双频地波雷达船只目标点迹关联与融合处理

　　基金项目：海洋公益性科研专项（200905029）和基本科研业务费专项资金项目（2008T04）资助课题或航向的较小变化也会引起雷达后向散射信号的显著变化，目标回波可能处于波峰也可能处于波谷，因此可能会出现船只目标漏检的情况。

　　同时，地波雷达船只目标探测中会受到各种杂波的影响，特别是海杂波会直接影响中小尺寸船只的探测，甚至会出现完全掩盖目标回波的情况。因此，为克服地波雷达在单一频率工作时受到一阶海杂波影响和高频谐振区目标回波强度起伏剧烈引起目标漏检的问题，往往会选用多个频率同时工作来提高对船只目标的探测概率利用多频率地波雷达探测目标时，不同频率得到的检测结果并不相同，在其点迹探测结果中会出现同一船只目标只被某一频率检测到，也可能同时被多个频率都检测到的情况。因此，为充分利用多频率地波雷达目标的探测结果，提高目标的捕获率，同时避免同一目标被当作两个目标的情况出现，必须要开展对多个频率探测的目标点迹的融合处理，而融合处理中的关键环节是多频率目标点迹的关联处理。本文以双频地波雷达为例，结合实测雷达数据，分析了两个频率地波雷达船只目标探测的特点。论文给出了双频目标点迹融合处理的流程，给出了实测点迹关联和融合处理结果；通过分析双频点迹关联中门限选择与影响因素，给出了适合的距离门、速度门和方位门门限值，并结合实测自动识别系统（automaticidentificationsystem，AIS）数据，评价了双频地波雷达目标点迹融合结果。

　　1两个频段目标探测结果特点分析海杂波是高频地波雷达船只探测中的主要杂波之一。当海面达到充分发展状态，海面风速或海表面粗糙度的提高虽不会引起海杂波连续谱幅度的增加，却会引起海杂波连续谱的扩展，直接影响回波强度较小的船只目标的探测。而对舰船目标影响*大的是位于零多普勒频移两侧的两个一阶Bragg峰，它们会对目标探测产生一对盲速区，其多普勒频移为相对于雷达视角的径向速度为V的运动船只目标回波多普勒频移为由于运动船只多普勒偏移与雷达载频成正比，而海面一阶Bragg峰的多普勒偏移与雷达载频的均方根成正比，两者多普勒频移变化相对于雷达载频变化并不相同。因此，为了避免一阶Bragg峰引起的雷达盲速区，可以使高频地波雷达同时工作在两个或多个频率，这样被淹没在一个频率盲速区的船只可以在另一个频率被探测到。在实际应用中，频率的选择要雷达周边的电磁环境，尽量避开有较强射频干扰的频率，同时为兼顾远距离目标的探测，宜选用较低的频率，一般可选择10MHz以下的频率。

　　为工作在4.7MHz（实线）和8.9MHz（点线）两个频率的高频地波雷达海杂波谱的仿真结果，模拟条件：10m/s级海况，风向相对于雷达视角160度。从可以看出，两个频率的雷达回波中一阶Bragg峰多普勒位置不同，即两频率的盲速区对应的多普勒区域不同，此时特定的船只目标不可能同时被两个盲速区所遮挡，因此，结合两个频率的多普勒结果可有效克服单个频率出现盲速区的缺陷。

　　4.7MHz和8.9MHz的海面回波谱是某雷达两个频率较长时间积累（约300s）的距离-多普勒谱（R-D谱）以及利用OS-CFAR检测方法得到的目标检测结果（用o表示）。从两个频率的检测结果可以看出，大部分移动船只径向航速分布在12km/h20 km/h之间的径向航速范围。在两个频率都能探测到的范围内（约170km），两个频率的检测结果并不相同。由于检测的目标或虚警点较多，为便于说明问题，给出了的局部放大图，即距离在30-70km，多普勒偏移对应径向速度在21-10km/h范围内的局部RD谱。（a）中有6个目标检测到（用圆圈标出），（b）中有4个目标被检测到，这些属于被两个频率都探测到的类别。（b）中用方框标出的4个船只目标，在8.9MHz频率中由于受一阶海杂波的影响而没有被探测到，因此这4个目标属于只被其中一个频率探测到的类别。同样的道理，如分析4.7MHz频率中一阶海杂波周围的船只检测结果，则会出现只有8.9MHz频率探测到而4.7MHz频率没有探测到的情况。

