CN110837078B - 基于相关特性的阵列地波雷达海杂波背景下目标检测方法 - Google Patents

基于相关特性的阵列地波雷达海杂波背景下目标检测方法 Download PDF

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Abstract

基于相关特性的阵列地波雷达海杂波背景下目标检测方法，包括选择用于相关性检测的相干积累时间参数，对阵列式地波雷达每个阵元接收到的多通道时域数据进行脉冲压缩，再经相干积累得到通道‑距离‑多普勒谱；计算多通道‑距离‑多普勒谱沿距离维、沿多普勒维的相关值；确定检测阈值；最后采用通道‑距离维检测和通道‑多普勒维二维复合检测加极值检测的方法，输出目标位置。本发明提降低了对海杂波、噪声等区域识别的依赖且无需准确的背景杂波模型，有效实现了海杂波内目标的检测，这是常规幅度阈值检测难以达到的，且消除了地波雷达距离‑多普勒谱中的噪声基底对相关计算的不利影响，通过对雷达回波对象自身暗含信息的利用，更加贴近实际应用。

Description

基于相关特性的阵列地波雷达海杂波背景下目标检测方法
技术领域
本发明涉及一种阵列式地波雷达目标的检测方法，具体涉及一种基于目标相关特性的阵列式地波雷达海杂波背景下的目标二维检测方法。
背景技术
地波雷达，又称为高频表面波雷达，工作于高频(3～30MHz)频段，利用垂直极化的高频电磁波沿海表面绕射传播特性，能够探测到视距以外的目标。和其它的海洋监测设备相比，地波雷达具有测量精度高、监测面积大、投资较少的优点，同时由于地波雷达架设在岸边，系统工作基本上不受自然环境的影响，因此能够对海洋进行全天候的实时监测。地波雷达在监测我国专属经济区、维护国家权益、保护海洋环境等方面具有重要作用。
在海上目标监视监测应用中，船只目标能够被地波雷达探测到，需满足两个条件:一是目标具有较大的散射截面积，能够在雷达回波中具有较高的散射强度；二是目标相对于雷达有一定的运动速度，能够产生与海杂波等干扰不同的多普勒频移，使其从杂波及干扰中凸显出来。地波雷达海杂波是地波雷达发射的高频无线电波与海浪相互作用而散射回来的信号，分为一阶、二阶及高阶海杂波。其中，一阶海杂波表现为一对展宽的双峰，能量很强，通常在较大的频谱范围内抬高检测基底，导致杂波被误检为船只目标，而部分船只无法被测出。在海杂波谱区，将造成目标检测盲区，降低了雷达对目标的探测能力。这种不利影响的持续性强，空间跨度大，因而实现海杂波背景下的有效目标检测，是提高地波雷达海面目标探测能力的重要途径。
常用的地波雷达幅值检测方法有均值类恒虚警检测器(CA-CFAR)[1]、排序统计类恒虚警检测器(OS-CFAR)[2]和自适应回归CFAR检测器[3]。其中，CA-CFAR检测方法适合均匀杂波背景，当参考窗长度趋近于无穷时，可达到理想检测器的性能。一般来说，滑窗范围越大，CFAR损失越小，但可能无法形成有效的局部估计。但是在杂波边缘和多目标环境下，噪声的估计值将会过高，导致目标漏检，检测性能下降。OS-CFAR检测方法对弱杂波具有一定的抑制能力，在强杂波区检测性能下降。自适应回归CFAR检测方法[4]对电离层干扰、低速区杂波干扰具有一定的抑制效果，但在均匀检测背景区，检测性能不如CA-CFAR和OS-CFAR。通常情况下，为得到更好的检测结果，在实际检测过程中需要通过复杂的区域识别算法先对RD谱进行分割，识别出不同杂波区，然后基于不同杂波类型选择适合的CFAR检测方法改善整体检测性能，但海杂波内的目标检测效果仍不理想。在文献[5]中，提出了距离维相关性检测方法，并通过了实测数据的检验，表明相关性检测在地波雷达目标检测尤其是海杂波背景下的目标检测方面的应用潜力。
相关的参考文献如下：
[1]王祎鸣,张杰,纪永刚,楚晓亮.基于AIS距离-多普勒投影的地波雷达CFAR检测验证方法,海洋学报.2015,37(4):76-82.
[2]H.,Rohling.New CFAR processor based on ordered statistic[J].International Radar Conference of IEEE,1984:38-42.
