CN107678003B - 一种地波雷达海杂波背景下的目标检测方法 - Google Patents

Abstract

一种地波雷达海杂波背景下的目标检测方法，方法包括形成地波雷达回波谱；获取同步海态数据并建立海态信息与地波雷达回波散射间的映射，结合雷达散射区域内的海态及雷达体制构造无目标海杂波谱；从地波雷达回波谱中提取海杂波谱边界及用于目标检测的海杂波敏感特征；海杂波敏感特征异常检测，确定检测阈值；海杂波目标检测结果输出。装置包含地波雷达海杂波谱提取单元，无目标回波谱重构单元，阈值生成及目标检测单元及目标参数估计单元。本发明跳出了杂波抑制的传统思路，提出了海杂波边界提取加直接检测的策略，在实现海杂波外目标检测的同时，给出了一种基于地波雷达数据特征异常的直接检测方法，避免了杂波抑制所导致的目标损失。

Description

一种地波雷达海杂波背景下的目标检测方法

技术领域

本发明涉及一种地波雷达目标检测方法，具体涉及一种地波雷达海杂波背景下的目标检测方法。

背景技术

地波雷达在海上运动目标监测方面具有探测距离远、全天候连续探测等优势，在海上目标监视监测领域受到越来越多的关注。而海杂波严重制约了地波雷达对目标探测的能力^[1]，甚至造成船只“检测盲区”，需要通过发展海杂波背景下的船只目标检测方法，消除海杂波检测盲区，提高地波雷达海上目标的探测性能。

对于海杂波对目标探测的影响，目前大部分研究通过先杂波抑制再检测目标的思路。国内外开展了大量的地波雷达海杂波抑制研究，所发展的方法主要有子空间分解类^[2]、模型预测^[3]、对消类^[4]等方法。子空间分解类方法将回波投影到海杂波子空间的空集抑制海杂波，适合于海杂波大奇异值或者频率范围明确的情况。模型预测的方法分为线性和非线性建模，通过建立的海杂波模型实现海杂波的预测和对消，对模型的准确性要求很高。对消类分为时域和谱图对消，时域对消要求高精度的信号幅度、相位及频率估计，而谱图对消要求海杂波幅度分布沿谱图的多普勒和距离项相似。这些杂波抑制方法主要适用于海杂波区外的目标检测，并不能解决处于海杂波内的目标检测问题。针对海杂波内的目标检测问题，雷志勇等^[5]利用海杂波正负一阶峰的包络相关性，通过最小均方自适应对消检测可能落入海杂波一阶峰的目标，但当目标完全落入海杂波内时，由于缺少左右海杂波特性的了解，会将海杂波中的目标对消掉，造成目标的漏检。目前面对海杂波背景下的目标检测问题时，有上述两类具有代表性的思路，海杂波抑制方法较多，但海杂波内的目标检测仍然是待解决的难题。

本发明申请人曾针对地波雷达目标检测的海杂波干扰问题^[6,7]，分为目标处于海杂波谱区之内和之外两种情况综述了海杂波背景下的目标检测方法。对于海杂波谱区内目标检测的难题，提出了一种基于现场海态同步观测信息的初步检测思路和研究路线。本发明公开了相关研究的最新成果，提出了海杂波边界提取加检测的目标检测策略，特别地首次提出了复合三种海杂波敏感特征的检测方法，进而给出了具体的实施步骤和详细完整的说明，为解决海杂波干扰下的目标检测问题提供了一种有效的检测实施方法和装置。

相关的参考文献如下：

[1]Leong H,Ponsford A.The effects of sea clutter on the performanceof HF surface wave radar in ship detection.IEEE Radar Conference.Rome:IEEE,2008:1-6.

[2]Ponsford Tony et al.System and method for spectral generation inradar[P].US Patent:6822606,2004.

[3]KhanR.H.,Ocean-Clutter Model for High-Frequency Radar[J].IEEEJournal of Oceanic Engineering,1991,16(2):181-188.

[4]钱文振,纪永刚,王祎鸣等.一种改进的地波雷达邻近距离单元格一阶海杂波对消方法[J].海洋科学进展,2013(1):138-144.

[5]雷志勇,文必洋,程丰.基于自适应对消法检测一阶Bragg峰内目标的研究.电波科学学报,2006,21(3):365-366.

[6]王祎鸣,张杰,纪永刚,楚晓亮,常广弘.利用现场海态观测信息的地波雷达一阶海杂波内的目标检测方法,海洋科学进展.2015,33(2):239-245.

[7]王祎鸣,张杰,纪永刚,毛兴鹏.高频地波雷达海杂波背景下的船只目标检测研究进展.海洋科学,2016,40(9):140-144.

