雙站緊湊型地波雷達海上目標航跡融合探測*

紀永剛,張 杰,楊啟松,王祎鳴,于長軍,孫偉峰

(1.自然資源部第一海洋研究所,山東 青島 266061;2. 哈爾濱工業(yè)大學(威海),山東 威海 264209; 3. 中國石油大學(華東),山東 青島 266580)

高頻地波雷達是海上船只目標大范圍連續(xù)跟蹤監(jiān)測的主要手段,可超視距探測海上目標,實時給出目標運動航跡[1-3]。相對于大型陣列式雷達,小陣列的緊湊型地波雷達占用場地小、功耗低,可以節(jié)省稀缺的海岸資源,因此，更容易推廣應用。但緊湊型地波雷達由于天線孔徑減小和天線小型化等原因,目標測向和跟蹤性能降低,難以實現(xiàn)目標的精確定位。為減少高頻地波雷達的陣列尺寸,提高緊湊型地波雷達探測性能,國內外開展了MIMO、分布式等新體制地波雷達及天線小型化方面研究[4-7]以及發(fā)展適合于緊湊型地波雷達的檢測跟蹤一體化方法[8-9],提高單站緊湊型地波雷達的航跡跟蹤性能。且國內外多個研究單位利用便攜式緊湊型地波雷達開展了目標探測研究[10-16]。

利用多站提供的多方位目標觀測,可以克服單站單一觀測方位上目標跟蹤中的目標航跡缺失或斷裂問題，而且還可以通過融合多方位的目標探測信息提高緊湊型地波雷達目標空間定位精度。目前，國內外開展的多站(每個站可獲取一個觀測方位信息)地波雷達目標融合探測[17-20],多采用檢測級的點跡融合,再利用融合點跡形成航跡,且相關研究主要是針對大型陣列式地波雷達。對于小陣列緊湊型地波雷達,弱信號的檢測困難會增大目標的虛警率和漏檢率,難以給出有效可靠的點跡結果,而且較低的點跡測向精度增加了多方位點跡的關聯(lián)難度,即難以判別不同方位探測的目標結果是否為同一目標,甚至出現(xiàn)錯誤關聯(lián)的情況,致使無法做到有效的多方位信息融合。相對于點跡關聯(lián),雙站航跡關聯(lián)是在單站航跡跟蹤處理后,可減少單個時刻點跡錯誤關聯(lián)的概率,充分利用多時刻的目標信息,因此,多方位的航跡融合關聯(lián)和融合處理更具可靠性。近幾年,基于航跡關聯(lián)和融合已開展相關研究[21-23],主要開展了仿真分析,還未有實測數(shù)據(jù)的驗證。

1 雙站地波雷達目標航跡關聯(lián)方法

1.1 地波雷達探測目標航跡模型

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1.2 地波雷達目標航跡全局最優(yōu)關聯(lián)方法

為實現(xiàn)雙站地波雷達目標航跡融合探測,首先，需要實現(xiàn)兩個站點目標航跡的關聯(lián)。雷達站1的某一條目標航跡可能與雷達站2的多條航跡關聯(lián),反之亦然。為實現(xiàn)雙站地波雷達目標航跡的全局最優(yōu)關聯(lián),本文將拍賣算法引入雙站地波雷達目標航跡關聯(lián)中,下面是基于序貫相似度雙站航跡與航跡關聯(lián)步驟。

步驟1:雙站航跡粗關聯(lián),即利用兩個站點的航跡數(shù)據(jù),利用公式(2)得到兩個雷達站的航跡的可關聯(lián)航跡集。

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上式表示雷達站1第i條航跡與雷達站2第j條航跡中的目標點跡沿x軸和y軸方向滿足的粗關聯(lián)準則,其中R為雷達站1與雷達站2沿x軸和y軸方向的定位誤差,與目標在兩個雷達站中所在空間位置的空間幾何定位精度有關,mi為在某一概率下的關聯(lián)門限值。在雙站航跡粗關聯(lián)處理中,依次遍歷所有航跡,當它們滿足粗關聯(lián)準則時,相關結果均放入關聯(lián)航跡集中。

