高頻地波雷達(dá)航跡一體化探測(cè)中的虛假目標(biāo)剔除方法*

尹 俊，紀(jì)永剛，黎 明

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.國(guó)家海洋局第一研究所，山東 青島 266061)

高頻地波雷達(dá)航跡一體化探測(cè)中的虛假目標(biāo)剔除方法*

尹 俊1,2，紀(jì)永剛2**，黎 明1

(1.中國(guó)海洋大學(xué)工程學(xué)院，山東 青島 266100； 2.國(guó)家海洋局第一研究所，山東 青島 266061)

在高頻地波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)中，利用動(dòng)態(tài)規(guī)劃法可以實(shí)現(xiàn)目標(biāo)點(diǎn)跡和航跡的一體化探測(cè)。但由于噪聲的存在以及一體化算法中閾值設(shè)置的不合理，會(huì)導(dǎo)致探測(cè)結(jié)果中存在虛假的目標(biāo)航跡。本文分析了地波雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)的測(cè)量精度，結(jié)合目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性，提出了一種虛假目標(biāo)航跡剔除方法。對(duì)于真實(shí)目標(biāo)，在距離-多普勒(Range-Doppler，RD)譜上由距離維和多普勒頻移估計(jì)的目標(biāo)位移應(yīng)接近，不滿足限定條件則被判別為虛假目標(biāo)。實(shí)測(cè)地波雷達(dá)數(shù)據(jù)的探測(cè)結(jié)果與同步船只自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)數(shù)據(jù)的對(duì)比實(shí)驗(yàn)表明，本文提出的方法能有效排除噪聲引起的虛假航跡，提高地波雷達(dá)系統(tǒng)目標(biāo)探測(cè)的整體性能。

高頻地波雷達(dá)； 目標(biāo)航跡一體化探測(cè)； 動(dòng)態(tài)規(guī)劃法； 虛假航跡排除

高頻地波雷達(dá)(High Frequency Surface Wave Radar,HFSWR)是海上艦船目標(biāo)大范圍連續(xù)探測(cè)的重要手段。傳統(tǒng)的地波雷達(dá)目標(biāo)航跡探測(cè)流程是先點(diǎn)跡檢測(cè)后航跡跟蹤，即通過(guò)在距離-多普勒(Range-Doppler，RD)譜上進(jìn)行恒虛警(Constant False Alarm Rate，CFAR)檢測(cè)和測(cè)向得到目標(biāo)點(diǎn)跡，然后在一段時(shí)間內(nèi)對(duì)目標(biāo)點(diǎn)跡進(jìn)行跟蹤，得到目標(biāo)航跡信息[1-2]。在目標(biāo)點(diǎn)跡檢測(cè)過(guò)程中，對(duì)于一些尺寸較小或探測(cè)距離較遠(yuǎn)的目標(biāo)，由于其目標(biāo)回波強(qiáng)度較弱，信噪比較低，使用CFAR檢測(cè)時(shí)存在目標(biāo)漏檢的情況，引起航跡斷裂，甚至出現(xiàn)目標(biāo)航跡失蹤的情況，影響高頻地波雷達(dá)目標(biāo)航跡探測(cè)的效果。

檢測(cè)跟蹤一體化技術(shù)是近些年來(lái)雷達(dá)信號(hào)處理領(lǐng)域的新興技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)低信噪比目標(biāo)的檢測(cè)。檢測(cè)跟蹤一體化技術(shù)的思想是直接利用傳感器的原始觀測(cè)信號(hào)，對(duì)單幀RD譜不進(jìn)行目標(biāo)有無(wú)的判斷，而是將可能來(lái)自于同一目標(biāo)的回波能量按照時(shí)間進(jìn)行積累，提高目標(biāo)信噪比，航跡決策只在最后環(huán)節(jié)進(jìn)行，檢測(cè)出目標(biāo)的同時(shí)也得到目標(biāo)的航跡。目前檢測(cè)跟蹤一體化技術(shù)的具體實(shí)現(xiàn)方法包括動(dòng)態(tài)規(guī)劃法(Dynamic Programming Algorithm，DPA)[3-7]、粒子濾波算法(Particle Filter，PF)[8]、霍夫變換法(Hough Transform，HT)[9]等。在目標(biāo)航跡的檢測(cè)跟蹤一體化過(guò)程中，剔除噪聲引起的虛假航跡是其中一個(gè)非常重要的步驟，本文主要討論的是動(dòng)態(tài)規(guī)劃法中的虛假航跡排除方法。