发明内容

本发明目的是提供一种地波雷达海杂波背景下的目标检测方法，该方法在实现海杂波边界提取后，针对海杂波谱区之内和之外两种情况分别给出了目标检测的策略。尤其是在地波雷达探测海面目标的同时，综合了浮标、海流计以及风速风向仪输出的同步数据，充分利用提供的海态信息辅助发现被海杂波掩盖的目标，通过构造无目标的海杂波并挖掘用于检测的海杂波敏感特征及制定适合的检测阈值，实现了海杂波检测盲区内的目标检测。

一种地波雷达海杂波背景下的目标检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：接收海面散射的地波雷达发射信号，形成地波雷达回波谱；获取同步海态数据并建立海态信息与地波雷达回波散射间的映射，结合雷达散射区域内的海态及雷达体制构造无目标海杂波谱：

对地波雷达各通道采集的下变频时域数字信号分别进行脉冲压缩和相干积累，然后经过波束形成及契比雪夫加权，得到地波雷达回波谱，记为S_radar，其物理量为频谱值，单位dB；

获取同步海态数据包括：获取同步海流流速流向、风速风向数据；

综合考虑雷达散射区域内的海态及雷达体制，建立海态信息与地波雷达回波散射间的映射关系，构造无目标海杂波谱S_model，其物理量为频谱值，单位dB；

(1)首先，计算海杂波功率谱：

其中，λ是地波雷达电磁波长，P_t是地波雷达发射功率，G_t和G_r分别是地波雷达发射天线和接收天线的增益,A是海面散射面积，L是衰减量，R为海面散射点到地波雷达的距离，σ_sea代表高频电磁波海面后向散射截面；

此处，对应的海面散射面积为：

式中，θ_Beam是本步骤中地波雷达波束形成的波束宽度，ΔR是雷达距离分辨率；

此处，高频电磁波海面后向散射截面积σ_sea为一阶后向散射截面积，计算过程以Barrick后向散射模型为基础，并添加了现场海流对散射截面积的作用；

式中，k₀为发射电波波数；

是指向散射元的电波波矢；ω_B为Bragg角频率；V_C为海流流速，α为海流流向与雷达波束指向的夹角；m为多普勒频率的符号，正负分别代表海浪波列行进方向为朝向雷达或背离雷达；S(.)为相应波矢的海浪方向谱，以现场观测的风浪参数为输入；δ为狄拉克函数；

(2)然后，进一步添加由于雷达散射区域内变化的海流及雷达信号处理因素影响，得到无目标海杂波谱：

S_model＝win·S’_sea (4)

式中，win为高斯窗，S’_sea为S_sea经插值处理得到的与地波雷达同等分辨率的海杂波功率谱；

步骤2：从地波雷达回波谱S_radar中提取海杂波谱边界及用于目标检测的海杂波敏感特征：

需提取的海杂波谱边界的两个关键参数是峰值频率和频谱展宽量，采用常规的信噪比(SNR)准则，并以现场观测的海流值为基础制定约束条件，以提高提取的准确度；

经添加取值窗口和约束条件，增强了海杂波谱功率，分别在正、负多普勒区域搜寻以海杂波为主导的SNR，表示为SNR_P以及SNR_N；

其中，∑及其下标代表沿着多普勒频率取值窗口提取谱幅度值，

是海杂波正、负峰值频率，f_sd为海杂波谱展宽量；

根据下面给出的初始值、现场观测的海流值和理论布拉格峰值频率

及

制定峰值提取约束条件：

其中，V_c是现场观测的海流值，正峰值频率初始值

负峰值频率初始值

g为重力加速度；

根据探测海区年季最大海流值V_cmax和雷达多普勒分辨率f_res，制定海流影响下的回波谱展宽的提取量约束条件：

海杂波正、负谱展宽量用其边界上、下限f_L和f_R表示，正谱展宽范围为

负谱展宽范围为

在提取用于目标检测的海杂波敏感特征过程中，利用实测数据中船只进入海杂波内的数据，通过分析船只对海杂波谱的影响，将用于目标检测的海杂波敏感特征总结为三个：海杂波谱展宽量f_sd、海杂波峰值频率位置f_pk，以及海杂波正、负峰值比A_R；前两个敏感特征在海杂波提取的过程中已有描述，第三个敏感特征A_R则定义为两个正、负谱的峰值频率对应的回波幅度间的比值；

在实际应用时，三个特征在不同目标运动状态下会有不同体现，可分为目标被海杂波部分遮挡和目标完全被海杂波掩盖两种情况：

(1)目标被海杂波部分遮挡时，谱展宽量f_sd是海杂波最显著变化的特征，海杂波正、负峰值比A_R及海杂波峰值频率位置f_pk次之；其中，展宽增加量由船只与雷达的径向速度(航速航向)决定，船只径向速度对应的多普勒与海杂波频率越远，展宽量越大，反之越小；另外，海杂波正、负峰值比A_R将增加或降低，海杂波峰值频率位置f_pk将产生偏移；

(2)目标完全被海杂波掩盖时，海杂波正、负峰值比A_R是海杂波最显著变化的特征，海杂波峰值频率位置f_pk及海杂波谱展宽量f_sd次之；其中，海杂波正、负峰值比A_R变化量由船只回波强度及船只径向速度决定，船只回波强度越高，变化量越大；船只径向速度的多普勒频率与海杂波峰值频率越接近变化量越大，反之越小；另外，海杂波谱展宽量f_sd可能增加，峰值频率位置f_pk可能产生偏移；

