《一種高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤方法和裝置》是哈爾濱工業大學於2011年7月11日申請的發明專利，該專利的申請號為2011101961089，公布號為CN102879766A，公布日為2013年1月16日，發明人是權太范、許榮慶、張新潮、於長軍、周共建、楊強，該專利涉及雷達領域。
《一種高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤方法和裝置》提供了一種高頻地波雷達海浪回波非線性動力學特徵的弱目標檢測跟蹤方法，包括以下步驟：實時記錄回波信號的中頻數據；對消衝擊干擾和回波的一階譜數據；建立海浪回波的混沌動力學預測模型；以及執行弱目標檢測跟蹤，其中，對消的步驟包括：對中頻數據進行距離變換和速度變換，在速度譜域上用樣條小波濾波器剔除衝擊干擾，並用重構吸引子的軌跡矩陣方式剔除強海雜波。此外，該發明還提供了一種高頻地波雷達海浪回波非線性動力學特徵的弱目標檢測跟蹤裝置。
2018年12月20日，《一種高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤方法和裝置》獲得第二十屆中國專利銀獎。
（概述圖為《一種高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤方法和裝置》摘要附圖）
基本介紹
- 中文名：一種高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤方法和裝置
- 公布號：CN102879766A
- 公布日：2013年1月16日
- 申請號：2011101961089
- 申請日：2011年7月11日
- 申請人：哈爾濱工業大學
- 地址：黑龍江省哈爾濱工業大學338信箱電信院電子所
- 發明人：權太范、許榮慶、張新潮、於長軍、周共建、楊強
- 分類號：G01S7/292（2006.01）I
- 代理機構：北京德恆律師事務所
- 類別：發明專利
- 代理人：陸鑫、高雪琴
專利背景,發明內容,專利目的,技術方案,附圖說明,權利要求,實施方式,榮譽表彰,
專利背景
大海無邊無際，寬闊無量，隱藏著無窮的秘密。高頻無線電海浪回波非線性動力學特徵研究吸引著眾多的科學家。尤其是高頻雷達的問世，促進了高頻無線電海洋學新領域的發展。高頻無線電海洋回波具有哪些特徵？如何提取高頻無線電海浪回波非線性動力學特徵？如何套用上述特徵構造基於高頻無線電海浪回波非線性動力學特性的弱目標檢測跟蹤方法，這是2011年7月前，中國國內外尚沒有開展的、具有挑戰性的發明課題，是《一種高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤方法和裝置》要解決的問題。高頻雷達工作在十分擁擠的短波段，因而高頻無線電海浪回波完全不同於微波海浪回波，它是結構十分複雜的非線性信號。高頻海浪回波特性的研究主要集中在海浪回波頻譜分析上，主要有兩種模式，一種是Barrick等建立的半理論半經驗模型，另一種是Khan等建立的自適應時間序列模型。Barrick模型很難實時建模。而且在海洋非線性作用增強時，模型的偏差會顯著增大。Khan方法實時性較好，但對於高階分量無能為力。這是因為高頻海浪回波決不僅僅是簡單線性時變模型，背景噪聲也不是簡單的高斯噪聲。
在強海雜波背景下高頻地波雷達弱信號檢測是2011年7月前在國際上尚沒有得到解決的，而且十分關注的課題。高頻地波雷達目標檢測和海態遙感方法都是依據高頻電波與海洋表面作用的Bragg諧振理論和一階、二階散射理論進行檢測的，因而這種方法無法檢測淹沒在一階和二階強海雜波頻譜背景下的弱目標。
發明內容
專利目的
《一種高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤方法和裝置》依據高頻無線電海浪回波非線性動力學特性，建立高頻海浪回波混沌模型，並利用混沌海雜波的時間空間相關性和其他混沌拓撲特徵進行海雜波的預測，從而在海浪回波中剔除強海雜波，最終實現淹沒在強海雜波背景下的弱目標的檢測。《一種高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤方法和裝置》將為解決高頻地波雷達在強海雜波背景下弱目標檢測跟蹤提供新的可行的方法。
技術方案
