董云龍,張兆祥,劉寧波,黃 勇,丁 昊
(海軍航空大學(xué)信息融合研究所,山東煙臺 264001)
對海面漂浮小目標(biāo)進(jìn)行檢測是對海探測雷達(dá)的主要任務(wù)之一,此類目標(biāo)主要包括浮標(biāo)、小船、水雷和飛機(jī)殘骸等,具有雷達(dá)回波微弱的特點(diǎn)[1-3]?;诮y(tǒng)計理論設(shè)計的似然比檢測器實(shí)際上是一種能量檢測器,其性能極易受到信雜比(Signal-Clutter Ratio,SCR)和海雜波幅度分布類型的影響。在高分辨率、低擦地角和高海況情形下,通常存在大量海尖峰,海雜波具有明顯的非平穩(wěn)、非均勻和非高斯特性,似然比檢測器無法實(shí)現(xiàn)漂浮小目標(biāo)的有效檢測,且存在高虛警率的突出問題[4-5]。
分形特征作為一類非能量特征,能夠在一定程度上克服SCR 的影響,自提出以來就受到人們的廣泛關(guān)注[6]。為描述自然界廣泛存在的不規(guī)則幾何,1980 年,Mandelbrot 教授介紹了分形幾何的基礎(chǔ)[7]。海、陸、云和山的表面非常粗糙,這表明它們是分形表面。1990 年,人們證明了分形表面的散射信號仍然是分形信號[8],這激發(fā)了分形幾何在雷達(dá)探測中的應(yīng)用。1993 年,Haykin 等人首次將單尺度分形維數(shù)運(yùn)用于雷達(dá)目標(biāo)檢測[9]。單分形參數(shù)只能從整體上描述集合的分形特性,為此Kaplan 等人研究了分?jǐn)?shù)布朗運(yùn)動(Fractional Brownian Motion, FBM)的擴(kuò)展自相似特性[10],文獻(xiàn)[11]研究了海雜波的多重分形特性。為改善時域信號的SCR,增大海雜波和目標(biāo)回波的分形特性區(qū)分度,人們研究了海雜波頻譜(本文將頻譜稱為多普勒譜)、AR 譜和分?jǐn)?shù)階傅里葉變換譜的分形特性,提出了眾多變換域分形特征[12-16],多普勒譜Hurst 指數(shù)是其中之一。多普勒譜Hurst 指數(shù)能夠從整體上描述多普勒譜的分形特性,兼顧相參積累和分形特征的優(yōu)勢,具備較強(qiáng)的實(shí)際應(yīng)用價值。然而人們對分形類特征檢測方法的研究存在兩點(diǎn)不足:一是沒有深入研究參數(shù)選擇、極化方式和海況因素對海雜波分形特征特性的影響,這導(dǎo)致分形特征很難應(yīng)用于實(shí)際;二是人們往往通過蒙特卡洛仿真或非參量恒虛警(Constant False Alarm Rate,CFAR)方法確定判決門限,蒙特卡洛仿真方法確定判決門限需要計算大量數(shù)據(jù),非參量CFAR 方法為實(shí)現(xiàn)恒虛警會帶來較大的檢測性能損失。
鑒于此,針對已有研究的不足,本文對海雜波多普勒譜Hurst 指數(shù)的統(tǒng)計特性進(jìn)行研究,引入合適的CFAR 檢測器確定判決門限,以期為多普勒譜Hurst 指數(shù)的實(shí)際應(yīng)用提供支撐。本文首先基于實(shí)測數(shù)據(jù),分析參數(shù)選擇、極化方式和海況等級對海雜波多普勒譜分形特性及多普勒譜Hurst指數(shù)統(tǒng)計特性的影響;其次使用6 種常見的統(tǒng)計分布模型對實(shí)測海雜波多普勒譜Hurst 指數(shù)的分布類型進(jìn)行驗(yàn)證,并在此基礎(chǔ)上設(shè)計了一種基于多普勒譜Hurst 指數(shù)的恒虛警檢測器;最后使用實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了所提目標(biāo)檢測方法的有效性。
