基于弧段檢測(cè)的高頻地波雷達(dá)特定目標(biāo)航跡跟蹤方法研究

張 玲, 劉 旭, 姜 義, 紀(jì)永剛

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基于弧段檢測(cè)的高頻地波雷達(dá)特定目標(biāo)航跡跟蹤方法研究

張 玲1, 劉 旭1, 姜 義1, 紀(jì)永剛2

(1. 中國(guó)海洋大學(xué) 工程學(xué)院, 山東省高校海洋機(jī)電裝備與儀器重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 山東 青島 266100; 2. 國(guó)家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

本文對(duì)現(xiàn)有的高頻地波雷達(dá)目標(biāo)跟蹤方法進(jìn)行了概述, 提出了一種地波雷達(dá)目標(biāo)長(zhǎng)時(shí)連續(xù)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(duì)船只運(yùn)動(dòng)建模, 并結(jié)合雜波背景進(jìn)行融合決策。進(jìn)一步, 為了達(dá)到長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)跟蹤的需求, 借鑒深度學(xué)習(xí)的思想, 利用新獲取的弧段數(shù)據(jù)對(duì)算法估計(jì)結(jié)果不斷遞歸校正, 使得隨著獲取數(shù)據(jù)的增加跟蹤越準(zhǔn)確。該方法適用于雜波環(huán)境且在航道附近存在眾多干擾船只的情況下對(duì)機(jī)動(dòng)目標(biāo)航跡的實(shí)時(shí)穩(wěn)定跟蹤, 為高頻地波雷達(dá)在復(fù)雜干擾環(huán)境下特定目標(biāo)持續(xù)跟蹤提供理論基礎(chǔ)和方法指導(dǎo), 為充分發(fā)揮地波雷達(dá)在海上監(jiān)視監(jiān)測(cè)中的作用提供技術(shù)支撐。

高頻地波雷達(dá); 目標(biāo)跟蹤; 目標(biāo)檢測(cè); 船只航跡; 弧段檢測(cè)

高頻地波雷達(dá)由于具有超視距、監(jiān)測(cè)面積大、全天候等優(yōu)點(diǎn), 在監(jiān)測(cè)我國(guó)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)、維護(hù)國(guó)家權(quán)益方面具有重要作用, 具有早期預(yù)警并實(shí)時(shí)跟蹤特定船只的能力[1-3]。地波雷達(dá)工作在復(fù)雜干擾環(huán)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(wěn)干擾等噪聲成分。如何在復(fù)雜干擾環(huán)境中有效地檢測(cè)并持續(xù)跟蹤到感興趣的特定船只目標(biāo)是地波雷達(dá)信號(hào)處理中需要解決的關(guān)鍵問(wèn)題, 這個(gè)問(wèn)題的解決可以充分發(fā)揮地波雷達(dá)的全方位優(yōu)勢(shì), 對(duì)于地波雷達(dá)海上目標(biāo)實(shí)時(shí)探測(cè)至關(guān)重要。在高頻地波雷達(dá)船只目標(biāo)航跡跟蹤方面, 大體方法可分為三類: 分別是基于船只運(yùn)動(dòng)模型的方法、不基于模型的方法和兩種相結(jié)合的方法。

但是傳統(tǒng)的地波雷達(dá)船只航跡跟蹤方法都存在一些缺點(diǎn), 很難用于目標(biāo)連續(xù)實(shí)時(shí)跟蹤, 需要發(fā)展一種新的適用于復(fù)雜干擾環(huán)境下船只航跡的穩(wěn)定實(shí)時(shí)跟蹤方法, 以解決目前地波雷達(dá)船只持續(xù)跟蹤的難題。本文的主要工作是對(duì)目前高頻地波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)領(lǐng)域的研究現(xiàn)狀和幾種典型方法進(jìn)行討論分析, 并對(duì)目標(biāo)探測(cè)方面的新方法和待解決的問(wèn)題進(jìn)行總結(jié)和展望。

1 高頻地波雷達(dá)

高頻地波雷達(dá)利用短波(3~30 MHz)在導(dǎo)電海洋表面繞射傳播衰減小的特點(diǎn), 采用垂直極化天線輻射電波, 能超視距探測(cè)海平面視線以下出現(xiàn)的艦船、飛機(jī)、冰山和導(dǎo)彈等運(yùn)動(dòng)目標(biāo), 作用距離可達(dá)300 km以上。同時(shí), 高頻地波雷達(dá)利用海洋表面對(duì)高頻電磁波的一階散射和二階散射機(jī)制, 可以從雷達(dá)回波中提取風(fēng)場(chǎng)、浪場(chǎng)、流場(chǎng)等海況信息, 實(shí)現(xiàn)對(duì)海洋環(huán)境大范圍、高精度和全天候的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)。