《一種高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤方法和裝置》提供了一種高頻雷達弱目標檢測跟蹤方法，包括以下步驟：實時記錄回波信號的中頻數據；對消衝擊干擾和回波的一階譜數據；建立回波的海浪混沌動力學預測模型；以及執行弱目標檢測跟蹤，其中，對消的步驟包括：對中頻數據進行距離變換和速度變換，在速度譜域上用樣條小波濾波器剔除衝擊干擾，並用重構吸引子的軌跡矩陣方式剔除回波的強海雜波。
其中，用前後回波數據來填補被剔除的數據。其中，實時記錄是通過使用fpga10k數據採集板完成的。其中，建立的步驟包括：從相空間的角度建立回波的海浪混沌動力學預測模型，對消海浪回波。其中，執行弱目標檢測跟蹤的步驟包括：執行基於回波信號分維數特徵的弱目標檢測跟蹤。其中，重構吸引子大於或等於約6.01、並且小於或等於約8.12的分數維。
此外，該發明還提供了一種高頻雷達弱目標檢測跟蹤裝置，包括：記錄模組，用於實時記錄回波信號的中頻數據；對消模組，用於對消衝擊干擾和回波的一階譜數據；模型建立模組，用於建立回波的海浪混沌動力學預測模型；以及執行模組，用於執行弱目標檢測跟蹤，其中，對消模組用於對中頻數據進行距離變換和速度變換，在速度譜域上用樣條小波濾波器剔除衝擊干擾，並用重構吸引子的軌跡矩陣方式剔除回波的一階譜數據。
其中，用前後回波數據來填補被剔除的數據。其中，實時記錄是通過使用fpga10k數據採集板完成的。
附圖說明
圖1示出了根據該發明的原理框圖；
圖2示出了根據該發明實施例的高頻無線電海浪回波數據的獲取過程；
圖3示出了根據該發明實施例的海雜波預測和對消過程示意圖；
圖4示出了根據該發明實施例的高頻海浪回波海浪混沌預測對消和分形檢測的弱目標檢測跟蹤流程圖；
圖5示出了根據該發明實施例的對消衝擊干擾後的回波信號頻譜；
圖6-8示出了根據該發明實施例的剔除海浪一階譜和衝擊干擾後回波的某個距離門混沌信號特徵；
圖9示出了根據該發明實施例的用海浪混沌動力學預測對消海雜波後的相應的對消結果；
圖10示出了經預處理後的實際雷達系統回波信號分維數變化曲線；以及
圖11示出了實際系統航跡處理結果。
權利要求
1.一種高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤方法，其特徵在於，包括以下步驟：實時記錄回波信號的中頻數據；對消衝擊干擾和所述回波的海浪一階譜數據；建立所述回波的海浪混沌動力學預測模型；以及執行弱目標檢測跟蹤；其中，所述對消的步驟包括：對所述中頻數據進行距離變換和速度變換，在速度譜域上用樣條小波濾波器剔除衝擊干擾，並用重構吸引子的軌跡矩陣方式剔除所述回波信號中的強海雜波；其中，所述建立的步驟包括：利用經小波正交濾波補償和多尺度拓撲結構變換後的數據，從相空間的角度建立所述回波的海浪混沌動力學預測模型，對消海浪回波；其中，所述執行弱目標檢測跟蹤的步驟包括：執行基於經小波正交濾波補償和多尺度拓撲結構變換後的回波信號分維數特徵的弱目標檢測跟蹤。
2.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，用前後回波數據來填補被所述剔除的數據。
3.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述實時記錄是通過使用fpga10k數據採集板完成的。
4.根據權利要求1所述的方法，其特徵在於，所述重構吸引子大於或等於約6.01、並且小於或等於約8.12的分數維。
5.一種高頻雷達弱目標檢測跟蹤裝置，其特徵在於，包括：記錄模組，用於實時記錄回波信號的中頻數據；對消模組，用於對消衝擊干擾和所述回波的強海雜波；模型建立模組，用於建立所述回波的海浪混沌動力學預測模型；以及執行模組，用於執行弱目標檢測跟蹤，其中，所述對消模組用於對所述中頻數據進行距離變換和速度變換，在速度譜域上用樣條小波濾波器剔除衝擊干擾，並用重構吸引子的軌跡矩陣方式剔除所述回波的一階譜的海雜波。
6.根據權利要求7所述的裝置，其特徵在於，用前後回波數據來填補被所述剔除的數據。
7.根據權利要求5所述的裝置，其特徵在於，所述實時記錄是通過使用fpga10k數據採集板完成的。
實施方式