大量文獻(xiàn)已經(jīng)證明時域海雜波可以使用FBM模型進(jìn)行建模[17],事實(shí)上,海雜波頻譜(多普勒譜)仍具有自相似性,可當(dāng)作分形集處理。本節(jié)簡要說明對海雜波頻譜(多普勒譜)進(jìn)行分形特性分析的理論方法。
FBM 模型可以用來建模海雜波,文獻(xiàn)[12]對時域FBM 模型BH(t) 的頻譜進(jìn)行理論推導(dǎo),得到下式:
其中時域FBM 模型BH(t)定義在時間區(qū)間(0,T1)內(nèi),t′=κt是推導(dǎo)時的尺度變換,F(xiàn)B(f)是FBM 的頻譜,κ為尺度變換系數(shù),H為Hurst指數(shù),表示在統(tǒng)計意義下相等。FBM 模型BH(t) 的功率譜滿足以下等式:
SB(f)是FBM 的功率譜。通過式(1)和式(2)可知,如果頻率尺度變?yōu)樵瓉淼?/κ,那么頻譜密度變?yōu)樵瓉淼摩蔋+1,而功率譜密度變?yōu)樵瓉淼摩?H+1,這個尺度關(guān)系說明FBM的頻譜、功率譜密度都是頻率的冪函數(shù),均具有統(tǒng)計意義上的自相似性,故可直接使用分形理論對海雜波的頻譜(多普勒譜)進(jìn)行處理。統(tǒng)計意義上自相似性成立的尺度區(qū)間稱為無標(biāo)度區(qū)間,為與時域中的無標(biāo)度區(qū)間區(qū)分,本文將在頻域中自相似性成立的區(qū)間稱為頻率無標(biāo)度區(qū)間。
假設(shè)高分辨率對海探測雷達(dá),在某波束方位上發(fā)射長度為N的相干脈沖串,并在某距離單元上接收到長度為N的海雜波序列x(n),n=1,2,…,N,通過快速傅里葉變換(Fast Fourier Transform, FFT)得到其多普勒譜X(k),k=1,2,…,K,將其建模為“隨機(jī)游走”模型,驗(yàn)證其是否滿足以下關(guān)系:
若滿足式(3)的冪律關(guān)系,則認(rèn)為多普勒譜序列是分形體。其中F(m)為配分函數(shù);m為頻率采樣間隔,即頻率尺度;H為多普勒譜序列的Hurst 指數(shù),即海雜波的多普勒譜Hurst指數(shù),Hurst指數(shù)能夠從整體上描述分形特性。事實(shí)上,海雜波多普勒譜的自相似性僅存在于其頻率無標(biāo)度區(qū)間內(nèi),即在此無標(biāo)度區(qū)間上,海雜波多普勒譜具有分形特性。雙對數(shù)坐標(biāo)系中,log2(F(m))與log2(m)在頻率無標(biāo)度區(qū)間上通過直線擬合得到的斜率即為多普勒譜Hurst指數(shù),可通過下式描述:
實(shí)際上,也可通過判斷l(xiāng)og2(F(m))與log2(m)是否具有線性關(guān)系,判斷海雜波多普勒譜是否具有分形特性。
本文所做實(shí)驗(yàn)均基于實(shí)測數(shù)據(jù)完成,實(shí)測數(shù)據(jù)來自兩個公開的數(shù)據(jù)集。一是IPIX 雷達(dá)數(shù)據(jù)集中1993 年采集的10 組數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)包含HH、VV、HV、VH 四種極化模式數(shù)據(jù),每組數(shù)據(jù)含14 個距離單元。數(shù)據(jù)采集時,雷達(dá)工作于凝視模式,凝視時間約131 s,脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency, PRF)為1 kHz,距離向分辨率為30 m,目標(biāo)為金屬絲包裹的直徑1 m的漂浮小球[18],更詳細(xì)數(shù)據(jù)介紹見表1。
表1 1993年IPIX雷達(dá)數(shù)據(jù)說明
