[發明專利]一種地波雷達海雜波背景下的目標檢測方法

有效

• 申請號: 201710833052.0
• 申請日: 2017-09-15
• 公開（公告）號: CN107678003B
• 公開（公告）日: 2021-04-06
• 發明（設計）人: 王祎鳴;張杰;紀永剛
• 申請（專利權）人: 國家海洋局第一海洋研究所
• 主分類號: G01S7/40
• 分類號: G01S7/40;G01S7/41;G01V3/12
• 代理公司: 青島海昊知識產權事務所有限公司 37201
• 代理人: 張中南;邱岳

1.一種地波雷達海雜波背景下的目標檢測方法，其特征在于包括以下步驟：

步驟1：接收海面散射的地波雷達發射信號，形成地波雷達回波譜；獲取同步海態數據并建立海態信息與地波雷達回波散射間的映射，結合雷達散射區域內的海態及雷達體制構造無目標海雜波譜：

對地波雷達各通道采集的下變頻時域數字信號分別進行脈沖壓縮和相干積累，然后經過波束形成及契比雪夫加權，得到地波雷達回波譜，記為S_radar，其物理量為頻譜值，單位dB；

獲取同步海態數據包括：獲取同步海流流速流向、風速風向數據；

綜合考慮雷達散射區域內的海態及雷達體制，建立海態信息與地波雷達回波散射間的映射關系，構造無目標海雜波譜S_model，其物理量為頻譜值，單位dB；

(1)首先，計算海雜波功率譜：

其中，λ是地波雷達電磁波長，P_t是地波雷達發射功率，G_t和G_r分別是地波雷達發射天線和接收天線的增益，A是海面散射面積，L是衰減量，R為海面散射點到地波雷達的距離，σ_sea代表高頻電磁波海面后向散射截面；此處，對應的海面散射面積為：

式中，θ_Beam是本步驟中地波雷達波束形成的波束寬度，ΔR是雷達距離分辨率；

此處，高頻電磁波海面后向散射截面積σ_sea為一階后向散射截面積，計算過程以Barrick后向散射模型為基礎，并添加了現場海流對散射截面積的作用；

式中，k₀為發射電波波數；是指向散射元的電波波矢；ω_B為Bragg角頻率；V_C為海流流速，α為海流流向與雷達波束指向的夾角；m為多普勒頻率的符號，正負分別代表海浪波列行進方向為朝向雷達或背離雷達；S(.)為相應波矢的海浪方向譜，以現場觀測的風浪參數為輸入；δ為狄拉克函數；

(2)然后，進一步添加由于雷達散射區域內變化的海流及雷達信號處理因素影響，得到無目標海雜波譜：

S_model＝win·S’_sea (4)

式中，win為高斯窗，S’_sea為S_sea經插值處理得到的與地波雷達同等分辨率的海雜波功率譜；

步驟2：從地波雷達回波譜S_radar中提取海雜波譜邊界及用于目標檢測的海雜波敏感特征：

需提取的海雜波譜邊界的兩個關鍵參數是峰值頻率和頻譜展寬量，采用常規的信噪比準則，并以現場觀測的海流值為基礎制定約束條件，以提高提取的準確度；

經添加取值窗口和約束條件，增強了海雜波譜功率，分別在正、負多普勒區域搜尋以海雜波為主導的SNR，表示為SNR_P以及SNR_N；

其中，∑及其下標代表沿著多普勒頻率取值窗口提取譜幅度值，是海雜波正、負峰值頻率，f_sd為海雜波譜展寬量；

根據下面給出的初始值、現場觀測的海流值和理論布拉格峰值頻率及制定峰值提取約束條件：

其中，正峰值頻率初始值負峰值頻率初始值g為重力加速度；

根據探測海區年季最大海流值V_cmax和雷達多普勒分辨率f_res，制定海流影響下的回波譜展寬的提取量約束條件：

海雜波正、負譜展寬量用其邊界上、下限f_L和f_R表示，正譜展寬范圍為負譜展寬范圍為

將用于目標檢測的海雜波敏感特征總結為三個：海雜波譜展寬量f_sd、海雜波峰值頻率位置f_pk，以及海雜波正、負峰值比A_R；前兩個敏感特征在海雜波提取的過程中已有描述，第三個敏感特征A_R則定義為兩個正、負譜的峰值頻率對應的回波幅度間的比值；

