高頻地波雷達船只目標距離參數估計與評價?

鞠榮華， 紀永剛， 黎 明， 尹 俊

(1. 中國海洋大學, 山東 青島 266100； 2. 國家海洋局第一海洋研究所, 山東 青島 266061)

高頻地波雷達(HFSWR)利用高頻段(3～30 MHz)垂直極化電磁波沿海面繞射的特性，實現對海面運動目標和低空飛行目標的超視距探測[1]，作用距離可達到數百公里。地波雷達能夠探測目標的距離、方位、速度等參數信息[2]，其中目標的距離參數對目標的跟蹤起著至關重要的作用。為了實現對目標的連續跟蹤和精確探測，必須進行精確的目標距離參數估計。高頻地波雷達在探測目標時，可以從目標回波譜中得到目標的距離信息[3-4]，但是受距離分辨率的影響，目標距離總是離散的，即地波雷達測距處理后只能確定目標所在的距離單元。當目標實際距離不是距離分辨率的整數倍時，就會帶來較大的測距誤差。此外，采用線性調頻連續波(LFMCW)作為發射信號的雷達系統會存在距離與速度耦合的問題，會使得目標的徑向距離譜產生模糊[5-6]，這些因素都影響雷達的目標測距精度，進而影響目標參數估計及后續的航跡跟蹤精度。

為了提高地波雷達的目標距離參數探測精度，國內外學者進行了大量的研究。陳祝明等[7]提出了逐點插值法和二分插值法，可以在增加計算量不多的情況下來保證雷達的測距精度，但是，目前只有仿真實驗，未有實測驗證。耿籍等[8-9]提出了一種擴展比值插值法來提高地波雷達的測距精度，這種算法可以較好的改善測距精度，但是比較復雜。石陽升等[4]則提出了基于實測數據的三元加權插值方法，該方法原理簡單，易于實現。對于在測距過程中的距離-速度耦合問題，也有學者通過分析線性調頻連續波雷達回波差拍信號的頻譜特點，提出了距離-速度配對的去耦合方法[10-11]，以此來減小測距誤差；Bruno和胡紅軍等人則對線性調頻地波雷達回波信號中的距離多普勒耦合現象進行了分析，提出利用補償系數[12-14]來修正產生的測距誤差，從而提高高頻地波雷達的目標探測精度。

為了實現對高頻地波雷達目標距離的準確估計，提高地波雷達的目標探測精度，本文結合地波雷達實測數據，給出了地波雷達目標參數估計處理流程，分析了在處理過程中各種因素對雷達測距誤差的影響情況，最后將實測的高頻地波雷達數據和船舶自動識別系統(AIS)數據進行對比，統計分析了補償處理前后的距離誤差。

1 地波雷達目標距離參數估計與修正方法

高頻地波雷達在探測目標時，其發射信號被目標反射回到接收天線，接收信號經射頻放大、混頻、低通濾波可以得到基帶信號，再對其作傅里葉變換可以得到幅度譜，進而就可以得到所需要的距離信息。根據地波雷達的測距原理，圖1給出了本文中地波雷達目標距離估計及修正的處理流程。其處理過程主要分為三步：第一步是目標距離初步估計，第二步是目標距離精細估計，第三步是目標距離最終確定。

圖1 目標測距修正流程圖Fig.1 Target location and correction flowchart

1.1 目標距離初步估計

目標的初步估計結果主要是基于恒虛警檢測方法(CFAR檢測)得到的。經典的曲線擬合CFAR檢測方法是選用擬合曲線的方式對距離向和多普勒向分別進行處理，然后把距離向和多普勒向的目標檢測結果進行“與”運算，便得到目標的最終檢測結果，這樣能夠消除雜波、噪聲或其他因素的影響，提高目標的檢測性能[15-16]。本文利用CFAR檢測得到目標在距離-多普勒譜(R-D譜)中的位置，給出目標峰值點所在的距離單元格，然后根據公式(1)就初步確定了目標的距離信息。

R=N·ΔR。

(1)

