基于时间相关性的海面小目标检测技术∗

司 军,赵中兴,吴 俭,2,洪 伟,陈永森

(1.中国船舶重工集团第七二三研究所,江苏扬州225001;2.海博威(江苏)科技发展有限公司,江苏扬州225001)

0 引言

在海用雷达应用环境中,暗礁、木质渔船等弱小目标隐匿在海杂波中难以探测,时常发生意外的撞击事故,给人民生命财产带来损失。因此,如何探测海面小目标已经成为海用雷达应用领域的研究热点[1-4]。

海面小目标探测的关键是抑制海杂波的同时保留目标信息。目前而言,国内外海用雷达技术日趋成熟,雷达频段一般覆盖范围为UHF波段～X波段,作用距离不等,但缺点集中体现在目标提取技术落后,即在信号处理中广泛采用脉冲间非相参积累技术,在目标回波强度弱于海杂波的条件下,探测性能不佳甚至失效,难以完成对小目标的监视。

针对这一问题,通常的改进方法集中在发射前端上,譬如提高发射信号带宽、增大天线孔径等,改进后在一定程度上提升了回波信杂比,但硬件成本太高,且目标探测效果提升有限。此外,学者们也在通过改进信号和数据处理技术来改善海面小目标探测效果,比如海杂波重构、知识辅助、检测前跟踪(Trace Before Detect,TBD)等[5-8],但上述技术目前仍停留在算法研究阶段,在实测环境下性能不佳,距离工程化应用还需要一定的时间。

本文提出了一种基于时间相关性的海面小目标检测技术,该技术利用了海杂波与目标在时间相关性上的差异,通过成组非相参积累级联杂波图迭代处理来抑制海杂波、增强小目标,并经自适应门限检测后完成目标提取。

1 海杂波的时间相关性

时间相关性是指同一个雷达距离单元上回波信号在时间测量上表现出的相似性,可通过分析目标和海杂波强度的自相关函数获得其相关系数和对应的相关时间,以获取目标和海杂波的时间相关性。

由于目标的回波强度主要受雷达发射功率、工作频率、极化方式、自身姿态等因素的影响,在雷达工作方式不变的条件下,海面小目标往往表现出较强的时间相关性,这是不可置否的。然而,海况和气象条件瞬息变化,海杂波的时间相关性较弱。

事实上,海面的后向散射特性与海情、风向、雷达频率、极化方式和入射角等因素息息相关。根据相关文献资料显示,起伏的海杂波信号由快起伏、慢起伏两个部分组成,快起伏部分由风的涟波形成,相关时间为4～8 ms;而慢起伏部分与海浪的结构相关,相关时间较长,为1～2 s。为了进行海杂波的时间相关特性验证,利用导航雷达平台在东海、黄海等多个海域进行长时间的X波段海杂波数据录取,录取条件如下:

(1)雷达距海平面高度:7.5 m

(2)温度:-5°～24°

(3)风速:0～12 m/s

(4)湿度:50%～85%

(5)海情:1～4级

该录取平台的信号带宽为5 Hz,海杂波相关系数的数学表达式为

式中,cov(x(T),x(T+t))表示同一距离单元中不同时刻海杂波幅度的协方差,Dx(T),Dx(T+t)表示海杂波幅度的方差。录取的海杂波数据分析显示:假定ρ=0.2为相关条件,海杂波幅度的相关时间约为8 ms。

从图1可以看出,I路、Q路相关系数差别不大,在主瓣区域,海杂波幅度的相关系数要略小于I/Q路的相关系数,在ρ≥0.2的范围内,相关系数随时间呈指数下降,当ρ＜0.2时,相关系数进入较长的衰减过程,但是波动范围较大,这时海杂波的时间相关性较弱。

图1 X波段海杂波相关时间

2 基于时间相关性的目标检测技术

根据第1节的分析结果,海杂波相关时间约为8 ms,故传统的脉冲间非相参积累处理无法有效抑制海杂波。倘若进行数据率在125 s以下的帧间积累方可实现海杂波抑制,能够有效提升回波信杂比,而普通海用雷达的最高转速为120 r/min,满足数据率的要求。鉴于以上因素,本节提出了基于时间相关性的海面小目标检测技术。

基于时间相关性的目标检测技术在信号处理阶段实现,包括成组非相参积累级联杂波图迭代和自适应门限检测两个部分,下面逐一进行阐述。

2.1 成组非相参积累级联杂波图迭代技术

成组非相参积累级联杂波图迭代技术首先在脉冲间进行成组非相参积累,然后通过杂波图迭代完成帧间积累,增强时间相关性强的目标回波,抑制时间相关性弱的海杂波,大大提升了回波信杂比,有利于海面小目标检测。

(1)成组非相参积累

成组非相参积累的实现方式是每个距离 方位单元内若干个脉冲的原始回波数据为一组进行非相参积累运算,作为该距离-方位单元内的脉冲积累数据。假定搜索空域划分为n个距离单元、m个方位单元,则成组非相参积累的数学表达式为

式中,Dn,m为距离-方位单元(n,m)内的脉冲积累数据,该距离-方位单元占有I个距离分辨单元和J个脉冲,xn+i,m+j为该距离-方位单元内第j个脉冲、第i个距离分辨单元上的原始回波幅值。

