CN108776332A - 利用高频地波雷达检测海上机动目标的方法 - Google Patents

Abstract

利用高频地波雷达检测海上机动目标的方法，包括利用高频地波雷达获取带有目标信息的回波数据，对回波数据进行预检测，初步确定机动目标的速度和位置区间，估计机动目标的加速度范围，利用不同的加速度采用逐级缩减方式对机动目标进行补偿，最后对补偿后的机动目标进行CA‑CFAR检测，从而确定回波数据中存在机动目标信息。本发明通过对高频地波雷达中机动目标模型的分析，推导理论加速度补偿公式，综合考虑了目标实际运行的速度情况，结合改进的多通道补偿法解决海上机动目标检测问题，工程计算量较少，改善了机动目标由于加速度所带来的频谱展宽和能量分散的问题，使目标能量重新聚集，从而解决高频地波雷达中海上机动目标的检测问题。

Description

利用高频地波雷达检测海上机动目标的方法

技术领域

本发明涉及一种海上机动目标的检测方法，具体涉及一种利用高频地波雷达检测包括船只在内的海上机动目标的方法。

背景技术

对于利用FMICW波形的地波雷达，当观测区域内有运动目标出现时，回波信号中将会出现多普勒频移，将回波信号与本振信号混频后取出差频信号后经过低通滤波变换到中频，对低通滤波后的信号进行距离变换，然后进行若干周期的相干积累后进行多普勒变换，从而获得含有目标特征的距离-多普勒二维谱，信号检测就在这样的谱域进行。而高频地波雷达对目标的检测能力极大程度上依赖于多普勒分辨力的提高，由于多普勒分辨力的提高也依赖于相干积累周期数的增加。因此，相干积累在高频地波雷达的信号处理中极为重要。

目前，国内外已发展了一些高频地波雷达目标检测方法。由于高频地波雷达系统可以对海面上移动的船目标实现检测和跟踪，对海洋环境起到检测作用，所以在相关领域得到了广泛的应用。目前常用的检测技术有恒虚警检测、极化检测和TBD检测(TrackBefore Detect)等。

高频雷达中为保证脉冲积累的相干性，要求目标在积累周期内的径向运动为匀速运动。但是对于海上的船只，不可能总是处于匀速航行运动状态，每当船只目标出现加速或者减速情况，即目标的径向速度在不断变化，存在径向加速度，若对雷达回波信号进行积累，往往会由于多普勒展宽和能量损失引起目标信噪比降低，导致检测率降低，甚至出现目标漏检。针对机动目标回波在多普勒谱上呈现出的谱峰展宽、能量展宽的情况，Frazer等人利用了Wigner-Ville分布估计出弹道导弹目标的瞬时多普勒变化规律，解决了由于目标存在加速度而导致的相干积累的损失，从而使得目标在相干积累之前的多普勒频移上形成谱峰，为其后的检测提供便利。KLu等人提出了基于多项式相位法的天波超视距雷达中的机动目标检测，此方法把回波信号按泰勒公式展开成多项式的形式，借助高阶模糊函数估计目标各阶加速度。这些算法从不同程度上解决了飞机、导弹等高速机动目标由于径向加速度带来的展宽影响和能量泄露的问题，提高了检测性能。但是由于地波超视距雷达与天波超视距雷达性能、参数、以及目标特性等大不相同，所以这些方法不能直接应用于地波雷达中，并且上述方法还没有用于海上船只等机动目标检测的研究中，因此目前对于高频地波超视距雷达的机动目标检测还有很大的研究空间，所以对于地波雷达的机动目标检测的研究还是很有必要的。相关的部分参考文献如下：

[1]Armstrong B C,Griffiths H D.CFAR detection of fluctuating targetsin spatially correlated K-distributed clutter[J].Radar&Signal Processing IeeProceedings F,1991,138(2):139-152.(杂波中相关K分布的CFAR检测)

[2]Frazer G J,Anderson S J.Wigner-Ville analysis of HF radarmeasurement of an accelerating target[C]//International Symposium on SignalProcessing and ITS Applications.IEEE Xplore,1999:317-320vol.1.(高频雷中基于Wigner-Ville分析的机动目标检测)

[3]Lu K,Liu X.Enhanced visibility of maneuvering targets for high-frequency over-the-horizon radar[J].IEEE Transactions on Antennas&Propagation,2005,53(1):404-411.(高频超视距雷达机动目标探测性能的提高研究)

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机动目标的方法，该方法能够有效的解决原有机动目标检测存在的低信噪比下目标漏检问题，对频谱展宽、能量分散的机动目标进行加速度补偿，进而利用高频雷达信号处理中的相干积累技术，实现海上机动船只目标的检测。