[3]H.,Rohling.Radar CFAR threshold in clutter and multiple targetsituations[J].IEEE Tran on Aerospace and Electronic Systems,1983,19:608-621.
[4]Ji Yonggang,Xu Leda,Wang Yiming,and Chu Xiaoliang.Ship Detectionin Strong Clutter Environment Based on Adaptive Regression Thresholding forHFSWR,2014International Conference on Computer Science and ElectronicTechnology(ICCSET 2014),Atlantis Press,pp.352-355.
[5]Gupta A,Fickenscher T.Correlation detector for HF surface waveradar[C].Iet International Conference on Radar Systems.IET,2012:212-216.
发明内容
本发明目的是提供一种基于目标相关性的阵列式地波雷达海杂波背景下的目标检测方法，降低常规检测方法对海杂波、噪声等区域识别的依赖且无需准确的背景杂波模型，尤其是能够解决海杂波内目标无法检测的难题。
该方法在阵列式地波雷达探测海面目标的过程中，利用船只目标回波和海杂波在空间-距离以及空间-频率联合维度的回波相关性差异，这种差异体现在雷达阵列接收通道间多普勒信号方位项的空间相关性以及多普勒信号沿着距离项的空间相关性。通过突显两者差异的相关性计算以及制定适合的检测阈值，在距离项和多普勒项两个维度分别完成相关性检测，综合距离项、多普勒项检测结果，再结合峰值检测，实现海杂波背景下甚至海杂波盲区内的目标检测。
为了实现上述目的，本发明给出了一种基于二维相关性的阵列式地波雷达海杂波背景下的目标检测方法的技术方案，基于相关性检测的流程示意图见图1，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：在300±100秒范围中选择用于相关性检测的相干积累时间参数，对阵列式地波雷达每个阵元接收到的多通道时域数据进行脉冲压缩，再经相干积累得到通道-距离-多普勒谱；定义待检测矢量为AkRiDj，其中Ak表示雷达通道，k表示通道序号；Ri表示Ak雷达通道中的第i个距离单元，i表示该雷达通道中的距离单元序数，Dj表示Ak雷达通道中的第j个多普勒单元，j表示该雷达通道中的多普勒单元序数。
步骤2：计算多通道-距离-多普勒谱沿距离维、沿多普勒维的相关值：
多通道-距离-多普勒谱在距离维的相关值：
Figure BDA0001767796700000031
其中，K为雷达通道数，
Figure BDA0001767796700000032
及/>
Figure BDA0001767796700000033
分别为其各自角标对应的多通道-距离-多普勒谱的平均值，i为当前距离单元，n为与当前距离单元i的间隔数，n为正整数；j表示一个雷达通道中的第j个多普勒单元；
多通道-距离-多普勒谱在多普勒维的相关值：
Figure BDA0001767796700000034
其中，K为雷达通道数，
Figure BDA0001767796700000035
及/>
Figure BDA0001767796700000036
分别为其各自角标对应的多通道-距离-多普勒谱的平均值，i为当前距离单元，m为与当前多普勒单元j的间隔数，m为正整数；j表示一个雷达通道中的第j个多普勒单元；
步骤3：检测阈值的确定：
阵列地波雷达不同方位回波之间的空间矢量相关值计算方式为：
Figure BDA0001767796700000037
其中，Aθ为阵列空间矢量，
Figure BDA0001767796700000038
及/>
Figure BDA0001767796700000039
分别为其各自角标对应的阵列空间矢量的平均值，Δθ为方位间隔，以度为单位；θ为方位，以度为单位；
利用公式(三)计算地波雷达不同方位回波之间的阵列空间矢量相关值；
