CN106707247B - 一种基于紧凑天线阵的高频海洋雷达目标检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于紧凑天线阵的高频海洋雷达目标检测方法。该高频海洋雷达的接收天线是由两根相同的单极子交叉环天线组成的紧凑天线阵。在同一段时间内，可以接收到两组相干的雷达回波。雷达回波中同时包含有目标、海杂波、零频杂波、噪声等成分，通过对两组雷达回波依次进行主成分分析与提取、小波滤波、自适应门限检测三步操作可以实现目标的高效检测与提取。本方法的优势在于：可以极大地提高目标信噪比和信杂比；对海杂波、零频杂波等连续分布的杂波有较好的抑制效果；在多目标场合下具有较好的检测性能。

Description

一种基于紧凑天线阵的高频海洋雷达目标检测方法

技术领域

本发明属于雷达技术领域，尤其涉及一种用于接收海面、船舶和低空目标雷达回波的紧凑天线阵，与一种雷达信号增强、杂波抑制以及目标检测的方法，具体为一种基于紧凑天线阵的高频海洋雷达目标检测方法。

背景技术

高频海洋雷达不仅可以实现对海洋表面环境的全天候、大面积、超视距监测，还能对海面舰船及低空目标进行探测。

由于传统的相控天线阵天线数目多、占地面积大、建设和维护成本高，所以单极子/交叉环天线组成的小型化紧凑天线阵以其体积小、易于安装和维护等优点得到了越来越多的关注。主要以美国CODAR公司生产的SeaSonde系统和武汉大学研制的OSMAR-S系统为代表。

高频雷达目标检测通常采用恒虚警率(CFAR)的方法。首先生成雷达距离多普勒谱——RD谱，然后在待检测单元附近选取若干个参考单元来估计噪声水平，并设定具有一定恒虚警率的门限阈值，最后通过比较待检测单元的幅值与门限阈值的大小来判断其是否为目标点。但在实际情况中，若参考单元中含有海杂波、零频杂波，或多个相邻目标点时，会严重影响这种方法的检测性能。尤其在高频段，雷达系统外部干扰较多，噪声水平较高，同样使基于CFAR的检测方法难以获取令人满意的检测结果。海杂波是由海洋表面的后向散射引起的，在RD谱上的分布通常是脊状的，即在距离维上连续带状分布，在多普勒维上有一定的展宽。零频杂波通常是由静止不动的小岛、船只等的回波引起的，通常在较近的某几个固定的距离元上分布。目标信号通常在RD谱上呈零星分布，且不会在距离或多普勒维上有明显的大范围展宽。因此，在目标检测时，应当采取适当的方法抑制杂波的影响，同时增强目标信号的信噪比。

基于紧凑天线阵的高频海洋雷达与传统相控阵天线阵高频雷达还有一些不同。后者可以通过波束形成技术可以将波束宽度集中在很窄的角度范围内，得到的RD图中海杂波多普勒展宽不明显，目标点较少，目标信噪比较大，可以较为容易的检测出目标点。而前者的天线系统本身就具有方向性，其方向图呈“8”字型，且波束宽度很宽，因而得到的RD图中信号来自于多个方向，海杂波多普勒展宽明显，目标点较多，目标信噪比较小，这更加增大了目标检测的难度。目前，对于紧凑天线阵的高频海洋雷达尚无有效的目标检测方法。

发明内容

针对背景技术存在的问题，本发明的目的是设计一种新的适用于紧凑阵高频海洋雷达的目标检测方法，本发明采用了两根相同的单极子/交叉环天线组成紧凑天线阵，在同一段时间内可以接收到两组相干的雷达回波信号，通过对两组信号的主成分分析和提取来抑制噪声，提高目标信噪比。然后采用小波滤波的方法，在尺度上抑制杂波并保留目标信号。最后采用自适应门限来检测目标点，实现复杂背景或多目标情况下的目标检测。

本发明的技术方案如下：

一种基于紧凑天线阵的高频海洋雷达目标检测方法，所述高频海洋雷达的接收天线是由两根相同的单极子交叉环天线组成的紧凑天线阵。在同一时间内可以接收到两组相干的雷达回波信号。通过对两组雷达回波信号依次进行主成分分析，小波滤波，自适应门限检测三步操作实现目标的检测，同时提取目标距离和多普勒信息。

