高頻地波雷達(dá)船只目標(biāo)距離參數(shù)估計與評價?

鞠榮華， 紀(jì)永剛， 黎 明， 尹 俊

(1. 中國海洋大學(xué), 山東 青島 266100； 2. 國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

高頻地波雷達(dá)(HFSWR)利用高頻段(3～30 MHz)垂直極化電磁波沿海面繞射的特性，實(shí)現(xiàn)對海面運(yùn)動目標(biāo)和低空飛行目標(biāo)的超視距探測[1]，作用距離可達(dá)到數(shù)百公里。地波雷達(dá)能夠探測目標(biāo)的距離、方位、速度等參數(shù)信息[2]，其中目標(biāo)的距離參數(shù)對目標(biāo)的跟蹤起著至關(guān)重要的作用。為了實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)的連續(xù)跟蹤和精確探測，必須進(jìn)行精確的目標(biāo)距離參數(shù)估計。高頻地波雷達(dá)在探測目標(biāo)時，可以從目標(biāo)回波譜中得到目標(biāo)的距離信息[3-4]，但是受距離分辨率的影響，目標(biāo)距離總是離散的，即地波雷達(dá)測距處理后只能確定目標(biāo)所在的距離單元。當(dāng)目標(biāo)實(shí)際距離不是距離分辨率的整數(shù)倍時，就會帶來較大的測距誤差。此外，采用線性調(diào)頻連續(xù)波(LFMCW)作為發(fā)射信號的雷達(dá)系統(tǒng)會存在距離與速度耦合的問題，會使得目標(biāo)的徑向距離譜產(chǎn)生模糊[5-6]，這些因素都影響雷達(dá)的目標(biāo)測距精度，進(jìn)而影響目標(biāo)參數(shù)估計及后續(xù)的航跡跟蹤精度。

為了提高地波雷達(dá)的目標(biāo)距離參數(shù)探測精度，國內(nèi)外學(xué)者進(jìn)行了大量的研究。陳祝明等[7]提出了逐點(diǎn)插值法和二分插值法，可以在增加計算量不多的情況下來保證雷達(dá)的測距精度，但是，目前只有仿真實(shí)驗(yàn)，未有實(shí)測驗(yàn)證。耿籍等[8-9]提出了一種擴(kuò)展比值插值法來提高地波雷達(dá)的測距精度，這種算法可以較好的改善測距精度，但是比較復(fù)雜。石陽升等[4]則提出了基于實(shí)測數(shù)據(jù)的三元加權(quán)插值方法，該方法原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)。對于在測距過程中的距離-速度耦合問題，也有學(xué)者通過分析線性調(diào)頻連續(xù)波雷達(dá)回波差拍信號的頻譜特點(diǎn)，提出了距離-速度配對的去耦合方法[10-11]，以此來減小測距誤差；Bruno和胡紅軍等人則對線性調(diào)頻地波雷達(dá)回波信號中的距離多普勒耦合現(xiàn)象進(jìn)行了分析，提出利用補(bǔ)償系數(shù)[12-14]來修正產(chǎn)生的測距誤差，從而提高高頻地波雷達(dá)的目標(biāo)探測精度。

為了實(shí)現(xiàn)對高頻地波雷達(dá)目標(biāo)距離的準(zhǔn)確估計，提高地波雷達(dá)的目標(biāo)探測精度，本文結(jié)合地波雷達(dá)實(shí)測數(shù)據(jù)，給出了地波雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)估計處理流程，分析了在處理過程中各種因素對雷達(dá)測距誤差的影響情況，最后將實(shí)測的高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)和船舶自動識別系統(tǒng)(AIS)數(shù)據(jù)進(jìn)行對比，統(tǒng)計分析了補(bǔ)償處理前后的距離誤差。

1 地波雷達(dá)目標(biāo)距離參數(shù)估計與修正方法

高頻地波雷達(dá)在探測目標(biāo)時，其發(fā)射信號被目標(biāo)反射回到接收天線，接收信號經(jīng)射頻放大、混頻、低通濾波可以得到基帶信號，再對其作傅里葉變換可以得到幅度譜，進(jìn)而就可以得到所需要的距離信息。根據(jù)地波雷達(dá)的測距原理，圖1給出了本文中地波雷達(dá)目標(biāo)距離估計及修正的處理流程。其處理過程主要分為三步：第一步是目標(biāo)距離初步估計，第二步是目標(biāo)距離精細(xì)估計，第三步是目標(biāo)距離最終確定。

