基于AIS辅助信息的便携式高频地波雷达目标探测研究

发布时间：2020-07-21 09:17

【摘要】：自1955年Crombie发现高频雷达可以收到海流回波之后,经过半个多世纪的发展,它已经广泛应用于海洋表面动力学参数的测量,具有全天候、大范围、造价低等优点,在渔业监测、海态预报等方面起着重大作用。研究者希望高频地波雷达能同时具有探测海上舰船目标的能力,并开展了很多研究,不过到现在也没有达到实用化的阶段。尤其是采用小型化天线的便携式高频地波雷达,虽然成本大幅降低,并在海态监测方面展现出很好的效果,但是在探测舰船目标时还存在很多困难,主要包括:1.高频段的干扰与噪声信号均较强,射频干扰、电离层干扰、瞬态干扰很容易污染船只回波信号;2.海上舰船点目标的假设有时会失效,此时简单的单元检测可能无法检出目标;3.高频地波雷达的距离分辨单元通常达到千米级,这远大于船只的尺寸;4.紧凑式接收天线的方向图容易因周边环境影响而发生畸变,造成方位角估计困难。5.雷达照射范围内的船只信息无法完全掌握,因此缺乏足够可靠的算法评估手段。针对上述困难,本文对便携式高频地波雷达目标探测相关问题进行了研究。一方面对现有的方法进行了全面评估,寻找制约目标探测研究的关键问题所在;另一方面,在AIS信息的帮助下,成功把机器学习方法引入本领域,在目标检测和参数估计方面均取得了比传统方法更好的结果。本文的研究工作具体包括如下内容:1.提出了一种基于支持向量分类(SVC)的目标检测方法。该方法引入机器学习中经典的SVC算法,借助AIS信息获取标记样本,提取目标在多个维度的信噪比作为样本特征,选取随机噪声信号作为负样本。通过实测数据结果对比SVC检测法和传统CFAR检测法的性能:两者在检测出同样多目标的情况下,SVC检测法能够与AIS信息有更多的匹配数,并且在胡椒图上能得到更多、更长的轨迹,证明了新方法优于CFAR法。SVC检测法还具有扩展性强、泛化能力好等优点。2.提出了一种利用AIS信息进行单极子交叉环天线方向图估计的方法。该方法利用AIS信息获取来自各个方向的大量目标匹配对作为校准源,通过检测、匹配、分类、筛选、插值、平滑得到方向图的估计。本文通过2013山东渤海湾、2014福建平潭、2015福建漳州三次雷达现场试验的结果对算法进行验证,AIS估计的方向图揭示出方向图在现场环境中很容易发生畸变,此时使用理想方向图进行角估计性能很差,使用AIS方向图却可以大大降低角估计误差。2015年在六鳌进行了方向图船测试验,AIS方向图与船测方向图的相关度非常之高,证实了新方法的有效性。3.提出了一种基于支持向量回归(SVR)的目标到达角估计方法。针对使用实测方向图估角存在的一些问题,本文引入机器学习中的SVR算法以绕过测量误差和以往算法的内在缺陷。标记样本的获取来自与AIS匹配的目标,提取样本在各个通道的归一化幅相值作为样本特征。实测数据的结果表明SVR角估计算法能获取比实测方向图MUSIC法更高的精度,能有效缓解角度模糊现象,而且还具有扩展性强、所需数据量少的优点。4.提出了一种基于支持向量回归(SVR)的目标距离估计方法。在SVR算法取得不错的角估计结果之后,我们又把它应用于距离估计。标记样本的获取来自与AIS匹配的目标,样本的特征选用样本距离维邻近单元的归一化幅度,使用SVR算法学得距离估计的模型。实测数据的结果显示SVR距离估计法不但能够获得比传统经验公式法更精确、更稳定的距离估计,还能自动补偿系统距离偏差。此外SVR距离估计的模型具有很好的泛化能力,在站点之间使用也取得了良好的效果。
【学位授予单位】：武汉大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TN959
【图文】：