多普勒维相邻距离的阵列空间矢量检测阈值的确定：首先相邻距离—即与当前距离单元的间隔数决定了船只目标在步骤1中确定的相干积累时间内的最大运动距离，该距离可以转化为目标在积累时间的初始方位和积累时间结束所处方位间的最大方位差，其次再搜寻雷达探测范围内，不同初始方位阵列空间矢量与具有该方位差的阵列空间矢量间相关值的最小值，最后将该相关值作为多普勒维相邻距离目标检测阈值，记为T1；
由于船只目标回波所处的方位角未知，因此在获取多普勒维相邻距离目标检测阈值时需选取所有满足同等方位变化量的相关值的最小值：
Figure BDA0001767796700000041
其中，Δθ1为相邻距离目标在积累时间的初始方位和积累时间结束所处方位间的最大方位差，min(...)代表取最小值；
距离维相邻多普勒的阵列空间矢量检测阈值的确定：先由船只目标最大航行速度得到该距离分辨单元内跨越的地波雷达检测区的最大方位差，再搜寻不同初始方位矢量与具有该方位差的阵列空间矢量间相关值的最小值，最后将该相关值作为距离维相邻多普勒目标检测阈值，记为T2；
由于船只目标回波所处的方位角未知，因此在获取距离维相邻多普勒目标检测阈值时需选取所有满足同等方位变化量的相关值的最小值：
Figure BDA0001767796700000042
其中，Δθ2为待检测距离单元中船只目标最大航行速度在该距离分辨内跨越的地波雷达检测区的最大方位差；
步骤4：检测结果输出：
采用通道-距离维检测和通道-多普勒维二维复合检测加极值检测的方法，输出目标位置，
D1＝rj,n＞T1 (6)
D2＝ri,m＞T2 (7)
D＝peak(D1||D2) (8)
其中，通道-距离维检测大于其检测阈值的目标点位置储存于D1，通道-多普勒维检测大于其检测阈值的目标点位置储存于D2，||代表逻辑“与”运算，peak为搜寻极值的运算，D表示最终输出二维检测结果。
我们经过大量研究和反复实践发现，船只目标回波和海杂波在空间的相关性存在一定的差异，尤其是对于阵列式地波雷达接收系统，这种差异体现在雷达阵列接收通道间信号方位的相关性以及多普勒信号沿着距离项的相关性。利用这种差异，本发明提出了一种基于二维相关性的阵列式地波雷达海杂波背景下的目标检测方法，降低了对海杂波、噪声等区域识别的依赖且无需准确的背景杂波模型，特别地，该方法有效实现了海杂波内目标的检测。
因此鉴于以上原因，与现有技术相比本发明的创新之处体现在以下方面：
1.通过发现利用地波雷达相干积累探测周期内，目标回波与海杂波在雷达各接收通道间的空间相关性差异，提升对目标的发现能力，更为重要的是实现了被海杂波遮挡目标的检测，这是常规幅度阈值检测难以达到的。
2.通道-距离-多普勒谱在相关计算中的应用，增加了数据分析与检测的灵活性，能够实现临近多普勒、临近距离以及间隔多普勒、间隔距离等多种组合间的回波空间相关性计算及分析，为在检测中体现目标机动性并实现机动目标的检测以及实现各种检测组合的多样性提供了有效方式。另外，由于空间噪声相关性低，通道-距离-多普勒谱的使用，也消除了地波雷达距离-多普勒谱中的噪声基底对相关计算的不利影响。
3.将目标运动特性及其在地波雷达回波谱中的特征综合考虑，将船只的最大可能运动速度及雷达积累周期内的最大运动距离作为相关检测参数，并依据雷达探测覆盖区域特点，制定不同探测维度的检测阈值，通过对雷达回波对象自身暗含信息的利用，更加贴近实际应用，经过了地波雷达实测数据的分析和验证。
本发明克服了现有地波雷达目标幅度检测方法难以实现海杂波内目标检测的缺陷，通过构造的地波雷达通道-距离-多普勒谱，综合考虑目标与海杂波干扰在阵列式地波雷达接收通道空间相关性的不同，制定了相应的检测策略，实现了地波雷达海杂波内及其周边目标的有效检测。
附图说明
图1为本发明的基本流程示意图。
图2为构造的地波雷达通道-距离-多普勒谱，其中：
a)为生成的通道1-距离-多普勒谱；
b)为未加权的通道1-距离-多普勒谱；
c)为短积累时间的通道1-距离-多普勒谱；
d)短积累时间的未加权通道1-距离-多普勒谱。
图3为地波雷达阵列接收的空间回波谱相关值。
图4为本发明的目标检测个例，其中：
a)海杂波内目标距离维；
b)海杂波内多普勒维；
c)海杂波周边目标距离维；
d)海杂波周边目标距离维。
图5为本发明的目标检测结果及与常规方法的比对，
