利用現(xiàn)場海態(tài)觀測信息的地波雷達(dá)一階海雜波內(nèi)目標(biāo)檢測方法

王祎鳴，張 杰，紀(jì)永剛，楚曉亮，常廣弘

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

利用現(xiàn)場海態(tài)觀測信息的地波雷達(dá)一階海雜波內(nèi)目標(biāo)檢測方法

王祎鳴，張 杰，紀(jì)永剛，楚曉亮，常廣弘

(國家海洋局 第一海洋研究所，山東 青島 266061)

為解決地波雷達(dá)一階海雜波內(nèi)船只目標(biāo)檢測的難題，提出了一種利用風(fēng)浪流等現(xiàn)場海態(tài)觀測信息檢測海雜波內(nèi)目標(biāo)的方法。該方法通過對比實(shí)測雷達(dá)回波譜和基于現(xiàn)場海態(tài)觀測信息重構(gòu)的無目標(biāo)回波譜，發(fā)現(xiàn)實(shí)測雷達(dá)回波譜中一階譜頻率范圍和左右峰值比等特征的異常變化，實(shí)現(xiàn)船只目標(biāo)的檢測。將該方法應(yīng)用于實(shí)測地波雷達(dá)數(shù)據(jù)，并利用同步的船舶自動(dòng)識別系統(tǒng)信息(AIS)對檢測結(jié)果進(jìn)行了驗(yàn)證，結(jié)果表明本文方法是一種有效的一階海雜波內(nèi)目標(biāo)的檢測方法。

地波雷達(dá)；一階海雜波；目標(biāo)檢測；海態(tài)觀測信息

地波雷達(dá)[1]是一種新型的海洋探測雷達(dá)，發(fā)射的電磁波沿著海面?zhèn)鞑?，因此不受地球曲率的影響，能夠?qū)崿F(xiàn)對海上移動(dòng)目標(biāo)的超視距探測。其具有全天候、實(shí)時(shí)、大面積監(jiān)測的優(yōu)點(diǎn)，是實(shí)現(xiàn)船只監(jiān)視監(jiān)測的有效手段。地波雷達(dá)回波會受到多種雜波和噪聲的影響，尤其是海雜波的一階成份(稱為一階海雜波)幅度很強(qiáng)，對混疊在其中的船只目標(biāo)探測干擾嚴(yán)重，甚至造成檢測盲區(qū)[2]。

在船只運(yùn)動(dòng)引起的多普勒頻移與展寬的一階海雜波譜相互重疊時(shí)，目標(biāo)信號回波幅度往往低于一階海雜波分量，使得目標(biāo)被完全掩蓋在海雜波中。此時(shí)，兩者已經(jīng)不能在頻譜中區(qū)分，基于幅度閾值的檢測方法也已失效，目標(biāo)難以被發(fā)現(xiàn)。目前，消除海雜波對目標(biāo)檢測影響的方法主要有子空間分解[3-5]、循環(huán)對消等[6-7]。這些方法有利于提高一階海雜波譜之外的目標(biāo)的檢測效果，但在目標(biāo)信號與一階海雜波重疊時(shí)，往往在抑制海雜波的同時(shí)也會將其中的目標(biāo)信號一起去除，難以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)的正確檢測。通過改變雷達(dá)的工作頻率使海雜波在距離多普勒譜中的位置變化，可以使其與船只目標(biāo)回波不再重合。但工作頻率的變化又會造成目標(biāo)散射特征的變化，也不是一種理想的解決方案。