二是海軍航空大學(xué)“雷達(dá)對海探測數(shù)據(jù)共享計劃”數(shù)據(jù)集(2020年第1期)。該數(shù)據(jù)集主要包括不同海況等級下的海雜波和目標(biāo)回波數(shù)據(jù),數(shù)據(jù)采集時,雷達(dá)主要工作于凝視模式,極化方式為HH 極化,距離向采樣率為60 MHz,雷達(dá)架高80 m,PRF 為1.6 kHz[19-20],更詳細(xì)數(shù)據(jù)介紹見文獻(xiàn)[19]和表2,每個數(shù)據(jù)編號包含2 至3 組數(shù)據(jù),本文采用序號代替相應(yīng)數(shù)據(jù)編號對數(shù)據(jù)進(jìn)行引用。
表2 “雷達(dá)對海探測數(shù)據(jù)共享計劃”數(shù)據(jù)介紹
分析不同因素對海雜波多普勒譜Hurst 指數(shù)統(tǒng)計特性影響的同時,也需要分析不同因素對海雜波多普勒譜分形特性的影響,以確定不同條件下計算多普勒譜Hurst 指數(shù)的參數(shù)選擇規(guī)則。海雜波多普勒譜分形特性及多普勒譜Hurst 指數(shù)統(tǒng)計特性的影響因素眾多,本文主要研究時間序列長度(脈沖數(shù))、FFT 的頻率點(diǎn)數(shù)、雷達(dá)極化方式和海況等級的影響。需要注意的是,本文分析均采用“隨機(jī)游走”模型對多普勒譜進(jìn)行建模。
首先分析脈沖數(shù)對海雜波多普勒譜分形特性及多普勒譜Hurst指數(shù)統(tǒng)計特性的影響。FFT點(diǎn)數(shù)設(shè)為216,HH#26 數(shù)據(jù)在不同脈沖數(shù)下得到的典型多普勒譜配分函數(shù)如圖1所示。可知,脈沖數(shù)對頻率無標(biāo)度區(qū)間存在影響,脈沖數(shù)越多,配分函數(shù)無標(biāo)度區(qū)間線性程度越好。當(dāng)脈沖數(shù)足夠長時(大于210),頻率無標(biāo)度區(qū)間范圍始終保持在25~210;脈沖數(shù)較少時(遠(yuǎn)小于210),頻率無標(biāo)度區(qū)間范圍明顯縮小。這主要是由于脈沖數(shù)越少,頻率分辨率越差,多普勒譜配分函數(shù)的計算誤差越大導(dǎo)致。實(shí)際檢測過程中,為減小多普勒譜Hurst 指數(shù)的計算誤差,時間序列長度一般取210及以上。圖2 展示了脈沖數(shù)對海雜波單元和目標(biāo)單元多普勒譜Hurst 指數(shù)統(tǒng)計分布的影響,其中數(shù)據(jù)是HH#311,F(xiàn)FT 點(diǎn)數(shù)均為216,頻率無標(biāo)度區(qū)間為25~210。本文使用概率密度函數(shù)(Probability Density Function,PDF)刻畫多普勒譜Hurst指數(shù)的分布情況。顯然,隨著脈沖數(shù)的增加,海雜波多普勒譜Hurst 指數(shù)分布的收束性變好,拖尾變短,海雜波單元和目標(biāo)單元提取多普勒譜Hurst 指數(shù)的整體分離程度增加。這表明虛警概率一定時,目標(biāo)檢測的正確檢測概率有增大的趨勢。
圖1 脈沖數(shù)對多普勒譜分形特性影響
圖2 脈沖數(shù)對多普勒譜Hurst指數(shù)分布影響
FFT 點(diǎn)數(shù)對海雜波多普勒譜分形特性及多普勒譜Hurst 指數(shù)統(tǒng)計特性也存在影響。時間序列長度設(shè)為211,HH#311 數(shù)據(jù)在不同F(xiàn)FT 點(diǎn)數(shù)下得到的典型多普勒譜配分函數(shù)如圖3所示??芍S著FFT點(diǎn)數(shù)的增加,頻率無標(biāo)度區(qū)間的范圍在逐漸增大,配分函數(shù)的線性程度無明顯變化。由于Fourier 變換是一種線性變換,F(xiàn)FT 點(diǎn)數(shù)增大,并不會明顯改變多普勒譜的自相似結(jié)構(gòu),所以頻率無標(biāo)度區(qū)間范圍隨FFT 點(diǎn)數(shù)增大而近似線性增大,配分函數(shù)的線性程度基本不變。