圖1 目標(biāo)測距修正流程圖Fig.1 Target location and correction flowchart

1.1 目標(biāo)距離初步估計

目標(biāo)的初步估計結(jié)果主要是基于恒虛警檢測方法(CFAR檢測)得到的。經(jīng)典的曲線擬合CFAR檢測方法是選用擬合曲線的方式對距離向和多普勒向分別進(jìn)行處理，然后把距離向和多普勒向的目標(biāo)檢測結(jié)果進(jìn)行“與”運(yùn)算，便得到目標(biāo)的最終檢測結(jié)果，這樣能夠消除雜波、噪聲或其他因素的影響，提高目標(biāo)的檢測性能[15-16]。本文利用CFAR檢測得到目標(biāo)在距離-多普勒譜(R-D譜)中的位置，給出目標(biāo)峰值點(diǎn)所在的距離單元格，然后根據(jù)公式(1)就初步確定了目標(biāo)的距離信息。

R=N·ΔR。

(1)

式中：N為目標(biāo)CFAR得到的峰值點(diǎn)所在的距離單元格；ΔR為地波雷達(dá)的距離分辨率。

1.2 目標(biāo)距離精細(xì)估計

CFAR檢測結(jié)果僅給出了目標(biāo)所在的距離單元格，但不是精確的目標(biāo)距離信息。目標(biāo)的運(yùn)動會導(dǎo)致目標(biāo)回波信號峰值在距離向上的展寬，出現(xiàn)一個目標(biāo)占據(jù)多個距離單元格的情況。因此應(yīng)充分利用在距離向的多個單元格，結(jié)合CFAR結(jié)果做距離插值，以獲得更準(zhǔn)確的距離信息。三元加權(quán)方法原理簡單，易于實(shí)現(xiàn)，為地波雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)估計提供了一種適用的估計方法。三元加權(quán)插值法是指目標(biāo)采樣點(diǎn)及其相鄰的兩個采樣點(diǎn)，利用三者的幅值將它們對應(yīng)的離散距離作加權(quán)平均，作為最后的估計距離[4]。在存在偏差的情況下，兩個相鄰采樣點(diǎn)與峰值點(diǎn)的幅度比反映了偏離的程度，如圖2所示，因此，可以通過這一點(diǎn)得到目標(biāo)距離的精細(xì)估計。

圖2 三元加權(quán)插值Fig.2 Ternary weighted interpolation

(2)

式中：M為目標(biāo)所在距離元；采樣幅值為b；M-1和M+1距離元的采樣幅值分別為a和c。

1.3 目標(biāo)距離最終確定

對于采用線性調(diào)頻信號的高頻地波雷達(dá)，運(yùn)動目標(biāo)會受距離多普勒耦合的影響，這種耦合現(xiàn)象會使地波雷達(dá)的徑向速度在回波信號中產(chǎn)生多普勒頻移，導(dǎo)致雷達(dá)測得的目標(biāo)距離在經(jīng)過接收機(jī)的匹配濾波器后會額外增加一個與線性調(diào)頻信號參數(shù)有關(guān)的時間延遲，使得距離和速度之間存在相應(yīng)的耦合[17-19]，從而引起目標(biāo)的測距誤差。因此，為減小雷達(dá)的測距誤差，需要用耦合補(bǔ)償處理的方法進(jìn)行修正，修正之后得到目標(biāo)的距離R為：

(3)

式中：當(dāng)線性調(diào)頻信號采用上調(diào)頻信號時，f1f2；t是脈沖重復(fù)周期；t0是初始延遲時間；f0是中心帶寬頻率；v是目標(biāo)的速度。

對于耦合補(bǔ)償過程中的影響因素主要有目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)和雷達(dá)參數(shù)：

目標(biāo)運(yùn)動狀態(tài)的影響主要是速度的大小和正負(fù)。對于上調(diào)頻信號，當(dāng)目標(biāo)朝向雷達(dá)運(yùn)動時(規(guī)定速度大于0)，地波雷達(dá)測得的距離比實(shí)際距離小，誤差補(bǔ)償為正值，反之，目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)運(yùn)動的時候誤差補(bǔ)償為負(fù)值，且雷達(dá)測得距離相對于實(shí)際距離偏大。對于下調(diào)頻信號，當(dāng)目標(biāo)朝向雷達(dá)運(yùn)動的時候，地波雷達(dá)測得的距離比實(shí)際距離大，誤差補(bǔ)償為負(fù)值，反之，目標(biāo)遠(yuǎn)離雷達(dá)運(yùn)動的時候誤差補(bǔ)償為正值，且雷達(dá)測得距離相對于實(shí)際距離偏小。