我們在研究中發(fā)現(xiàn)，地波雷達(dá)探測區(qū)域內(nèi)與一階海雜波具有近似多普勒頻率的目標(biāo)會對一階海雜波譜產(chǎn)生影響。而如果將這種影響合理地利用，則可以作為海雜波中船只目標(biāo)檢測的依據(jù)。利用浮標(biāo)、海流計(jì)等現(xiàn)場觀測手段獲得該區(qū)域內(nèi)的海態(tài)信息，可以重構(gòu)無目標(biāo)的雷達(dá)回波譜，通過與實(shí)測雷達(dá)回波譜的比較分析，有助于提高對實(shí)測海雜波譜中是否包含目標(biāo)的識別能力。據(jù)此，本文提出了一種地波雷達(dá)一階海雜波內(nèi)的目標(biāo)檢測方法。首先，利用探測區(qū)域內(nèi)的浮標(biāo)、石油平臺等提供的同步海流、風(fēng)場和浪場等海態(tài)觀測數(shù)據(jù)，準(zhǔn)確地獲取相應(yīng)區(qū)域內(nèi)的海態(tài)信息；然后，以現(xiàn)場海態(tài)觀測信息為基礎(chǔ)導(dǎo)出無目標(biāo)的參考海雜波；最后，將其與實(shí)際測量得到的海雜波進(jìn)行特征比較，基于特征異常實(shí)現(xiàn)船只目標(biāo)的檢測。

1 方法原理及處理流程

1.1 方法原理

地波雷達(dá)的海面回波頻譜可以由單位面積內(nèi)的雷達(dá)散射截面積σ(ω)來描述，其中ω為多普勒角頻率。在深水中且忽略海水表面流的情況下，由Barrick推導(dǎo)的高頻雷達(dá)一階散射截面積方程[8]為：

(1)

式中，k0為發(fā)射電波波數(shù)；k0是指向散射元的電波波矢；ωB為Bragg角頻率；m'為多普勒頻率的符號，正負(fù)分別代表海浪波列行進(jìn)方向?yàn)槌蚶走_(dá)或背離雷達(dá)；S(k)為波矢為k的海浪波列的海浪方向譜。通常S(k)=S(k)G(θw)，其中S(k)為無向海浪譜，G(θw)為方向函數(shù)，可表示為

(2)

式中，θw為雷達(dá)波束方向與風(fēng)向的夾角，可由正負(fù)一階峰的比值進(jìn)行反演；s為方向分布系數(shù)，典型值為4[8]。

由式(1)可以看出，由于δ函數(shù)的限制作用，只有波長等于雷達(dá)發(fā)射電磁波波長的一半且傳播方向恰好為朝向和背離雷達(dá)的兩列海浪才會產(chǎn)生強(qiáng)烈的后向散射，從而在回波譜的ω=ωB和ω=-ωB的位置上形成兩個(gè)一階峰，且其幅度與海況有關(guān)。

海表面流的存在會引起正負(fù)一階峰整體偏移其理論位置(±ωB)，且雷達(dá)回波譜中一階峰的實(shí)際位置與理論位置之間的頻差與海流徑向流速之間滿足如下關(guān)系

(3)

式中，λ為電磁波波長；ωc為一階峰位置與理論位置之間的角頻率偏差。當(dāng)考慮海流對一階峰引起的頻偏時(shí)，公式(1)中的δ函數(shù)可以表示為δ(ω-m'ωB-ωc)。

通過上述原理分析可知，根據(jù)現(xiàn)場觀測的海流、海浪和風(fēng)場等海態(tài)信息，能夠重構(gòu)無目標(biāo)時(shí)的雷達(dá)回波譜。圖1a和圖1b給出了徑向流速為0.4 m/s，風(fēng)速為10 m/s且風(fēng)向與雷達(dá)徑向之間的夾角分別為60°和120°的兩種情況下產(chǎn)生的雷達(dá)回波譜仿真結(jié)果。從圖中可以看出，由于海流的存在，一階峰已經(jīng)偏離了理論位置(圖中豎直虛線所示，圖2同)；而且隨著風(fēng)向的變化，正負(fù)一階峰的相對幅度產(chǎn)生了較大的變化，峰值比由-20 dB變?yōu)?0 dB，變化幅度達(dá)40 dB。

圖1 風(fēng)向?yàn)?0°和120°的仿真雷達(dá)回波譜Fig.1 Simulated radar spectra of 60°and 120°wind directions

