CN103308910B - 利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法 - Google Patents

Abstract

利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法，包括利用高频地波雷达多通道数据提取零多普勒信息，对同一距离单元格的所有的波束数据做积分处理而得到的一维数据，做恒虚警检测，确定存在疑似目标的距离单元格，再对存在疑似目标的每一个距离，沿该距离处的方位向做峰值检测，找到方位向中出现极大值的位置以确定疑似目标所在方位向，选择多个时刻的回波信号做统计分析，剔除疑似目标中的岛屿目标，最后识别出非航行状态船只目标。本发明利用零多普勒信息，综合考虑了目标较强的回波信号在波束合成中沿方位向扩展的特性和不同时刻船只与岛屿陆地杂波回波强度的变化差异，克服了现有技术只能检测海上移动目标不能检测非航行状态船只的缺陷。

Description

利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法

技术领域

本发明涉及一种海上非航行状态船只目标的检测方法，具体涉及一种利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法。

背景技术

高频地波雷达能够探测海上移动船只目标，其原理是：海上移动船只相对于雷达站的径向运动会引起多普勒频移，高频地波雷达通过检测非零的多普勒频移来检测海上移动目标，实现移动目标的动态跟踪探测。

目前，国内外已发展了多种高频地波雷达目标检测方法（Dzvonkovskaya1 et al,2008;Maresca,et al,2011）。上述检测方法中，主要利用地波雷达数据中的非零多普勒频信息，而对于其中的零多普勒信息，通常被当作陆地杂波而予以剔除。实际上，零多普勒处的回波不仅包含了来自海上岛屿在内的陆地杂波，还包含了径向速度为零的海上非航行状态的船只目标的回波。因此，现有的高频地波雷达检测方法由于没有利用回波中的零多普勒信息，只能用来检测海上移动目标，还不能检测处于非航行状态的船只目标。到目前为止，还没有利用高频地波雷达来检测处于非航行状态的海上目标的研究报道。

对于海上的船只，不可能总是处于航行运动状态，这些非航行状态的目标船只可能处于在固定位置考察或作业、原地转向或掉头，或者岸边抛锚等非航行状态。海上船只目标的探测不仅包括运动船只目标的检测，还应该包括非航行状态船只目标的检测。如果缺少非航行状态下的船只目标检测，不仅不能给出非航向状态船只目标探测结果，也会由于缺少目标机动运动时可能处于的暂时非航行状态的检测，影响船只目标的跟踪监测结果，整体上降低了高频地波雷达船只目标探测性能。相关的参考文献如下：

[1]Dzvonkovskaya1,A.,K-W Gurgel,H.Rohling&T.Schlick,Low Power High Frequency Surface WaveRadar Application for Ship Detection and Tracking,National Radar Conference(2008).（低能量高频地波雷达船只探测与跟踪应用）

[2]Maresca S.,Horstmann,J.,Grasso,R.,et.Al.Performance assessment of HF-radar ship detection.RadarSymposium(IRS),2011Proceedings international.2011:131-136.（高频雷达船只探测性能评价分析）

发明内容

本发明的目的是提供一种利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法，该方法能够充分利用高频雷达回波中的零多普勒信息，区分检测海上船只目标和海上岛屿等陆地杂波，实现海上非航行状态的船只目标的检测。

为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：

利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：利用某时刻t₀的高频地波雷达多通道数据来提取零多普勒信息，即零多普勒处的距离-波束数据R-B数据，记为Y_r,b，其物理量为幅度值，单位dB；

步骤2：对同一距离单元格r的所有的波束数据做积分处理，即沿方位向对数据进行相加而形成一个只含距离维的一维数据：

$C_r=\underset{b=1}{\overset{B_{\mathrm{Num}}}{\mathrm{\Σ}}}{Y}_{r,b}$

其中，b表示方位向，B_Num为方位向的个数；

步骤3：利用步骤2得到的一维数据C_r，做恒虚警检测，即CFAR检测，确定哪些距离单元格存在疑似目标，疑似目标所在的距离单元格即为该疑似目标的距离；

步骤4：在确定上述疑似目标的距离后，再根据步骤1中R-B数据，对存在疑似目标的每一个距离，沿该距离处的方位向做峰值检测，找到方位向中出现极大值的位置，就可以确定疑似目标所在的方位向；

