CN110736971B - 一种岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法，包括如下步骤：（1）构建基于AIS的数据接收系统：（2）计算海杂波测量雷达波束照射区域：（3）构建非合作目标识别方法：（4）判断非合作目标是否在雷达波束照射区域内。本发明所公开的一种岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法，基于AIS（船舶自动识别系统，Automatic Identification System），依据雷达波束的照射范围，利用非合作目标提供的AIS经纬度信息，既实现了对非合作目标的实时识别，又能实时显示、提取非合作目标的时间、经度、纬度等状态信息，并进行存储管理。

Description

一种岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法

技术领域

本发明属于海杂波测量区域目标识别领域，特别涉及该领域中的一种岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法。

背景技术

对于预警雷达而言，海表面对雷达发射信号的后向散射严重限制了其对飞机、导弹、舰船以及其他和海表面同在一个雷达分辨单元的目标的检测能力，故而需要开展在不同海况、不同雷达工作参数(频率、极化、分辨单元、入射余角等等)情况下的海杂波特性研究。而在海杂波测量雷达的测试区域内可能会出现非合作目标(如货船、渔船等等)，这些非合作目标的干扰可能会影响海杂波特性研究的准确性。因此后期需要对这些干扰因素进行分析，剔除相关数据，留下纯海杂波数据，以便为得到准确的海杂波特性奠定基础。

发明内容

本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于AIS(船舶自动识别系统，Automatic Identification System)的岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法。

本发明采用如下技术方案：

一种岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法，其改进之处在于，包括如下步骤：

(1)构建基于AIS的数据接收系统：

数据接收系统包括安装非合作目标实时识别单元的计算机、AIS和数据库服务器，其中非合作目标实时识别单元用于雷达位置与雷达波束照射区域的可视化、基于AIS的非合作目标状态信息的可视化以及数据库服务器入库管理，计算机实时接收由AIS发来的非合作目标状态信息，通过非合作目标实时识别单元将非合作目标状态信息存入数据库服务器，并实时可视化，AIS用于接收非合作目标的状态信息；

(2)计算海杂波测量雷达波束照射区域：

采用脉冲宽度的标称值以及天线在仰角与方位角平面上的波束宽度来建立雷达波束照射区域的模型，已知天线的架设高度为h，入射角为θ，入射波束的方位角为

方位向半功率波束宽度为φ_a，俯仰向半功率波束宽度为φ_i，雷达架设的经纬度为(L₀,B₀)；

雷达波束照射地面时，可以形成一个椭圆形的照射区域，因此只要推导出a、b与θ、φ_a、φ_i以及r的关系即可得到雷达波束照射区域，其中a＝D₂/2,b＝D₁/2，模型在平面直角坐标系中位于原点的方程表达式为：

(21)计算长轴a和短轴b：

(211)计算中心波束指向的距离r：

(212)计算照射区域短轴b：

(213)计算照射区域长轴a：

(22)照射区域坐标离散化：

坐标原点位于(0,0)，首先在X轴，把椭圆的长轴从[-a,+a]分成n等分，其X值为[x₀,x₁,x₂,x₃,…,x_n]，代入式(1)可得Y值为：

Y＝[y₀,y₁,y₂,y₃,…,y_n-1,y_n,y_n-1,y_n-2,y_n-3,…,y₁,y₀] (5)

矩阵形式为：

(23)计算雷达中心波束对应的经纬度(L,B)和高度h，并转换为平面直角坐标(X,Y,Z)：

依据已知雷达架设的经纬度(L₀,B₀)、海拔高度h，以及架设地至中心波束的距离s＝htan(θ)，雷达中心波束相对正北的方位角

采用Vincenty正解公式，即可得到雷达中心波束对应的经纬度(L,B)，经纬度转换成直接坐标的方法如下：

式中，地球模型参考系采用IUGG 1980，地球的长轴为a＝6378137.0m，短轴为b＝6356752.0m；

(24)坐标变换：

坐标变换包括坐标平移和坐标旋转，首先进行坐标平移，然后进行坐标旋转，即可得到雷达波束照射区域的平面直角坐标(X^*,Y^*)，具体变换式子如下：

(3)构建非合作目标识别方法：

采用射线法判定是否在区域内：将非合作目标的经纬度转换成直角坐标(x,y)，此点设为m，以m点为基础，建立一条平行于x轴的射线，计算这条射线与步骤(24)中建立的多边形区域的交点，如果是偶数，那么点在多边形的外部，如果是奇数，则判定点在多边形的内部；