其中，星号为本发明方法的检测结果，方框为自适应幅度拟合CFAR[4]的检测结果，实椭圆圈出了海杂波内及海杂波周边船只目标的检测个例，虚线椭圆为本发明检测到但自适应幅度拟合CFAR未检测到的目标。
具体实施方式
步骤1：经对多通道地波雷达数据的分析，并结合海杂波的相关时间以及目标的相关时间差异，海杂波的相关值在300秒积累条件下较短时(100余秒)相关性低，而目标相关性更高，采用该积累时间更有利于基于相关性的目标检测且速度分辨率更好。选取的适宜于目标相关性检测的相干积累的时间为300秒，对地波雷达每个阵元接收到的多通道时域数据进行脉冲压缩，再经相干积累并通过汉宁窗加权增强目标的相关性，生成用于基于目标相关特性的海杂波内目标检测的通道-距离-多普勒谱。本实施例中，雷达发射信号频率为4.7MHz，通道数为8个，相干积累的时间为300秒。图2为构造的地波雷达通道-距离-多普勒谱，图2a)为生成的长积累时间(300秒)并经汉宁窗加权的通道1-距离-多普勒谱，较未加权的图2b)、短时间积累(100余秒)图2c)以及未加权的短时间积累(100余秒)图2d)等的的通道1-距离-多普勒谱，对目标的凸显作用更优，需要说明的是其他7个通道的距离-多普勒谱未给出，但可得到与通道1相同的结论。综合利用这些通道含有的空间信息检测目标，将提高目标的发现能力。
步骤2：采用生成的通道-距离-多普勒谱，逐距离单元计算相邻多普勒谱的阵元多通道相关值，按照发明内容步骤2中的阵元多通道-距离-多普勒谱沿距离维的相关值公式计算，然后储存在ri,m当中。然后，逐多普勒单元计算相邻距离谱的阵元多通道相关值，按照发明内容步骤2中的阵元多通道-距离-多普勒谱沿多普勒维的相关值公式计算，并储存在rj,n当中。
步骤3：检测阈值确定。
首先计算船只目标在积累周期内的最大航行距离跨越扇形夹角的角度范围：
Vmax*T＝R*Δθ (9)
其中，Vmax是船只的最大可能航行速度，T是相干积累时间，R是待检测的距离，Δθ是船只目标在积累周期内的最大航行距离跨越扇形夹角的角度范围。
然后，取目标最大航行速度为30knots,那么在探测扇形区域半径20Km(20Km内为本地波雷达的探测盲区)处，300秒相干积累时间内，目标最大航行距离为5Km,跨越的扇形夹角范围为15°。
由步骤3中的公式3可得到图3所示的结果。
最后，从步骤2中的公式1、2及图3地波雷达阵列接收的空间回波谱相关值可得该角度范围相应的相关值为0.93，因此待检测距离维多普勒单元的阵元多通道相关阈值取为0.93。另外，目标距离分辨单元内相邻多普勒与其对应的夹角变化量有限(对应空间角度5°)，对应的相关值很高，因此待检测多普勒维相邻距离单元的阵元多通道相关阈值取为0.99。
步骤4：采用步骤3中给出的相关检测阈值，采用通道-距离维检测和通道-多普勒维二维复合检测的方法，收集在相应维度大于其检测阈值的目标点位置分别储存于D1和D2，然后将两维的检测结果做“与”运算，并做搜寻极值的运算，最终输出二维检测结果D。
图4给出了本发明的目标检测个例。需说明的是相关值在0.7以下的结果予以置零，图4a)为海杂波内目标的距离维检测结果，目标在距离单元60左右与相邻距离单元的谱相关性较强而距离单元61与62间的相关值为0.991，超过了该维度的检测阈值0.99。图4b)为海杂波内目标的多普勒维检测结果，目标在多普勒单元35左右与相邻多普勒单元的谱相关性较强而多普勒单元35与37间的相关值超过了该维度的检测阈值0.962。图4c)为海杂波周边目标的距离维检测结果，目标在距离单元46左右与相邻距离单元的谱相关性较强而距离46与47间的相关值为0.998，超过了该维度的检测阈值0.99。图4d)为海杂波周边目标的多普勒维检测结果，目标在多普勒单元164左右与相邻多普勒单元的谱相关性较强而多普勒单元164与166间的相关值为0.96，超过了该维度的检测阈值0.93。
图5给出了本发明的目标检测结果及与常规方法的比对。其中，星号为本发明方法的检测结果，方框为自适应幅度拟合CFAR[4]的检测结果，实椭圆圈出了海杂波内及海杂波周边船只目标的检测个例，虚线椭圆为本发明检测到但自适应幅度拟合CFAR未检测到的目标。需要说明的是，虚、实椭圆形框出的目标均由试验期间获取的同步AIS信息验证。由检测结果的比对可以发现，本发明较常规检测方法能够更加有效的发现海杂波内及海杂波周边的目标，除在图5中圈出的个例外，由于部分船只未安装或播报自身AIS信息，因此未予圈出。此外，本发明方法还对海杂波之外的低信噪比弱目标以及密集目标的检测能力有所提高。需要说明的是，在150Km外有大量覆盖式电离层杂波的干扰，本专利对该探测距离以外的结果不做分析。