步骤3：海杂波敏感特征异常检测，确定检测阈值：

在步骤2中从地波雷达回波谱S_radar，提取海杂波谱边界，以及提取用于目标检测的海杂波敏感特征后，需要基于实测海杂波谱和重构的无目标海杂波谱，发现对海杂波谱展宽量f_sd、海杂波峰值频率位置f_pk以及海杂波正、负峰值比A_R三个谱敏感特征的变化，通过制定阈值检测敏感特征的异常，下面对三种敏感特征的异常检测分别进行描述：

(1)海杂波谱展宽量f_sd异常的检测

考虑到重构误差以及实测海杂波谱中噪声等因素的影响，重构的海杂波谱不可能与实测海杂波谱完全相同，因此提取的海杂波谱范围也不完全相同，对于海杂波谱频率范围异常检测结果的判别，可以参考实测海杂波谱宽度与重构海杂波谱宽度的差值，如果该差值超过了设定的门限，则可判定出现海杂波谱频率范围的异常，输出值为‘1’时，代表有异常；输出值为‘0’时，代表无异常，表示为：

如果

或

则T_fd＝1

否则T_fd＝0 (8)式中，Δf_fd为海杂波谱频率范围的门限，

表示实测数据中负海杂波谱的左右边界；

表示实测数据正海杂波谱的左右边界；

表示重构无目标谱中负海杂波的左右边界；

表示重构无目标谱中正海杂波的左右边界；Δf⁺、Δf^-分别为实测和重构谱两者间正、负海杂波谱的宽度差；

海杂波谱频率范围的门限Δf_fd参考雷达多普勒分辨率Δf和海流探测精度对应的多普勒偏移量Δf_C，即：

Δf_fd＝Δf+Δf_C (9)

(2)海杂波峰值频率位置异常的检测

海杂波峰值频率受海流的影响将产生较理论布拉格峰值频率的频移，分为正、负多普勒两部分，超出海流导致的频移则认为海杂波峰值频率位置产生异常，表示为：

如果

或

则T_fp＝1

否则T_fp＝0 (10)

峰值频率位置的频移阈值Δf_pk由现场测量的海流流速、流向及探测精度以及流向与雷达波束的夹角决定，即：

(3)海杂波正、负峰值比异常的检测

对于海杂波正、负峰值比异常的判别，可根据实测数据峰值频率所对应的幅度

间的比值与峰值比门限ΔA_R确定，当海杂波峰值比差异超过了该阈值，则意味着存在异常；表示为：

如果

则T_AR＝1

否则T_AR＝0 (12)

需要说明的是峰值比门限由地波雷达风向模型值A_w，风向测量手段的测量误差β以及风向与雷达波束的夹角

确定；

其中，abs(.)表示取绝对值。

步骤4：海杂波目标检测结果输出：

(1)海杂波区域内目标检测：

为判别海杂波谱内是否存在目标，采用综合三种敏感特征的异常检测方法，通过或运算“||”给出最终的检测结果，只要任何一种敏感特征异常即为有目标，检测结果为：

T₁＝T_fd||T_fp||T_AR (14)

(2)海杂波区域外目标检测：

海杂波外目标的检测采用三次曲线拟合的方式(不计海杂波区域)得到背景估计，制定检测阈值，在此过程中海杂波区域的功率不计算在内(通过利用提取的海杂波谱边界来进行判断)，因此避免海杂波的强回波对目标检测的影响，检测结果为：

T₂＝T_spec (15)

如果A_spec>T_poly，则T_spec＝1

否则T_spec＝0 (16)

其中，A_spec为当前频谱功率值，T_poly为检测阈值，通过海杂波区域外雷达回波谱的三次曲线拟合乘以门限常数因子得到，超过该阈值即为有目标。

如上所述的地波雷达海杂波背景下的目标检测方法，其特征在于上述步骤1中获取同步海流流速流向、风速风向数据，选取同步观测手段，现场观测的海流、风场信息分别由海上测量船搭载安德拉海流计和风速风向仪定点测量。

与现有技术相比，本发明的创新之处体现在以下方面：

地波雷达海杂波严重制约了其对目标的探测能力，尤其是当目标位于海杂波内时，通常认为是“检测盲区”，缺少有效的目标检测方法。针对地波雷达海杂波内目标检测的难题，本发明提供了一种具体解决方法，相关成果对提高地波雷达目标探测的能力具有重要研究意义和应用价值。

为消除海杂波对目标探测的影响，目前在地波雷达目标检测领域大部分的方法均是基于先抑制杂波再检测目标的思路。这在目标与杂波参数不相同时，效果较好，但当目标与杂波参数相同尤其是多普勒频率相重合时，极易将目标信号一起抑制。本发明跳出了杂波抑制的传统思路，提出了海杂波边界提取加直接检测的策略，在实现海杂波外目标检测的同时，给出了一种基于地波雷达数据特征异常的直接检测方法，避免了杂波抑制所导致的目标损失。