具体规则如下：方向向上的边包括其开始点，不包括其终止点；方向向下的边不包括其开始点，包括其终止点；水平边不参与穿越测试；射线与多边形边的交点必须严格在点m的右边；

在具体进行非合作目标识别时，分为快速识别与常规识别：

快速识别：以雷达波束照射区域为基础，建立包括此区域的最大矩形区域，然后按照上述方法，计算射线与矩形区域的交点，如果是偶数，那么点在多边形的外部，如果是奇数，则判定点在多边形的内部，如果点m在矩形区域内部，则再进行常规方法识别；

常规方法识别：若非合作目标处于矩形区域内，那么以实际的雷达波束照射区域作为多边形区域，按照上述方法，计算射线与多边形区域的交点，如果是偶数，那么点在多边形的外部，如果是奇数，则判定点在多边形的内部；

(4)判断非合作目标是否在雷达波束照射区域内：

为了计算非合作目标在雷达回波数据中的位置，首先计算非合作目标与雷达之间的距离L；然后依据雷达信号带宽B，计算距离分辨率s＝c/2B，c为光速；最后距离L除以距离分辨率s，即可得到非合作目标在雷达回波数据中的位置；

其中空间距离计算方法如下:

假设非合作目标的空间直角坐标为(x₁,y₁,z₁)，雷达架设的空间直角坐标为(x₂,y₂,z₂)，利用两点之间的空间距离公式计算距离L:

假设距离L除以距离分辨率s得到的值为n，表达式为：

假定雷达回波有效数据的位置范围为[n₁,n₂]，若n∈[n₁,n₂]，表示在雷达波束照射区域内，反之则不在雷达波束照射区域。

进一步的，在步骤(1)中，计算机与AIS之间基于串口RS232或RS485进行通信，计算机与数据库服务器之间基于TCP/IP以太网络通信。

进一步的，在步骤(1)中，非合作目标的状态信息包括但不限于经度、纬度、时间和船只信息。

进一步的，在步骤(22)中，n≥5，n越大绘制的照射区域越平滑。

本发明的有益效果是：

本发明所公开的一种岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法，基于AIS(船舶自动识别系统，Automatic Identification System)，依据雷达波束的照射范围，利用非合作目标提供的AIS经纬度信息，既实现了对非合作目标的实时识别，又能实时显示、提取非合作目标的时间、经度、纬度等状态信息，并进行存储管理。利用这些信息可以剔除海杂波测量雷达波束照射区域中的非合作目标回波数据，获取相对比较纯的高质量海杂波回波数据，为海杂波特性的研究、建模等提供可靠的数据来源。此外还可以将包含非合作目标回波的海杂波数据作为目标检测数据，利用非合作目标的AIS信息(例如非合作目标航迹数据)，结合包含非合作目标的海杂波回波数据，验证相关的目标检测算法，有利于海杂波特性和目标检测等相关方面的研究。

附图说明

图1是基于AIS的数据接收系统的组成框图；

图2是计算海杂波测量雷达波束照射区域的流程示意图；

图3是雷达波束照射区域示意图；

图4是照射区域坐标离散化示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1，本实施例公开了一种岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法，包括如下步骤：