動(dòng)態(tài)規(guī)劃法最初被用來(lái)解決多階段的最優(yōu)控制問(wèn)題，后來(lái)被應(yīng)用到信號(hào)處理和最優(yōu)估計(jì)問(wèn)題。1985年，Barniv首次將該方法應(yīng)用于微弱目標(biāo)的探測(cè)[3-4]，目前廣泛應(yīng)用于雷達(dá)領(lǐng)域的DPA算法是1996年由澳大利亞的Tonissen和Evans提出的[5]。國(guó)內(nèi)也有學(xué)者[6,10-12]將DPA算法應(yīng)用于高頻地波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)并得到了目標(biāo)航跡集合。從目前研究來(lái)看，基于DPA算法的地波雷達(dá)目標(biāo)航跡的檢測(cè)跟蹤一體化僅依靠回波強(qiáng)度積累值來(lái)判斷目標(biāo)航跡的真?zhèn)危肼曇鸬牟糠痔摷俸桔E不能被有效地排除，需發(fā)展新的航跡判別和虛假航跡剔除方法。

本文提出了一種適用于地波雷達(dá)的虛假目標(biāo)航跡排除方法，提高動(dòng)態(tài)規(guī)劃法目標(biāo)航跡探測(cè)的性能，該方法不僅利用了目標(biāo)回波強(qiáng)度的積累值，而且利用了目標(biāo)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)特性，不再僅依靠回波強(qiáng)度閾值判斷目標(biāo)航跡的真?zhèn)巍?/p>

1 傳統(tǒng)DPA算法及排除虛假航跡的局限性

DPA算法航跡搜索的過(guò)程在RD譜上進(jìn)行，每幀RD譜如圖1所示：縱軸為徑向距離，橫軸為多普勒頻移。距離、多普勒頻移坐標(biāo)值可結(jié)合地波雷達(dá)參數(shù)分別轉(zhuǎn)化為徑向距離和徑向速度。根據(jù)其頻率分辨率和距離分辨率，將RD譜圖分為N×M個(gè)單元格，其中M為距離單元格的個(gè)數(shù)，N為頻率單元格的個(gè)數(shù)。目標(biāo)在RD譜中的位置可以用坐標(biāo)(i,j)來(lái)表示。

圖1 高頻地波雷達(dá)RD譜

(1)

Ak為目標(biāo)回波強(qiáng)度幅值，wk(i,j)為k幀RD譜第(i,j)單元的噪聲幅度值。

DPA算法實(shí)現(xiàn)目標(biāo)航跡一體化探測(cè)流程如下：

(a)航跡初始化：對(duì)所有的x1=[i,j]'∈X1

I(x1)=z1(i,j)，

(2)

Ψ1(x1)=0，

(3)

I(xk)為k時(shí)刻的值函數(shù)，Ψk(xk)為I(xk-1)取最大值對(duì)應(yīng)的xk-1，在k=1時(shí)設(shè)置為0。

(b)迭代：對(duì)2≤k≤K，對(duì)所有的xk= [i,j]'∈Xk′

(4)

(5)

Xk′為目標(biāo)可能的轉(zhuǎn)移范圍，一般為目標(biāo)當(dāng)前位置附近的幾個(gè)單元格。

(c)航跡終止：滿足

(6)

VT為閾值。

(7)