本发明首次将现场同步观测的海态数据，服务于地波雷达的目标探测及海杂波区域提取。通过实现基于现场同步观测信息的无目标回波谱重构、目标对海杂波特征的影响分析与敏感特征选择以及海杂波敏感特征异常检测等方面的特色方法步骤，形成基于现场海态同步观测的地波雷达海杂波内目标检测方法，并对发展的方法进行了实验验证。另外，海态信息还被应用于地波雷达海杂波区域的提取，以现场观测的海流为基础制定约束条件，提高提取的准确度。

本发明克服了现有地波雷达船只目标检测方法通常只能检测海杂波区域外的船只目标的缺陷。通过利用现场同步海态信息，发掘目标在海杂波内所导致的敏感特征异常和不同海态参数下异常检测阈值的变化差异，实现了“检测盲区”内目标的检测。

附图说明

图1为本发明的基本流程示意图。

图2为本发明的装置示意图。

图3为两种情况下海杂波敏感特征的变化图，

图3(a)目标被部分遮挡，图3(b)目标被完全掩盖。

图4为峰值比与风向夹角的关系，

图4(a)虚线为根据公式(9)得到的海杂波谱频率范围门限，实线为根据公式(10)得到的峰值频率位置的频移阈值；图4(b)虚线和实线分别为cardioid模型及基于该模型并结合测量误差(试验中的测量手段误差为±5°)由公式(13)给出的峰值比异常检测阈值。

图5为实测数据处理结果，

图5(a)目标被部分遮挡时的情况，图5(b)目标被完全掩盖时的情况。

具体实施方式

本发明给出了一种地波雷达海杂波背景下的目标检测方法，基本流程示意图见图1，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：接收海面散射的地波雷达发射信号，形成地波雷达回波谱；获取同步海态数据并建立海态信息与地波雷达回波散射间的映射，结合雷达散射区域内的海态及雷达体制构造无目标海杂波谱：

对地波雷达各通道采集的下变频时域数字信号分别进行脉冲压缩和相干积累，然后经过波束形成及契比雪夫加权，得到地波雷达回波谱，记为S_radar，其物理量为频谱值，单位dB；

获取同步海态数据包括：获取同步海流流速流向、风速风向数据，以选取的同步观测手段为例，现场观测的海流、风场信息分别由海上测量船搭载安德拉海流计和风速风向仪定点测量。现场测量手段准确度较高，风速误差小于±0.8m/s,海流流速误差小于±0.03m/s，均优于地波雷达对这些参数的反演误差，以此为输入能够满足建立海态信息与地波雷达回波散射间映射关系的实际需要。

综合考虑雷达散射区域内的海态及雷达体制，建立海态信息与地波雷达回波散射间的映射关系，构造无目标海杂波谱S_model，其物理量为频谱值，单位dB；

(1)首先，计算海杂波功率谱：

其中，λ是地波雷达电磁波长，P_t是地波雷达发射功率，G_t和G_r分别是地波雷达发射天线和接收天线的增益,A是海面散射面积，L是衰减量，R为海面散射点到地波雷达的距离，σ_sea代表高频电磁波海面后向散射截面；

需要说明的是海面散射面积A以及高频电磁波海面后向散射截面σ_sea的计算方式，雷达体制是单基地阵列式地波雷达，在形成地波雷达回波谱的过程中，对雷达数据进行了波束形成，且海杂波功率谱与波束的宽度密切相关。

此处，对应的海面散射面积为：

式中，θ_Beam是本步骤中地波雷达波束形成的波束宽度，ΔR是雷达距离分辨率；

此处，高频电磁波海面后向散射截面积σ_sea为一阶后向散射截面积，计算过程以Barrick后向散射模型为基础，并添加了现场海流对散射截面积的作用；

式中，k₀为发射电波波数；

是指向散射元的电波波矢；ω_B为Bragg角频率；V_C为海流流速，α为海流流向与雷达波束指向的夹角；m为多普勒频率的符号，正负分别代表海浪波列行进方向为朝向雷达或背离雷达；S(.)为相应波矢的海浪方向谱，以现场观测的风浪参数为输入；δ为狄拉克函数；

(2)然后，进一步添加由于雷达散射区域内变化的海流及雷达信号处理因素影响，得到无目标海杂波谱：

S_model＝win·S’_sea (4)

式中，win为高斯窗，S’_sea为S_sea经插值处理得到的与地波雷达同等分辨率的海杂波功率谱；

步骤2：从地波雷达回波谱S_radar中提取海杂波谱边界及用于目标检测的海杂波敏感特征：

需提取的海杂波谱边界的两个关键参数是峰值频率和频谱展宽量，采用常规的信噪比(SNR)准则，并以现场观测的海流值为基础制定约束条件，以提高提取的准确度；

经添加取值窗口和约束条件，增强了海杂波谱功率，分别在正、负多普勒区域搜寻以海杂波为主导的SNR，表示为SNR_P以及SNR_N；

其中，∑及其下标代表沿着多普勒频率取值窗口提取谱幅度值，

是海杂波正、负峰值频率，f_sd为海杂波谱展宽量；

根据下面给出的初始值、现场观测的海流值和理论布拉格峰值频率

及

制定峰值提取约束条件：

其中，V_c是现场观测的海流值，正峰值频率初始值

负峰值频率初始值

g为重力加速度；

根据探测海区年季最大海流值V_cmax和雷达多普勒分辨率f_res，制定海流影响下的回波谱展宽的提取量约束条件：

海杂波正、负谱展宽量用其边界上、下限f_L和f_R表示，正谱展宽范围为

负谱展宽范围为

在提取用于目标检测的海杂波敏感特征过程中，利用实测数据中船只进入海杂波内的数据，通过分析船只对海杂波谱的影响，将用于目标检测的海杂波敏感特征总结为三个：海杂波谱展宽量f_sd、海杂波峰值频率位置f_pk，以及海杂波正、负峰值比A_R；前两个敏感特征在海杂波提取的过程中已有描述，第三个敏感特征A_R则定义为两个正、负谱的峰值频率对应的回波幅度间的比值；