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机动目标的方法，包括：

步骤0：利用高频地波雷达向海面发射高频电磁波，并获取带有目标信息的雷达回波数据；

其特征在于还包括以下步骤：

步骤1：对高频地波雷达回波数据进行预检测，检测和识别面区域机动目标，初步确定机动目标的速度和位置区间；

步骤2：参数估计：因为机动目标加速度的存在会造成频谱展宽，所以对机动目标开始CA-CFAR检测之前要先进行补偿，首先估计加速度补偿范围[-a_max,a_max]；

步骤3：对含有机动目标的时域数据进行补偿，即选取不同的补偿步长Δa，利用不同的加速度采用逐级缩减方式对机动目标进行补偿；

步骤4：对步骤3中补偿后的含有机动目标的数据做傅里叶变换，并绘制频谱图；

步骤5：选取步骤4频谱图中能量最为集中的通道，做恒虚警检测，即CA-CFAR检测，从而确定哪些距离单元格存在机动目标；

上述步骤1中，识别面区域机动目标是：当目标展宽大于四个多普勒单元格，即判断其为机动目标，选取符合该条件的机动目标等待下一步处理；

上述步骤2中，估计加速度补偿范围是：发射脉冲的扫频周期为T、雷达波长为λ时，则回波的采样频率为f_s＝1/T，雷达能检测到的最大径向速度为v_max＝1/4f_sλ；设机动目标的加速度为a，径向加速度的范围选取应考虑相干积累时间和最大径向速度的限制，其最大值a_max不应超过a_max＝v_max/T_c，T_c为雷达相干积累时间；而加速度离散步长Δa的选择同样需要考虑到波长与雷达相干积累时间，则目标加速度的步长应不低于Δa＝λ/2T_c ²；

上述步骤3中，雷达的发射信号表示为：

其中ω为载频，k为带宽和扫频周期之比，即调频斜率；j为虚数；雷达接收机收到回波信号会包含延迟时间，回波信号表达式为：

其中Δt为回波延迟——即雷达发射到接收时的时间差：Δt＝2(r+vT)/c，r为目标至雷达的距离，v为目标初始速度，T为扫频周期；

(1)式与(2)式混频之后得到：

匀速目标的回波延迟表达式为：

Δt＝2(r+vT)/c (4)

当目标产生径向加速度时，机动目标的回波延迟Δt₁就会改变：

将匀速运动目标回波延迟表达式(4)和机动目标回波延迟表达式(5)分别带入混频表达式(3)中，得：

匀速目标混频信号为

机动目标混频信号为

那么得到的混频之后匀速目标和机动目标的相位分别为：

两个相位做差，(9)减去(8)式得机动目标与匀速目标的相位差为：

上式中，k为带宽与扫频周期之比，大多数情况下因为其数量级为10⁵左右，T的数量级为10^-1，r的数量级为10⁴，c为光速数量级为10⁸，所以(10)式中的第三项的数量级在10^-13，所以由于第三项的数量级太小，与前两项相比可以忽略不计；这样，补偿公式可以简化为：

在加速度补偿范围[-a_max,a_max]中选取不同的加速度，以对机动目标进行补偿，补偿公式为(11)；利用不同的加速度采用逐级缩减方式对机动目标进行补偿；其中补偿的次数由加速度补偿范围[-a_max,a_max]和补偿步长Δa决定。

与现有技术相比，本发明的创新之处体现在以下方面：

本发明推导了利用FMICW波形地波雷达的加速度补偿公式；针对机动目标由于存在较大加速度引起的展宽，低信噪比下的目标漏检等问题，提出了先做机动目标预判，再利用改进的多通道补偿法进行加速度补偿，提高加速度目标的信噪比，实现机动目标检测的新方法，可以提高对于存在较大机动目标的检测率和参数估计精度以及检测性能。

本发明在得到加速度补偿的机动目标后，估计补偿加速度值的范围与步长，采用逐级缩减的方式对加速度补偿参数进行估计，并在多个通道中进行相位补偿，选取补偿信号能量最为集中的通道进行CFAR检测。

本发明通过对高频地波雷达中机动目标模型的分析，推导理论加速度补偿公式，综合考虑了目标实际运行的速度情况，结合改进的多通道补偿法解决海上机动目标检测问题，结果表明，该方法不但减少了运算量，而且还可以改善机动目标由于加速度所带来的频谱展宽和能量分散的问题，使目标能量重新聚集，从而获得较好的检测性能。

