CN112986980A - 一种目标态势特征的监测系统 - Google Patents

一种目标态势特征的监测系统 Download PDF

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Abstract

本申请公开了一种目标态势特征的监测系统。该系统包括第一雷达，用于获取船体目标和非船体目标在第一方向上的第一分布信息；第二雷达，用于获取船体目标和非船体目标在第二方向上的第二分布信息；获取所述第一雷达的第一位置信息的第一定位装置；获取第二雷达的第二位置信息的第二定位装置；获取船体目标的第三位置信息的第三定位装置；上位机系统，用于确定所述船体目标，并根据所述第一分布信息和所述第二分布信息确定目标态势特征。该系统可以提高目标态势实验中特征数据的准确性，方便态势实验的顺利进行。本申请可广泛应用雷达技术领域内。

Description

一种目标态势特征的监测系统
技术领域
本申请涉及雷达技术领域，尤其是一种目标态势特征的监测系统。
背景技术
在海面多目标态势实验中，通常存在主要目标，即船体，以及其他目标，一般是以其他金属物为主的非船体目标。这些非船体目标伴随着船体出现时，其雷达回波将与船的雷达回波叠加，起到对雷达探测的误导作用。当非船体目标与船体目标在雷达径向距离上可分辨时，非船体目标为冲淡式目标，即属于不重合目标；当非船体目标与船体目标在雷达径向距离上不可分辨时，非船体目标为质心式目标，即属于重合目标。
实际的态势实验中，船体目标与非船体目标在雷达视线方向上投影的重合度、相似度是衡量目标态势的重要指标，即为目标态势特征。使用雷达对实验区域中各目标的相对位置关系进行探测，计算多个目标在雷达视线方向上的重合度、相似度，可衡量态势场景设置的准确度。相关技术中，针对态势场景的中多目标的重合度、相似度确定往往比较模糊，精确度不高，可能会影响实验的结果。综上，相关技术中存在的技术问题亟需得到解决。
发明内容
本申请的目的在于至少一定程度上解决相关技术中存在的技术问题之一。
为此，本申请实施例的一个目的在于提供一种目标态势特征的监测系统，该系统可以有效提高得到的目标态势特征的准确性，有利于目标态势实验的顺利进行。
为了达到上述技术目的，本申请实施例所采取的技术方案包括：
第一方面，本申请实施例提供了一种目标态势特征的监测系统，包括：
第一雷达，用于获取船体目标和非船体目标在第一方向上的第一分布信息；
第二雷达，用于获取所述船体目标和所述非船体目标在第二方向上的第二分布信息；
第一定位装置，用于获取所述第一雷达的第一位置信息；
第二定位装置，用于获取所述第二雷达的第二位置信息；
第三定位装置，用于获取所述船体目标的第三位置信息；
上位机系统，用于根据所述第一位置信息和所述第三位置信息从所述第一分布信息中确定所述船体目标，或者根据所述第二位置信息和所述第三位置信息从所述第二分布信息中确定所述船体目标；所述上位机系统还用于根据所述第一分布信息和所述第二分布信息确定目标态势特征。
另外，根据本申请上述实施例的系统，还可以具有以下附加的技术特征：
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述上位机系统还用于对所述第一分布信息和所述第二分布信息进行空时同步。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述第一方向和所述第二方向的夹角大于等于30度。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述第一雷达包括：
双极化天线组件，用于进行射频双极化波的收发；
微波收发组件，用于进行基带和射频信号的转换；
控制与采集组件，用于进行回波采集和数据存储；
伺服组件，用于控制探测方位。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述双极化天线组件包括4双极化子阵辐射阵列。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述双极化天线组件中的天线采用缝隙耦合馈电双层贴片天线或波导缝隙天线。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述伺服组件具体包括伺服机构和伺服控制器；
所述伺服机构包括电机、编码器和传动装置；
所述伺服控制器包括角度计算控制器和驱动装置。
进一步地，在本申请的一个实施例中，所述第一定位装置、所述第二定位装置或者所述第三定位装置中的至少一者为GPS定位器。