(1)构建基于AIS的数据接收系统：

如图1所示，数据接收系统包括安装非合作目标实时识别单元的计算机(台式机或笔记本)、AIS和数据库服务器，其中非合作目标实时识别单元用于雷达位置与雷达波束照射区域的可视化、基于AIS的非合作目标状态信息的可视化以及数据库服务器入库管理，计算机实时接收由AIS发来的非合作目标状态信息，通过非合作目标实时识别单元将非合作目标状态信息存入数据库服务器，并实时可视化，AIS用于接收非合作目标的状态信息；计算机与AIS之间基于串口RS232或RS485进行通信，计算机与数据库服务器之间基于TCP/IP以太网络通信。非合作目标的状态信息包括但不限于经度、纬度、时间和船只信息等等。

(11)AIS信息：

AIS可以收发动态、静态信息，用于目标的识别与信息交换。AIS的信息报文分为明码和暗码，明码以“＄”开头，采用NMEA0183语句，可以直接解读所传达的意思。更多的AIS信息是通过封装的暗码传播的。本实施例所关注的信息包括：IMO编号、呼号和船名、船长船宽、船舶类型、船位位置、UTC时间、对地航向、对地航速、船首向和航向状态。

(12)非合作目标实时识别单元功能：

非合作目标实时识别单元在功能设计上包括离线数据解析功能、在线数据解析功能、数据显示功能、数据输出功能、查询功能。

①离线数据解析功能：AIS录取的数据以文件的方式进行保存，非合作目标实时识别单元通过加载文件的方式，实现数据解析；

②在线数据解析功能：非合作目标实时识别单元通过串口与AIS进行通信，实时接收AIS转发的暗码数据，非合作目标实时识别单元接收数据，并进行实时的解析；

③数据显示功能：雷达架设位置、雷达波束照射区域、非合作目标实时识别单元将解析出来的非合作目标的静态信息、动态信息等等，以可视化的方式进行直观、动态的显示；

④数据输出功能：非合作目标实时识别单元将解析的数据以文件的方式进行输出。

⑤数据查询功能：依据设定的雷达架设信息、查询的时间，从数据库服务器中实时查询获得雷达波束照射区域范围内的非合作目标，并可视化。

(13)数据库服务器：

数据库服务器中主要存储AIS接收的非合作目标的静态信息和动态信息，依据信息的不同类型，设计不同的存储表格，具体如下表所示。非合作目标静态与动态信息表之间的关系是一对多的关系。

①非合作目标静态信息存储表

标识：AIS_SHIP_STATIC_INFO

②非合作目标动态信息存储表

标识：AIS_SHIP_RUN_INFO

(2)计算海杂波测量雷达波束照射区域，其流程如图2所示：

雷达波束照射区域的表达式是雷达系统各项参数非常复杂的函数，但是从实际应用的情况，可以采用脉冲宽度的标称值以及天线在仰角与方位角平面上的波束宽度来建立雷达波束照射区域的模型，如图3所示，已知天线的架设高度为h，入射角为θ，入射波束的方位角为

方位向半功率波束宽度为φ_a，俯仰向半功率波束宽度为φ_i，雷达架设的经纬度为(L₀,B₀)；

雷达波束照射地面时，可以形成一个椭圆形的照射区域，因此只要推导出a、b与θ、φ_a、φ_i以及r的关系即可得到雷达波束照射区域，其中a＝D₂/2,b＝D₁/2，模型在平面直角坐标系中位于原点的方程表达式为：

(21)计算长轴a和短轴b：

(211)计算中心波束指向的距离r：

(212)计算照射区域短轴b：

(213)计算照射区域长轴a：

(22)照射区域坐标离散化：

雷达波束照射区域在笛卡尔坐标系中的示意图如图4所示，坐标原点位于(0,0)，首先在X轴，把椭圆的长轴从[-a,+a]分成n等分(n≥5，n越大绘制的照射区域越平滑)，其X值为[x₀,x₁,x₂,x₃,…,x_n]，代入式(1)可得Y值为：

Y＝[y₀,y₁,y₂,y₃,…,y_n-1,y_n,y_n-1,y_n-2,y_n-3,…,y₁,y₀] (5)