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步驟3:構建相同時刻點跡的相似度關聯(lián)矩陣,然后利用拍賣算法等全局最優(yōu)關聯(lián)方法,實現(xiàn)對相同時刻雙站雷達航跡中點跡的關聯(lián),確定它們的關聯(lián)結果。

步驟4:基于步驟3得到的多個時刻點跡最優(yōu)關聯(lián)結果,構建雷達站1與雷達站2目標航跡之間的序貫相似度關聯(lián)矩陣Se,即

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其中,cij為某一時刻雷達站1第i條航跡與雷達站2第j條航跡之間的序貫相似度。其計算公式為

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步驟5:再次利用拍賣算法等全局最優(yōu)算法,得到雙站地波雷達目標航跡的關聯(lián)結果。

步驟6:采用兩個站點關聯(lián)的航跡,利用公式(6)進行相同時刻點跡的融合處理,最終得到雙站融合后的點跡。

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2 航跡關聯(lián)方法仿真分析

本文采用我國渤、黃海海域的實測AIS數(shù)據(jù)仿真地波雷達目標航跡,時間在2019年4月29日,目標航跡范圍為120.4°～122.3°和37.6°～38.8°,目標航跡最長長度為150 min,航跡數(shù)量為138條。兩個雷達站位置分別在煙臺和威海。AIS船只航跡及雷達站位置如圖1所示。

圖1 AIS船只航跡分布圖

假設兩個雷達的目標探測精度相同,利用AIS數(shù)據(jù)仿真緊湊型地波雷達目標跟蹤航跡的條件:目標徑向距離測量誤差標準差為±1.0 km,測向誤差標準差為±3°,徑向速度測量標準差為±0.7 km/h。上述選用的誤差都是基于實測地波雷達目標探測精度統(tǒng)計出來的?；趯崪yAIS數(shù)據(jù)可先得到增加了各種誤差后的目標航跡,再采用UKF方法對每條目標航跡做濾波處理,給出仿真地波雷達目標航跡跟蹤結果,結果分別見圖2和圖3。其中,藍色表示站點1的目標航跡,紅色表示站點2的目標航跡,綠色為AIS航跡。

圖2 濾波前目標航跡仿真結果

圖3 濾波后目標航跡仿真結果

基于濾波后的兩個站點地波雷達目標航跡結果,利用本文提出的雙站地波雷達航跡關聯(lián)和融合方法,得到雙站航跡關聯(lián)結果,見圖4所示。

圖4 雙站航跡關聯(lián)結果

作為比較,文中給出了基于航跡中某一時刻點跡信息的雙站目標關聯(lián)結果,見圖5。圖6是在不同時刻目標航跡和點跡關聯(lián)概率統(tǒng)計結果。

圖5 雙站目標點跡關聯(lián)結果

圖6 不同時刻目標航跡和點跡關聯(lián)概率統(tǒng)計

從圖6可以看出,從第25個時刻開始,基于航跡的雙站地波雷達目標關聯(lián)概率可達90%以上,而基于點跡信息的關聯(lián)概率大部分在70%左右。需要說明的是,本文基于雙站點跡關聯(lián)中使用的點跡是選用目標航跡中某一時刻的點跡信息,而不是直接采用實際地波雷達的點跡檢測結果。航跡中的目標點跡,經(jīng)過了航跡跟蹤處理過程,大部分虛假的點跡已經(jīng)被剔除,僅保留了已被判別為真實船只目標的信息。因此,如果直接采用地波雷達目標的點跡信息,則雙站目標的關聯(lián)概率會明顯降低,效果更差。

基于雙站地波雷達航跡關聯(lián)結果,圖7給出了雙站地波雷達目標航跡融合結果。圖8給出了圖7中紅框位置的具體目標航跡及融合前兩個站點的關聯(lián)航跡。

圖7 雙站地波雷達目標航跡融合結果

圖8 目標航跡融合結果個例

圖9 目標航跡個例融合前的結果

可以看出,基于關聯(lián)結果得到的融合后航跡與原始的AIS信息基本一致,定位精度誤差較融合前兩個站點的航跡有明顯改善。通過雙站地波雷達目標航跡的關聯(lián)和融合處理,提高了緊湊型地波雷達的目標定位精度。