本申请的优点和有益效果将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到：
本申请实施例中的目标态势特征的监测系统，包括：第一雷达，用于获取船体目标和非船体目标在第一方向上的第一分布信息；第二雷达，用于获取所述船体目标和所述非船体目标在第二方向上的第二分布信息；第一定位装置，用于获取所述第一雷达的第一位置信息；第二定位装置，用于获取所述第二雷达的第二位置信息；第三定位装置，用于获取所述船体目标的第三位置信息；上位机系统，用于根据所述第一位置信息和所述第三位置信息从所述第一分布信息中确定所述船体目标，或者根据所述第二位置信息和所述第三位置信息从所述第二分布信息中确定所述船体目标；所述上位机系统还用于根据所述第一分布信息和所述第二分布信息确定目标态势特征。该系统可以有效提高目标态势实验中特征数据的准确性，有利于目标态势实验的顺利进行。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例或者现有技术中的技术方案，下面对本申请实施例或者现有技术中的相关技术方案附图作以下介绍，应当理解的是，下面介绍中的附图仅仅为了方便清晰表述本申请的技术方案中的部分实施例，对于本领域的技术人员来说，在无需付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获取到其他附图。
图1为本申请实施例提供的一种目标态势特征的监测系统的实施环境示意图；
图2为本申请实施例提供的一种目标态势特征的监测系统得到的高分辨距离像示意图；
图3为本申请实施例提供的另一种目标态势特征的监测系统得到的高分辨距离像示意图；
图4为本申请实施例提供的一种目标态势特征的监测系统得到的船体目标径向尺寸示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。对于以下实施例中的步骤编号，其仅为了便于阐述说明而设置，对步骤之间的顺序不做任何限定，实施例中的各步骤的执行顺序均可根据本领域技术人员的理解来进行适应性调整。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中所使用的术语只是为了描述本申请实施例的目的，不是旨在限制本申请。
对本申请实施例进行进一步详细说明之前，对本申请实施例中涉及的部分名词和术语进行说明，本申请实施例中涉及的名词和术语适用于如下的解释。
态势：目标环境的当前状态和发展变化趋势；本申请实施例中的态势主要是目标环境要素下的电磁环境的特征，特别是电磁环境的中区分船体和非船体的情况。
目标态势：海面电磁环境中存在的非船体目标可分为自然电磁目标(例如海杂波)和人为电磁目标。
特征数据：本申请实施例中关注的是人为电磁目标中无源目标的特征(无源指的是目标不主动发射电磁信号，仅反射电磁信号)，具体来讲是在使用雷达对船进行探测时，非船体目标造成误导的严重程度。
为了不影响目标态势实验的进行，雷达一般与实验区域有较远距离。在远距离探测的情况下，雷达受限于角度分辨力，难以在方位上对实验区域中的目标进行区分，仅能依靠距离信息进行探测。当多个目标在雷达视线方向(简称径向)上的投影发生重合时，依靠单站雷达难以在径向上区分出多个目标并探测各目标的径向尺寸。因此本申请实施例中采用双站雷达联合进行监测的方案，结合双站雷达的检测数据，进行目标态势特征的计算，有助于充分利用多个雷达在不同方位上探测的优势，识别单站雷达识别不出的重合目标。
而由于方位信息的缺失，以及目标运动引起的扩展目标数量变化，使用双站雷达探测算法提取目标特征时，存在多目标配对引起的“鬼影”(虚假目标)问题，影响特征的提取。本申请实施例中，引入定位信息计算目标与雷达之间的距离，进而用距离来进行目标的识别和区分，从而解决目标与雷达检测结果之间的配对问题。下面详细对本申请实施例进行说明。
本申请实施例中，提供一种目标态势特征的监测系统，基于双站雷达的回波数据来进行目标态势特征的提取，该系统主要包括：
第一雷达，用于获取船体目标和非船体目标在第一方向上的第一分布信息；
第二雷达，用于获取所述船体目标和所述非船体目标在第二方向上的第二分布信息；
第一定位装置，用于获取所述第一雷达的第一位置信息；
第二定位装置，用于获取所述第二雷达的第二位置信息；
第三定位装置，用于获取所述船体目标的第三位置信息；
上位机系统，用于根据所述第一位置信息和所述第三位置信息从所述第一分布信息中确定所述船体目标，或者根据所述第二位置信息和所述第三位置信息从所述第二分布信息中确定所述船体目标；所述上位机系统还用于根据所述第一分布信息和所述第二分布信息确定目标态势特征。
