艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力優(yōu)化方法

鄭建佳

（青島遠(yuǎn)洋船員職業(yè)學(xué)院，山東 青島 266071）

0 引言

艦船導(dǎo)航雷達(dá)在遠(yuǎn)距離探測(cè)方面呈現(xiàn)出一定的局限性，在環(huán)境較為復(fù)雜的海域航行過(guò)程中，艦船導(dǎo)航雷達(dá)已不再能夠更好滿足艦船對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)的探測(cè)需求[1-3]。為此需要一種合理有效的艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力優(yōu)化方法，提升艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力。

針對(duì)上述問(wèn)題，王福來(lái)等[4]提出基于雷達(dá)發(fā)射波形和接收濾波器聯(lián)合設(shè)計(jì)的艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力優(yōu)化方法，陳晨旭等[5]提出基于復(fù)合波形體制全數(shù)字高頻雷達(dá)接收機(jī)設(shè)計(jì)的艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力優(yōu)化方法。2 種方法均可在一定程度上提升了艦船導(dǎo)航雷達(dá)的遠(yuǎn)距離探測(cè)能力，但是提升效果不夠理想。

將掃描機(jī)制與面陣接收方式結(jié)合起來(lái)對(duì)艦船導(dǎo)航雷達(dá)架構(gòu)實(shí)施合理設(shè)計(jì)，并在艦船導(dǎo)航激光雷達(dá)光學(xué)接收模塊使用混合濾波算法對(duì)激光雷達(dá)回波信號(hào)實(shí)施合理濾波，可顯著提升艦船導(dǎo)航雷達(dá)的遠(yuǎn)距離探測(cè)能力。為此，本文提出艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力優(yōu)化方法，可更好滿足實(shí)際航行需要。

1 艦船導(dǎo)航雷達(dá)探測(cè)能力優(yōu)化

1.1 基于掃描機(jī)制與面陣接收的導(dǎo)航雷達(dá)架構(gòu)設(shè)計(jì)

激光擁有非常優(yōu)越的準(zhǔn)直性，能量較為集中，在方位指向方面的準(zhǔn)確性也較高，非常適合進(jìn)行遠(yuǎn)距離探測(cè)。將掃描機(jī)制與面陣接收技術(shù)結(jié)合在一起，對(duì)艦船導(dǎo)航雷達(dá)架構(gòu)實(shí)施合理設(shè)計(jì)，可有效滿足艦船在航行過(guò)程中對(duì)遠(yuǎn)距離小目標(biāo)的高精探測(cè)需求，大幅度降低艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)失敗的概率。基于掃描機(jī)制與面陣接收技術(shù)對(duì)艦船導(dǎo)航雷達(dá)實(shí)施合理設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)出的艦船導(dǎo)航雷達(dá)架構(gòu)如圖1 所示。該艦船導(dǎo)航雷達(dá)架構(gòu)由處理器、極速脈沖激光器、激光整形擴(kuò)束以及激光發(fā)射等模塊構(gòu)成。由處理器中的脈沖控制模塊控制極速脈沖激光器發(fā)出脈沖激光，脈沖激光經(jīng)過(guò)分光鏡到達(dá)PIN 管處，記錄脈沖激光被發(fā)射出去的初始時(shí)刻，而后脈沖激光通過(guò)激光整形擴(kuò)束執(zhí)行有效擴(kuò)束操作后，由激光發(fā)射模塊負(fù)責(zé)發(fā)出，激光接觸到探測(cè)目標(biāo)后，探測(cè)目標(biāo)表面反射激光會(huì)被光學(xué)主鏡所吸收[6]，由鍍膜反射鏡執(zhí)行合理反射操作后，被激光導(dǎo)航雷達(dá)光學(xué)模塊接收，進(jìn)而發(fā)送給面陣型APD 探測(cè)器，由面陣型APD 探測(cè)器接收并計(jì)算反射激光到達(dá)時(shí)刻，而后發(fā)送給處理器的距離解算模塊；其他波段激光由鍍膜反射鏡執(zhí)行反射操作后，會(huì)被可見(jiàn)光光學(xué)模塊接收，而后進(jìn)入CCD 探測(cè)器，由CCD 探測(cè)器執(zhí)行表面成像操作后，經(jīng)AD 轉(zhuǎn)換操作，將所獲探測(cè)目標(biāo)圖像信息發(fā)送給處理器的目標(biāo)圖像存儲(chǔ)模塊實(shí)施合理存儲(chǔ)；處理器承擔(dān)的主要職責(zé)是以接收到的激光到達(dá)時(shí)刻為可靠依據(jù)，對(duì)艦船距離探測(cè)目標(biāo)的距離實(shí)施合理計(jì)算，并根據(jù)接收到的探測(cè)目標(biāo)圖像信息求解探測(cè)目標(biāo)所在方位信息。