該發明目的是針對高頻地波雷達在強海雜波背景下弱目標檢測跟蹤問題，提供基於高頻無線電海浪回波非線性動力學特性的弱目標檢測跟蹤方法，主要包括高頻無線電海浪回波獲取、多卜勒時域上的海浪信息的提取、海浪回波非線性動力學特徵以及基於高頻無線電海浪回波非線性動力學特性的弱目標檢測跟蹤。該發明的核心一是在多卜勒域上如何剔除衝擊干擾和一階譜海浪信息；二是如何套用高頻無線電海浪回波非線性動力學特性建立海浪預測模型，把強海雜波背景下的目標檢測跟蹤轉化為弱雜波背景下的檢測跟蹤問題，從而實現高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤。
該發明理論依據有兩點：一是高頻無線電海浪回波數據經預處理後具有混沌特徵，因而對海雜波可進行預測，進而根據海浪預測模型在回波信號中可對消海雜波（即海浪信息）；二是海面屬於複雜的粗糙面，其表面是在大尺度的近似周期性的波浪上疊加小尺度的波紋，具有大尺度相關而小尺度相似的分形特性，因而可利用回波信號的分維數特徵進行目標檢測。該發明基本原理首先套用信號在不同小波尺度上的拓撲特徵剔除異常信號（如突變、衝擊），用重構吸引子的軌跡矩陣方法剔除一階譜信號，並用前後向預測器方法擬補被剔除的部分。這一步把非平穩信號轉化為平穩信號，然後針對不同結構時間序列建立不同分量的模型，並用該模型對消回波信號中的強海雜波，最終實現在一般雜波背景下的弱目標檢測跟蹤。圖1表示了該發明的基本原理框架。
所述的高頻無線電海浪回波數據的獲取過程如圖2所示。其中t11-t1m表示第一個掃頻周期的時域採樣數據，整個記錄過程一共有n個掃頻周期，每個掃頻周期按時間順序排列構成一個二維數組。每經過一個積累周期，對每個距離門的數據再做一次速度處理。對每一行數據作距離變換，則數組的每一行變為距離單元，每一列數據是對應距離單元上的多卜勒時域數據。這時速度譜與回波信號的都卜勒頻率相對應。即獲得的多卜勒時域數據就是經2維FFT信號處理後的數據再經剔除衝擊干擾和一階譜海浪信息後得到的高頻地波雷達海浪回波數據。
所述的高頻無線電海浪回波非線性動力學特徵提取方法，因為高頻地波雷達電磁環境背景十分複雜，除了目標回波和海浪回波，還包括大氣噪聲以及雷電等衝擊干擾，這就需要對數據進行分選和預處理。該發明首先用樣條小波濾波方法剔除衝擊干擾。另一方面，高頻地波雷達海浪回波中一階諧振分量確定性非常強，而且是海浪回波的主要成分，呈現出一種類似正弦的周期特性，從而掩蓋回波的非線性特性，所以再用重構吸引子的軌跡矩陣方法剔除海浪回波的一階譜的海雜波信號，從而獲得剔除衝擊干擾和一階海浪譜信息的高頻地波雷達海浪回波，並把被剔除的數據段用原始回波信號的前後外推數據填補，最後送到非線性動力學特徵提取模組。具體方法是首先依據互動信息第一個最小點的延遲時間確定重構延遲時間，採用P.Grassberger的快速算法計算關聯維數，然後用嵌入維數和延遲時間重構相空間，最後採用Jacobian方法計算海雜波的Lyapunov指數和可預測性度量。若重構吸引子具有6.01～8.12左右的分數維，0.104左右最大LYapunov指數，1.24左右的Kaplan-York維數，並具有短期可預測，則說明高頻無線電海浪回波混沌非線性動力學特徵提取正確，反之說明剔除一階譜和衝擊干擾方法不正確，需要重新進行一階譜和衝擊干擾剔除。
所述的基於高頻無線電海浪回波非線性動力學特徵的海雜波對消，建立在海浪回波混沌動力學預測模型的海雜波的對消。該發明套用相空間重構的理論構造混沌時間序列模型。這種相空間重構的基本思想是：系統中的任一分量的演化都是由與之相互作用著的其它分量所決定的。因此這些相關分量的信息就隱含在任一分量的發展過程中，為了重構一個“等價”的狀態空間，只需考察一個分量，並將它在某些固定的時間延遲點（比如一秒前、兩秒前等）上的測量作為新維處理，即延遲值被看成新的坐標。它們確定了某些多維狀態空間上的一點。然後再運用其它方法來檢驗這些點是否存在於一個混沌吸引子上。因該發明的海浪混沌動力學建模預測的方法是從相空間的角度完成建模，對於海雜波和小幅度正弦信號的預測精度不同，所以預測誤差中小信號的信噪比會提高。但是小目標信噪比的改善隨著目標的幅度和目標與其他信號的位置關係的不同而不同。多卜勒頻率靠近一階譜時，目標信噪比得到明顯改善。
設
，s（k）為目標信號，n（k）為海雜波。若n（k）為混沌過程，滿足如下模型：
其中，m為嵌入維數，τ為延遲時間。
則有：
（2）
其中，
設可以得到f0的逼近為
，則
為誤差信號。其中，
。
圖3表示對消演變過程。其中，x（n）為實測數據，c（n）為潛在混沌動力過程f0的一個觀測過程，
