-12

10.11759/hykx20211013002

2021-10-13;

2021-11-16

國(guó)家重點(diǎn)研發(fā)計(jì)劃項(xiàng)目課題(2017YFC1405202); 國(guó)家自然科學(xué)基金(62031015)

[National Key R & D Program of China, No. 2017YFC1405202; the National Natural Science Foundation of China, No. 62031015]

高昆鵬(1996—), 男, 山東濟(jì)寧人, 碩士, 主要從事高頻地波雷達(dá)目標(biāo)檢測(cè)與跟蹤方面研究, E-mail: gaokunpeng@fio.org.cn; 紀(jì)永剛(1977—),通信作者, 教授, 主要從事高頻地波雷達(dá)海洋探測(cè)方面研究, E-mail: jiyonggang@upc.edu.cn

(本文編輯: 趙衛(wèi)紅)