當(dāng)目標(biāo)進(jìn)入一階海雜波譜范圍內(nèi)時(shí)，會引起一階譜的變化。為分析目標(biāo)對一階譜的影響，仿真了目標(biāo)開始進(jìn)入一階譜區(qū)和目標(biāo)完全進(jìn)入一階譜區(qū)時(shí)的回波譜。圖2a中，粗虛線為無目標(biāo)時(shí)的一階譜仿真結(jié)果，實(shí)線為添加仿真目標(biāo)后的一階譜仿真結(jié)果。在此情況下，目標(biāo)進(jìn)入一階譜區(qū)，但未與一階峰完全重合，引起一階峰的展寬，從而影響一階峰值位置的判斷，導(dǎo)致一階峰頻偏和譜寬的異常。圖2b目標(biāo)完全進(jìn)入一階譜區(qū)，此種情況下，目標(biāo)會增大一階峰位置處的幅值，導(dǎo)致正負(fù)一階峰之間的幅度差異常。

圖2 兩種目標(biāo)位于一階譜區(qū)的仿真結(jié)果Fig.2 Simulated results of target in the first order spectrum under two scenarios

通過以上的仿真分析可以看出，當(dāng)目標(biāo)多普勒落入海雜波一階譜區(qū)域內(nèi)時(shí)，會導(dǎo)致雷達(dá)回波譜產(chǎn)生異常變化，主要表現(xiàn)在影響一階譜頻率范圍、左右一階譜峰值比等特征。因此，可以利用這種異常變化來判斷一階海雜波譜是否受到了目標(biāo)的影響。

1.2 處理流程

基于以上方法原理的分析，可以給出一階海雜波內(nèi)船只目標(biāo)檢測的方法，該方法共包含4步：無目標(biāo)回波譜重構(gòu)、一階譜特征參數(shù)提取、特征異常檢測和目標(biāo)參數(shù)估計(jì)，具體處理流程見圖3。

圖3 方法流程圖Fig.3 Flowchart of the proposed method

1.2.1 無目標(biāo)回波譜重構(gòu)

根據(jù)實(shí)測的海流、海浪和風(fēng)場等現(xiàn)場海態(tài)信息構(gòu)造無目標(biāo)時(shí)的雷達(dá)回波譜。首先根據(jù)實(shí)測海流確定其引起的一階譜譜峰的頻偏，得到一階譜譜峰的實(shí)際位置及頻率分布范圍；然后根據(jù)實(shí)測風(fēng)向與雷達(dá)波束方向獲得方向分布函數(shù)；最后由實(shí)測的無向海浪譜及方向分布函數(shù)得到方向海浪譜，并根據(jù)一階海雜波譜方程生成無目標(biāo)情況下的雷達(dá)回波頻譜。相關(guān)方法可參考文必洋等[9]和Grosdidiers等[10]的模擬與仿真部分的工作。

1.2.2 一階譜特征參數(shù)提取

(4)

式中，正負(fù)一階譜范圍可根據(jù)基于信噪比的一階譜區(qū)分離方法[11]提取；瞬時(shí)頻率及幅度等參數(shù)可利用IF方法實(shí)現(xiàn)[12-13]。

1.2.3 一階譜特征異常檢測

基于實(shí)測回波譜數(shù)據(jù)和重構(gòu)的雷達(dá)回波提取的一階回波譜特征，分別對不同特征的異常檢測做判別，綜合多種特征的異常檢測通過“或”運(yùn)算給出最終的檢測結(jié)果，判別一階譜中是否存在目標(biāo)。

(5)

式中，A為總體的異常檢測結(jié)果；Af表示一階譜頻率范圍異常檢測結(jié)果；AR表示左右一階譜峰值比異常檢測結(jié)果。無異常，檢測結(jié)果輸出值為‘0’；有異常，輸出值為‘1’。

考慮到重構(gòu)誤差以及實(shí)測回波譜中噪聲等因素的影響，重構(gòu)的回波譜不可能與實(shí)測回波譜完全相同，因此提取的一階譜范圍也不完全相同。對于一階譜頻率范圍異常檢測結(jié)果Af的判別，可以參考實(shí)測一階譜寬度與重構(gòu)波形一階譜寬度的差值，如果這個(gè)差值超過了設(shè)定的門限，則可判定出現(xiàn)一階譜頻率范圍的異常。具體公式如下：