矩阵形式为：

(23)计算雷达中心波束对应的经纬度(L,B)和高度h，并转换为平面直角坐标(X,Y,Z)：

依据已知雷达架设的经纬度(L₀,B₀)、海拔高度h，以及架设地至中心波束的距离s＝htan(θ)，雷达中心波束相对正北的方位角

采用Vincenty正解公式，即可得到雷达中心波束对应的经纬度(L,B)，经纬度转换成直接坐标的方法如下：

式中，地球模型参考系采用IUGG 1980，地球的长轴为a＝6378137.0m，短轴为b＝6356752.0m；

(24)坐标变换：

坐标变换包括坐标平移和坐标旋转，首先进行坐标平移，然后进行坐标旋转，即可得到雷达波束照射区域的平面直角坐标(X^*,Y^*)，具体变换式子如下：

(3)构建非合作目标识别方法：

采用射线法判定是否在区域内：将非合作目标的经纬度转换成直角坐标(x,y)，此点设为m，以m点为基础，建立一条平行于x轴的射线，计算这条射线与步骤(24)中建立的多边形区域的交点，如果是偶数，那么点在多边形的外部，如果是奇数，则判定点在多边形的内部；

具体规则如下：方向向上的边包括其开始点，不包括其终止点；方向向下的边不包括其开始点，包括其终止点；水平边不参与穿越测试；射线与多边形边的交点必须严格在点m的右边；

在具体进行非合作目标识别时，分为快速识别与常规识别：

快速识别：以雷达波束照射区域为基础，建立包括此区域的最大矩形区域，然后按照上述方法，计算射线与矩形区域的交点，如果是偶数，那么点在多边形的外部，如果是奇数，则判定点在多边形的内部，如果点m在矩形区域内部，则再进行常规方法识别；

常规方法识别：若非合作目标处于矩形区域内，那么以实际的雷达波束照射区域作为多边形区域，按照上述方法，计算射线与多边形区域的交点，如果是偶数，那么点在多边形的外部，如果是奇数，则判定点在多边形的内部；

(4)判断非合作目标是否在雷达波束照射区域内：

为了计算非合作目标在雷达回波数据中的位置，首先计算非合作目标与雷达之间的距离L；然后依据雷达信号带宽B，计算距离分辨率s＝c/2B，c为光速；最后距离L除以距离分辨率s，即可得到非合作目标在雷达回波数据中的位置；

其中空间距离计算方法如下:

假设非合作目标的空间直角坐标为(x₁,y₁,z₁)，雷达架设的空间直角坐标为(x₂,y₂,z₂)，利用两点之间的空间距离公式计算距离L:

假设距离L除以距离分辨率s得到的值为n，表达式为：

假定雷达回波有效数据的位置范围为[n₁,n₂]，若n∈[n₁,n₂]，表示在雷达波束照射区域内，反之则不在雷达波束照射区域。

Claims (4)

1.一种岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)构建基于AIS的数据接收系统：

数据接收系统包括安装非合作目标实时识别单元的计算机、AIS和数据库服务器，其中非合作目标实时识别单元用于雷达位置与雷达波束照射区域的可视化、基于AIS的非合作目标状态信息的可视化以及数据库服务器入库管理，计算机实时接收由AIS发来的非合作目标状态信息，通过非合作目标实时识别单元将非合作目标状态信息存入数据库服务器，并实时可视化，AIS用于接收非合作目标的状态信息；

(2)计算海杂波测量雷达波束照射区域：

采用脉冲宽度的标称值以及天线在仰角与方位角平面上的波束宽度来建立雷达波束照射区域的模型，已知天线的架设高度为h，入射角为θ，入射波束的方位角为

方位向半功率波束宽度为

俯仰向半功率波束宽度为

雷达架设的经纬度为(L₀,B₀)；

雷达波束照射地面时，可以形成一个椭圆形的照射区域，因此只要推导出a、b与θ、

以及r的关系即可得到雷达波束照射区域，其中a＝D₂/2,b＝D₁/2，模型在平面直角坐标系中位于原点的方程表达式为：

(21)计算长轴a和短轴b：

(211)计算中心波束指向的距离r：

(212)计算照射区域短轴b：

(213)计算照射区域长轴a：

(22)照射区域坐标离散化：

坐标原点位于(0,0)，首先在X轴，把椭圆的长轴从[-a,+a]分成n等分，其X值为[x₀,x₁,x₂,x₃,…,x_n]，代入式(1)可得Y值为：

Y＝[y₀,y₁,y₂,y₃,…,y_n-1,y_n,y_n-1,y_n-2,y_n-3,…,y₁,y₀] (5)