雷達(dá)參數(shù)的影響主要有(1)調(diào)頻斜率。由中心頻率的計算公式fb=μτ0-fd可知，同一目標(biāo)對于不同的調(diào)頻斜率μ，頻率偏移均是fd，根據(jù)這一特點(diǎn)，可以由不同的調(diào)頻斜率求出目標(biāo)的距離和速度，這樣有利于對目標(biāo)的距離進(jìn)行更準(zhǔn)確的估計。(2)頻偏。在實(shí)際應(yīng)用中，通常目標(biāo)距離R遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于距離分辨率ΔR，將公式(3)進(jìn)行整理化簡可得R=fdTΔR，由該公式可以看出，當(dāng)雷達(dá)的信號時寬T一定的時候，頻偏fd越大，產(chǎn)生的測距誤差越大，需要的補(bǔ)償也越多。(3)信號時寬。引起線性調(diào)頻信號雷達(dá)的距離速度耦合的根本原因是信號時寬T較大，并且信號時寬T越大，產(chǎn)生的測距誤差越大，對測距精度的影響也越大。

2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理與分析

2.1 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)及處理結(jié)果

本次實(shí)驗(yàn)采用的是某一岸基高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)采用等間距八陣元線性接收陣，兩個相鄰天線陣元之間的間距為14.5 m，頻率為4.7 MHz，帶寬為60 kHz，線性調(diào)頻信號的持續(xù)時間為0.128 s。同時，本次實(shí)驗(yàn)還獲取了實(shí)時的AIS數(shù)據(jù)，能給出海面船只目標(biāo)的實(shí)際分布情況，可以利用同步的AIS信息評價地波雷達(dá)的目標(biāo)探測結(jié)果[20]。

圖3給出了地波雷達(dá)的距離-多普勒譜及CFAR檢測結(jié)果。從圖3中可以看出，CFAR結(jié)果中僅給出了目標(biāo)所在的距離單元格，不是精確的目標(biāo)距離信息，測距誤差很大，會影響到后續(xù)目標(biāo)航跡關(guān)聯(lián)的探測精度，因此我們進(jìn)行了距離插值和耦合補(bǔ)償處理，并統(tǒng)計分析了處理前后目標(biāo)的距離誤差。

圖3 CFAR檢測結(jié)果Fig.3 Detection result of CFAR

2.2 整體精度統(tǒng)計比對分析

根據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)，在將高頻地波雷達(dá)數(shù)據(jù)與AIS數(shù)據(jù)進(jìn)行匹配之后，給出了該批數(shù)據(jù)目標(biāo)航跡的距離誤差比較示意圖，如圖4所示。圖4(a)為目標(biāo)徑向距離在處理前后的誤差均值柱狀圖，圖4(b) 則給出了目標(biāo)在距離插值和耦合補(bǔ)償前后的均方根誤差比較情況。根據(jù)圖中的統(tǒng)計結(jié)果發(fā)現(xiàn)目標(biāo)的距離誤差大部分在2 km附近，測距誤差較大，從進(jìn)行距離插值和耦合補(bǔ)償之后的統(tǒng)計誤差中可以看到原先比較分散的數(shù)據(jù)經(jīng)過處理之后基本集中在±0.5 km以內(nèi)，經(jīng)過統(tǒng)計計算，該批數(shù)據(jù)的距離誤差均值由原來的由2.25 km 減小到了0.52 km，而均方根誤差也由1.73 km 減小到了0.32 km，雷達(dá)的測距精度得到了顯著提高。此外，由于地波雷達(dá)的發(fā)射信號與理想的線性調(diào)頻信號達(dá)不到完全一致，會存在一定的差別，導(dǎo)致目標(biāo)的測距并不準(zhǔn)確，引起補(bǔ)償后的過補(bǔ)償現(xiàn)象，從而使得目標(biāo)的距離在補(bǔ)償處理之后出現(xiàn)偏差增大的情況。