　　的局部R-D谱及目标探测结果下面结合两个频率的距离-时间二维图分析在不同时刻双频雷达的探测结果。为两个频率一段时间范围内（70s）的距离和时间二维结果。从（a）所示的4.7MHz的距离和时间二维图中可以看出，多个船只目标在70s的时间内都有明显的航迹信息，不同船只之间比较容易分开；而8.9MHz由于受一阶海杂波的影响，目标航迹与一阶回波的区域相互重叠在一起，此时船只目标不能从海杂波中检测出来。

　　两个频率探测结果中检测到舰船目标主要有以下三类情况：第1类目标是同时在频率1和频率2都检测到的目标，如中圆圈标示的6个目标；第2类目标是在频率1没有检测到而在频率2检测到，如中方框表示的3个目标，主要是受海杂波影响，而在频率1中没有检测到；第3类情况是只在频率1检测到而在频率2没有检测到，对这种情况会出现在4.7MHz频率一阶海杂波及周围区，在中没有标出。

　　由此可见，通过综合两个频率的检测结果，可克服单一频率工作时目标漏检的缺陷，有利于提高船只目标的探测概率。

　　2双频点迹关联与融合高频地波雷达实际工作时只需要*终的目标检测结果，而不关注结果来自哪一个频率。根据不同频率在不同波位对应的目标方位和距离，得到目标点迹。因此，双频率地波雷达探测结果的融合处理是在确定目标方位后的目标点迹处理阶段。通过对两个频率的三类探测点迹结果加以融合处理，*终给出统一的地波雷达探测结果。

　　对于只被一个频率检测到的船只目标，其探测结果可直接放到*终探测结果中，供后续进行点迹处理或做航迹关联分析。而对于**类两个频率都检测到的目标探测结果，由于对于同一目标，两个频率探测的船只位置或航速航向稍有差别，如果也将两个频率检测结果不加处理直接使用，则会被当作两个不同目标，引起过多的虚警和目标的错误关联。因此，双频率地波雷达目标探测融合处理首先要对两频率的目标探测结果进行分类，判别目标属于哪一类，然后再进行后续处理。其中，目标类别判别是通过目标点迹关联实现的。

　　点迹关联，是判别被两个频率都检测到目标点迹是否为同一目标，即把分属于两个集合的两个相似点迹划分为一个集合的过程，这涉及关联判别准则。设雷达两个频率的点迹信息分别为双频点迹关联结果双频点迹关联后的融合结果当两组数据落入同一雷达探测波门时，可将其划为同一集合，认为它们是关联的，即表示两个频率雷达探测到的同一目标点迹结果。

　　高频地波雷达相对于常规微波雷达，目标测距和测向精度较差，导致其定位精度相对较差，但高频地波雷达测速精度较高，因此，在做两个频率点迹关联时，将径向速度作为**判据，由于距离和方位角测量精度较差，因此将其分别作为第二和第三判据。实际点迹关联处理中，径向速度的波门被限制小一些，距离波门和方位角0的波门选择相对大一些。三维立体波门如下：在两个频率点迹关联的过程中，对于落入同一波门多个点迹的情况，采取*近邻准则进行处理，此时压缩成一个目标点迹，然后对判为同一点迹的结果进行归并估值。设两个频率同时观测到的目标测量值分别为和（r2，0），则融合后的点迹参数的计算公式如下差。合并后点迹距离和方位方差为：根据点迹关联，距离变化阈值为6（单位km）。