参照图1，本申请实施例中的目标态势特征的监测系统的实施环境示意图如图1所示，在图1中，双站雷达包括主视角雷达和辅助雷达，其中的主视角雷达记为第一雷达，辅助雷达记为第二雷达。对于双站雷达需要观测的目标来说，分为主要目标(也即船体目标)和其他目标，其他目标记为非船体目标，即可能对船体目标的识别造成误导的物体，一般是人为电磁目标。本申请实施例中，第一雷达用于获取船体目标和非船体目标在第一方向上的第一分布信息，其中，第一分布信息包括各个目标的位置信息和尺寸信息。类似地，第二雷达用于获取船体目标和非船体目标在第二方向上的第二分布信息。
下面对本申请实施例中，第一雷达和第二雷达获取目标的分布信息的过程进行详细说明。
本申请实施例中，对于每个雷达来说，其根据各自的工作参数，分别生成对应的匹配滤波器。当双站雷达开始工作后，向实验区域发射探测雷达波，上位机系统获取第一雷达接收的第一回波数据和第二雷达接收到的第二回波数据，并对第一回波数据和第二回波数据进行脉冲压缩处理，获取第一雷达和第二雷达的各帧数据所对应的高分辨距离像。然后，采用keystone变换算法，对各帧的高分辨距离像进行速度补偿，得到补偿后的高分辨距离像。
参照图2，本申请实施例中，针对高分辨距离像中的目标，首先采用单元平均恒虚警检测器对目标进行检测，即进行CFAR检测。CFAR算法检测的原理是：对于每个待检测点，选择其周围一定范围内的点计算平均值作为杂波的均值，然后根据这个均值计算检测门限，如果该点的幅度超过了检测门限，则认为该点是目标点。如图2中所示出的，其中标有点的地方是检测出的目标存在的区域。而基于CFAR检测出的散射点的基础上，可以使用二级二进制积累检测器，获取目标的分布范围，最终确定出目标的尺寸信息和位置信息。例如对于图2中所示出的一帧高分辨距离像，图3中给出了最终得到的目标检测结果，其中检测出了两个目标，分别用虚线框标出。通过虚线框左右边两个边界处对应的距离，可以得出：第一个目标位于距离雷达930m左右的地方，尺寸为30m；第二个目标位于距离雷达1080m左右的地方，尺寸为60m。应当注意的是，此处的尺寸指的是目标的径向尺寸，并非真实的物体尺寸。上述的目标的尺寸信息和距离雷达的位置信息即为分布信息。
本申请实施例中，上位机还可以对双站雷达探测得到的数据进行空时同步。具体地，可以建立相同的时间参照系与空间参照系后，在特征层对双站雷达的探测结果进行融合。其中，时间同步的具体操作如下：根据第一雷达每次采集的起始时刻和波形参数，生成与每帧数据起始采集时刻对应的采集时间序列，将第一雷达和第二雷达在时间范围上重叠但不同步的数据，采用时间校正的系统，对第二雷达处获取的第二回波数据做延迟(对于数量等不连续特征)或插值(对于尺寸、位置等连续特征)，从而转换为与第一雷达在时间上同步的数据，即对应一个时刻的一组数据。空间同步的具体操作如下：根据第一雷达的GPS经纬高坐标和第二雷达的GPS经纬高坐标，计算第二雷达在以第一雷达的位置为原点的东北天坐标系内的坐标；然后进行坐标轴的旋转，使第二雷达落在新坐标系的x轴正方向上，作为新的坐标系，称之为雷达直角坐标系。后续对于船体目标的每个时刻的GPS坐标，先将其换算至东北天坐标系，再换算至雷达坐标系，从而计算得出船体目标在雷达坐标系中的位置。根据船体目标的坐标信息和第一雷达、第二雷达的坐标，可以分别计算出各自之间距离。
对于第一雷达、第二雷达和船体目标的位置，其可以采用定位装置来获取并上传到上位机系统。具体地，本申请实施例中，将第一雷达处安装的定位装置记为第一定位装置，第一雷达的定位信息记为第一位置信息；将第二雷达处安装的定位装置记为第二定位装置，第一雷达的定位信息记为第二位置信息；将船体目标处安装的定位装置记为第三定位装置，船体目标的定位信息记为第三位置信息。本申请实施例中的定位装置，可以采用GPS定位器，通过远传电台分析得到各个定位装置的位置信息，其中GPS定位器的GNSS经纬高数据更新频率可以是2次/秒，远传电台传输信息的速率可以是1次/秒。GPS定位器实现时间和位置信息的获取，远传电台实现GPS信息的收发。基于第一位置信息、第二位置信息和第三位置信息，可以方便地从雷达识别出的目标中区分船体目标和非船体目标。本申请实施例中，第一雷达和第二雷达与实验海域中心的连线存在夹角θ，为了尽可能地提高第一雷达和第二雷达探测数据的差异性，夹角θ的大小可以大于等于30度，也即第一方向和第二方向的夹角大于等于30度。