在实际应用时，三个特征在不同目标运动状态下会有不同体现，可分为目标被海杂波部分遮挡和目标完全被海杂波掩盖两种情况：

(1)目标被海杂波部分遮挡时，谱展宽量f_sd是海杂波最显著变化的特征，海杂波正、负峰值比A_R及海杂波峰值频率位置f_pk次之；其中，展宽增加量由船只与雷达的径向速度(航速航向)决定，船只径向速度对应的多普勒与海杂波频率越远，展宽量越大，反之越小；另外，海杂波正、负峰值比A_R将增加或降低，海杂波峰值频率位置f_pk将产生偏移；

(2)目标完全被海杂波掩盖时，海杂波正、负峰值比A_R是海杂波最显著变化的特征，海杂波峰值频率位置f_pk及海杂波谱展宽量f_sd次之；其中，海杂波正、负峰值比A_R变化量由船只回波强度及船只径向速度决定，船只回波强度越高，变化量越大；船只径向速度的多普勒频率与海杂波峰值频率越接近变化量越大，反之越小；另外，海杂波谱展宽量f_sd可能增加，峰值频率位置f_pk可能产生偏移；

结合步骤1的实测数据和重构的无目标海杂波谱，对上述选择的海杂波敏感特征进行说明。虚折线为无目标时的海杂波谱，实线为含目标的地波雷达回波谱。图3(a)对应目标被海杂波部分遮挡的情况，目标进入海杂波谱区，但未与海杂波谱峰完全重合，并且该目标驶离地波雷达方向引起其所在的海杂波负多普勒谱的展宽量较大。另外，海杂波峰值频率位置向正多普勒方向产生了少量偏移，海杂波正、负峰值比有所增加。图3(b)对应目标完全被海杂波掩盖的情况，目标增大了海杂波正多普勒谱峰值位置及其周边频点处的幅值，导致海杂波正、负峰值之间的幅度比增加。由于目标径向速度的多普勒频率与海杂波峰值频率接近，谱展宽量有限，海杂波峰值频率位置几乎没有偏移。

步骤3：海杂波敏感特征异常检测，确定检测阈值：

在步骤2中从地波雷达回波谱S_radar，提取海杂波谱边界，以及提取用于目标检测的海杂波敏感特征后，需要基于实测海杂波谱和重构的无目标海杂波谱，发现对海杂波谱展宽量f_sd、海杂波峰值频率位置f_pk以及海杂波正、负峰值比A_R三个谱敏感特征的变化，通过制定阈值检测敏感特征的异常，下面对三种敏感特征的异常检测分别进行描述：

(4)海杂波谱展宽量f_sd异常的检测

考虑到重构误差以及实测海杂波谱中噪声等因素的影响，重构的海杂波谱不可能与实测海杂波谱完全相同，因此提取的海杂波谱范围也不完全相同，对于海杂波谱频率范围异常检测结果的判别，可以参考实测海杂波谱宽度与重构海杂波谱宽度的差值，如果该差值超过了设定的门限，则可判定出现海杂波谱频率范围的异常，输出值为‘1’时，代表有异常；输出值为‘0’时，代表无异常，表示为：

如果

或

则T_fd＝1

否则T_fd＝0 (8)式中，Δf_fd为海杂波谱频率范围的门限，

表示实测数据中负海杂波谱的左右边界；

表示实测数据正海杂波谱的左右边界；

表示重构无目标谱中负海杂波的左右边界；

表示重构无目标谱中正海杂波的左右边界；Δf⁺、Δf^-分别为实测和重构谱两者间正、负海杂波谱的宽度差；

海杂波谱频率范围的门限Δf_fd参考雷达多普勒分辨率Δf和海流探测精度对应的多普勒偏移量Δf_C，即：

Δf_fd＝Δf+Δf_C (9)

(5)海杂波峰值频率位置异常的检测

海杂波峰值频率受海流的影响将产生较理论布拉格峰值频率的频移，分为正、负多普勒两部分，超出海流导致的频移则认为海杂波峰值频率位置产生异常，表示为：

如果

或

则T_fp＝1

否则T_fp＝0 (10)

峰值频率位置的频移阈值Δf_pk由现场测量的海流流速、流向及探测精度以及流向与雷达波束的夹角决定，即：

(6)海杂波正、负峰值比异常的检测

对于海杂波正、负峰值比异常的判别，可根据实测数据峰值频率所对应的幅度

间的比值与峰值比门限ΔA_R确定，当海杂波峰值比差异超过了该阈值，则意味着存在异常；表示为：

如果

则T_AR＝1

否则T_AR＝0 (12)