步骤5：选择t₀时刻前后至少各10分钟内的m个R-B数据，m为小于20的自然数，得到m个时刻的回波信号；再根据步骤4中得到的疑似目标的距离和方位向所在的位置，对该位置的20个时刻的回波信号做统计分析——即利用现有技术根据船只目标与岛屿陆地杂波回波强度不同时刻的变化差异，剔除疑似目标中的岛屿目标，最后识别出非航行状态船只目标。

上述步骤1：首先选取高频地波雷达多个通道的距离-多普勒二维数据，利用波束合成技术，计算得到零多普勒处的距离-波束数据（R-B数据），记为Y_r,b，其物理量为幅度值，单位dB。

上述步骤3：对步骤2得到的一维信号C_r，采用三次方曲线拟合的自适应线性回归CFAR检测方法，得到检测结果D_r，即检测出存在疑似目标的位置，确定含有疑似目标的距离单元格。

上述步骤4：对于存在疑似目标的某一个距离r处的方位向一维数据，如果疑似目标的方位向为k，则k应满足：

Y_r,k>Y_r,k+1

Y_r,k>Y_r,k-1，k是自然数且1<k<B_Num。

上述步骤5：设Y_r,k(t),t=t₀-n,...,t₀-1,t₀,t₀+1,...,t₀+n，为目标t₀时刻前后各n个时刻的回波信号幅度值，船只目标和岛屿陆地杂波回波强度不同时刻的变化差异主要表现在其标准偏差的差别，简称为STD，通过利用两者的STD来区分船只和岛屿陆地信息；

其中， $\mathrm{STD}={\left(\frac{1}{2n}\underset{t=t_0-n}{\overset{t_0+n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Y_{r,k}\left(t\right)-\stackrel{\&OverBar;}{Y_{r,k}\left(t\right)})\right)}^{\frac{1}{2}}$

$\stackrel{\&OverBar;}{Y_{r,k}\left(t\right)}=\frac{1}{2n+1}\underset{t=t_0-n}{\overset{t_0+n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_{r,k}\left(t\right);$

STD_T为Y_r,k(t)标准偏差的阈值。

与现有技术相比，本发明的创新之处体现在以下方面：

在高频地波雷达多个通道的波束合成处理中，为了提高当前主波束中目标的信噪比，往往采用加窗的波束合成处理，这样会使得主波束宽度较大，即目标的强信号会在多个方位的波束方向上扩展，特别是当雷达孔径较小时，这种扩展现象更加明显。对于非航行状态的目标，由于其对于雷达站的径向速度为零，此时非航行状态的目标信号不会在多个距离单元格扩展。本发明对同一距离单元格的所有方位向的波束数据做积分处理时，可以进一步突显目标信号，提高目标的信噪比；通过增强后的信号可以确定目标的距离，并以此得到目标的方位信息。

本发明在得到目标的距离和方位后，为了在检测的目标中识别出船只和岛屿陆地信号，还需要分析两者的特性。对于非航行状态的船只，虽然其径向速度为零，但受到海浪或海流等海洋动力过程的影响，使得船只不可能完全处于静止状态，船只会出现前后倾斜或左右摇摆，甚至船首方向发生转动，在不同时刻其雷达后向散射截面RCS会发生较大的变化，导致其产生的雷达回波变化剧烈。而对于处于静态的海上岛屿，由于雷达站相对于岛屿的方位向和岛屿本身的静止状态，不同时刻的岛屿的RCS应保持不变或者变化很小，相应的其雷达回波强度变化也很小。因此，本发明利用了不同时刻的目标回波信号的变化程度，区分非航行状态的船只目标和海上岛屿等地杂波信息。