目前, 加拿大、美國(guó)、德國(guó)、俄羅斯和日本等國(guó)家都開展了高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)的研制。比較典型的是由雷聲公司與加拿大國(guó)防部聯(lián)合研制的SWR-503岸基高頻表面波雷達(dá)。國(guó)內(nèi), 哈爾濱工業(yè)大學(xué)在大型陣列式雷達(dá)系統(tǒng)方面、武漢大學(xué)在便攜式雷達(dá)方面、西安電子科技大學(xué)在地波雷達(dá)信號(hào)處理方面、國(guó)家海洋局第一海洋研究所在地波雷達(dá)集成應(yīng)用方面相繼開展了廣泛的研究。

各個(gè)單位在雷達(dá)的體系結(jié)構(gòu), 軟硬件系統(tǒng)方面積累了相當(dāng)?shù)幕A(chǔ), 并建設(shè)了多個(gè)實(shí)驗(yàn)場(chǎng), 基于實(shí)驗(yàn)場(chǎng)開展了目標(biāo)跟蹤、海態(tài)反演等研究, 以期實(shí)現(xiàn)高頻地波雷達(dá)的業(yè)務(wù)化目標(biāo)。例如哈工大在威海搭建了高頻地波雷達(dá)試驗(yàn)場(chǎng), 并且已經(jīng)投入運(yùn)行, 如圖1所示。

2 高頻地波雷達(dá)航跡跟蹤方法

在高頻地波雷達(dá)船只目標(biāo)航跡跟蹤方面, 學(xué)界提出了一些方法, 大體可分為三類: 分別是基于船只運(yùn)動(dòng)模型的方法、不基于模型的方法和兩種相結(jié)合的方法。

2.1 基于模型的方法

基于模型的船只目標(biāo)航跡跟蹤方法需要已知船只運(yùn)動(dòng)模型, 然后基于回波數(shù)據(jù)對(duì)船只運(yùn)動(dòng)的位置、速度等參數(shù)進(jìn)行估計(jì), 從而得到船只運(yùn)動(dòng)軌跡。文獻(xiàn)[4-8]提出了基于概率假設(shè)密度的方法, 該方法存在的問(wèn)題是算法只給出了目標(biāo)存在的概率信息, 需要進(jìn)一步結(jié)合峰值檢測(cè)及航跡提取才能得出目標(biāo)的航跡信息。文獻(xiàn)[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(shù)不容易確定, 需要大量的采樣近似計(jì)算, 對(duì)于非高斯問(wèn)題需要采取近似方法, 精度受損?；谀Ｐ偷倪@類方法存在一個(gè)難點(diǎn)是模型需要事先假定已知, 而在實(shí)際應(yīng)用中, 船只模型很難確定。因此, 就需要對(duì)船只運(yùn)動(dòng)做些限定, 例如勻速運(yùn)動(dòng)、勻加速運(yùn)動(dòng)、變加速運(yùn)動(dòng)等, 這在實(shí)際應(yīng)用中很受限制。目前提出的船只運(yùn)動(dòng)模型都需要嚴(yán)格的假定條件, 而地波雷達(dá)探測(cè)的是一片海域, 存在眾多船只的多種運(yùn)動(dòng)形式, 僅靠一個(gè)模型很難刻畫, 即使基于多目標(biāo)聯(lián)合建模手段估計(jì)出一些船只的航跡, 還需要進(jìn)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(cè)出點(diǎn)跡的基礎(chǔ)上利用最近鄰等規(guī)則設(shè)定距離、速度等波門, 在波門內(nèi)的點(diǎn)即認(rèn)為是一個(gè)航跡。文獻(xiàn)[17-19]提出的動(dòng)態(tài)規(guī)劃法也不基于運(yùn)動(dòng)模型, 對(duì)雷達(dá)回波數(shù)據(jù)形成的R-D譜上特定距離-多普勒單元進(jìn)行幅值累加, 然后取閾值判斷是否構(gòu)成船只航跡。不基于模型的方法缺點(diǎn)是: 如果周圍有多個(gè)點(diǎn)容易關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤; 適合高斯白噪聲環(huán)境, 而海洋觀測(cè)環(huán)境中除了高斯白噪聲, 還存在非高斯、非平穩(wěn)噪聲; 船只機(jī)動(dòng), 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(jié)合, 歸結(jié)為第三類方法。

2.3 兩者相結(jié)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(xiàn)提出結(jié)合兩者的優(yōu)點(diǎn)來(lái)對(duì)單一算法進(jìn)行改進(jìn)。例如, 最近鄰與其他方法相結(jié)合的一類方法, 最近鄰與運(yùn)動(dòng)模型相結(jié)合[20-22]及最近鄰與聯(lián)合概率數(shù)據(jù)互聯(lián)相結(jié)合的方法[23]。該類方法在船只目標(biāo)機(jī)動(dòng)性不強(qiáng)且沒(méi)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(xiàn)關(guān)聯(lián)錯(cuò)誤或航跡斷裂, 反映在船只目標(biāo)上就是特定目標(biāo)跟蹤錯(cuò)誤或丟失, 即目標(biāo)的持續(xù)跟蹤存在困難, 所以該類方法在復(fù)雜干擾環(huán)境下跟蹤性能不穩(wěn)定, 實(shí)際應(yīng)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(jìn)行比較, 結(jié)果見表1。