所述紧凑天线阵的两根单极子交叉环天线必须是相同的，即必须保证两根天线具有相同的方向性和增益，且经由两根天线所接收到的雷达回波信号具有相同的噪声水平。两根天线相距为半个雷达工作波长。分别为天线1和天线2，天线1和天线2各包含三个通道，天线1包含通道1、2、3，天线2包含通道4、5、6；其中通道1和通道4代表对应的单极子通道，通道2和5以及通道3和6代表对应的交叉环通道。

目标检测方法包括以下步骤：

步骤1、取同一时段t_i内两根天线中对应通道的雷达回波数据，经过两次傅里叶变换得到结果f_c(r,d)和f_c+3(r,d)，其中c(c＝1,2,3)代表通道号，r代表距离元，d代表多普勒元。

步骤2、根据步骤1中的结果，构造样本矩阵P_c(r,d)＝[f_c(r,d),f_c+3(r,d)]^T，然后对样本矩阵进行主成分分析并提取主成分以抑制噪声，得到的结果为

步骤3、根据步骤2的结果，得到时段t_i雷达距离多普勒谱——RD谱，表示为将该RD谱乘以增强因子g(g≥1)以进一步提高信噪比，得到增强后的RD谱，表示为

步骤4、对步骤3得到的RD谱进行距离维的L(通常取L＝4或L＝5)层小波分解，得到每一层分解后的高频分量D_L和低频分量A_L。然后重构部分低频分量(通常重构A₄或A₅)以得到重构后的RD谱，表示为R_c′。将步骤3中的RD谱R_c减去重构后的RD谱R_c′以消除海杂波和零频杂波，得到主要含有目标信息的差谱，表示为ΔR_c；

步骤5、设定自适应门限阈值T_i＝μ_i+wσ_i，其中i代表时间段t_i，μ_i和σ_i分别代表ΔR_c中噪声功率的平均值和标准差，w代表门限因子。然后将步骤4中得到的ΔR_c(r,d)与T_i相比较，大于门限阈值的点将被检测出，若某一距离多普勒坐标上的点在三个通道的RD谱中被检测出至少两次，则该点将被视为目标点，同时提取该点距离和多普勒坐标，经过坐标转换得到真实的目标距离和速度信息。

所述步骤2中得到的f_c(r,d)和f_c+3(r,d)是对应通道的两次傅里叶变换结果。主成分分析具体方法为：求样本矩阵P_c(r,d)的协方差矩阵X_c，并对X_c进行特征值分解，表示为其中e为特征向量，Λ为特征矩阵。提取P_c(r,d)的主成分，表示为其中e_max为对应于最大特征值λ_max的特征向量。

所述步骤2的主成分提取，目标和杂波信号同样会被轻微抑制，因此在步骤3中乘以增强因子g以弥补信噪比损失。增强因子g的大小应满足：g·N_PCA≤N_org，其中N_PCA和N_org分别为步骤3中和R_c的噪声平均功率。

所述步骤4中，海杂波和零频杂波在距离维是连续分布的，小波分解与重构仅在距离维进行。小波分解中小波母函数通常可采用常用小波函数(如Daubechies小波)，选择分解和重构的层数时，应保证处理后的海杂波尽可能地被抑制，目标信号尽可能地被保留，通常为4-6层。

所述步骤5中，门限因子w为设定值，w的值应使得目标被检出而噪声不能被检出，可通过一段时间雷达数据的预处理得到，通常取2-4。

本发明具有以下优点和积极效果：

1、本发明的紧凑天线阵系统能在同一段时间内获取两组相干雷达回波信号。通过主成分分析与提取和小波滤波技术，该系统能够有效抑制RD谱中的海杂波和零频杂波，并能降低背景噪声，同时极大地增强目标点信噪比和信杂比。尤其适用于紧凑高频海洋雷达系统。

2、本发明的目标检测技术能够在多目标情况下高效地检测出目标。当多个目标同时落入RD谱中相距较近的距离或多普勒单元中时，该方法能够有效避免较强目标对较弱目标的遮蔽效应，实现目标的高效检测。

附图说明

图1是紧凑天线阵示意图；

图2是雷达通道1和通道4距离-多普勒谱实例；

图3是图2实例经过主成分提取后的距离-多普勒谱；

图4是图3实例经过小波滤波后的距离-多普勒谱；

图5是图4实例经过自适应门限检测后的检测结果；

图6是本发明方法实施步骤流程图；

其中，1-单极子天线，2-交叉环天线盒子，3-天线支撑杆(与天线系统绝缘)，4-地面。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明：