矩阵形式为：

(23)计算雷达中心波束对应的经纬度(L,B)和高度h，并转换为平面直角坐标(X,Y,Z)：

依据已知雷达架设的经纬度(L₀,B₀)、海拔高度h，以及架设地至中心波束的距离s＝htan(θ)，雷达中心波束相对正北的方位角

采用Vincenty正解公式，即可得到雷达中心波束对应的经纬度(L,B)，经纬度转换成直接坐标的方法如下：

式中，地球模型参考系采用IUGG 1980，地球的长轴为a1＝6378137.0m，短轴为b1＝6356752.0m；

(24)坐标变换：

坐标变换包括坐标平移和坐标旋转，首先进行坐标平移，然后进行坐标旋转，即可得到雷达波束照射区域的平面直角坐标(X^*,Y^*)，具体变换式子如下：

(3)构建非合作目标识别方法：

采用射线法判定是否在区域内：将非合作目标的经纬度转换成直角坐标(x,y)，此点设为m，以m点为基础，建立一条平行于x轴的射线，计算这条射线与步骤(24)中建立的多边形区域的交点，如果是偶数，那么点在多边形的外部，如果是奇数，则判定点在多边形的内部；

具体规则如下：方向向上的边包括其开始点，不包括其终止点；方向向下的边不包括其开始点，包括其终止点；水平边不参与穿越测试；射线与多边形边的交点必须严格在点m的右边；

在具体进行非合作目标识别时，分为快速识别与常规识别：

快速识别：以雷达波束照射区域为基础，建立包括此区域的最大矩形区域，然后按照上述方法，计算射线与矩形区域的交点，如果是偶数，那么点在多边形的外部，如果是奇数，则判定点在多边形的内部，如果点m在矩形区域内部，则再进行常规方法识别；

常规方法识别：若非合作目标处于矩形区域内，那么以实际的雷达波束照射区域作为多边形区域，按照上述方法，计算射线与多边形区域的交点，如果是偶数，那么点在多边形的外部，如果是奇数，则判定点在多边形的内部；

(4)判断非合作目标是否在雷达波束照射区域内：

为了计算非合作目标在雷达回波数据中的位置，首先计算非合作目标与雷达之间的距离L；然后依据雷达信号带宽B，计算距离分辨率S＝c/2B，c为光速；最后距离L除以距离分辨率S，即可得到非合作目标在雷达回波数据中的位置；

其中空间距离计算方法如下:

假设非合作目标的空间直角坐标为(x₁,y₁,z₁)，雷达架设的空间直角坐标为(x₂,y₂,z₂)，利用两点之间的空间距离公式计算距离L:

假设距离L除以距离分辨率S得到的值为n，表达式为：

假定雷达回波有效数据的位置范围为[n₁,n₂]，若n∈[n₁,n₂]，表示在雷达波束照射区域内，反之则不在雷达波束照射区域。

2.根据权利要求1所述岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法，其特征在于：在步骤(1)中，计算机与AIS之间基于串口RS232或RS485进行通信，计算机与数据库服务器之间基于TCP/IP以太网络通信。

3.根据权利要求1所述岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法，其特征在于：在步骤(1)中，非合作目标的状态信息包括但不限于经度、纬度、时间和船只信息。

4.根据权利要求1所述岸基雷达海杂波测量区域非合作目标实时识别方法，其特征在于：在步骤(22)中，n≥5，n越大绘制的照射区域越平滑。

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