每幀RD譜上同時(shí)包含了信噪比較低和較高的目標(biāo)，進(jìn)行目標(biāo)航跡一體化探測(cè)時(shí)，所有目標(biāo)都按照(4)式進(jìn)行了回波強(qiáng)度積累，可以明顯提高目標(biāo)信噪比。但與同一批回波信號(hào)中信噪比高的目標(biāo)相比，信噪比低的目標(biāo)航跡回波累積強(qiáng)度仍然偏低，利用(6)式對(duì)航跡的真?zhèn)芜M(jìn)行判斷時(shí)，若閾值設(shè)置較高，可能會(huì)出現(xiàn)信噪比低的目標(biāo)航跡雖然被搜索到，但是由于閾值設(shè)置較高而被錯(cuò)誤舍棄的情況，導(dǎo)致航跡漏檢；而如果閾值設(shè)置較低，可能出現(xiàn)較多由噪聲引起的虛假航跡。

2 基于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)特性的虛假航跡排除方法

為解決傳統(tǒng)DPA算法在排除虛假航跡時(shí)的局限性，本文結(jié)合船只運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在RD譜的連續(xù)運(yùn)動(dòng)特性和地波雷達(dá)目標(biāo)參數(shù)的測(cè)量特性提出虛假航跡排除方法，該方法可只利用RD譜的距離和多普勒頻移信息，不需目標(biāo)方位信息，在DPA算法進(jìn)行無(wú)向航跡搜索階段即可實(shí)現(xiàn)虛假航跡的排除。

2.1 目標(biāo)連續(xù)運(yùn)動(dòng)特性分析

(8)

r1-r0=v0(t1-t0)，

(9)

在RD譜中的航跡檢測(cè)是對(duì)上式的離散化，因此有：

r(k+1)=r(k)+Tv(k)，

(10)

T=t1-t0為相鄰兩幀RD譜的時(shí)間間隔。

需要說(shuō)明的是，在目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)站運(yùn)動(dòng)角度φ控制在10°之內(nèi)能保證有較高精度。對(duì)(10)式進(jìn)一步遞推可得：

(11)

由此可知：短時(shí)間內(nèi)船只目標(biāo)連續(xù)運(yùn)動(dòng)時(shí)，已知目標(biāo)在RD譜上的初始徑向距離和每一幀譜的多普勒頻移信息，就可以連續(xù)遞推得到目標(biāo)在各幀譜上的徑向距離位置。

利用DPA算法完成目標(biāo)航跡搜索時(shí)，可從起始幀和最后幀RD譜的目標(biāo)徑向距離信息直接得到目標(biāo)徑向位移，該位移記做sr；利用RD譜的徑向速度與T的乘積得到相鄰譜間的目標(biāo)徑向位移，在一段時(shí)間內(nèi)進(jìn)行積累后可得目標(biāo)總的徑向位移，該位移記做st。對(duì)于真實(shí)的目標(biāo)航跡，目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律符合(11)式，因此sr與st的值相同；而虛假目標(biāo)航跡是由雜波或噪聲引起的，并不符合目標(biāo)在RD譜的連續(xù)運(yùn)動(dòng)特性，sr與st間距離估計(jì)偏差較大。

2.2 虛假航跡排除方法

本文基于上述目標(biāo)連續(xù)運(yùn)動(dòng)特性提出虛假航跡排除方法，其基本思想是：計(jì)算目標(biāo)航跡徑向位移sr與st的距離估計(jì)偏差，若超過(guò)距離估計(jì)偏差門(mén)限值則被判定為虛假航跡。但為了避免目標(biāo)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致的運(yùn)動(dòng)角度φ變化引起的位移誤差，將目標(biāo)航跡的排除過(guò)程分為多次短時(shí)檢驗(yàn)，即每搜索幾幀RD譜就進(jìn)行一次檢測(cè)。每次短時(shí)檢驗(yàn)的具體實(shí)現(xiàn)如下：

(a)在DPA算法進(jìn)行步驟b的同時(shí)，更新RD譜多普勒頻移信息得到的目標(biāo)徑向位移st

(12)

