CN105487053B - 一种基于监视雷达的陆地掩模制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于监视雷达的陆地掩模制备方法，利用安装于本地的监视雷达，首先，对雷达检测目标的距离和方位进行校正；其次，通过雷达目标检测技术，实现待检测区域的全景观测；再次，结合相关水域陆地分布情况，对水面区域和非水面区域进行标识和填充；最终实现监视雷达陆地掩模的制备。该陆地掩模制备方法不依赖与数字海图，具有适应性强的特点；制备的陆地掩模与雷达性能匹配性较好，有利于监视雷达最大效能的发挥。

Description

一种基于监视雷达的陆地掩模制备方法

技术领域

本发明属于雷达目标处理领域，涉及一种基于监视雷达的陆地掩模制备方法，尤其是指用于船舶交通导航系统(Vessel Traffic Services，简称VTS)中水陆区域的标识和陆地掩模的生成技术。

背景技术

在VTS系统中，监视雷达(也称VTS雷达)通过周期扫描实现对相关水域目标的检测与跟踪。当应用于近岸目标或内河区域目标检测时，雷达微波照射至陆地、桥梁等非水面目标后，由于其反射特性较强，会在雷达回波上形成检测目标。若不能有效区分水面目标和陆地目标，在目标跟踪处理后，则会将这些非水面目标信息上报至VTS中心，不仅容易造成目标跟踪错误、造成网络资源浪费等，还会对VTS中心信息融合造成影响。因此，从监控整体考虑，有必要对水面目标区域和非水面目标区域进行有效划分，确保雷达仅对水面目标进行处理，保证检测和跟踪的连续性和准确性。

陆地掩模技术常被用于VTS雷达目标检测与跟踪处理中。通过制备与装订陆地掩模，在对目标进行检测与跟踪时，可有效区分水域目标和非水域目标，实现水域目标的有效检测和跟踪，保证跟踪的可靠性。VTS系统中，常用的陆地掩模制备方法主要依赖数字海图技术，将雷达安装点位置信息与数字海图相结合，通过坐标转换与映射，给出不同角度与距离条件下的水陆目标分割情况。陆地掩模制作的精度取决于数字海图的精度，对于无数字海图区域，无法实现陆地掩模的制备和水陆目标的区分。此外，由于VTS雷达天线安装的高度不同，在目标检测距离上会存在一定误差，直接使用数字海图进行陆地掩模制作在部分区域会存在检测误差。

本发明的目的是不依赖于数字海图，利用安装于本地的VTS雷达，通过雷达目标检测技术，结合相关水域陆地分布情况，实现监视雷达陆地掩模的制备。

发明内容

针对前述背景技术中基于电子海图陆地掩模制作方法存在的缺陷和不足，提供一种基于本地VTS雷达与本地水陆分布先验知识相结合的陆地掩模制备方法，其可有效区分水面目标和非水面目标，提高雷达水面目标检测与跟踪的可靠性和有效性。