(6)

(7)

(8)

(9)

對于左右一階峰值比AR異常的判別，可根據(jù)公式(4)計(jì)算實(shí)測數(shù)據(jù)峰值比R1和重構(gòu)波形峰值比R2的差與左右一階峰值比門限確定，即：

(10)

式中，門限ΔRT可參考地波雷達(dá)風(fēng)向探測精度確定，通常地波雷達(dá)探測精度優(yōu)于30°[14]，對應(yīng)的一階峰值比誤差約為15 dB。當(dāng)兩個(gè)回波左右一階峰值比差異超過了實(shí)際風(fēng)向探測誤差的正常范圍時(shí)，表示存在異常。

1.2.4 目標(biāo)參數(shù)估計(jì)

當(dāng)檢測到目標(biāo)存在時(shí)需要對目標(biāo)的參數(shù)，包括距離、速度和方位等進(jìn)行估計(jì)。由于異常檢測前已經(jīng)獲取多普勒譜的距離，因此如果確定此一階譜存在異常，則表示當(dāng)前的距離單元格內(nèi)存在目標(biāo)。目標(biāo)的速度V可根據(jù)公式(11)來確定：

(11)

式中，fA為異常的多普勒頻率位置;λ為雷達(dá)波長。

目標(biāo)的方位信息可利用存在異常的多普勒頻率位置，選擇相對應(yīng)的多通道雷達(dá)接收數(shù)據(jù)采用DBF測向或MUSIC超分辨方法確定[15]。

2 實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證

地波雷達(dá)數(shù)據(jù)于2014-04-14在威海錄取。地波雷達(dá)接收陣陣元數(shù)為8，陣元間距14.5 m，工作頻率為4.7 MHz，相干積累時(shí)間291 s，頻率分辨率0.003 4 Hz，距離分辨率經(jīng)插值后為1.5 km。

現(xiàn)場觀測的海流、風(fēng)場和海浪信息分別由安德拉海流計(jì)、風(fēng)速風(fēng)向儀和波浪浮標(biāo)提供。其中測量點(diǎn)的海流流速是0.1 m/s,流向?yàn)楸逼珫|20°(與雷達(dá)波束的徑向夾角為70°)；風(fēng)速是6.30 m/s，風(fēng)向?yàn)?35°(與雷達(dá)波束的徑向夾角為77°)；在模型重構(gòu)過程中也使用了海浪譜信息，通過海浪譜求得的海浪浪高為0.71 m。

采用本文提出的方法對實(shí)測地波雷達(dá)回波數(shù)據(jù)進(jìn)行了一階譜中的目標(biāo)探測，圖4a和圖4b給出了2個(gè)一階譜特征存在異常的頻譜及目標(biāo)探測個(gè)例，用粗直線表示出了檢測到的船只目標(biāo)的位置。圖4a中的目標(biāo)1距離為32 km，多普勒頻率為-0.223 2 Hz。圖4b中的目標(biāo)2距離為45 km，多普勒頻率為0.216 3 Hz。

圖4 兩種一階譜中的船只目標(biāo)檢測個(gè)例Fig.4 Ship target detection results under two scenarios

為了驗(yàn)證結(jié)果的有效性，圖5a和圖5b分別給出了目標(biāo)開始進(jìn)入和目標(biāo)完全進(jìn)入一階譜區(qū)兩種情況下的重構(gòu)回波譜與實(shí)測回波譜，并用虛線標(biāo)注了實(shí)測船只目標(biāo)的AIS位置。對應(yīng)于上述兩種情況的船只目標(biāo)1和目標(biāo)2的同步AIS信息和圖片見表1和圖6。其中，目標(biāo)1為一艘貨船，距離地波雷達(dá)32.66 km，航速為13.8 kn，航向?yàn)?85°。該船徑向速度為-24.7 km/h，轉(zhuǎn)換為多普勒頻率為-0.215 5 Hz。從圖5a可以看出該目標(biāo)未完全被左一階峰覆蓋，目標(biāo)的存在導(dǎo)致一階峰較重構(gòu)一階峰展寬0.006 8 Hz。目標(biāo)引起的展寬量超過了設(shè)置的0.005 Hz檢測門限，表示一階譜頻率范圍存在異常。目標(biāo)2為一艘集裝箱船，距離地波雷達(dá)45.49 km處，航速為15 kn，航向?yàn)?7°。該船徑向速度為25 km/h，轉(zhuǎn)換為多普勒頻率為0.217 9 Hz。從圖5b可以看出該目標(biāo)恰好位于左一階峰頻率范圍內(nèi)，目標(biāo)信號已被完全覆蓋，目標(biāo)的存在導(dǎo)致一階峰的幅度增大了24 dB，超過了設(shè)置的15 dB檢測門限，表示左右一階峰值比存在異常。