圖1 艦船導(dǎo)航雷達(dá)架構(gòu)Fig.1 Architecture of ship navigation radar

1.2 艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)混合濾波

艦船導(dǎo)航雷達(dá)在對(duì)遠(yuǎn)距離目標(biāo)實(shí)施合理探測(cè)時(shí)，因雷達(dá)回波信號(hào)相對(duì)較為微弱，且在極端天氣下信號(hào)的微弱程度還會(huì)加深，總體來(lái)講雷達(dá)回波信號(hào)的信噪比非常低，由此導(dǎo)致的最直接后果是當(dāng)探測(cè)目標(biāo)距離艦船較遠(yuǎn)時(shí)，很難完成相應(yīng)的探測(cè)任務(wù)。為此，必須采取合理方式顯著提升雷達(dá)回波信號(hào)的信噪比，從而達(dá)到優(yōu)化艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力的目的。顯著提升艦船雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力，除基于掃描機(jī)制與面陣接收技術(shù)對(duì)導(dǎo)航雷達(dá)架構(gòu)實(shí)施合理設(shè)計(jì)外，決定在激光導(dǎo)航雷達(dá)光學(xué)接收模塊以及可見(jiàn)光光學(xué)模塊，使用改進(jìn)小波閾值法、中值濾波算法以及EMD 算法對(duì)接收的雷達(dá)回波信號(hào)實(shí)施混合濾波。

1.2.1 改進(jìn)小波閾值艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)濾波

小波閾值法對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)中的高斯噪聲具有很好的濾波效果。在實(shí)際工作中，傳統(tǒng)的小波閾值法通常選用硬閾值或軟閾值函數(shù)對(duì)回波信號(hào)執(zhí)行濾波操作，但是濾波效果并不理想。為有效彌補(bǔ)在單獨(dú)使用軟、硬閾值函數(shù)對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)實(shí)施濾波時(shí)的缺陷，將軟閾值函數(shù)當(dāng)中的閾值Qj替換成改進(jìn)后的閾值函數(shù)可描述為：

式中：y為閾值處理后的小波系數(shù)；ωj,k為尺度為j時(shí)的第k個(gè)小波系數(shù)；e為自然常數(shù)；sgn()為符號(hào)函數(shù)。

改進(jìn)小波閾值艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)濾波過(guò)程可簡(jiǎn)單歸結(jié)為如下步驟：

步驟1運(yùn)用合適小波基以及分解層數(shù)對(duì)含噪聲雷達(dá)回波信號(hào)執(zhí)行小波變換操作，獲得各分解層下的有效小波系數(shù)。

步驟2確定合適閾值，本文按無(wú)偏風(fēng)險(xiǎn)估計(jì)準(zhǔn)則對(duì)其實(shí)施確定。

步驟3運(yùn)用式（1）所描述的閾值函數(shù)對(duì)各層所擁有的小波系數(shù)執(zhí)行閾值化處理操作。

步驟4對(duì)經(jīng)步驟3 閾值化處理后的小波系數(shù)執(zhí)行合理重構(gòu)操作，得到改進(jìn)小波閾值去噪后的艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)。

文藝發(fā)展呈現(xiàn)出可喜的走向，同時(shí)也伴生一些值得注意的問(wèn)題。相對(duì)于文藝工作服從和服務(wù)于我省提出的“物質(zhì)富裕、精神富有”，我市確立的“經(jīng)濟(jì)繁榮、生活富裕、精神富有、風(fēng)尚文明”目標(biāo)中的“精神富有”、“風(fēng)尚文明”兩個(gè)關(guān)鍵詞，我們必須清醒地看到文藝工作的優(yōu)劣、短長(zhǎng)和得失，分析原因，正視現(xiàn)實(shí)。