由以上分析可知，实现不依赖与电子海图的陆地掩模制备，基于本地VTS雷达与本地水陆分布先验知识，提出一种基于监视雷达的陆地掩模制备方法。

一种基于监视雷达的陆地掩模制备方法，该方法包括如下步骤：

(1)使用固定频率对VTS雷达的检测目标距离和方位进行修正，从而获得距离修正ΔL和方位修正Δα；

(2)对待检测水域进行全景观测，获得检测后相关水域全景矩阵，该矩阵为距离、方位二维矩阵；

(3)使用距离修正ΔL和方位修正Δα对全景矩阵M进行校正，获得校正后相关水域距离、方位的全景矩阵

(4)结合本地水陆分布先验知识，对校正后全景矩阵各检测连通区域进行填充；

(5)该各检测连通区域填充后的校正后全景矩阵即为本地相关水域陆地掩模。

进一步的，上述步骤(1)中，监视VTS雷达采用脉冲压缩技术。

进一步的，上述步骤(1)中，采用位置已知的航标进行距离和方位校正。

进一步的，上述步骤(1)中，距离修正ΔL和方位修正Δα通过VTS雷达检测与跟踪位置已知的特定目标来实现。

进一步的，该目标是航标等助航设施，或者是装有高精度定位装置的小型巡逻船只。

进一步的，上述步骤(2)中，为了提高相关水域全景矩阵M方位分辨率，可通过雷达天线多周检测实现。

进一步的，在预定的检测周期内，保留所有不同的检测角度信息，按序生成全景矩阵M。

进一步的，上述步骤(4)中，所述填充方法为水面区域填充1，其它区域填充0。

相比基于数字海图的陆地掩模制备方法，本发明的有益效果如下：

(1)不依赖于电子海图，适用于电子海图未知或电子海图精度不高区域监视雷达的目标检测与跟踪；

(2)陆地掩模制备依据监视雷达本身，对监视雷达的匹配性更强。

附图说明

图1是本发明中基于监视雷达的陆地掩模制备流程图；

图2是本发明具体实施方式中包含水陆分布先验知识的雷达检测结果示意图；

图3是本发明具体实施方式中生成的陆地掩模示意图。

具体实施方式

下面结合某监视雷达在内河场合下的应用，对发明的技术方案详细说明如下。

雷达作为船舶交通管理系统的重要组成部分，其向相关水域主动发射微波信号，通过接收目标反射回波，主要实现相关水域内船舶捕捉、定位与跟踪等功能，通过数据处理，可进一步获取目标的速度、航向和运动轨迹等动态信息。影响VTS雷达性能的主要指标包括：探测距离、距离分辨率、方位分辨率和定位精度等。其中，距离分辨率和方位分辨率是定位精度的基础，也是本发明中陆地掩模制备方法中的构成要素。

距离分辨率表示雷达区分同一方位上两个相邻目标的能力。对于单载频雷达信号来说，由于其发射信号时宽带宽积为1，与发射脉冲宽度对应的距离模糊可表示为：

式中，C为光速，τ为发射脉冲宽度。可见发射脉冲宽度越大，距离分辨率越差。依据式(1)，发射脉宽为2us时，距离分辨率则为300m，这也是单载频磁控管雷达发射脉宽不能太大的原因；对于脉冲压缩体制雷达来说，其发射信号时宽带宽积远大于1，通过脉冲压缩技术，距离分辨率δ_R2主要由发射信号带宽B决定：

式中，B为发射信号带宽，只要发射信号带宽够大，对于远距离目标仍可获得较高的距离分辨率。

方位分辨率表示雷达区分同一距离上的相邻两个目标的能力。VTS雷达的方位分辨率主要与雷达天线水平波束宽度和天线伺服方位量化精度有关。雷达天线水平方向半波束宽度为天线角度分辨率，其表征天线对目标在方位上的分辨能力，天线水平波束宽度越小，天线方位分辨率越好；天线伺服方位量化精度决定天线当前所处方位的精确程度，方位量化精度越高，描述雷达天线所处方位越精确。由于水陆交界的连续性，在本发明中，陆地掩模制作方位精度主要取决于天线伺服方位量化精度。

此外，VTS雷达多采用单波导开缝水平极化高增益天线，天线的波束指向往往随着发射频率的变化而变化，安装后，需要在特定频率下对雷达方位精度进行修正；对目标的距离结果也需要进行相应修正以满足目标定位精度的要求。

已知雷达监视范围为内河航道，检测区内存在一座桥梁连通河两岸。监视VTS雷达采用脉冲压缩技术，发射信号带宽为40MHz，则距离分辨率为3.75m，伺服方位量化阶数为8192，则方位量化误差为0.044度。监视雷达假设于某内河旁边，架设天线高度为20m。经过调试后，雷达可实现对水域目标和陆地目标的检测与跟踪。通过陆地掩模的制备和应用，有效去除了非水面目标的跟踪，提高了水面目标检测的效率和有效性。采用本发明进行陆地掩模的制备，其工作流程如图1所示：