式中：N為目標CFAR得到的峰值點所在的距離單元格；ΔR為地波雷達的距離分辨率。

1.2 目標距離精細估計

CFAR檢測結果僅給出了目標所在的距離單元格，但不是精確的目標距離信息。目標的運動會導致目標回波信號峰值在距離向上的展寬，出現一個目標占據多個距離單元格的情況。因此應充分利用在距離向的多個單元格，結合CFAR結果做距離插值，以獲得更準確的距離信息。三元加權方法原理簡單，易于實現，為地波雷達目標參數估計提供了一種適用的估計方法。三元加權插值法是指目標采樣點及其相鄰的兩個采樣點，利用三者的幅值將它們對應的離散距離作加權平均，作為最后的估計距離[4]。在存在偏差的情況下，兩個相鄰采樣點與峰值點的幅度比反映了偏離的程度，如圖2所示，因此，可以通過這一點得到目標距離的精細估計。

圖2 三元加權插值Fig.2 Ternary weighted interpolation

(2)

式中：M為目標所在距離元；采樣幅值為b；M-1和M+1距離元的采樣幅值分別為a和c。

1.3 目標距離最終確定

對于采用線性調頻信號的高頻地波雷達，運動目標會受距離多普勒耦合的影響，這種耦合現象會使地波雷達的徑向速度在回波信號中產生多普勒頻移，導致雷達測得的目標距離在經過接收機的匹配濾波器后會額外增加一個與線性調頻信號參數有關的時間延遲，使得距離和速度之間存在相應的耦合[17-19]，從而引起目標的測距誤差。因此，為減小雷達的測距誤差，需要用耦合補償處理的方法進行修正，修正之后得到目標的距離R為：

(3)

式中：當線性調頻信號采用上調頻信號時，f1f2；t是脈沖重復周期；t0是初始延遲時間；f0是中心帶寬頻率；v是目標的速度。

對于耦合補償過程中的影響因素主要有目標運動狀態和雷達參數：

目標運動狀態的影響主要是速度的大小和正負。對于上調頻信號，當目標朝向雷達運動時(規定速度大于0)，地波雷達測得的距離比實際距離小，誤差補償為正值，反之，目標遠離雷達運動的時候誤差補償為負值，且雷達測得距離相對于實際距離偏大。對于下調頻信號，當目標朝向雷達運動的時候，地波雷達測得的距離比實際距離大，誤差補償為負值，反之，目標遠離雷達運動的時候誤差補償為正值，且雷達測得距離相對于實際距離偏小。

雷達參數的影響主要有(1)調頻斜率。由中心頻率的計算公式fb=μτ0-fd可知，同一目標對于不同的調頻斜率μ，頻率偏移均是fd，根據這一特點，可以由不同的調頻斜率求出目標的距離和速度，這樣有利于對目標的距離進行更準確的估計。(2)頻偏。在實際應用中，通常目標距離R遠遠大于距離分辨率ΔR，將公式(3)進行整理化簡可得R=fdTΔR，由該公式可以看出，當雷達的信號時寬T一定的時候，頻偏fd越大，產生的測距誤差越大，需要的補償也越多。(3)信號時寬。引起線性調頻信號雷達的距離速度耦合的根本原因是信號時寬T較大，并且信號時寬T越大，產生的測距誤差越大，對測距精度的影響也越大。

2 實驗數據處理與分析

2.1 實驗數據及處理結果

本次實驗采用的是某一岸基高頻地波雷達系統，該系統采用等間距八陣元線性接收陣，兩個相鄰天線陣元之間的間距為14.5 m，頻率為4.7 MHz，帶寬為60 kHz，線性調頻信號的持續時間為0.128 s。同時，本次實驗還獲取了實時的AIS數據，能給出海面船只目標的實際分布情況，可以利用同步的AIS信息評價地波雷達的目標探測結果[20]。

圖3給出了地波雷達的距離-多普勒譜及CFAR檢測結果。從圖3中可以看出，CFAR結果中僅給出了目標所在的距離單元格，不是精確的目標距離信息，測距誤差很大，會影響到后續目標航跡關聯的探測精度，因此我們進行了距離插值和耦合補償處理，并統計分析了處理前后目標的距離誤差。