本发明克服了现有高频地波雷达船只目标检测方法只能检测海上移动目标不能检测非航行状态的船只目标的缺陷。通过利用高频地波雷达中的零多普勒信息，综合考虑了目标较强的回波信号在波束合成中沿方位向扩展的特性和不同时刻船只目标与岛屿陆地杂波回波强度的变化差异，实现非航向状态船只目标的检测。

附图说明

图1为本发明的基本流程示意图。

图2为零多普勒处的R-B数据示意图。

图3为本发明的方位向幅度积分结果。

图4为本发明的疑似目标的距离-方位分布图。

图5为岛屿A、B与船只目标C、D在不同时刻的回波强度分布图。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的方法做进一步说明：

如图1所示，利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法，主要包括根据零多普勒信息确定目标距离和位置，利用多时刻回波信号统计分析剔除岛屿信息，其具体步骤如下：

步骤1：利用某时刻t₀的高频地波雷达多通道数据来提取零多普勒信息，即零多普勒处的距离-波束数据（R-B数据），记为Y_r,b，其物理量为幅度值，单位dB；距离-波束数据即R-B数据是一个二维数据，其形式如图2所示；

步骤2：对同一距离单元格r的所有的波束数据做积分处理，即沿方位向对数据进行相加而形成一个只含距离维的一维数据：

$C_r=\underset{b=1}{\overset{B_{\mathrm{Num}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_{r,b}$

其中，b表示方位向，B_Num为方位向的个数，其积分结果如图3所示；

步骤2的意义在于：步骤1中波束合成处理得到的零多普勒数据Y_r,b，目标的强信号会在多个方位的波束方向上扩展，而在距离向上没有扩展。因此，当对同一距离单元格的所有方位向的波束数据做积分处理时，可以进一步突显目标信号，提高目标的信噪比，更易于目标检测。

步骤3：利用步骤2得到的一维数据C_r，做恒虚警检测，即现有技术中的CFAR检测，确定哪些距离单元格存在疑似目标，疑似目标所在的距离单元格即为该疑似目标的距离；

步骤4：在确定上述疑似目标的距离后，再根据步骤1中R-B数据，对存在疑似目标的每一个距离，沿该距离处的方位向做峰值检测，找到方位向中出现极大值的位置，就可以确定疑似目标所在的方位向；存在疑似目标的结果见图4；

步骤5：选择t₀时刻前后至少各10分钟内的m个R-B数据，m为小于20的自然数，得到m个时刻的回波信号；再根据步骤4中得到的疑似目标的距离和方位向所在的位置，对该位置的20个时刻的回波信号做统计分析（如图5所示，图中给出了4个疑似目标，其中疑似目标A、B是岛屿，而疑似目标C、D是非航行状态船只目标）——即利用现有技术根据船只目标与岛屿陆地杂波回波强度不同时刻的变化差异，剔除疑似目标中的岛屿目标，最后识别出非航行状态船只目标。

上述步骤1：首先选取高频地波雷达多个通道的距离-多普勒二维数据，利用波束合成技术，计算得到零多普勒处的距离-波束数据（R-B数据），记为Y_r,b，其物理量为幅度值，单位dB。

上述步骤3：对步骤2得到的一维信号Cr，采用三次方曲线拟合的自适应线性回归CFAR检测方法，得到检测结果D_r，即检测出存在疑似目标的位置，确定含有疑似目标的距离单元格。

上述步骤4：对于存在疑似目标的某一个距离r处的方位向一维数据，如果疑似目标的方位向为k，则k应满足：

Y_r,k>Y_r,k+1

Y_r,k>Y_r,k-1k是自然数且1<k<B_Num。

可以看出，在同一距离单元格中可能同时存在多个峰值，及可能存在多个距离相同但方位向不同的目标。确定目标所在的距离和方位的位置点信息，见图4。

除了利用现有方法以外，在上述步骤5中，本发明给出的方法如下：

设Y_r,k(t),t=t₀-n,...,t₀-1,t₀,t₀+1,...,t₀+n，为目标t₀时刻前后各n个时刻的回波信号幅度值，船只目标和岛屿陆地杂波回波强度不同时刻的变化差异主要表现在其标准偏差的差别，简称为STD，通过利用两者的STD来区分船只和岛屿陆地信息；