圖4 處理前后誤差比較圖Fig.4 Error comparison before and after treatment

2.3 實(shí)驗(yàn)個例分析

從經(jīng)過匹配之后的高頻地波雷達(dá)與AIS的匹配分布圖中取出一條航跡進(jìn)行個例分析，給出了該條航跡經(jīng)過距離插值和耦合補(bǔ)償處理之后的誤差對比情況，分別如圖5、6所示，并對處理前后的誤差進(jìn)行了統(tǒng)計分析。圖5給出了本次實(shí)驗(yàn)中某條航跡在插值前后的誤差比較情況，圖6是該條航跡在耦合補(bǔ)償之后的距離誤差比較圖以及距離修正圖。

圖5 插值前后的誤差比較Fig.5 Error comparison before and after interpolation

在圖5中，由高頻地波雷達(dá)和AIS數(shù)據(jù)統(tǒng)計得到了該條航跡在距離插值之前的距離均方根誤差為2.25 km，經(jīng)過三元加權(quán)插值之后的距離均方根誤差為 2.11 km，誤差減小了0.14 km，可以看出雖然目標(biāo)的測距誤差有所減小，但是減小的幅度很小，為了進(jìn)一步提高地波雷達(dá)的測距精度，本文又采用距離-速度耦合補(bǔ)償?shù)姆椒ㄟM(jìn)行處理，圖6(a)為距離插值和耦合補(bǔ)償處理前后的誤差比較情況，經(jīng)統(tǒng)計分析后得到了目標(biāo)徑向距離在理論修正之后的均方根誤差為0.52 km，相對插值之后誤差又減小了1.59 km，顯著提高了地波雷達(dá)的探測精度。而且，由圖6(b)的目標(biāo)距離修正情況也可以看出高頻地波雷達(dá)測得的目標(biāo)距離在經(jīng)過距離插值和耦合補(bǔ)償處理之后，與AIS測得的實(shí)際距離之間的差異明顯減小。

另外，根據(jù)匹配圖本文選取了兩條航跡對目標(biāo)航向與距離補(bǔ)償關(guān)系進(jìn)行個例分析。圖7給出了不同朝向的兩個目標(biāo)對地波雷達(dá)測距的影響情況，可以看出，對于正調(diào)頻信號，目標(biāo)1(即圖中track33)朝遠(yuǎn)離雷達(dá)站的方向運(yùn)動，地波雷達(dá)測得的距離為41.74 km，比實(shí)際距離39.72 km大，而目標(biāo)2(即圖中track7)朝接近雷達(dá)站的方向運(yùn)動，地波雷達(dá)測得的距離為80.17 km，比實(shí)際距離82.30 km小。此外，對于目標(biāo)1，其向遠(yuǎn)離雷達(dá)的方向運(yùn)動，所得到的誤差補(bǔ)償大小為-1.83 km，其值為負(fù)，同樣對于朝向雷達(dá)運(yùn)動的目標(biāo)2，其誤差補(bǔ)償是正值。因此，距離補(bǔ)償大小和正負(fù)與目標(biāo)速度大小和方向密切相關(guān)。

圖6 目標(biāo)補(bǔ)償前后的對比Fig.6 Comparison before and after compensation

3 結(jié)語

本文結(jié)合高頻地波雷達(dá)目標(biāo)探測過程，給出了地波雷達(dá)目標(biāo)距離參數(shù)估計的處理流程，通過將實(shí)測地波雷達(dá)數(shù)據(jù)與AIS信息進(jìn)行比對，統(tǒng)計分析了距離插值和耦合補(bǔ)償前后的誤差。從實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析中可以看出，目標(biāo)距離的誤差均值和均方根誤差經(jīng)過處理之后，均值誤差由2.25 km 減小到0.52 km，均方根誤差由1.73 km 減小到0.32 km，雷達(dá)的測距精度得到了顯著提高。另外，本文還給出了實(shí)驗(yàn)中某一條航跡在修正前后高頻地波雷達(dá)得到的距離和AIS得到的距離對比情況，同時通過兩個目標(biāo)的實(shí)測數(shù)據(jù)分析得出了雷達(dá)所需距離誤差補(bǔ)償?shù)拇笮『驼?fù)與目標(biāo)的速度大小和方向密切相關(guān)。

圖7 不同朝向目標(biāo)的分析Fig.7 Analysis of different targets oriented