圖4 展示了FFT 點(diǎn)數(shù)對海雜波單元和目標(biāo)單元多普勒譜Hurst 指數(shù)統(tǒng)計分布的影響,時間序列長度均為211。隨著FFT點(diǎn)數(shù)的增加,海雜波多普勒譜Hurst 指數(shù)分布的收束性和拖尾并無明顯變化,但海雜波單元和目標(biāo)單元提取多普勒譜Hurst 指數(shù)的整體分離程度明顯增加。這表明虛警概率一定時,正確檢測概率有增大的趨勢。綜上分析可知,實(shí)際應(yīng)用過程中,為提升檢測性能和便于選擇頻率無標(biāo)度區(qū)間,F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)可固定為216,時間序列長度足夠時,頻率無標(biāo)度區(qū)間基本為25~210。
圖3 FFT點(diǎn)數(shù)對多普勒譜分形特性影響
圖4 FFT點(diǎn)數(shù)對多普勒譜Hurst指數(shù)分布影響
其次分析雷達(dá)工作極化方式對海雜波多普勒譜分形特性及多普勒譜Hurst 指數(shù)統(tǒng)計特性的影響。時間序列長度均為211,F(xiàn)FT 點(diǎn)數(shù)為216,#311數(shù)據(jù)在4 種極化方式下得到的典型多普勒譜配分函數(shù)如圖5所示。顯然,極化方式對于海雜波多普勒譜配分函數(shù)的無標(biāo)度區(qū)間無明顯影響。圖6 展示了極化方式對海雜波單元和目標(biāo)單元多普勒譜Hurst 指數(shù)統(tǒng)計分布的影響,其中時間序列長度為211,F(xiàn)FT 點(diǎn)數(shù)為216,頻率無標(biāo)度區(qū)間為25~210??芍猇V 極化時,海雜波多普勒譜Hurst 指數(shù)分布的聚集性最好,拖尾最短;HV 極化和VH 極化效果基本一致,HH 極化最差。4種極化方式下,海雜波單元和目標(biāo)單元提取多普勒譜Hurst 指數(shù)的整體分離程度基本相同。這表明使用多普勒譜Hurst 指數(shù)進(jìn)行目標(biāo)檢測時,VV 極化數(shù)據(jù)效果最佳,其次是HV和VH極化,HH極化效果最差。
圖5 極化方式對多普勒譜分形特性影響
圖6 極化方式對多普勒譜Hurst指數(shù)分布影響
以往研究已經(jīng)證明海況等級對海雜波分形特性存在明顯影響[17],海況等級對海雜波多普勒譜分形特性同樣存在影響,本文主要分析不同海況對海雜波多普勒譜分形特性及多普勒譜Hurst 指數(shù)統(tǒng)計特性的影響。時間序列長度均為211,F(xiàn)FT點(diǎn)數(shù)為216,2 級海況和3、4 級海況數(shù)據(jù)的典型多普勒譜配分函數(shù)如圖7 所示,其中2 級海況為數(shù)據(jù)2,3、4 級海況為數(shù)據(jù)6。顯然,2 級和3、4 級海況對應(yīng)的海雜波多普勒譜配分函數(shù)的無標(biāo)度區(qū)間基本相同,均為25~210。圖8 展示了海況等級對海雜波單元和目標(biāo)單元多普勒譜Hurst 指數(shù)統(tǒng)計分布的影響。可知,海況等級越高,海雜波多普勒譜Hurst指數(shù)分布的聚集性越好,拖尾越短。一般情況下,海況等級和有效浪高越高,海面的白浪、破碎浪越多,海面粗糙度越大,海雜波多普勒譜的不規(guī)則程度增大,而Hurst 指數(shù)表征了分形集的粗糙度和不規(guī)則程度,故高海況海雜波的多普勒譜Hurst 指數(shù)整體偏小。4級海況時,海面已比較粗糙,2級海況時,仍存在較多的規(guī)則海面,故整體而言,4 級海況海雜波多普勒譜Hurst 指數(shù)的統(tǒng)計分布拖尾較短、聚集性更好。