需要说明的是峰值比门限由地波雷达风向模型值A_w，风向测量手段的测量误差β以及风向与雷达波束的夹角

确定；

其中，abs(.)表示取绝对值。

图4由风向模型值给出了在不同的风向和地波雷达探测波束的夹角范围内对应的海杂波峰值比，以dB为单位。图4(a)虚线为根据公式(9)得到的海杂波谱频率范围门限，实线为根据公式(10)得到的峰值频率位置的频移阈值。图4(b)虚线和实线分别为cardioid模型及基于该模型并结合测量误差(试验中的测量手段误差为±5°)由公式(13)给出的峰值比异常检测阈值。在获取风向后，结合地波雷达波束指向，通过对应数值得到检测阈值，判断海杂波峰值比是否异常。

步骤4：海杂波目标检测结果输出：

(1)海杂波区域内目标检测：

为判别海杂波谱内是否存在目标，采用综合三种敏感特征的异常检测方法，通过或运算“||”给出最终的检测结果，只要任何一种敏感特征异常即为有目标，检测结果为：

T₁＝T_fd||T_fp||T_AR (14)

采用复合异常检测的原因是三种敏感特征受目标运动状态及回波强度的影响不同，可能会出现一种或多种海杂波敏感特征异常：首先，当目标运动产生的多普勒频率与海杂波频率有部分重叠而不被完全覆盖，而回波强度尚不足以形成明显形成尖峰时，海杂波谱展宽量是受目标影响较大的敏感特征。其次，当目标运动状态稳定所导致的海杂波展宽量有限，但回波强度能够形成明显尖峰导致海杂波峰值频率偏移时，海杂波峰值频率位置是受影响较大的敏感特征。最后，当目标运动产生的多普勒频率被海杂波谱完全覆盖，海杂波正、负峰值比是受影响较大的敏感特征。受风浪影响，尤其是风向和地波雷达波束间的夹角精度决定了能探测的目标的回波强度。

(2)海杂波区域外目标检测：

海杂波外目标的检测采用三次曲线拟合的方式(不计海杂波区域)得到背景估计，制定检测阈值，在此过程中海杂波区域的功率不计算在内(通过利用提取的海杂波谱边界来进行判断)，因此避免海杂波的强回波对目标检测的影响，检测结果为：

T₂＝T_spec (15)

如果A_spec>T_poly，则T_spec＝1

否则T_spec＝0 (16)

其中，A_spec为当前频谱功率值，T_poly为检测阈值，通过海杂波区域外雷达回波谱的三次曲线拟合乘以门限常数因子得到，高于该阈值即为有目标。

本专利的主要方法步骤在海杂波内的目标检测装置内实现，包含4个关键单元(见图2)，即地波雷达海杂波谱提取单元，无目标回波谱重构单元，阈值生成及目标检测单元及目标参数估计单元。以海态测量手段提供的海态信息及地波雷达信号处理得到的频谱为输入，通过本装置实现目标检测结果的输出。装置各组成单元的特征及功能如下：

地波雷达海杂波谱提取单元，用于结合获取的海流信息，从地波雷达频谱中搜寻并输出准确的实测海杂波谱。

无目标回波谱重构单元，用于结合获取的海态信息，即风速、风向，海流流速、流向及海浪谱，建立海态信息与地波雷达海杂波谱的映射，然后通过插值、展宽等处理，实现无目标回波谱的构造。

阈值生成单元，用于设置相应海态下的海杂波敏感特征异常检测阈值，并在单元1和单元2输出的地波雷达实测海杂波谱和无目标回波谱中提取海杂波敏感特征。用于计算无海杂波地波雷达谱中的目标检测阈值。

目标检测单元，用于实现海杂波内、外两种情况下的目标检测，通过检测阈值实现目标的检测。

图5(a)(b)分别给出了具有代表性的实测数据处理结果，分为目标被海杂波部分遮挡和目标完全被海杂波掩盖两种情况。对应于上述两种情况检测到的目标船只同步AIS信息见表1。地波雷达数据于2014年4月12、14日在威海录取，地波雷达接收天线阵为8阵元，阵元间距为14.5m，工作频率为4.7MHz，相干积累时间为291s，频率分辨率为0.0034Hz，插值后距离分辨率为1.5Km。现场观测的海流、风场分别由安德拉海流计、风速风向仪提供。4月12日同步测量点的海流流速是0.23m/s，流向为北偏西59°；风速是5.40m/s，风向为260°。4月14日同步测量点的海流流速是0.1m/s，流向为北偏东20°；风速是6.30m/s，风向为235°。