雷达系统,海况,环境因素,尖峰

出ＣＨ雷达系统，该系统使用四个１１０米高的铁塔作发射，间距约５５米，发射功率逡逑３５０ｋＷ；接收阵列是四个７３米高的木塔，每个塔有三组接收天线。雷达的主要工作频逡逑段是２０－３０ＭＨｚ，探测范围超过１５０公里。图１．１⑷展示了邋ＣＨ的铁塔发射天线。逡逑１９３７年，最早的五座ＣＨ雷达站建成，同时英国建立起世界上第一个地面控制逡逑拦截系统——道丁系统，该系统可以通过专用电话迅速收集ＣＨ和其它观测站的信息，逡逑然后指挥防御系统主动出击，拦截敌机。１９３９年二战爆发时，英国在东海岸和东南海逡逑岸已经部署了数十部ＣＨ雷达，图１．１（ｂ）展示了邋ＣＨ覆盖的区域。１９４０年７月，英德逡逑之间决定性的“不列颠之战”爆发，在军事力量完全不如德国的情况下，英国的ＣＨ逡逑雷达系统却发挥了巨大的作用——德国飞机刚从欧洲大陆上的基地起飞，ＣＨ就能够逡逑探测到它们，这使得英国有足够的时间制定作战计划，最终取得了战争的胜利。逡逑二战结束后

分布图,海洋资源,专属经济区,中国海域

图１．２：中国海域及海洋资源分布图逡逑我国是个海洋大国，拥有１．８万多公里大陆海岸线，１．１万多个岛屿，专属经济区逡逑面积达到３００多万平方千米，图１．２展示了我国海域以及海洋资源分布状况。海洋在给逡逑我们带来丰富资源的同时，也带来了海洋监控方面的巨大挑战。传统的海洋监测方法逡逑包括岸边观测站监测，卫星监测，海上浮标监测，船只与飞机巡逻监测等，均不能实逡逑现大面积、全天候、高精度的监管，且实施和维护成本较高。高频地波雷达则具有得逡逑天独厚的优势：（１）成本低，高频地波雷达只需要架设在固定的岸边位置，其运行与逡逑维护成本远低于巡逻船只；（２）范围广，高频雷达的探测距离可达数百公里，能够完逡逑全覆盖专属经济区的范围；（３）全天候，高频地波雷达的运行不受大雨、大风、大浪等逡逑恶劣天气影响。由于存在这些优点，各国才会如此青睐高频地波雷达并大力研发，目逡逑前己在世界范围内实现产业化。逡逑－３－逡逑

波形,雷达站,纽约,点图

图１．３：纽约港雷达站点图（来源文献［２９］）逡逑具有最高的占空比，但在近距离处占空比较低，很明显对探测近距离的船只目标逡逑不利。图１．４（ａ）中的修正波形采用周期极短的方波脉冲，在１１ｋｍ处就达到最大占逡逑空比，这种波形被用于近距离应答器测量。图１．４＾中的修正波形是用于目标探测逡逑的最优波形，它以牺牲少量远距离雷达回波占空比为代价，大大改善了近距离回逡逑波占空比。灵活调整发射脉冲波形，可以使雷达系统实现不同的需求。逡逑＜逦Ｐｕｉｓｅ邋Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ邋Ｉｎｔｅｒｖａｌ邋＞逦＾逦Ｐｕｌｓｅ邋Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ邋Ｉｎｔｅｒｖａｌ邋，逡逑０邋逦ｉｆ…}0逦１４４0逦１９２０逦２４Ｇ０逦０逦４？０逦９？０逦１４４０逦１３２Ｇ逦２４００逡逑Ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄｓ逦Ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄｓ逡逑ＩＩ邋ｌｌｆ］邋｜逡逑０逦２５逦５０逦７５逦１００逦１２５逦１５

【参考文献】