Claims (1)

1.基于相关性的阵列地波雷达海杂波背景下目标检测方法，其特征在于包括以下步骤：
步骤1：在300±100秒范围中选择用于相关性检测的相干积累时间参数，对阵列式地波雷达每个阵元接收到的多通道时域数据进行脉冲压缩，再经相干积累得到通道-距离-多普勒谱；定义待检测矢量为AkRiDj，其中Ak表示雷达通道，k表示通道序号；Ri表示Ak雷达通道中的第i个距离单元，i表示该雷达通道中的距离单元序数，Dj表示Ak雷达通道中的第j个多普勒单元，j表示该雷达通道中的多普勒单元序数；
步骤2：计算多通道-距离-多普勒谱沿距离维、沿多普勒维的相关值：
多通道-距离-多普勒谱在距离维的相关值：
Figure FDA0001767796690000011
其中，K为雷达通道数，
Figure FDA0001767796690000012
及/>
Figure FDA0001767796690000013
分别为其各自角标对应的多通道-距离-多普勒谱的平均值，i为当前距离单元，n为与当前距离单元i的间隔数，n为正整数；j表示一个雷达通道中的第j个多普勒单元；
多通道-距离-多普勒谱在多普勒维的相关值：
Figure FDA0001767796690000014
其中，K为雷达通道数，
Figure FDA0001767796690000015
及/>
Figure FDA0001767796690000016
分别为其各自角标对应的多通道-距离-多普勒谱的平均值，i为当前距离单元，m为与当前多普勒单元j的间隔数，m为正整数；j表示一个雷达通道中的第j个多普勒单元；
步骤3：检测阈值的确定：
阵列地波雷达不同方位回波之间的空间矢量相关值计算方式为：
Figure FDA0001767796690000017
其中，Aθ为阵列空间矢量，
Figure FDA0001767796690000018
及/>
Figure FDA0001767796690000019
分别为其各自角标对应的阵列空间矢量的平均值，Δθ为方位间隔，以度为单位；θ为方位，以度为单位；
利用公式(三)计算地波雷达不同方位回波之间的阵列空间矢量相关值；
多普勒维相邻距离的阵列空间矢量检测阈值的确定：首先相邻距离——即与当前距离单元的间隔数决定了船只目标在步骤1中确定的相干积累时间内的最大运动距离，该距离可转化为目标在积累时间的初始方位和积累时间结束所处方位间的最大方位差，其次再搜寻雷达探测范围内，不同初始方位阵列空间矢量与具有该方位差的阵列空间矢量间相关值的最小值，最后将该相关值作为多普勒维相邻距离目标检测阈值，记为T1；
由于船只目标回波所处的方位角未知，因此在获取多普勒维相邻距离目标检测阈值时需选取所有满足同等方位变化量的相关值的最小值：
Figure FDA0001767796690000021
其中，Δθ1为相邻距离目标在积累时间的初始方位和积累时间结束所处方位间的最大方位差，min(...)代表取最小值；
距离维相邻多普勒的阵列空间矢量检测阈值的确定：先由船只目标最大航行速度得到该距离分辨单元内跨越的地波雷达检测区的最大方位差，再搜寻不同初始方位矢量与具有该方位差的阵列空间矢量间相关值的最小值，最后将该相关值作为距离维相邻多普勒目标检测阈值，记为T2；
由于船只目标回波所处的方位角未知，因此在获取距离维相邻多普勒目标检测阈值时需选取所有满足同等方位变化量的相关值的最小值：
Figure FDA0001767796690000022
其中，Δθ2为待检测距离单元中船只目标最大航行速度在该距离分辨内跨越的地波雷达检测区的最大方位差；
步骤4：检测结果输出：
采用通道-距离维检测和通道-多普勒维二维复合检测加极值检测的方法，输出目标位置，
D1＝rj,n＞T1 (6)
D2＝ri,m＞T2 (7)
D＝peak(D1||D2) (8)
其中，通道-距离维检测大于其检测阈值的目标点位置储存于D1，通道-多普勒维检测大于其检测阈值的目标点位置储存于D2，||代表逻辑“与”运算，peak为搜寻极值的运算，D表示最终输出二维检测结果。
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