事實(shí)上,有效波高和海況等級越高,海面粗糙度存在變大趨勢,但并不一定更大,這與有效波高計算方法和海況等級的劃分標(biāo)準(zhǔn)有關(guān),詳情見文獻(xiàn)[20]。這表明隨著海況等級和有效浪高的增加,海雜波多普勒譜Hurst 指數(shù)的統(tǒng)計分布具有聚集性變好、拖尾變短的趨勢。需要注意的是,這并不說明海況等級越高,海雜波單元和目標(biāo)單元所提取多普勒譜Hurst 指數(shù)的整體分離程度越好,因?yàn)楫?dāng)海況等級足夠大時,目標(biāo)單元的SCR過低,海雜波單元和目標(biāo)單元提取多普勒譜Hurst指數(shù)的分離程度反而變差。
圖7 海況等級對多普勒譜分形特性影響
圖8 海況等級對多普勒譜Hurst指數(shù)分布影響
經(jīng)過上述分析,可得出以下結(jié)論:當(dāng)使用多普勒譜Hurst 指數(shù)進(jìn)行目標(biāo)檢測時,為提升檢測性能,應(yīng)首選VV極化數(shù)據(jù),其次是HV和VH極化,最差是HH 極化;時間序列長度足夠長時(一般不少于210),最佳FFT 點(diǎn)數(shù)為216,此時最佳頻率無標(biāo)度區(qū)間為25~210;當(dāng)時間序列長度遠(yuǎn)小于210或FFT 點(diǎn)數(shù)變化較大時,會影響最佳頻率無標(biāo)度區(qū)間范圍;海況等級在2~4 級之間變化時,不會影響上述結(jié)論。
基于表1和表2中介紹的47組實(shí)測數(shù)據(jù),利用6 種經(jīng)典統(tǒng)計分布模型(高斯分布、瑞利分布、韋布爾分布、對數(shù)正態(tài)分布、K分布和KK分布),本文驗(yàn)證了海雜波多普勒譜Hurst指數(shù)的最佳統(tǒng)計分布類型,以便設(shè)計相應(yīng)的恒虛警檢測器。從47組實(shí)測數(shù)據(jù)中提取海雜波單元多普勒譜Hurst指數(shù),利用6種分布模型分別對其進(jìn)行擬合,使用卡方檢驗(yàn)的擬合誤差值大小判斷模型擬合適用度,得到的實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖9 和表3 所示。其中脈沖數(shù)為210,F(xiàn)FT 點(diǎn)數(shù)為216,頻率無標(biāo)度區(qū)間為25~210。
圖9 典型海雜波多普勒譜Hurst指數(shù)分布的擬合與誤差結(jié)果
表3 實(shí)測海雜波多普勒譜Hurst指數(shù)分布擬合最小誤差統(tǒng)計
47 組實(shí)測數(shù)據(jù)中,45 組數(shù)據(jù)的最佳分布類型是對數(shù)正態(tài)分布,只有2組數(shù)據(jù)的最佳分布類型為韋布爾分布,這說明實(shí)測海雜波多普勒譜Hurst 指數(shù)的最佳分布類型基本為對數(shù)正態(tài)分布。47 組數(shù)據(jù)包含了2~4 級海況、4 種極化方式下的數(shù)據(jù)。顯然,海況和極化方式的不同不會改變海雜波多普勒譜Hurst 指數(shù)的最佳分布類型,事實(shí)上,脈沖數(shù)的改變也不會影響最佳分布類型。
上文已經(jīng)指出,對數(shù)正態(tài)分布是海雜波多普勒譜Hurst指數(shù)的最佳分布類型,Log-t檢測器是在形狀和尺度參數(shù)都未知的韋布爾或?qū)?shù)正態(tài)雜波中提供CFAR 檢測的一種準(zhǔn)最優(yōu)單脈沖檢測策略。故本文將Log-t 檢測器引入,設(shè)計基于多普勒譜Hurst指數(shù)的CFAR檢測器,檢測流程如圖10所示。
圖10 基于多普勒譜Hurst指數(shù)的目標(biāo)檢測方法流程圖
其中,Log-t CFAR檢測器的檢測統(tǒng)計量如下:
