基于弧段檢測的高頻地波雷達特定目標航跡跟蹤方法研究

張 玲, 劉 旭, 姜 義, 紀永剛

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基于弧段檢測的高頻地波雷達特定目標航跡跟蹤方法研究

張 玲1, 劉 旭1, 姜 義1, 紀永剛2

(1. 中國海洋大學 工程學院, 山東省高校海洋機電裝備與儀器重點實驗室, 山東 青島 266100; 2. 國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

本文對現有的高頻地波雷達目標跟蹤方法進行了概述, 提出了一種地波雷達目標長時連續跟蹤的方法, 基本思想是: 充分挖掘航跡弧段特征, 基于特征對船只運動建模, 并結合雜波背景進行融合決策。進一步, 為了達到長時間連續跟蹤的需求, 借鑒深度學習的思想, 利用新獲取的弧段數據對算法估計結果不斷遞歸校正, 使得隨著獲取數據的增加跟蹤越準確。該方法適用于雜波環境且在航道附近存在眾多干擾船只的情況下對機動目標航跡的實時穩定跟蹤, 為高頻地波雷達在復雜干擾環境下特定目標持續跟蹤提供理論基礎和方法指導, 為充分發揮地波雷達在海上監視監測中的作用提供技術支撐。

高頻地波雷達; 目標跟蹤; 目標檢測; 船只航跡; 弧段檢測

高頻地波雷達由于具有超視距、監測面積大、全天候等優點, 在監測我國專屬經濟區、維護國家權益方面具有重要作用, 具有早期預警并實時跟蹤特定船只的能力[1-3]。地波雷達工作在復雜干擾環境中, 存在著電離層、海雜波、地雜波和射頻干擾等有色噪聲和非平穩干擾等噪聲成分。如何在復雜干擾環境中有效地檢測并持續跟蹤到感興趣的特定船只目標是地波雷達信號處理中需要解決的關鍵問題, 這個問題的解決可以充分發揮地波雷達的全方位優勢, 對于地波雷達海上目標實時探測至關重要。在高頻地波雷達船只目標航跡跟蹤方面, 大體方法可分為三類: 分別是基于船只運動模型的方法、不基于模型的方法和兩種相結合的方法。

但是傳統的地波雷達船只航跡跟蹤方法都存在一些缺點, 很難用于目標連續實時跟蹤, 需要發展一種新的適用于復雜干擾環境下船只航跡的穩定實時跟蹤方法, 以解決目前地波雷達船只持續跟蹤的難題。本文的主要工作是對目前高頻地波雷達目標探測領域的研究現狀和幾種典型方法進行討論分析, 并對目標探測方面的新方法和待解決的問題進行總結和展望。

1 高頻地波雷達

高頻地波雷達利用短波(3~30 MHz)在導電海洋表面繞射傳播衰減小的特點, 采用垂直極化天線輻射電波, 能超視距探測海平面視線以下出現的艦船、飛機、冰山和導彈等運動目標, 作用距離可達300 km以上。同時, 高頻地波雷達利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機制, 可以從雷達回波中提取風場、浪場、流場等海況信息, 實現對海洋環境大范圍、高精度和全天候的實時監測。

目前, 加拿大、美國、德國、俄羅斯和日本等國家都開展了高頻地波雷達系統的研制。比較典型的是由雷聲公司與加拿大國防部聯合研制的SWR-503岸基高頻表面波雷達。國內, 哈爾濱工業大學在大型陣列式雷達系統方面、武漢大學在便攜式雷達方面、西安電子科技大學在地波雷達信號處理方面、國家海洋局第一海洋研究所在地波雷達集成應用方面相繼開展了廣泛的研究。

各個單位在雷達的體系結構, 軟硬件系統方面積累了相當的基礎, 并建設了多個實驗場, 基于實驗場開展了目標跟蹤、海態反演等研究, 以期實現高頻地波雷達的業務化目標。例如哈工大在威海搭建了高頻地波雷達試驗場, 并且已經投入運行, 如圖1所示。

2 高頻地波雷達航跡跟蹤方法

在高頻地波雷達船只目標航跡跟蹤方面, 學界提出了一些方法, 大體可分為三類: 分別是基于船只運動模型的方法、不基于模型的方法和兩種相結合的方法。

2.1 基于模型的方法

基于模型的船只目標航跡跟蹤方法需要已知船只運動模型, 然后基于回波數據對船只運動的位置、速度等參數進行估計, 從而得到船只運動軌跡。文獻[4-8]提出了基于概率假設密度的方法, 該方法存在的問題是算法只給出了目標存在的概率信息, 需要進一步結合峰值檢測及航跡提取才能得出目標的航跡信息。文獻[9-10]提出了基于粒子濾波的方法, 但該類方法概率密度函數不容易確定, 需要大量的采樣近似計算, 對于非高斯問題需要采取近似方法, 精度受損?；谀Ｐ偷倪@類方法存在一個難點是模型需要事先假定已知, 而在實際應用中, 船只模型很難確定。因此, 就需要對船只運動做些限定, 例如勻速運動、勻加速運動、變加速運動等, 這在實際應用中很受限制。目前提出的船只運動模型都需要嚴格的假定條件, 而地波雷達探測的是一片海域, 存在眾多船只的多種運動形式, 僅靠一個模型很難刻畫, 即使基于多目標聯合建模手段估計出一些船只的航跡, 還需要進一步判斷才能提取出特定船只的航跡信息。

2.2 不基于模型的方法

不基于模型的方法常用的有最近鄰、聚類等[11-16], 在檢測出點跡的基礎上利用最近鄰等規則設定距離、速度等波門, 在波門內的點即認為是一個航跡。文獻[17-19]提出的動態規劃法也不基于運動模型, 對雷達回波數據形成的R-D譜上特定距離-多普勒單元進行幅值累加, 然后取閾值判斷是否構成船只航跡。不基于模型的方法缺點是: 如果周圍有多個點容易關聯錯誤; 適合高斯白噪聲環境, 而海洋觀測環境中除了高斯白噪聲, 還存在非高斯、非平穩噪聲; 船只機動, 即速度突變情況下跟蹤存在困難。為了提高跟蹤性能, 最近鄰法通常還要與其他方法相結合, 歸結為第三類方法。

2.3 兩者相結合的方法

單純的基于模型和不基于模型都存在缺陷, 因此, 有文獻提出結合兩者的優點來對單一算法進行改進。例如, 最近鄰與其他方法相結合的一類方法, 最近鄰與運動模型相結合[20-22]及最近鄰與聯合概率數據互聯相結合的方法[23]。該類方法在船只目標機動性不強且沒有太多干擾船只存在的情況下有較好的跟蹤效果, 否則容易出現關聯錯誤或航跡斷裂, 反映在船只目標上就是特定目標跟蹤錯誤或丟失, 即目標的持續跟蹤存在困難, 所以該類方法在復雜干擾環境下跟蹤性能不穩定, 實際應用中存在很大局限。

2.4三種方法的比較

將三種方法的局限性進行比較, 結果見表1。