為在f0的逼近模型下x（n）的預測值。
所述的基於高頻無線電海浪回波非線性動力學特徵的弱目標檢測跟蹤方法，如圖4所示。這裡海雜波分類模型包括剔除衝擊干擾和海浪一階譜信號後的混沌信號預測器。實際海浪回波信號與預測信號相減後得到新的檢測背景，即把強海雜波背景下的目標檢測跟蹤轉化為弱雜波背景下的目標檢測跟蹤問題，從而可實現弱目標檢測跟蹤。另一方面，除了基於混沌預測模型的弱目標檢測跟蹤外，該發明還啟用了基於回波信號分形特徵的弱目標檢測跟蹤。關於回波信號分形特徵的提取，基於如下兩個基本事實：一是海面可以分成滿足各假設且具有相同分形特徵的分形曲面M個，每個曲面都滿足採用基爾霍夫解分析其電磁散射的條件；二是每個分形曲面的起伏均方高度較小，可以忽略曲面內部多次散射和遮擋效應，曲面中各點入射角、觀察點的距離和方位角相同。該發明依據回波信號的分形分維數的不同，檢測跟蹤弱目標。該發明通過回波信號分形分維數變化特徵來進行弱目標檢測跟蹤。
該發明是在高頻地波雷達系統進行的。高頻地波雷達是多卜勒雷達，主要部分包括：對數周期發射天線、單邊帶短波發射機、接收天線陣、接收機、激勵機、數位訊號處理機、數據處理機，發射偽隨機碼調幅的FMICW信號。
第一步：回波信號的中頻數據實時記錄
首先構造數據記錄設備。數據記錄子系統可使用fpga10k數據採集板，完成多通道中頻數據採集。採集後的數據快取在數據採集板所配備的處理器的記憶體中。
第二步：對消衝擊干擾和海浪回波的一階譜
把錄取的數據進行距離變換和速度變換後，在速度譜域上用樣條小波濾波器剔除衝擊干擾，用重構吸引子的軌跡矩陣方法剔除海浪回波的一階譜數據。被剔除的數據段用前後回波數據來填補。
設矩陣X＝[X1，X2，...，XN]為重構吸引子的軌跡矩陣。則X的協方差矩陣為：
（1）
有
其中，
為θ的特徵值，
為θ的特徵向量。
將從大到小排列有：
。{ci}構成一組標準正交基。取較大的特徵值對應的特徵向量，即信號所對應的特徵向量。比如
對應的特徵向量矩陣：C1＝[c1，...，cm]，其中m＜d。取信號X在這幾個特徵向量上的投影，則所得到的新軌跡向量y1，...，yN信噪比增大，達到剔除一階譜的效果。
第三步：混沌動力學預測模型對消海浪回波
從相空間的角度建海浪回波混沌動力學預測模型，對消海浪回波。首先把一組已知數據進行相空間重構。為預測下一個值，找出與最後一點最相近的點，並把最近點的下一點的值作為預測值。
第四步：目標檢測跟蹤
由於通過前面步驟已把強海雜波背景下的目標檢測跟蹤轉化為弱雜波背景下的目標檢測跟蹤問題，因此可以用傳統的檢測方法進行弱目標檢測跟蹤。同時為彌補傳統方法的不足，進行基於回波信號分維數特徵的弱目標檢測跟蹤。設某一掃頻周期有M個距離門（R1，R2，…，RM），在每一個距離門內計算分維D1，D2，…DM，將得到的分維Di按距離門順序連線而成一條曲線，如果曲線的局部極小點或它的相鄰點與這個點相鄰兩點中至少一點的分維值相差不小於某一門限（不同的數據門限是不一樣的），則判定該距離門內有動目標。
該發明高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤非常有效。下面給出高頻地波雷達回波數據處理結果。
圖5表示對消衝擊干擾後的回波信號頻譜（橫坐標為頻率（Hz），縱坐標為分貝（dB））。由圖5可見，處理後數據基底明顯降低，主信號基底降低20dB左右，邊帶信號最高可降低30dB。
圖6-圖8示出了剔除海浪一階譜和衝擊干擾後回波的某個距離門混沌信號特徵。大量的試驗數據分析可知，高頻海雜波重構吸引子具有6.01～8.12左右的分數維，0.104左右最大Lyapunov指數，1.24左右的Kaplan-York維數，並具有短期可預測，長期不可預測特性，同時具有明顯的混沌非線性特性。
圖9給出了用海浪混沌動力學預測對消海雜波後的相應的對消結果。圖中實線代表輸入信號頻譜圖，點線代表預測誤差信號頻譜圖。
圖10給出經預處理後的實際雷達系統回波信號分維數變化曲線。由圖6可見，距離門5中有一個目標，其信噪比為-8.6dB；距離門12中有目標，其信噪比為-5dB。這兩個目標在傳統的檢測方法根本無法檢測到，因為傳統檢測算法要求信噪比10dB以上。
圖11表示實際系統航跡處理結果。由圖7可見，該發明較好的實現了弱目標檢測跟蹤，因而形成了較多的穩定航跡（指航跡長度長）。
榮譽表彰
2018年12月20日，《一種高頻地波雷達弱目標檢測跟蹤方法和裝置》獲得第二十屆中國專利銀獎。