本申请实施例中，上位机可以根据定位信息从第一分布信息或者第二分布信息中区分出船体目标和非船体目标，从而确定出船体目标在两个雷达的径向上的尺寸信息和位置信息，方便后续计算目标态势特征。具体地，例如图3中的检测结果表明：第一个目标位于距离雷达930m左右的地方，尺寸约为30m；第二个目标位于距离雷达1080m左右的地方，尺寸约为60m。如果此时获取的船体目标的定位信息表明船体目标距离雷达为930m，那么说明第一个目标即为船体目标，船体目标位于该雷达径向上的尺寸为30m。相应地，除了船体目标以外的其他目标即为非船体目标，图3中的非船体目标为第二个目标，非船体目标在距离雷达1080m左右的地方，非船体目标位于该雷达径向上的尺寸为60m。
下面对本申请实施例中计算目标态势特征的过程进行详细说明。
一般情况下，可以先以单部雷达的检测数据对目标的相似度进行初步的估计。例如可以以第一雷达的第一分布信息，确定出船体目标和非船体目标的相似度或者重合度。其中，相似度可以直接由非船体目标和船体目标中的较小者除以较大者得到。例如船体目标的径向尺寸为ct，非船体目标的径向尺寸为cj，则相似度可以表示为：Jcx＝min(cj,ct)/max(cj,ct)。以前述的船体目标的径向尺寸为30m，非船体目标的径向尺寸为60m为例，此时两者的相似度计算为50％。将船体目标的尺寸记为第一尺寸，非船体目标的尺寸记为第二尺寸，即当第一尺寸大于第二尺寸时，通过第二尺寸除以第一尺寸的商确定相似度；当第一尺寸小于第二尺寸时，通过第一尺寸除以第二尺寸的商确定相似度。
而对于重合度来说，则应当首先确定出发生重合的时间节点，具体地，可以取连续两帧的检测数据，如果后一帧中的船体目标的径向尺寸突然变大，则说明此时存在非船体目标与船体目标的空间关系从不重合转为重合状态的变化，使得船体目标的尺寸变为了重合状态下的总尺寸。对于发生重合的船体目标和非船体目标来说，可以取发生重合前的3帧数据中船体目标对应的径向尺寸均值作为船体目标的尺寸ct，并将重合前与船体目标相邻的另一非船体目标的尺寸cJ作为发生重合的非船体目标的尺寸，记为cJ。对于重合的情况来说，定义了径向尺寸的重合度作为衡量误导严重程度的指标。具体地，径向尺寸重合度Jch为船体目标与非船体目标重合部分的径向尺寸Δc与船体目标的径向尺寸ct的比值，即Jch＝Δc/ct。本申请实施例中，对于船体目标与非船体目标重合部分的径向尺寸Δc，可以通过获取重合之前船体目标的第一尺寸ct，重合之前非船体目标的第二尺寸cJ以及船体目标和所述非船体目标发生重合后的第三尺寸c∑来计算：即cΔ＝ct+cJ-c∑。
本申请实施例中，还可以通过第二雷达的第二分布信息对重合度的计算结果进行修正。具体地，参照图4，由于第一雷达和第二雷达的观测方向不同，因此可能第一雷达观测到目标重合时，第二雷达处观测的结果还是并未重合。因此，本申请实施例中还可以根据第二雷达的检测数据，更准确地对重合度进行修正。参照图4，图4中示出的是第一雷达和第二雷达检测到的船体目标的尺寸图。对于第一雷达来说，它观测到船体目标和非船体目标在t1时间点发生了重合，而第二雷达的检测数据，观测到在它的径向方向船体目标和非船体目标在t2时间点发生了重合。
此时，对于第二雷达来说，如果其观测的船体目标的尺寸没有发生变化，那么认为船体在t1～t2内的尺寸与t1之前的尺寸保持一致。此时，t1～t2内重合度和相似度的值不用做处理，维持原来的数值。如果发生了变化，也即t2时间点后，可以根据已知的船体的长度(先验信息)和第二雷达中的船体目标所在径向的测量长度，估计出船在第一雷达的径向上的投影长度。由于此时第一雷达中船体目标和非船体目标的回波混合在了一起，因此通过第二雷达的检测结果来换算确定该投影长度得到的结构更为精确，根据该投影长度可以对重合度进行更新，使得得到的特征数据更加准确，具体的计算过程和前述重合度的计算方式相同，在此不再赘述。
本申请实施例中，第一雷达和第二雷达可以采用相同的布局和结构设计，均用于实现对远距离下目标的探测，例如可以均采用大带宽的线性调频脉冲波形，通过相参积累实现对数十公里处目标的探测，距离分辨率可达1m以内。具体地，以第一雷达为例，雷达中可以包括双极化天线组件、微波收发组件、控制与采集组件和伺服组件。其中，双极化天线组件用于实现射频双极化波的收发，可以采用4双极化子阵辐射阵列的设计，天线部分采用缝隙耦合馈电双层贴片天线或波导缝隙天线的形式，在使用中，双极化天线组件可实现方位维和俯仰维的测角。微波收发组件用于实现基带与射频信号的转换，其可以采用中频模块-前端模块两级变频，中频模块由四路变频通道及频率综合器组成，实现基带信号与中频信号的转换。四通道前端由四路收发通道及本振通道组成，实现中频信号与射频信号的转换。控制与采集组件可以包括基带功能模块、海量存储模块、显示控制模块和频综模块，用于实现雷达工作控制、回波采集和数据存储。其中，基带功能模块由数模转换单元、SDRAM单元和FPGA载板组成，用于实现数模转换、采集控制等功能。海量存储模块由大容量存储板组成，用于实现四通道I/Q数据存储功能。电源模块实现直流电/交流电转换和供电功能，频综模块实现频率的稳定产生。