圖3 CFAR檢測結果Fig.3 Detection result of CFAR

2.2 整體精度統計比對分析

根據實驗數據，在將高頻地波雷達數據與AIS數據進行匹配之后，給出了該批數據目標航跡的距離誤差比較示意圖，如圖4所示。圖4(a)為目標徑向距離在處理前后的誤差均值柱狀圖，圖4(b) 則給出了目標在距離插值和耦合補償前后的均方根誤差比較情況。根據圖中的統計結果發現目標的距離誤差大部分在2 km附近，測距誤差較大，從進行距離插值和耦合補償之后的統計誤差中可以看到原先比較分散的數據經過處理之后基本集中在±0.5 km以內，經過統計計算，該批數據的距離誤差均值由原來的由2.25 km 減小到了0.52 km，而均方根誤差也由1.73 km 減小到了0.32 km，雷達的測距精度得到了顯著提高。此外，由于地波雷達的發射信號與理想的線性調頻信號達不到完全一致，會存在一定的差別，導致目標的測距并不準確，引起補償后的過補償現象，從而使得目標的距離在補償處理之后出現偏差增大的情況。

圖4 處理前后誤差比較圖Fig.4 Error comparison before and after treatment

2.3 實驗個例分析

從經過匹配之后的高頻地波雷達與AIS的匹配分布圖中取出一條航跡進行個例分析，給出了該條航跡經過距離插值和耦合補償處理之后的誤差對比情況，分別如圖5、6所示，并對處理前后的誤差進行了統計分析。圖5給出了本次實驗中某條航跡在插值前后的誤差比較情況，圖6是該條航跡在耦合補償之后的距離誤差比較圖以及距離修正圖。

圖5 插值前后的誤差比較Fig.5 Error comparison before and after interpolation

在圖5中，由高頻地波雷達和AIS數據統計得到了該條航跡在距離插值之前的距離均方根誤差為2.25 km，經過三元加權插值之后的距離均方根誤差為 2.11 km，誤差減小了0.14 km，可以看出雖然目標的測距誤差有所減小，但是減小的幅度很小，為了進一步提高地波雷達的測距精度，本文又采用距離-速度耦合補償的方法進行處理，圖6(a)為距離插值和耦合補償處理前后的誤差比較情況，經統計分析后得到了目標徑向距離在理論修正之后的均方根誤差為0.52 km，相對插值之后誤差又減小了1.59 km，顯著提高了地波雷達的探測精度。而且，由圖6(b)的目標距離修正情況也可以看出高頻地波雷達測得的目標距離在經過距離插值和耦合補償處理之后，與AIS測得的實際距離之間的差異明顯減小。

另外，根據匹配圖本文選取了兩條航跡對目標航向與距離補償關系進行個例分析。圖7給出了不同朝向的兩個目標對地波雷達測距的影響情況，可以看出，對于正調頻信號，目標1(即圖中track33)朝遠離雷達站的方向運動，地波雷達測得的距離為41.74 km，比實際距離39.72 km大，而目標2(即圖中track7)朝接近雷達站的方向運動，地波雷達測得的距離為80.17 km，比實際距離82.30 km小。此外，對于目標1，其向遠離雷達的方向運動，所得到的誤差補償大小為-1.83 km，其值為負，同樣對于朝向雷達運動的目標2，其誤差補償是正值。因此，距離補償大小和正負與目標速度大小和方向密切相關。

圖6 目標補償前后的對比Fig.6 Comparison before and after compensation

3 結語

本文結合高頻地波雷達目標探測過程，給出了地波雷達目標距離參數估計的處理流程，通過將實測地波雷達數據與AIS信息進行比對，統計分析了距離插值和耦合補償前后的誤差。從實驗數據的分析中可以看出，目標距離的誤差均值和均方根誤差經過處理之后，均值誤差由2.25 km 減小到0.52 km，均方根誤差由1.73 km 減小到0.32 km，雷達的測距精度得到了顯著提高。另外，本文還給出了實驗中某一條航跡在修正前后高頻地波雷達得到的距離和AIS得到的距離對比情況，同時通過兩個目標的實測數據分析得出了雷達所需距離誤差補償的大小和正負與目標的速度大小和方向密切相關。

圖7 不同朝向目標的分析Fig.7 Analysis of different targets oriented