检测到的海杂波外的目标(图5(a)中的目标2-5，图5(b)中的目标2,3)，特征明显，在此不做详细阐述。但需说明的是位于0Hz的目标检测结果常规上认为是由地杂波引起的，通常在地波雷达目标检测中认为是假目标而忽略掉(实际上其中也会含有静止的船只目标，即地杂波中的目标检测，我们已在获授权的专利中阐述了相关检测方法，与本专利无任何关联)。特别地，针对海杂波内的目标检测情况，图5(a)、5(b)分别进行了进一步说明。图5(a)对应4月12日数据中目标被海杂波部分遮挡的情况，目标进入海杂波谱区，但未完全被负海杂波谱覆盖，并且该目标驶离地波雷达方向引起其所在的海杂波负多普勒谱的展宽量较大，较重构海杂波谱展宽量高0.009Hz，超过了设置的0.005Hz检测门限。另外，海杂波峰值频率位置向正多普勒方向从-0.2301Hz到-0.2252Hz产生了0.0049Hz的偏移。实测数据海杂波正、负峰值比有所降低峰值比为32.8dB，较同步海态信息的检测阈值27.05dB增大了5.75dB。正、负海杂波谱峰值比，峰值频率位置及海杂波谱展宽量超过了检测阈值。获取的船只AIS验证信息表明该船为一艘货船，距离、速度及距离参数与地波雷达检测估计值相一致。

图5(b)对应4月14日数据中目标完全被海杂波掩盖的情况，目标增大了海杂波正多普勒谱峰值位置及其周边频点处的幅值，导致海杂波正、负峰值之间的幅度比显著增加，较同步海态信息的检测阈值20.01dB增大了5.28dB。同时，谱展宽量增加了0.007Hz。由于目标径向速度的多普勒频率与海杂波峰值频率接近，海杂波峰值频率位置仅向负多普勒方向从0.2232Hz到0.2213Hz产生了0.0019Hz的少量偏移。正、负海杂波谱峰值比及海杂波谱展宽量超过了检测阈值。同步获取的船只AIS验证信息表明该船为一艘集装箱船，参数与地波雷达检测估计值相一致，表明了检测结果的有效性。

表1检测到的目标AIS信息表

Claims (1)

1.一种地波雷达海杂波背景下的目标检测方法，其特征在于包括以下步骤：

步骤1：接收海面散射的地波雷达发射信号，形成地波雷达回波谱；获取同步海态数据并建立海态信息与地波雷达回波散射间的映射，结合雷达散射区域内的海态及雷达体制构造无目标海杂波谱：

对地波雷达各通道采集的下变频时域数字信号分别进行脉冲压缩和相干积累，然后经过波束形成及契比雪夫加权，得到地波雷达回波谱，记为S_radar，其物理量为频谱值，单位dB；

获取同步海态数据包括：获取同步海流流速流向、风速风向数据；

综合考虑雷达散射区域内的海态及雷达体制，建立海态信息与地波雷达回波散射间的映射关系，构造无目标海杂波谱S_model，其物理量为频谱值，单位dB；

(1)首先，计算海杂波功率谱：

其中，λ是地波雷达电磁波长，P_t是地波雷达发射功率，G_t和G_r分别是地波雷达发射天线和接收天线的增益，A是海面散射面积，L是衰减量，R为海面散射点到地波雷达的距离，σ_sea代表高频电磁波海面后向散射截面；此处，对应的海面散射面积为：

式中，θ_Beam是本步骤中地波雷达波束形成的波束宽度，ΔR是雷达距离分辨率；

此处，高频电磁波海面后向散射截面积σ_sea为一阶后向散射截面积，计算过程以Barrick后向散射模型为基础，并添加了现场海流对散射截面积的作用；

式中，k₀为发射电波波数；

是指向散射元的电波波矢；ω_B为Bragg角频率；V_C为海流流速，α为海流流向与雷达波束指向的夹角；m为多普勒频率的符号，正负分别代表海浪波列行进方向为朝向雷达或背离雷达；S(.)为相应波矢的海浪方向谱，以现场观测的风浪参数为输入；δ为狄拉克函数；

(2)然后，进一步添加由于雷达散射区域内变化的海流及雷达信号处理因素影响，得到无目标海杂波谱：

S_model＝win·S’_sea (4)

式中，win为高斯窗，S’_sea为S_sea经插值处理得到的与地波雷达同等分辨率的海杂波功率谱；

步骤2：从地波雷达回波谱S_radar中提取海杂波谱边界及用于目标检测的海杂波敏感特征：

需提取的海杂波谱边界的两个关键参数是峰值频率和频谱展宽量，采用常规的信噪比准则，并以现场观测的海流值为基础制定约束条件，以提高提取的准确度；

经添加取值窗口和约束条件，增强了海杂波谱功率，分别在正、负多普勒区域搜寻以海杂波为主导的SNR，表示为SNR_P以及SNR_N；

其中，∑及其下标代表沿着多普勒频率取值窗口提取谱幅度值，

是海杂波正、负峰值频率，f_sd为海杂波谱展宽量；

根据下面给出的初始值、现场观测的海流值和理论布拉格峰值频率

及

制定峰值提取约束条件：

其中，正峰值频率初始值

负峰值频率初始值

g为重力加速度；

根据探测海区年季最大海流值V_cmax和雷达多普勒分辨率f_res，制定海流影响下的回波谱展宽的提取量约束条件：

海杂波正、负谱展宽量用其边界上、下限f_L和f_R表示，正谱展宽范围为

负谱展宽范围为

将用于目标检测的海杂波敏感特征总结为三个：海杂波谱展宽量f_sd、海杂波峰值频率位置f_pk，以及海杂波正、负峰值比A_R；前两个敏感特征在海杂波提取的过程中已有描述，第三个敏感特征A_R则定义为两个正、负谱的峰值频率对应的回波幅度间的比值；