(b)達(dá)到一次短時(shí)檢驗(yàn)時(shí)間時(shí)，計(jì)算RD譜距離信息得到的目標(biāo)徑向位移sr

sr=rf-rs，

(13)

rs為一次短時(shí)檢驗(yàn)時(shí)段內(nèi)初始目標(biāo)徑向距離；rf為一次短時(shí)檢驗(yàn)時(shí)段內(nèi)最終目標(biāo)徑向距離。

(c)計(jì)算距離估計(jì)偏差εr

(14)

地波雷達(dá)進(jìn)行目標(biāo)探測(cè)的距離探測(cè)分辨率較低，為千米級(jí)[13]，經(jīng)過(guò)補(bǔ)償處理后測(cè)距誤差為百米級(jí)。而速度探測(cè)分辨率較高，以雷達(dá)工作頻率為4.7MHz，相干積累時(shí)間291.261s為例，速度探測(cè)分辨率為0.394km/h，利用多普勒頻移信息按時(shí)間進(jìn)行積累得到位移st，其誤差小于百米級(jí)，更符合目標(biāo)的真實(shí)徑向位移。

(d)更新虛假航跡標(biāo)識(shí)值F

(15)

εT為距離估計(jì)偏差門(mén)限值，可根據(jù)工程需要設(shè)定。不同于傳統(tǒng)的DPA算法中的閾值設(shè)置，誤差判別閾值是無(wú)量綱的，不受目標(biāo)回波強(qiáng)度大小的影響。

一條目標(biāo)航跡經(jīng)過(guò)多次短時(shí)檢驗(yàn)，若虛假航跡標(biāo)識(shí)值F累計(jì)超過(guò)限定值則判定為虛假航跡。

將短時(shí)檢驗(yàn)的方法應(yīng)用到DPA航跡搜索中，目標(biāo)航跡搜索流程見(jiàn)圖3。

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)驗(yàn)證

3.1 目標(biāo)航跡搜索有效性驗(yàn)證

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)來(lái)自威海某高頻地波雷達(dá)站。雷達(dá)工作頻率為4.7 MHz，距離單元分辨率為1.5 km，每幀RD譜數(shù)據(jù)的相干積累時(shí)間是291.261 s，相鄰幀的時(shí)間間隔是1 min。本文選用了1 h的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)。閾值設(shè)置與雷達(dá)參數(shù)選取有關(guān)，在本實(shí)驗(yàn)的參數(shù)設(shè)置情況下，對(duì)于真實(shí)目標(biāo)，兩者的相對(duì)誤差在15%以內(nèi)，當(dāng) 設(shè)置為10%，每5 min進(jìn)行一次短時(shí)檢驗(yàn)，虛假航跡標(biāo)識(shí)值F設(shè)置為5時(shí)，與AIS數(shù)據(jù)的匹配結(jié)果較好，同時(shí)可以減少計(jì)算復(fù)雜度。

圖3 航跡搜索流程圖

在目標(biāo)航跡探測(cè)過(guò)程中進(jìn)行了數(shù)據(jù)預(yù)處理，包括雜波抑制和低門(mén)限CFAR預(yù)處理。如圖4所示，地雜波和一階海雜波在地波雷達(dá)的目標(biāo)航跡探測(cè)中都屬于雜波干擾，需進(jìn)行抑制。

本文采用文獻(xiàn)[14]中基于信噪比的方法提取一階海雜波，并進(jìn)行抑制。傳統(tǒng)的CFAR檢測(cè)目的是為了得到目標(biāo)點(diǎn)跡，本文采用了低門(mén)限CFAR算法對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，一方面是為了剔除非目標(biāo)的背景區(qū)域信息，減小DPA算法進(jìn)行航跡搜索時(shí)的復(fù)雜度，另一方面是為了濾除明顯的噪聲干擾，避免噪聲積累產(chǎn)生偽航跡。

圖4 高頻地波雷達(dá)RD譜中的雜波Fig.4 Clutter in RD spectrum of HFSWR

虛假航跡排除后的RD二維航跡圖

(藍(lán)色實(shí)線為虛假目標(biāo)航跡，綠色*為虛假航跡排除后的真實(shí)目標(biāo)航跡。Blue solide line shows the false tracks,green star shows the true tracks.)