Y0是待檢測單元提取多普勒譜Hurst 指數(shù)的對數(shù)變換值,Yi,i= 1,2,…,R是參考單元提取多普勒譜Hurst 指數(shù)的對數(shù)變換值,R表示參考單元數(shù)目。判決門限T可通過下式計算:
Pfa為提前給定的虛警概率。需要注意的是,在提取多普勒譜Hurst 指數(shù)過程中,參數(shù)設(shè)置規(guī)則如上文所述,即當(dāng)脈沖數(shù)足夠(一般不少于210)、FFT 點(diǎn)數(shù)為216時,頻率無標(biāo)度區(qū)間為25~210;當(dāng)脈沖數(shù)遠(yuǎn)小于210或FFT 點(diǎn)數(shù)變化較大時,需要改變頻率無標(biāo)度區(qū)間。
使用IPIX 數(shù)據(jù)集驗(yàn)證所提目標(biāo)檢測方法的有效性。實(shí)驗(yàn)過程中,1 024 個脈沖計算一次多普勒譜Hurst 指數(shù),F(xiàn)FT 點(diǎn)數(shù)設(shè)為216,頻率無標(biāo)度區(qū)間為25~210,虛警概率Pfa為0.001。為比較分析,本文使用文獻(xiàn)[21]所提三特征檢測器、時域多重分形檢測器[11]和散斑一致性因子檢測器[22]進(jìn)行了對比實(shí)驗(yàn),其中提取單個特征所使用脈沖數(shù)均為1 024。檢測結(jié)果如圖11 所示,可知本文所提檢測方法在VV 極化數(shù)據(jù)中效果最佳,其次是HV 和VH 極化,HH 極化效果最差,這與上文分析結(jié)果相同。通過比較發(fā)現(xiàn),4種檢測器中,本文所提檢測器在VV 極化數(shù)據(jù)中的檢測效果能達(dá)到最佳,在HV、VH 和HH 極化數(shù)據(jù)中效果不如三特征檢測器;在4 種極化數(shù)據(jù)中的檢測效果基本都優(yōu)于時域多重分形檢測器和散斑一致性因子檢測器,這表明本文所提檢測方法具有較好的小目標(biāo)檢測性能和穩(wěn)定性。
圖11 所提檢測器與其余檢測器的檢測概率
表4 給出了4 種檢測器在#40 數(shù)據(jù)中的其他檢測結(jié)果。可知,當(dāng)使用脈沖數(shù)為512 時,所提檢測器的正確檢測概率小于0.5,主要原因有兩點(diǎn):一是脈沖數(shù)過少,頻率分辨率較差,多普勒譜配分函數(shù)和多普勒譜Hurst 指數(shù)計算誤差較大;二是相參積累之后的SCR 仍較低。隨著脈沖數(shù)增加,4 種檢測器的正確檢測概率均有所提升,其中分形類特征檢測器的提升比例最大;脈沖數(shù)為1 024 和2 048時,所提檢測器在VV 極化數(shù)據(jù)中的性能基本達(dá)到最佳。
表4 4種檢測器的其他檢測概率
本文基于實(shí)測數(shù)據(jù),詳細(xì)分析了時間序列長度(脈沖數(shù))、FFT 點(diǎn)數(shù)、極化方式和海況等級對海雜波多普勒譜分形特性及多普勒譜Hurst 指數(shù)統(tǒng)計特性的影響,并給出了相關(guān)結(jié)論,為多普勒譜Hurst 指數(shù)實(shí)際應(yīng)用于目標(biāo)檢測提供了支撐。其次,本文利用6種常用統(tǒng)計分布模型(高斯分布、瑞利分布、韋布爾分布、對數(shù)正態(tài)分布、K 分布和KK分布),驗(yàn)證了海雜波多普勒譜Hurst 指數(shù)的最佳統(tǒng)計分布模型為對數(shù)正態(tài)分布,且海況等級、極化方式和脈沖數(shù)的改變基本不會影響其最佳分布類型。最后,結(jié)合多普勒譜Hurst 指數(shù)與Log-t CFAR檢測器,提出了基于多普勒譜Hurst 指數(shù)的CFAR檢測算法。實(shí)測數(shù)據(jù)測試結(jié)果表明,本文所提檢測器具有較好的小目標(biāo)檢測性能和穩(wěn)定性,且在VV極化數(shù)據(jù)中性能最佳。