伺服组件由伺服机构和伺服控制器组成。伺服机构由电机、编码器、传动装置组成，用于实现方位和俯仰上的转动；伺服控制器由角度计算控制器和驱动装置组成，用于实现角度计算和电机驱动功能。伺服组件可以与双极化天线组件安装在一起。
此外，虽然在功能性模块的背景下描述了本申请，但应当理解的是，除非另有相反说明，功能和/或特征中的一个或多个可以被集成在单个物理装置和/或软件模块中，或者一个或多个功能和/或特征可以在单独的物理装置或软件模块中被实现。还可以理解的是，有关每个模块的实际实现的详细讨论对于理解本申请是不必要的。更确切地说，考虑到在本文中公开的装置中各种功能模块的属性、功能和内部关系的情况下，在工程师的常规技术内将会了解该模块的实际实现。因此，本领域技术人员运用普通技术就能够在无需过度试验的情况下实现在权利要求书中所阐明的本申请。还可以理解的是，所公开的特定概念仅仅是说明性的，并不意在限制本申请的范围，本申请的范围由所附权利要求书及其等同方案的全部范围来决定。
在本说明书的上述描述中，参考术语“一个实施方式/实施例”、“另一实施方式/实施例”或“某些实施方式/实施例”等的描述意指结合实施方式或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施方式或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施方式或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施方式或示例中以合适的方式结合。
尽管已经示出和描述了本申请的实施方式，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本申请的原理和宗旨的情况下可以对这些实施方式进行多种变化、修改、替换和变型，本申请的范围由权利要求及其等同物限定。
以上是对本申请的较佳实施进行了具体说明，但本申请并不限于实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本申请精神的前提下可做作出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (8)

1.一种目标态势特征的监测系统，其特征在于，包括：
第一雷达，用于获取船体目标和非船体目标在第一方向上的第一分布信息；
第二雷达，用于获取所述船体目标和所述非船体目标在第二方向上的第二分布信息；
第一定位装置，用于获取所述第一雷达的第一位置信息；
第二定位装置，用于获取所述第二雷达的第二位置信息；
第三定位装置，用于获取所述船体目标的第三位置信息；
上位机系统，用于根据所述第一位置信息和所述第三位置信息从所述第一分布信息中确定所述船体目标，或者根据所述第二位置信息和所述第三位置信息从所述第二分布信息中确定所述船体目标；所述上位机系统还用于根据所述第一分布信息和所述第二分布信息确定目标态势特征。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述上位机系统还用于对所述第一分布信息和所述第二分布信息进行空时同步。
3.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第一方向和所述第二方向的夹角大于等于30度。
4.根据权利要求1所述的系统，其特征在于，所述第一雷达包括：
双极化天线组件，用于进行射频双极化波的收发；
微波收发组件，用于进行基带和射频信号的转换；
控制与采集组件，用于进行回波采集和数据存储；
伺服组件，用于控制探测方位。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述双极化天线组件包括4双极化子阵辐射阵列。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述双极化天线组件中的天线采用缝隙耦合馈电双层贴片或波导缝隙天线。
7.根据权利要求4所述的系统，其特征在于：所述伺服组件具体包括伺服机构和伺服控制器；
所述伺服机构包括电机、编码器和传动装置；
所述伺服控制器包括角度计算控制器和驱动装置。
8.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述第一定位装置、所述第二定位装置或者所述第三定位装置中的至少一者为GPS定位器。
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