(1)使用固定频率f对VTS雷达的检测目标距离和方位进行修正，获得距离修正ΔL和方位修正Δα；

(2)对待检测水域进行全景观测，获得检测后相关水域全景矩阵M，该矩阵为距离、方位二维矩阵。图2给出VTS雷达对相关水域的检测结果示意图。图中黑色区域为雷达检测目标，由于河岸、桥梁等目标微波反射特性较好，雷达可以对其实现连续检测了；对河面目标的检测结果也在图2中给出示意；相对应地，陆地目标检测结果未在示意图中给出；

(3)使用修正距离ΔL和修正角度Δα对全景矩阵进行校正，获得校正后相关水域距离、方位全景矩阵

(4)结合本地水陆分布先验知识，对校正后全景矩阵各检测连通区域进行填充，填充方法为水面区域填充1，其它区域填充0。由先验知识可知，检测区域为内河航道，航道上方存在一座跨河桥梁，河岸两侧为陆地。图2对该先验知识给出相应指示。结合先验知识，在校正后全景矩阵的基础上，对内河航道区域填充1，对河岸、陆地及桥梁区域填充0；

(5)该0、1填充后矩阵即为本地相关水域陆地掩模，图3为采用本发明生成的陆地掩模示意图。白色区域为水面目标检测区，黑色区域为河岸、陆地和桥梁等雷达检测跟踪屏蔽区。

进一步的，上述步骤(1)中，修正距离ΔL和修正角度Δα通过VTS雷达检测与跟踪某位置已知的特定目标实现，该目标可以为航标等助航设施，也可为装有高精度定位装置的小型巡逻船只。在本实施例中，采用位置已知的航标进行距离和方位校正，距离校正75m，方位校正2.2度。

进一步的，上述步骤(2)中，为了提高相关水域全景矩阵M方位分辨率，可通过雷达天线多周期检测实现。在本实施例中，采用3周检测进行并运算，即在3个检测周期内，保留所有不同的检测角度信息生成按序生成全景矩阵M。

将采用本发明生成的陆地掩模应用于该内河航道船舶目标检测与跟踪。实践表明，雷达对水面船舶的检测与跟踪效率和可靠性得到了有效提高，雷达不再上报桥梁、陆地等非船舶目标。

以上实施例仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于监视雷达的陆地掩模制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：

(1)使用固定频率对VTS雷达的检测目标距离和方位进行修正，从而获得距离修正ΔL和方位修正Δα；

(2)对待检测水域进行全景观测，获得检测后相关水域全景矩阵M，该矩阵为距离、方位二维矩阵；

(3)使用距离修正ΔL和方位修正Δα对全景矩阵M进行校正，获得校正后相关水域距离、方位的全景矩阵

(4)结合本地水陆分布先验知识，对校正后全景矩阵各检测连通区域进行填充；

(5)所述各检测连通区域填充后的校正后全景矩阵即为本地相关水域陆地掩模。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤(1)中，监视VTS雷达采用脉冲压缩技术。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤(1)中，采用位置已知的航标进行距离和方位校正。

4.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤(1)中，距离修正ΔL和方位修正Δα通过VTS雷达检测与跟踪位置已知的特定目标来实现。

5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，该目标是包括航标在内的助航设施，或者是装有高精度定位装置的小型巡逻船只。

6.如权利要求1所述的方法，其特征在于，上述步骤(2)中，为了提高相关水域全景矩阵M方位分辨率，可通过雷达天线多周期检测实现。

7.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，在预定的检测周期内，保留所有不同的检测角度信息，按序生成全景矩阵M。

8.如权利要求1-6中任一项所述的方法，其特征在于，上述步骤(4)中，所述填充方法为水面区域填充1，其它区域填充0。