圖5 目標(biāo)航跡結(jié)果

Fig.5 The track detection results

利用DPA算法進(jìn)行目標(biāo)航跡一體化探測(cè)并進(jìn)行虛假航跡排除。本次試驗(yàn)共排除虛假航跡18條，搜索真實(shí)航跡61條。圖5為利用本文提出的虛假航跡排除方法處理后的航跡距離-速度二維結(jié)果，其中綠色航跡為最終真實(shí)目標(biāo)航跡，藍(lán)色航跡被判定為虛假航跡。

從中挑選2個(gè)航跡個(gè)例，與同步船只自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System，AIS)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，論證方法進(jìn)行目標(biāo)航跡搜索的可行性，如圖6所示。

1號(hào)目標(biāo)航跡跟蹤時(shí)長(zhǎng)為60 min，部分時(shí)刻的距離-速度信息如表1所示。

未進(jìn)行測(cè)向的航跡與AIS數(shù)據(jù)的匹配結(jié)果如圖6(a)所示；對(duì)航跡進(jìn)行測(cè)向后，得到的結(jié)果如圖6(b)所示，可知該航跡與AIS數(shù)據(jù)匹配較好，對(duì)該條航跡共進(jìn)行了12次短時(shí)檢測(cè)，結(jié)果如表2所示：F累計(jì)值為1，可判定為真實(shí)航跡。說(shuō)明該方法可有效探測(cè)并判別出真實(shí)目標(biāo)航跡。

(藍(lán)色圓圈為目標(biāo)在RD譜的位置。Blue circle is the position of targets.)

T/min31428364654地波雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)距離①rr/km152.9148.5142.7139.6135.5132.3地波雷達(dá)探測(cè)的目標(biāo)速度②vr/km·h-121.824.124.324.324.323.7AIS探測(cè)的目標(biāo)距離③ra/km152.3148.0142.3139.1135.0131.7AIS探測(cè)的目標(biāo)速度④va/km·h-121.923.824.324.224.323.4

①Target range by HFSWR；②Target velocity by HFSWR；③Target range by AIS；④Target velocity by AIS

表2 航跡個(gè)例1的短時(shí)檢驗(yàn)結(jié)果

3.2 虛假航跡排除有效性驗(yàn)證

下面給出另外兩個(gè)例驗(yàn)證虛假航跡排除的有效性：

3號(hào)航跡跟蹤時(shí)長(zhǎng)為39 min，部分時(shí)刻的距離-速度信息如表3所示：

圖7 疑似航跡個(gè)例Fig.7 Suspected track results

T/min51220273439rr/km45.644.742.240.839.239vr/km·h-125.125.125.125.125.125.1

獲取的AIS數(shù)據(jù)中沒(méi)有與之匹配的航跡，對(duì)該條航跡共進(jìn)行了7次短時(shí)檢測(cè)，結(jié)果如表4所示：

表4 航跡個(gè)例3的短時(shí)檢驗(yàn)結(jié)果

注：n為短時(shí)檢驗(yàn)次數(shù)。

Note：nis short-term test number.

F累計(jì)值為7，可判定為虛假航跡。如圖7所示，該目標(biāo)在跟蹤時(shí)長(zhǎng)內(nèi)徑向速度較快，但與之對(duì)應(yīng)的徑向位移變化卻相對(duì)較慢，不符合目標(biāo)連續(xù)運(yùn)動(dòng)特征。

4號(hào)航跡跟蹤時(shí)長(zhǎng)為41 min，部分時(shí)刻的距離-速度信息如表5所示：

表5 疑似航跡個(gè)例4的距離與速度信息

獲取的AIS數(shù)據(jù)中沒(méi)有與之匹配的航跡，對(duì)該條航跡共進(jìn)行了8次短時(shí)檢測(cè)，結(jié)果如表6所示：

表6 航跡個(gè)例4的短時(shí)檢驗(yàn)結(jié)果

注：n為短時(shí)檢驗(yàn)次數(shù)，st、sr單位均為 km。

Note：nis short-term test number.