圖5 兩種目標(biāo)位于一階譜區(qū)的實(shí)測結(jié)果Fig.5 Detection results of real target in first order spectrum under two scenarios

項(xiàng) 目船只1信息船只2信息MMSI413375890353066000船名MINGZHOU67QIYUNHE船長/m180183船寬/m3128吃水/m11．18．5

圖6 檢測到的船只目標(biāo)圖片F(xiàn)ig.6 Pictures of the detected ship targets

3 結(jié) 論

針對位于地波雷達(dá)一階海雜波內(nèi)的目標(biāo)檢測問題，本文提出了一種利用現(xiàn)場海態(tài)信息的船只目標(biāo)檢測方法，給出了方法的原理說明和具體處理流程。將該方法應(yīng)用于實(shí)測地波雷達(dá)數(shù)據(jù)，并開展了檢測結(jié)果與同步AIS信息的比對驗(yàn)證，結(jié)果表明該方法能夠探測到淹沒在一階海雜波內(nèi)的目標(biāo)，從而提高了地波雷達(dá)的目標(biāo)探測性能。

在后續(xù)研究中，除一階譜頻率范圍和峰值比兩個(gè)特征外，還將挖掘更多的反映一階海雜波異常變化的特征，完善本文提出的方法，進(jìn)一步提高對一階海雜波內(nèi)的目標(biāo)探測能力。

[1] ABRAMOVICH Y, ELLARD R M, LYUDVIGA Y, et al. Surface wave radar: U.S. Patent 7,145,503.[P]. 2006-12-5.

[2] FAN J M, JIAO P N, XIAO J M. The sea clutter effect on the low Doppler target detection by HF radar[J]. Chinese Journal of Radio Science, 1997, 12(2): 205-210.凡俊梅,焦培南,肖景明.海洋雜波對高頻雷達(dá)檢測海面上低速目標(biāo)的影響[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào), 1997, 12(2):205-210.

[3] POON M W Y, KHAN R H, LE-NGOC S. A singular value decomposition based method for suppressing ocean clutter in high frequency radar[J]. IEEE Transaction on Signal Processing, 1993, 41(3):1421-1425.

[4] GROSDIDIER S, BAUSSARD A. Ship detection based on morphological component analysis of high-frequency surface wave radar images[J]. IET Radar, Sonar & Navigation, 2012, 6(9): 813-821.

[5] ZHAO Z G, CHEN J W, BAO Z. Modified adaptive ocean clutter suppression approach in OTHR[J]. Systems Engineering and Electronics, 2012, 34(5): 909-914. 趙志國, 陳建文, 鮑拯. 一種改進(jìn)的 OTHR 自適應(yīng)海雜波抑制方法[J]. 系統(tǒng)工程與電子技術(shù), 2012, 34(5): 909-914.

[6] QIAN W Z, JI Y G, WANG Y M, et al. An improved first order sea clutter cancellation method of adjacent range cell for HFSWR[J]. Advances in Marine Science, 2013, 31(1):138-144. 錢文振,紀(jì)永剛,王祎鳴,等.一種改進(jìn)的地波雷達(dá)鄰近距離單元格一階海雜波對消方法[J].海洋科學(xué)進(jìn)展,2013,31(1):138-144.