从式(2)不难看出,成组非相参积累首先进行距离分辨单元的回波幅值选大处理,以减小距离误差的影响,再进行若干个脉冲为一组的非相参积累运算。

(2)杂波图迭代

接下来,将距离-方位单元作为杂波图单元,对每个杂波图单元内的脉冲积累数据Dn,m进行杂波图迭代处理。杂波图迭代技术是美国学者Nitzberg在1986年提出的[9]。这种技术将雷达扫描空间分成有限个杂波图单元,根据多次扫描测量值获得杂波背景的强度估计,并根据新的和以前若干次扫描测量值的迭代来实现杂波图更新,作为当前杂波背景的强度估计,原理框图如图2所示。

图2 杂波图迭代技术原理框图

从图2可以看到,杂波图迭代采用一阶递归滤波器来实现,Dn,m为成组非相参积累处理后的脉冲积累数据,En,m为杂波图迭代处理后的帧间积累数据,其中加权系数ω的取值范围为0＜ω＜1。杂波图迭代的数学表达式如下:

将式(3)进行展开,得

式中,En,m(l)为杂波图单元(n,m)内第l次扫描得到的迭代处理结果,ω为加权系数,Dn,m(l)为该杂波图单元内第l次扫描的脉冲积累数据,是时变的。

事实上,在杂波图迭代处理的过程中,每个扫描周期内需要每个杂波图单元从乒乓缓冲存储器中读取以前若干个扫描周期的脉冲积累数据,最后输出杂波图迭代处理后的帧间积累数据到普通缓冲存储器中。

2.2 自适应门限检测器

在对原始回波数据进行成组非相参积累级联杂波图迭代处理后,形成二维杂波图数据平面。根据第1节所述,在真实海面环境下,海杂波幅度变化受气象条件、海况、雷达参数等因素影响,且不同扫描周期的海杂波与目标均存在时间相关性,造成杂波图数据平面中目标和海杂波起伏模型难以稳定描述,导致传统的参量或非参量CFAR检测器性能不佳,本小节提出一种适用于非均匀海杂波背景的自适应门限检测器。

自适应门限检测器采用非参量CFAR的思想,将被检测杂波图单元周围杂波(或噪声)的数据作为对杂波(或噪声)统计特性的某种估计,用来设置检测阈值。示意图如图3所示。

图3 自适应门限检测器示意图

在图3中以被检测杂波图单元A为中心,阴影部分的pq个杂波图单元作为检测窗,不参与背景杂波功率估计,目的是为了防止目标信号泄露到背景单元中影响杂波功率估计,包含P×Q个杂波图单元的空间区域内其他杂波图单元用来估计被检测杂波图单元A所在位置的背景杂波图功率。那么,第l次扫描的检测阈值DT(l)的数学表达式为

式中,C=PQ-pq,Ec为第l次扫描中被检测杂波图单元A周围参与背景杂波功率估计的第c个杂波图单元,K为修正系数。随着不同扫描周期杂波图数据平面的更新,阈值也在不断更新。

3 数据仿真与实测试验分析

本节首先通过仿真数据处理对成组非相参积累级联杂波图迭代算法进行验证,然后进行真实海面环境下的实测试验,以验证本文提出的基于时间相关特性的目标检测技术对海面小目标的探测性能。

3.1 数据仿真

根据意大利IPIX雷达设备参数进行数据仿真,原始海杂波数据的距离分辨率为15 m,距离单元28个,录取时间60 s,目标在第25个距离单元,信杂比约2 d B,如图4所示。

图4 原始数据

在该算法处理过程中,成组非相参积累脉冲数目J为2,杂波图迭代次数为16,即采用16个扫描周期的脉冲积累数据完成帧间积累,经非相参积累级联杂波图迭代算法处理后,目标回波显著增强,但在其他距离单元上,依然存在一些尖峰,如图5所示。

图5 成组非相参积累级联杂波图迭代处理结果

然后,对图5所示的数据平面进行杂波图自适应门限检测处理,得到如图6所示的数据结果,第25个距离单元上的小目标被提取出来。

图6 自适应门限检测后的结果

3.2 真实海面环境试验

本小节利用X波段导航雷达在黄海海域进行真实海面环境试验,根据第2节所述的信号处理技术来完成小目标探测性能验证,信号处理中的相关参数如表1所示。

表1 信号处理相关参数

试验条件如下:风力5～6级,海情可按3级估算,设备架高约为10 m,一艘RCS约为20 m2的木制渔船拖曳一个RCS约为0.05 m2的标准发射体作为探测目标,朝向远离雷达的方向自由航行。试验场景如图7所示。

图7 试验场景

常规的海杂波抑制技术是非相参积累,采用常规技术处理后,海杂波依然较多,渔船和小目标淹没在海杂波中无法识别,如图8所示的视频,渔船和标准发射体目标在方框内,方框表示视频录取波门,仅波门内的点迹数据被检测录取。

图8 常规技术处理后的视频

采用本文所采用的成组非相参积累级联杂波图迭代技术处理后,海杂波被完全抑制掉,杂波图迭代次数为16,如图9所示,方框中的强散射点即为渔船和标准反射体目标,方框外的其他散射点为渔网、航灯等固定目标。

图9 本文技术处理后的视频

综上所述,采用本文提出的技术进行对海探测,能够改善传统雷达信号处理方法的缺点,海杂波几乎被完全抑制掉,隐匿其中的小目标能够被正确提取。

4 结束语

本文针对海面环境下的小目标探测问题,分析了传统海用雷达的缺陷与不足,提出了一种基于时间相关特性的海面小目标检测技术,尤其是成组非相参积累级联杂波图迭代技术,仅通过改进后端的信号处理方法来实现海杂波抑制与目标信息提取。数据仿真与外场实测试验结果均证实了该技术的可行性和有效性,能够很好地完成海面小目标检测。

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