3 實測數(shù)據(jù)驗證和分析

實測實驗數(shù)據(jù)采用項目研究團隊在2019年1月的雙站地波雷達目標探測實驗數(shù)據(jù)。實驗地波雷達系統(tǒng)采用研制的雙站小陣列緊湊型地波雷達,發(fā)射機最大發(fā)射功率是500 W;接收站5陣元。兩部雷達分別布放在煙臺和威海,其具體位置及目標航跡探測結果分別見圖10和圖11。

圖10 站點1的目標航跡結果

圖11 站點2的目標航跡結果

基于本文提出的雙站地波雷達目標航跡關聯(lián)和融合處理方法,圖12給出了部分與AIS同步的關聯(lián)和融合處理結果。其中藍色表示站1航跡結果,黑色為站點2,紅色為融合后結果,綠色為同步的AIS結果。

圖12 雙站航跡關聯(lián)與融合結果

圖13和圖14給出了兩個目標船只個例的結果以及關聯(lián)前和融合處理后目標航跡中點跡與同步AIS的距離誤差統(tǒng)計分布。其中,第一個目標距站點1的距離大約在40 km,距站點2的距離大約70 km,實測AIS航跡位于兩個站航跡的中間,雙站融合結果與同步AIS的距離誤差大部分小于2 km,小于融合前兩個站的誤差。第二個目標點距站點1的距離大約在45 km,距站點2的距離大約20 km。但與第一個目標明顯不同的是,此時兩站測量航跡都在真實AIS航跡同一側,此時雙站融合航跡誤差介于兩站航跡的中間。出現(xiàn)此類情況,其主要原因是兩個雷達站存在的系統(tǒng)誤差不同,因而對同一個目標的測向誤差不同導致的。圖15給出了目標1的船只的照片,此船為貨船,MMSI為414163000,呼號BFAY7,船長225 m,船寬32 m。

圖13 兩個船只目標的航跡關聯(lián)和融合結果

圖14 兩個船只目標的融合前后的誤差統(tǒng)計

圖15 船只目標照片

圖16給出了所有兩個站點關聯(lián)和融合航跡的誤差統(tǒng)計結果,包括誤差平均值和標準差的統(tǒng)計結果?？梢钥闯?融合后航跡的誤差平均值大部分小于兩個站點的誤差,而融合后航跡的標準差介于兩個站點航跡的誤差之間。

圖16 所有目標的誤差統(tǒng)計結果

需要說明的是,圖13所示的基于實測地波雷達數(shù)據(jù)的融合航跡結果,與圖8所示的仿真結果的融合航跡結果還有一定的差別。由于兩個站點的雷達系統(tǒng)所處位置及周邊環(huán)境不同,導致兩個雷達系統(tǒng)對目標的探測精度等會存在不同程度的差別,因此，會導致基于實測數(shù)據(jù)的雙站融合結果誤差更大一些。

4 結束語

本文開展了基于航跡信息的雙站緊湊型目標關聯(lián)和融合方法研究,提出了基于序貫相似度的雙站緊湊型地波雷達目標航跡最優(yōu)化關聯(lián)方法。通過仿真分析表明,對于測向精度較低的緊湊型地波雷達,雙站目標航跡關聯(lián)概率可達90%以上,明顯優(yōu)于基于點跡信息的關聯(lián)結果,通過雙站關聯(lián)后融合結果的誤差也低于兩個站點融合前的誤差。最后,利用2019年開展的雙站緊湊型地波雷達的實際探測數(shù)據(jù)對本文方法進行了驗證,給出了雙站關聯(lián)和融合結果的誤差分析。

需要說明的是,目前論文重點介紹了雙站航跡關聯(lián)方法,初步給出了雙站融合結果。文中對于雙站融合處理及分析還不深入,實際上單站的航跡跟蹤結果以及兩個站點存在的系統(tǒng)誤差的差異都會影響雙站關聯(lián)航跡的融合結果。此外,目前分析的雙站都是T/R體制的,兩個站點的航跡跟蹤、雙站關聯(lián)和融合基本一致,而T/R-R體制的地波雷達相對于T/R-T/R的雙站關聯(lián),需要進一步分析T-R雙基地的跟蹤及與T/R站的關聯(lián)和融合方法,我們將在以后的工作中深入研究。