可分为目标被海杂波部分遮挡和目标完全被海杂波掩盖两种情况：

(1)目标被海杂波部分遮挡时，谱展宽量f_sd是海杂波最显著变化的特征，海杂波正、负峰值比A_R及海杂波峰值频率位置f_pk次之；其中，展宽增加量由船只与雷达的径向速度决定，船只径向速度对应的多普勒与海杂波频率越远，展宽量越大，反之越小；另外，海杂波正、负峰值比A_R将增加或降低，海杂波峰值频率位置f_pk将产生偏移；

(2)目标完全被海杂波掩盖时，海杂波正、负峰值比A_R是海杂波最显著变化的特征，海杂波峰值频率位置f_pk及海杂波谱展宽量f_sd次之；其中，海杂波正、负峰值比A_R变化量由船只回波强度及船只径向速度决定，船只回波强度越高，变化量越大；船只径向速度的多普勒频率与海杂波峰值频率越接近变化量越大，反之越小；另外，海杂波谱展宽量f_sd可能增加，峰值频率位置f_pk可能产生偏移；

步骤3：海杂波敏感特征异常检测，确定检测阈值：

在步骤2中从地波雷达回波谱S_radar，提取海杂波谱边界，以及提取用于目标检测的海杂波敏感特征后，需要基于实测海杂波谱和重构的无目标海杂波谱，发现对海杂波谱展宽量f_sd、海杂波峰值频率位置f_pk以及海杂波正、负峰值比A_R三个谱敏感特征的变化，通过制定阈值检测敏感特征的异常，下面对三种敏感特征的异常检测分别进行描述：

(1)海杂波谱展宽量f_sd异常的检测

考虑到重构误差以及实测海杂波谱中噪声等因素的影响，重构的海杂波谱不可能与实测海杂波谱完全相同，因此提取的海杂波谱范围也不完全相同，对于海杂波谱频率范围异常检测结果的判别，可以参考实测海杂波谱宽度与重构海杂波谱宽度的差值，如果该差值超过了设定的门限，则可判定出现海杂波谱频率范围的异常，输出值为‘1’时，代表有异常；输出值为‘0’时，代表无异常，表示为：

如果

或

则T_fd＝1

否则T_fd＝0 (8)式中，Δf_fd为海杂波谱频率范围的门限，

表示实测数据中负海杂波谱的左右边界；

表示实测数据正海杂波谱的左右边界；

表示重构无目标谱中负海杂波的左右边界；

表示重构无目标谱中正海杂波的左右边界；Δf⁺、Δf^-分别为实测和重构谱两者间正、负海杂波谱的宽度差；

海杂波谱频率范围的门限Δf_fd参考雷达多普勒分辨率Δf和海流探测精度对应的多普勒偏移量Δf_C，即：

Δf_fd＝Δf+Δf_C (9)

(2)海杂波峰值频率位置异常的检测

海杂波峰值频率受海流的影响将产生较理论布拉格峰值频率的频移，分为正、负多普勒两部分，超出海流导致的频移则认为海杂波峰值频率位置产生异常，表示为：

如果

或

则T_fp＝1

否则T_fp＝0 (10)

峰值频率位置的频移阈值Δf_pk由现场测量的海流流速、流向及探测精度以及流向与雷达波束的夹角决定，即：

(3)海杂波正、负峰值比异常的检测

对于海杂波正、负峰值比异常的判别，可根据实测数据峰值频率所对应的幅度

间的比值与峰值比门限ΔA_R确定，当海杂波峰值比差异超过了该阈值，则意味着存在异常；

表示为：

如果

则T_AR＝1

否则T_AR＝0 (12)

需要说明的是峰值比门限由地波雷达风向模型值A_w，风向测量手段的测量误差β以及风向与雷达波束的夹角

确定；

其中，abs(.)表示取绝对值；

步骤4：海杂波目标检测结果输出：

(1)海杂波区域内目标检测：

为判别海杂波谱内是否存在目标，采用综合三种敏感特征的异常检测方法，通过或运算“||”给出最终的检测结果，只要任何一种敏感特征异常即为有目标，检测结果为：

T₁＝T_fd||T_fp||T_AR (14)

(2)海杂波区域外目标检测：

海杂波外目标的检测采用三次曲线拟合的方式得到背景估计，制定检测阈值，在此过程中海杂波区域的功率不计算在内，因此避免海杂波的强回波对目标检测的影响，检测结果为：

T₂＝T_spec (15)

如果A_spec＞T_poly，则T_spec＝1

否则T_spec＝0 (16)

其中，A_spec为当前频谱功率值，T_poly为检测阈值，通过海杂波区域外雷达回波谱的三次曲线拟合乘以门限常数因子得到，超过该阈值即为有目标。

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