[7] CHEN D F, CHEN B X, QIN G D. Sea clutter suppression in image domain for coast-ship bistatic SWOTHR[J].Acta Electronica Sinica, 2010, 38(2): 387-392. 陳多芳, 陳伯孝, 秦國棟.岸-艦雙基地波超視距雷達(dá)圖像域海雜波抑制方法[J].電子學(xué)報(bào), 2010, 38(2): 387-392.

[8] BARRICK D E. First-order theory and analysis of MF/HF/VHF scatter from the sea[J].IEEE Transaction On Antennas and Propagation, 1972, 20(1): 2-10.

[9] WEN B Y, SHI Z H, WU S C. Numerical simulation for the sea echo spectrum of HF radar[J]. Journal of Wuhan University: Natural Science Edition, 2000, 46(1): 127-130. 文必洋,石振華,吳世才. 高頻雷達(dá)海洋回波譜的數(shù)字模擬[J].武漢大學(xué)學(xué)報(bào):自然科學(xué)版, 2000, 46(1): 127-130.

[10] GROSDIDIER S, BAUSSARD A, KHENCHAF A. HFSW radar model: Simulation and measurement[J]. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 2010, 48(9): 3539-3549.

[11] MEI X D, JI Y G, WANG Y M, et al.Separation of first-order spectral region in detecting ocean current with HFSWR[J]. Advances in Marine Science,2014, 32(1): 99-106.梅曉東,紀(jì)永剛,王祎鳴,等.高頻地波雷達(dá)海流探測中一階譜區(qū)分離方法[J].海洋科學(xué)進(jìn)展, 2014, 32(1): 99-106.

[12] TRAYLEN S M, WYATT L R. A filter design for the OSCR HF radar for the removal of current interaction effects[C]∥IET.7th International Conference on Electronic Engineering in Oceanography. UK:IET, 1997: 178-182.

[13] MIDDLEDITCH A, WYATT L R. An instantaneous-frequency filtering technique for high-frequency radar oceanography[J]. IEEE Journal of Oceanic Engineering, 2006, 31(4): 797-803.

[14] HELZEL T, KNIEPHOFF M, PETERSEN L.Wera: Remote ocean sensing for current, wave and wind direction[C]∥IEEE.US/EU-Baltic International Symposium.Lithuania: IEEE, 2006: 23-25.

[15] SCHMIDT R O.Multiple Emitter Location and Signal Parameter Estimation[J]. IEEE Transaction on Antenna and Propagation,1986,34(3):276-280.

Received: February 9, 2015

Ship Detection in First Order Sea Clutter of HFSWR Using Sea State Observation Information

WANG Yi-ming, ZHANG Jie, JI Yong-gang, CHU Xiao-liang, CHANG Guang-hong

(TheFirstInstituteofOceanography,SOA, Qingdao 266061, China)

To solve the ship detection problem in the first order sea clutter of High Frequency Surface Wave Radar (HFSWR), the spectrum reconstruction and the analysis of the influence of the ship targets to the first order spectrum were analyzed. Further, a target detection method using sea state measuring data was proposed. The abnormal detection of frequency range and the first-order peak ratio were performed to facilitate the target detection using HFSWR field data and spectrum reconstructed by sea current, wind direction and sea wave information. The detection results were verified by the synchronous ship Automatic Identification System (AIS) information and the detection method presented is effective in detecting the ship target in first order sea clutter.

HFSWR；first order sea clutter；target detection；sea state observation information

2015-02-09

國家海洋局海洋公益性行業(yè)科研專項(xiàng)——海上船只目標(biāo)星-機(jī)-島立體監(jiān)視監(jiān)測技術(shù)系統(tǒng)(201505002)；中央級公益性科研院所基本科研業(yè)務(wù)費(fèi)專項(xiàng)資金資助項(xiàng)目——基于現(xiàn)場觀測的高頻雷達(dá)海雜波分析與抑制研究(2013T04)

王祎鳴(1981-)，男，山東煙臺人，助理研究員，博士研究生，主要從事超視距雷達(dá)目標(biāo)探測方面研究.E-mail: 467744980@qq.com

(王 燕 編輯)

TN958.93

A

1671-6647(2015)02-0239-07