其中， $\mathrm{STD}={\left(\frac{1}{2n}\underset{t=t_0-n}{\overset{t_0+n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Y_{r,k}\left(t\right)-\stackrel{\&OverBar;}{Y_{r,k}\left(t\right)})\right)}^{\frac{1}{2}}$

$\stackrel{\&OverBar;}{Y_{r,k}\left(t\right)}=\frac{1}{2n+1}\underset{t=t_0-n}{\overset{t_0+n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_{r,k}\left(t\right);$

STD_T为Y_r,k(t)标准偏差的阈值。

Claims (5)

1.利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：利用某时刻t₀的高频地波雷达多通道数据来提取零多普勒信息，即零多普勒处的距离-波束数据，记为Y_r,b，其物理量为幅度值，单位dB；

步骤2：对同一距离单元格r的所有的波束数据做积分处理，即沿方位向对数据进行相加而形成一个只含距离维的一维数据：

$C_r=\underset{b=1}{\overset{B_{\mathrm{Num}}}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_{r,b}$

其中，b表示方位向，B_Num为方位向的个数；

步骤3：利用步骤2得到的一维数据C_r，做恒虚警检测，即CFAR检测，确定哪些距离单元格存在疑似目标，疑似目标所在的距离单元格即为该疑似目标的距离；

步骤4：在确定上述疑似目标的距离后，再根据步骤1中距离-波束数据，对存在疑似目标的每一个距离，沿该距离处的方位向做峰值检测，找到方位向中出现极大值的位置，就可以确定疑似目标所在的方位向；

步骤5：选择t₀时刻前后至少各10分钟内的m个距离-波束数据，m为小于20的自然数，得到m个时刻的回波信号；再根据步骤4中得到的疑似目标的距离和方位向所在的位置，对该位置的20个时刻的回波信号做统计分析——即利用现有技术根据船只目标与岛屿陆地杂波回波强度不同时刻的变化差异，剔除疑似目标中的岛屿目标，最后识别出非航行状态船只目标。

2.如权利要求1所述的利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法，其特征在于上述步骤1：首先选取高频地波雷达多个通道的距离-多普勒二维数据，利用波束合成技术，计算得到零多普勒处的距离-波束数据，记为Y_r,b，其物理量为幅度值，单位dB。

3.如权利要求1所述的利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法，其特征在于上述步骤3：对步骤2得到的一维信号C_r，采用三次方曲线拟合的自适应线性回归CFAR检测方法，得到检测结果D_r，即检测出存在疑似目标的位置，确定含有疑似目标的距离单元格。

4.如权利要求1所述的利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法，其特征在于上述步骤4：对于存在疑似目标的某一个距离r处的方位向一维数据，如果疑似目标的方位向为k，则k应满足：

Y_r,k>Y_r,k+1

Y_r,k>Y_r,k-1k是自然数且1<k<B_Num。

5.如权利要求1所述的利用高频地波雷达检测海上非航行状态船只目标的方法，其特征在于上述步骤5：设Y_r,k(t),t＝t₀-n,...,t₀-1,t₀,t₀+1,...,t₀+n，为目标t₀时刻前后各n个时刻的回波信号幅度值，船只目标和岛屿陆地杂波回波强度不同时刻的变化差异主要表现在其标准偏差的差别，简称为STD，通过利用两者的STD来区分船只和岛屿陆地信息；

其中， $\mathrm{STD}={\left(\frac{1}{2n}\underset{t=t_0-n}{\overset{t_0+n}{\mathrm{\&Sigma;}}}(Y_{r,k}\left(t\right)-\stackrel{\&OverBar;}{Y_{r,k}\left(t\right)})\right)}^{\frac{1}{2}}$

$\stackrel{\&OverBar;}{Y_{r,k}\left(t\right)}=\frac{1}{2n+1}\underset{t=t_0-n}{\overset{t_0+n}{\mathrm{\&Sigma;}}}{Y}_{r,k}\left(t\right);$

STD_T为Y_r,k(t)标准偏差的阈值。