如图1所示，本方法中，高频海洋雷达的接收天线是由两根相同的单极子交叉环天线组成的紧凑天线阵。在同一时间内可以接受到两组相干的雷达回波信号。两根单极子交叉环天线必须是相同的，即必须保证两根天线具有相同的方向性和增益，且经由两根天线所接受到的雷达回波信号具有相同的噪声水平。相距为半个雷达工作波长。天线1和天线2各包含三个通道，其中通道1和通道4代表对应的单极子通道，通道2和5以及通道3和6代表对应的交叉环通道。

如图6所示，目标检测方法包括以下步骤：

步骤1、取同一时段t_i中两根天线中对应通道的雷达回波数据，经过两次傅里叶变换得到结果f_c(r,d)和f_c+3(r,d)，其中c(c＝1,2,3)代表通道号，r代表距离元，d代表多普勒元。图2给出了一个雷达距离-多普勒谱实例。步骤2、根据步骤1中的结果，构造形成样本矩阵P_c(r,d)＝[f_c(r,d),f_c+3(r,d)]^T，由于杂波和目标信号是相干的，被视为有用信号，占据回波信号的主要成分，而噪声信号是非相干的，被视为无用信号，占据回波信号的次要成分。通常认为噪声信号与有用信号是不相关的。因此，对样本矩阵进行主成分分析可以保留有用信号，并抑制噪声成分，得到的结果表示为其中f_c(r,d)和f_c+3(r,d)是对应通道的两次傅里叶变换结果。主成分分析具体方法为：求样本矩阵P_c(r,d)的协方差矩阵X_c，并对X_c进行特征值分解，表示为其中e为特征向量，Λ为特征矩阵。提取P_c(r,d)的主成分，表示为其中e_max为对应于最大特征值λ_max的特征向量。

步骤3、根据步骤2的结果，得到时段t_i雷达距离多普勒谱——RD谱，表示为图3给出了图2中的实例经过主成分提取后的距离-多普勒谱。由于在实际情况中，提取雷达回波的主成分同样会损失部分有用信号，因此为了补偿这一损失，将该RD谱乘以增强因子g(g≥1)，得到增强后的RD谱，表示为其中增强因子g的大小应满足：g·N_PCA≤N_org，其中N_PCA和N_org分别为步骤3中和R_c的噪声平均功率。

步骤4、海杂波在RD谱上的分布通常是脊状的，即在距离维上连续带状分布，在多普勒维上有一定的展宽。零频杂波通常是由静止不动的小岛、船只等的回波引起的，通常在较近的某几个固定的距离元上分布。目标信号通常在RD谱上呈零星分布，且不会在距离或多普勒维上有明显的大范围展宽。因此可以对距离维的RD谱进行不同尺度的小波分解与重构，即可分离出杂波与目标信号。

小波分解中小波母函数通常可采用常用小波函数(如Daubechies小波)，选择分解和重构的层数时，应保证处理后的海杂波尽可能地被抑制，目标信号尽可能地被保留，通常为4-6层。

对步骤3得到的RD谱进行距离维的L(通常取L＝4或L＝5)层小波分解，得到每一层分解后的高频分量D_L和低频分量A_L。然后重构部分低频分量(通常重构A₄或A₅)以得到重构后的RD谱，表示为R′_c。重构的这部分低频分量应使得海杂波和零频杂波尽可能地被保留，而目标信号尽可能地被剔除。将步骤3中的RD谱R_c减去重构后的RD谱R′_c以消除海杂波和零频杂波，得到主要含有目标信息的差谱，表示为ΔR_c。图4给出了图3实例经过小波滤波后的距离-多普勒谱。

步骤5、杂波抑制后的RD谱相对平坦，在多目标情况下，为了防止邻近较强目标对较弱目标的遮蔽效应，采用自适应门限方法检测目标。设定自适应门限阈值T_i＝μ_i+wσ_i，其中i代表时间段t_i，μ_i和σ_i分别代表ΔR_c中噪声功率的平均值和标准差，w代表门限因子。然后将步骤4中得到的ΔR_c(r,d)与T_i相比较，大于门限阈值的点将被检测出，若某一距离多普勒坐标上的点在三个通道的RD谱中至少被检测出两次，则该点将被视为目标点，同时提取该点距离和多普勒坐标，经过坐标转换得到真实的目标距离和多普勒信息。图5给出了图4实例经过自适应门限检测后的检测结果。其中门限因子w为设定值，w的值应使得目标被检出而噪声不能被检出，可通过一段时间雷达数据的预处理得到，通常取2-4。