附图说明

图1为本发明的基本流程示意图。

图2为高频地波雷达回波数据中某机动目标RD谱图。

图3为使用本发明处理后的检测到的机动目标。

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，其具体步骤如下：

步骤1：首先选取高频地波雷达的距离-多普勒二维数据，绘制RD(Range-Doppler)谱图，检测其中存在面目标，在这些面目标中，当目标展宽大于四个多普勒单元格，即判断其为机动目标，如图2；

步骤2：对机动目标特性进行分析，估计机动目标的加速度与步长，

a_max＝v_max/T_c

Δa＝λ/2T_c ²

f_s为采样频率，λ为雷达波长，T_c为雷达相干积累时间；

通过对大量船只目标数据的理论分析，加速度区间可以首先选择[-0.06m/s²,0.06m/s²]，步长Δa首先设为0.01m/s²，通过对补偿后的能量聚集情况，对预估的加速度区间逐级缩减，这样可以很大程度的减小工程计算量；

步骤3：对步骤1中预判别得到的机动目标进行加速度补偿处理，用含有机动目标的回波数据相位与下式相乘，式中加速度区间及步长见步骤2，补偿过程在多个通道进行，补偿公式如下；

步骤4：对步骤3中补偿后的含有机动目标的数据做傅里叶变换，并绘制频谱图，选取能量较为集中的通道；

步骤5：选取步骤4中能量最为集中的通道，做恒虚警检测，即CA-CFAR检测，确定哪些距离单元格存在机动目标；机动目标检测结果见图3。

Claims (1)

1.利用高频地波雷达检测海上机动目标的方法，包括：

步骤0：利用高频地波雷达向海面发射高频电磁波，并获取带有目标信息的雷达回波数据；

其特征在于还包括以下步骤：

步骤1：对高频地波雷达回波数据进行预检测，检测和识别面区域机动目标，初步确定机动目标的速度和位置区间；

步骤2：参数估计：因为机动目标加速度的存在会造成频谱展宽，所以对机动目标开始CA-CFAR检测之前要先进行补偿，首先估计加速度补偿范围[-a_max,a_max]；

步骤3：对含有机动目标的时域数据进行补偿，即选取不同的补偿步长Δa，利用不同的加速度采用逐级缩减方式对机动目标进行补偿；

步骤4：对步骤3中补偿后的含有机动目标的数据做傅里叶变换，并绘制频谱图；

步骤5，选取步骤4频谱图中能量最为集中的通道，做恒虚警检测，即CA-CFAR检测，从而确定哪些距离单元格存在机动目标；

上述步骤1中，识别面区域机动目标是：当目标展宽大于四个多普勒单元格，即判断其为机动目标，选取符合该条件的机动目标等待下一步处理；

上述步骤2中，估计加速度补偿范围是：发射脉冲的扫频周期为T、雷达波长为λ时，则回波的采样频率为f_s＝1/T，雷达能检测到的最大径向速度为v_max＝1/4f_sλ；设机动目标的加速度为a，径向加速度的范围选取应考虑相干积累时间和最大径向速度的限制，其最大值a_max不应超过a_max＝v_max/T_c，T_c为雷达相干积累时间；而加速度离散步长Δa的选择同样需要考虑到波长与雷达相干积累时间，则目标加速度的步长应不低于Δa＝λ/2T_c ²；

上述步骤3中，雷达的发射信号表示为：

其中ω为载频，k为带宽和扫频周期之比，即调频斜率；j为虚数；雷达接收机收到回波信号会包含延迟时间，回波信号表达式为：

其中Δt为回波延迟——即雷达发射到接收时的时间差：Δt＝2(r+vT)/c，r为目标至雷达的距离，v为目标初始速度，T为扫频周期；

(1)式与(2)式混频之后得到：

匀速目标的回波延迟表达式为：

Δt＝2(r+vT)/c (4)

当目标产生径向加速度时，机动目标的回波延迟Δt₁就会改变：

将匀速运动目标回波延迟表达式(4)和机动目标回波延迟表达式(5)分别带入混频表达式(3)中，得：

匀速目标混频信号为

机动目标混频信号为

那么得到的混频之后匀速目标和机动目标的相位分别为：

两个相位做差，(9)减去(8)式得机动目标与匀速目标的相位差为：

上式可以简化为：

在加速度补偿范围[-a_max,a_max]中选取不同的加速度，以对机动目标进行补偿，补偿公式为(11)；利用不同的加速度采用逐级缩减方式对机动目标进行补偿；其中补偿的次数由加速度补偿范围[-a_max,a_max]和补偿步长Δa决定。