基于弧段检测的高频地波雷达特定目标航迹跟踪方法研究

张 玲, 刘 旭, 姜 義, 纪永刚



基于弧段检测的高频地波雷达特定目标航迹跟踪方法研究

张 玲1, 刘 旭1, 姜 義1, 纪永刚2

(1. 中国海洋大学 工程学院, 山东省高校海洋机电装备与仪器重点实验室, 山东 青岛 266100; 2. 国家海洋局第一海洋研究所, 山东 青岛 266061)

本文对现有的高频地波雷达目标跟踪方法进行了概述, 提出了一种地波雷达目标长时连续跟踪的方法, 基本思想是: 充分挖掘航迹弧段特征, 基于特征对船只运动建模, 并结合杂波背景进行融合决策。进一步, 为了达到长时间连续跟踪的需求, 借鉴深度学习的思想, 利用新获取的弧段数据对算法估计结果不断递归校正, 使得随着获取数据的增加跟踪越准确。该方法适用于杂波环境且在航道附近存在众多干扰船只的情况下对机动目标航迹的实时稳定跟踪, 为高频地波雷达在复杂干扰环境下特定目标持续跟踪提供理论基础和方法指导, 为充分发挥地波雷达在海上监视监测中的作用提供技术支撑。

高频地波雷达; 目标跟踪; 目标检测; 船只航迹; 弧段检测

高频地波雷达由于具有超视距、监测面积大、全天候等优点, 在监测我国专属经济区、维护国家权益方面具有重要作用, 具有早期预警并实时跟踪特定船只的能力[1-3]。地波雷达工作在复杂干扰环境中, 存在着电离层、海杂波、地杂波和射频干扰等有色噪声和非平稳干扰等噪声成分。如何在复杂干扰环境中有效地检测并持续跟踪到感兴趣的特定船只目标是地波雷达信号处理中需要解决的关键问题, 这个问题的解决可以充分发挥地波雷达的全方位优势, 对于地波雷达海上目标实时探测至关重要。在高频地波雷达船只目标航迹跟踪方面, 大体方法可分为三类: 分别是基于船只运动模型的方法、不基于模型的方法和两种相结合的方法。

但是传统的地波雷达船只航迹跟踪方法都存在一些缺点, 很难用于目标连续实时跟踪, 需要发展一种新的适用于复杂干扰环境下船只航迹的稳定实时跟踪方法, 以解决目前地波雷达船只持续跟踪的难题。本文的主要工作是对目前高频地波雷达目标探测领域的研究现状和几种典型方法进行讨论分析, 并对目标探测方面的新方法和待解决的问题进行总结和展望。

1 高频地波雷达

高频地波雷达利用短波(3~30 MHz)在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点, 采用垂直极化天线辐射电波, 能超视距探测海平面视线以下出现的舰船、飞机、冰山和导弹等运动目标, 作用距离可达300 km以上。同时, 高频地波雷达利用海洋表面对高频电磁波的一阶散射和二阶散射机制, 可以从雷达回波中提取风场、浪场、流场等海况信息, 实现对海洋环境大范围、高精度和全天候的实时监测。

目前, 加拿大、美国、德国、俄罗斯和日本等国家都开展了高频地波雷达系统的研制。比较典型的是由雷声公司与加拿大国防部联合研制的SWR-503岸基高频表面波雷达。国内, 哈尔滨工业大学在大型阵列式雷达系统方面、武汉大学在便携式雷达方面、西安电子科技大学在地波雷达信号处理方面、国家海洋局第一海洋研究所在地波雷达集成应用方面相继开展了广泛的研究。

各个单位在雷达的体系结构, 软硬件系统方面积累了相当的基础, 并建设了多个实验场, 基于实验场开展了目标跟踪、海态反演等研究, 以期实现高频地波雷达的业务化目标。例如哈工大在威海搭建了高频地波雷达试验场, 并且已经投入运行, 如图1所示。

2 高频地波雷达航迹跟踪方法

在高频地波雷达船只目标航迹跟踪方面, 学界提出了一些方法, 大体可分为三类: 分别是基于船只运动模型的方法、不基于模型的方法和两种相结合的方法。

2.1 基于模型的方法

基于模型的船只目标航迹跟踪方法需要已知船只运动模型, 然后基于回波数据对船只运动的位置、速度等参数进行估计, 从而得到船只运动轨迹。文献[4-8]提出了基于概率假设密度的方法, 该方法存在的问题是算法只给出了目标存在的概率信息, 需要进一步结合峰值检测及航迹提取才能得出目标的航迹信息。文献[9-10]提出了基于粒子滤波的方法, 但该类方法概率密度函数不容易确定, 需要大量的采样近似计算, 对于非高斯问题需要采取近似方法, 精度受损。基于模型的这类方法存在一个难点是模型需要事先假定已知, 而在实际应用中, 船只模型很难确定。因此, 就需要对船只运动做些限定, 例如匀速运动、匀加速运动、变加速运动等, 这在实际应用中很受限制。目前提出的船只运动模型都需要严格的假定条件, 而地波雷达探测的是一片海域, 存在众多船只的多种运动形式, 仅靠一个模型很难刻画, 即使基于多目标联合建模手段估计出一些船只的航迹, 还需要进一步判断才能提取出特定船只的航迹信息。

2.2 不基于模型的方法

不基于模型的方法常用的有最近邻、聚类等[11-16], 在检测出点迹的基础上利用最近邻等规则设定距离、速度等波门, 在波门内的点即认为是一个航迹。文献[17-19]提出的动态规划法也不基于运动模型, 对雷达回波数据形成的R-D谱上特定距离-多普勒单元进行幅值累加, 然后取阈值判断是否构成船只航迹。不基于模型的方法缺点是: 如果周围有多个点容易关联错误; 适合高斯白噪声环境, 而海洋观测环境中除了高斯白噪声, 还存在非高斯、非平稳噪声; 船只机动, 即速度突变情况下跟踪存在困难。为了提高跟踪性能, 最近邻法通常还要与其他方法相结合, 归结为第三类方法。

2.3 两者相结合的方法

单纯的基于模型和不基于模型都存在缺陷, 因此, 有文献提出结合两者的优点来对单一算法进行改进。例如, 最近邻与其他方法相结合的一类方法, 最近邻与运动模型相结合[20-22]及最近邻与联合概率数据互联相结合的方法[23]。该类方法在船只目标机动性不强且没有太多干扰船只存在的情况下有较好的跟踪效果, 否则容易出现关联错误或航迹断裂, 反映在船只目标上就是特定目标跟踪错误或丢失, 即目标的持续跟踪存在困难, 所以该类方法在复杂干扰环境下跟踪性能不稳定, 实际应用中存在很大局限。

2.4三种方法的比较

将三种方法的局限性进行比较, 结果见表1。