　　做出了各维差值随距离变化的散点图。

　　速度差（km/h）探测距离（km）（a）速度差随距离变化散点图点逾个数径向速度差（km/h）（a）关联点的径向速度差直方图统计方位差（。）方位差（°（b）关联点的方位向差直方图统计图探测距离（km）方位差随距离变化散点图距离差（km）点个点迹个数距离差（km〕（c）关联点的距离差直方图统计各维关联点迹的差值统计结果（1304个关联点迹）从中可以看出，关联点的径向速度差大部分集中在0.4km/h以下，距离差在3km以下，方位向偏差在4°以下。其中差值较大的关联点迹，可能是错误的关联结果。为提高实际关联处理的速度，尽量减少可能的错误关联，可进一步缩小各维门限值，提高关联结果的准确度。

　　探测距离（km）（c）距离差随距离变化散点图各维关联点迹差值随距离变化的散点图（1304个关联点迹）从所示的径向速度差、方位向差和距离距离变化的散点图可以看出，速度差和距离对稳定，没有出现随距离变化而出现增大或的情况，因此两者门限值可设为固定值；而差值分布范围较大，主要分布在0-6范围且在其散点图中看不出其随距离的变化规因此，方位角门限也是选择固定值，且由于雷达测向误差较大，其门限阈值也选择较大虫合结果与AIS的比对分析利用舰船AIS数据，可以给出双频点迹融系统工程与电子技术合后点迹与AIS船只关联结果，如所示。

　　参量差□AIS融合点迹（双频）A融合点迹（单频）融合后点迹与AIS关联结果从可以看出，与AIS关联的融合点迹中包含了双频都探测到的融合点迹和单一频段探测的融合点迹，这说明了双频融合检测后可以降低单频情况下的漏检清况，提高目标探测概率。

　　为了分析类别三船只目标融合前后与AIS实测结果的比对结果，我们分别做出了与AIS同步的当批融合点迹、频率一和频率二三类点迹相对于AIS的距离差和径向速度差的统计分布图，如0和1所示，具体统计误差如表1所示。

　　关联的点数融合点迹频率1点迹l频率2点迹0关联点迹与AIS的距离差统计1关联点迹与AIS的径向速度差统计表1融合点迹与AIS的误差均方根误差统计表点迹类型融合点迹频率1点迹频率2点迹综合0、1和表1可以看出，类别三的融合点迹结果与AIS实测数据在距离和径向速度两项的方差介于两个单一频率方差之间。从2中可以看出两个频率的点迹与AIS都存在较大的误差，有时会出现融合后点迹与AIS之间距离差并不是同时优于单一频率点迹的结果（见2中关联点迹2）。之所以产生这种现象，主要是因为雷达存在系统的测向误差，加上地波雷达较粗的测向分辨率和较低的测向精度，致使融合后点迹与实测AIS比较时，其误差会大于某一单一频率点迹结果。

　　△AIS□融合点迹2双频融合点迹与AIS关联个例因此，为进一步提高探测精度，需要结合实测AIS数据开展融合点迹参数的修正，整体改善地波雷达目标探测的性能，这部分工作将在以后的研究中开展。同样，由于两个频率点迹径向速度都是同时大于或小于AIS关联的径向速度，因此融合点迹的径向速度与AIS径向速度差也介于两单一频率与AIS径向速度差之间。

　　5结论本文通过分析双频地波雷达目标检测的特点，得出了双频地波雷达可克服单一频率海杂波和谐振区目标漏检的缺陷，整体上提高船只目标探测率的优势。双频地波雷达目标点迹融合的关键是通过点迹关联实现对两频率的目标探测结果的分类。两个频率点迹关联时，将径向速度作为**判据，通过实测数据点迹关联门限统计分析，选择速度门限0.4km/h，距离门限3km，方位向门限4°可以实现大部分双频点迹的关联。

　　通过利用实测AIS数据评价双频点迹融合的探测精度，总结出融合后点迹与AIS之间误差（距离差和径向速度差）并不是同时优于单一频率点迹的结果。为了进一步提高探测精度需要结合实测AIS数据开展融合点迹后的参数的修正。

　　需要注意的是，上述融合处理是在假设两个频率点迹的测向方差相同情况下得到的。实际上，由于两频率得到的目标方位向是由不同数量的波束通过比幅测向得到，因此需要考虑两个频率在方位的误差和校准，同时结合多时间的目标航迹跟踪，进一步提高双频地波雷达点迹融合的精度。