F累計(jì)值為8，可判定為虛假航跡。分析該虛假航跡，結(jié)合原始的RD譜，該目標(biāo)的徑向速度較一般船只快，但其徑向距離卻改變很小，如圖8(a)所示；該航跡在3和18 min時(shí)的距離-速度如圖8(b)所示，可看到該虛假目標(biāo)在RD譜上的位置固定，不隨時(shí)間變化，可推斷該航跡是由于某固定噪聲源引起的虛假航跡。

圖8 虛假航跡

4 結(jié)語(yǔ)

本文針對(duì)傳統(tǒng)DPA算法地波雷達(dá)航跡檢測(cè)跟蹤一體化結(jié)果中的虛假航跡排除困難問(wèn)題，提出一種虛假航跡排除方法，該方法利用了船只運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的連續(xù)運(yùn)動(dòng)特性，并對(duì)傳統(tǒng)方法中僅利用回波強(qiáng)度閾值的做法進(jìn)行了改進(jìn)，引入了無(wú)量綱的距離估計(jì)偏差閾值，在此基礎(chǔ)上實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，對(duì)由某些系統(tǒng)噪聲引起的虛假航跡具有很好的排除效果。

本方法下一步的工作是對(duì)方法進(jìn)行擴(kuò)展，使之適用于相對(duì)于雷達(dá)運(yùn)動(dòng)角度范圍較大的機(jī)動(dòng)目標(biāo)。

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責(zé)任編輯 陳呈超

False Target Exclusion in Integration of Detection-and-Tracking for HFSWR

YIN Jun1，2,JI Yong-Gang2,LI Ming1

(1.College of Engineering,Ocean University of China,Qingdao 266100 China; 2.The First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061，China)

The dynamic programming algorithm can be used in the integration of detection-and-tracking for high frequency surface wave radar (HFSWR).However,the false targets,which are caused by noise or clutter,are difficult to be excludedwhen an inappropriate threshold value was chosen forthe dynamic programming algorithm.In this paper,the parametersaccuracyof HFSWR is alsoconsidered,and a false tracks exclusion methodis proposed based on the continuous characteristics of moving targets.The motion displacements of a real target calculated with the range information should be close to that estimated with theDoppler frequency shift in the(Range-Doppler，RD)spectrum,and the false targetsshould be excluded when the conditions is not satisfied.The comparison of the measured HF radar and synchronousAIS data show that the false targetscaused by the noise wereeliminated effectively,and the performance of real target tracking wasimprovedsignificantly.

high frequency surface wave radar (HFSWR); integration and detection-and-tracking; dynamic programming method; false target exclusion

海洋公益性行業(yè)科研專(zhuān)項(xiàng)項(xiàng)目(201505002)；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61671166)；中央高?；究蒲袠I(yè)務(wù)費(fèi)專(zhuān)項(xiàng)基金項(xiàng)目(2008T04)資助

Supported by Public Science and Technology Research Funds Projects of Ocean(201505002)；National Nature Science Foundation of China(61671166);the Fundamental Research Funds for the Central Universities(2008T04)

2016-09-15；

2016-12-11

尹俊(1992-)，男，碩士生。E-mail:15610538248@163.com

** 通訊作者：E-mail:jiyonggang@fio.org.cn

TN958.93

A

1672-5174(2017)02-014-08

10.16441/j.cnki.hdxb.20160217

尹俊，紀(jì)永剛，黎明.高頻地波雷達(dá)航跡一體化探測(cè)中的虛假目標(biāo)剔除方法[J].中國(guó)海洋大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2017,47(2):14-21.

YIN Jun,JI Yong-Gang,LI Ming.False Target exclusion in integration of detection-and-tracking for HFSWR[J].Periodical of Ocean University of China,2017,47(2):14-21.