Claims (5)

1.一种基于紧凑天线阵的高频海洋雷达目标检测方法，其特征在于：

所述高频海洋雷达的接收天线是由两根相同的单极子交叉环天线组成的紧凑天线阵，在同一时间内可以接收到两组相干的雷达回波信号，通过对两组雷达回波信号依次进行主成分分析，小波滤波，自适应门限检测三步操作实现目标的检测，同时提取目标距离和多普勒信息；

所述紧凑天线阵的两根单极子交叉环天线必须是相同的，即必须保证两根天线具有相同的方向性和增益，且经由两根天线所接收到的雷达回波信号具有相同的噪声水平；两根天线相距为半个雷达工作波长，分别为天线1和天线2，天线1和天线2各包含三个通道，天线1包含通道1、2、3，天线2包含通道4、5、6；其中通道1和通道4代表对应的单极子通道，通道2和5以及通道3和6代表对应的交叉环通道；

包括以下步骤：

步骤1、取同一时段t_i内两根天线中对应通道的雷达回波数据，经过两次傅里叶变换得到结果f_c(r,d)和f_c+3(r,d)，其中c(c＝1,2,3)代表通道号，r代表距离元，d代表多普勒元；

步骤2、根据步骤1的结果，构造样本矩阵P_c(r,d)＝[f_c(r,d),f_c+3(r,d)]^T，然后对样本矩阵进行主成分分析并提取主成分以抑制噪声，得到的结果为

步骤3、根据步骤2的结果，得到时段t_i雷达距离多普勒谱——RD谱，表示为将该RD谱乘以增强因子g(g≥1)以进一步提高信噪比，得到增强后的RD谱，表示为

步骤4、对步骤3得到的RD谱进行距离维的L层小波分解，得到每一层分解后的高频分量D_L和低频分量A_L，然后重构低频分量以得到重构后的RD谱，表示为R′_c，将步骤3中的RD谱R_c减去重构后的RD谱R′_c以消除海杂波和零频杂波，得到含有目标信息的差谱，表示为ΔR_c；

步骤5、设定自适应门限阈值T_i＝μ_i+wσ_i，其中i代表时间段t_i，μ_i和σ_i分别代表ΔR_c中噪声功率的平均值和标准差，w代表门限因子；然后将步骤4得到的ΔR_c(r,d)与T_i相比较，大于门限阈值的点将被检测出，若某一距离多普勒坐标上的点在三个通道的RD谱中被检测出至少两次，则该点被视为目标点，同时提取该点距离和多普勒坐标，经过坐标转换得到真实的目标距离和速度信息。

2.按权利要求1所述的一种基于紧凑天线阵的高频海洋雷达目标检测方法，其特征在于：

所述步骤2中得到的f_c(r,d)和f_c+3(r,d)是对应通道的两次傅里叶变换结果，其中主成分分析具体方法为：求样本矩阵P_c(r,d)的协方差矩阵X_c，并对X_c进行特征值分解，表示为其中e为特征向量，Λ为特征矩阵，提取P_c(r,d)的主成分，表示为其中e_max为对应于最大特征值λ_max的特征向量。

3.按权利要求2所述的一种基于紧凑天线阵的高频海洋雷达目标检测方法，其特征在于：

所述步骤3中乘以增强因子g以弥补信噪比损失；增强因子g的大小满足：g·N_PCA≤N_org，其中N_PCA和N_org分别为步骤3中和R_c的噪声平均功率。

4.按权利要求3所述的一种基于紧凑天线阵的高频海洋雷达目标检测方法，其特征在于：

所述步骤4中，海杂波和零频杂波在距离维是连续分布的，小波分解与重构仅在距离维进行，小波分解中小波母函数采用常用小波函数，选择分解和重构的层数时，应保证处理后的海杂波尽可能地被抑制，目标信号尽可能地被保留，优选为4-6层。

5.按权利要求4所述的一种基于紧凑天线阵的高频海洋雷达目标检测方法，其特征在于：

所述步骤5中，门限因子w为设定值，w的值应使得目标被检出而噪声不能被检出，可通过一段时间雷达数据的预处理得到，通常取2-4。