可分為目標被海雜波部分遮擋和目標完全被海雜波掩蓋兩種情況：

(1)目標被海雜波部分遮擋時，譜展寬量f_sd是海雜波最顯著變化的特征，海雜波正、負峰值比A_R及海雜波峰值頻率位置f_pk次之；其中，展寬增加量由船只與雷達的徑向速度決定，船只徑向速度對應的多普勒與海雜波頻率越遠，展寬量越大，反之越??；另外，海雜波正、負峰值比A_R將增加或降低，海雜波峰值頻率位置f_pk將產生偏移；

(2)目標完全被海雜波掩蓋時，海雜波正、負峰值比A_R是海雜波最顯著變化的特征，海雜波峰值頻率位置f_pk及海雜波譜展寬量f_sd次之；其中，海雜波正、負峰值比A_R變化量由船只回波強度及船只徑向速度決定，船只回波強度越高，變化量越大；船只徑向速度的多普勒頻率與海雜波峰值頻率越接近變化量越大，反之越?。涣硗?，海雜波譜展寬量f_sd可能增加，峰值頻率位置f_pk可能產生偏移；

步驟3：海雜波敏感特征異常檢測，確定檢測閾值：

在步驟2中從地波雷達回波譜S_radar，提取海雜波譜邊界，以及提取用于目標檢測的海雜波敏感特征后，需要基于實測海雜波譜和重構的無目標海雜波譜，發現對海雜波譜展寬量f_sd、海雜波峰值頻率位置f_pk以及海雜波正、負峰值比A_R三個譜敏感特征的變化，通過制定閾值檢測敏感特征的異常，下面對三種敏感特征的異常檢測分別進行描述：

(1)海雜波譜展寬量f_sd異常的檢測

考慮到重構誤差以及實測海雜波譜中噪聲等因素的影響，重構的海雜波譜不可能與實測海雜波譜完全相同，因此提取的海雜波譜范圍也不完全相同，對于海雜波譜頻率范圍異常檢測結果的判別，可以參考實測海雜波譜寬度與重構海雜波譜寬度的差值，如果該差值超過了設定的門限，則可判定出現海雜波譜頻率范圍的異常，輸出值為‘1’時，代表有異常；輸出值為‘0’時，代表無異常，表示為：

如果或則T_fd＝1

否則T_fd＝0 (8)式中，Δf_fd為海雜波譜頻率范圍的門限，表示實測數據中負海雜波譜的左右邊界；表示實測數據正海雜波譜的左右邊界；表示重構無目標譜中負海雜波的左右邊界；表示重構無目標譜中正海雜波的左右邊界；Δf⁺、Δf^-分別為實測和重構譜兩者間正、負海雜波譜的寬度差；

海雜波譜頻率范圍的門限Δf_fd參考雷達多普勒分辨率Δf和海流探測精度對應的多普勒偏移量Δf_C，即：

Δf_fd＝Δf+Δf_C (9)

(2)海雜波峰值頻率位置異常的檢測

海雜波峰值頻率受海流的影響將產生較理論布拉格峰值頻率的頻移，分為正、負多普勒兩部分，超出海流導致的頻移則認為海雜波峰值頻率位置產生異常，表示為：

如果或則T_fp＝1

否則T_fp＝0 (10)

峰值頻率位置的頻移閾值Δf_pk由現場測量的海流流速、流向及探測精度以及流向與雷達波束的夾角決定，即：

(3)海雜波正、負峰值比異常的檢測

對于海雜波正、負峰值比異常的判別，可根據實測數據峰值頻率所對應的幅度間的比值與峰值比門限ΔA_R確定，當海雜波峰值比差異超過了該閾值，則意味著存在異常；

表示為：

如果則T_AR＝1

否則T_AR＝0 (12)

需要說明的是峰值比門限由地波雷達風向模型值A_w，風向測量手段的測量誤差β以及風向與雷達波束的夾角確定；

其中，abs(.)表示取絕對值；

步驟4：海雜波目標檢測結果輸出：

(1)海雜波區域內目標檢測：

為判別海雜波譜內是否存在目標，采用綜合三種敏感特征的異常檢測方法，通過或運算“||”給出最終的檢測結果，只要任何一種敏感特征異常即為有目標，檢測結果為：

T₁＝T_fd||T_fp||T_AR (14)

(2)海雜波區域外目標檢測：

海雜波外目標的檢測采用三次曲線擬合的方式得到背景估計，制定檢測閾值，在此過程中海雜波區域的功率不計算在內，因此避免海雜波的強回波對目標檢測的影響，檢測結果為：

T₂＝T_spec (15)

如果A_spec＞T_poly，則T_spec＝1

否則T_spec＝0 (16)

其中，A_spec為當前頻譜功率值，T_poly為檢測閾值，通過海雜波區域外雷達回波譜的三次曲線擬合乘以門限常數因子得到，超過該閾值即為有目標。