1.2.2 艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)中值濾波

中值濾波算法通常被用于濾除圖像以及其他種類(lèi)信號(hào)的脈沖與斑點(diǎn)噪聲，本質(zhì)濾波思想是對(duì)輸入信號(hào)采樣信息實(shí)施合理檢測(cè)，辨別其是否為信號(hào)，一般通過(guò)數(shù)量為奇數(shù)的信號(hào)采樣信息構(gòu)成檢測(cè)窗口，并對(duì)所構(gòu)檢測(cè)窗口內(nèi)含有的數(shù)據(jù)實(shí)施合理排序，把位于該窗口中值的數(shù)據(jù)當(dāng)作有效輸出。為獲得更高質(zhì)量的艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)，在利用改進(jìn)小波閾值法濾除掉回波信號(hào)中的大部分高斯噪聲后，使用中值濾波算法對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)中的脈沖噪聲與斑點(diǎn)噪聲實(shí)施有效濾除。以接收到的雷達(dá)回波信號(hào)為可靠基礎(chǔ)，將雷達(dá)回波信號(hào)的各個(gè)徑向數(shù)據(jù)當(dāng)作一個(gè)行，如此操作后會(huì)獲得一個(gè)二維性質(zhì)的數(shù)組。在中值濾波過(guò)程中，通常采用的窗口規(guī)格為3×3，本文依據(jù)實(shí)際工作情況以及以往工作經(jīng)驗(yàn)，最終決定使用規(guī)格為5×5 的檢測(cè)窗口執(zhí)行中值濾波操作。如圖2 所示，視中間灰色部分是中心位置點(diǎn)，對(duì)其四周其余24 個(gè)點(diǎn)的相應(yīng)數(shù)據(jù)實(shí)施合理檢測(cè)，并對(duì)25 個(gè)點(diǎn)數(shù)據(jù)執(zhí)行有效排序操作，把25 點(diǎn)排序過(guò)后獲得的中間值當(dāng)成灰色中心位置點(diǎn)所擁有的數(shù)據(jù)值，而后依次移動(dòng)灰色位置點(diǎn)，對(duì)所有導(dǎo)航雷達(dá)探測(cè)數(shù)據(jù)執(zhí)行中值處理操作。經(jīng)歷中值處理操作后，某些較大的探測(cè)數(shù)據(jù)值會(huì)比一定的閾值低，則可把該點(diǎn)看成是噪聲數(shù)據(jù)，將其去除。

圖2 中值濾波處理示意Fig.2 Schematic diagram of median filtering processing

1.2.3 EMD 算法在雷達(dá)回波信號(hào)濾波中的應(yīng)用

EMD 算法在非平穩(wěn)以及非線性數(shù)據(jù)去噪方面具有非常顯著的優(yōu)勢(shì)，因而可以用于對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)實(shí)施濾波處理。在本文中，EMD 算法用來(lái)對(duì)經(jīng)小波閾值以及中值濾波算法濾波后的艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)實(shí)施再次濾波，解決艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)中的殘余噪聲，其濾波流程如下：

步驟1針對(duì)經(jīng)歷小波閾值以及中值濾波操作后的艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)x(t)，對(duì)其局部的極大以及極小插值實(shí)施合理連接操作，獲得上下包絡(luò)線，將上包絡(luò)線標(biāo)記為xmax(t)，下包絡(luò)線標(biāo)記為xmin(t)。

步驟2求解xmax(t)、xmin(t)的均值線，具體的求解過(guò)程可描述為：

其中，Z1(t)標(biāo)記的是上下包絡(luò)線均值。

步驟4對(duì)h1(t)實(shí)施有效判斷，判斷其是否符合模態(tài)函數(shù)相關(guān)條件，若符合就將h1(t)當(dāng)成一個(gè)IMF 存儲(chǔ)起來(lái)，反之將h1(t)當(dāng)成原始回波信號(hào)，重復(fù)執(zhí)行步驟1～步驟3，繼續(xù)執(zhí)行有效篩選操作，若經(jīng)歷過(guò)次數(shù)為k的篩選后的剩余分量h1k(t)才符合IMF 條件，那么就把h1k(t) 當(dāng)成一階的IMF 儲(chǔ)存起來(lái)，并將其記作c1(t)。

步驟5用x(t)減去c1(t)可以得到首個(gè)殘差r1(t)，之后將r1(t) 當(dāng)作一組新的數(shù)據(jù)信號(hào)，重復(fù)執(zhí)行步驟1～步驟4，再一次得到符合條件的艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)IMF 分量c2(t)。重復(fù)執(zhí)行多次，一直到殘差低于所設(shè)閾值或成為了單調(diào)性函數(shù)，分解完畢。

步驟6完成上述分解操作后，因噪聲大多數(shù)情況下僅存在于IMF 的高頻分量中，故直接濾除部分IMF的高頻分量，便可實(shí)現(xiàn)去噪的目的。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

在某遠(yuǎn)洋貨運(yùn)船，在艦船導(dǎo)航雷達(dá)光學(xué)接收模塊中使用改進(jìn)小波閾值法、中值濾波算法以及EMD算法對(duì)接收的雷達(dá)回波信號(hào)實(shí)施混合濾波，以驗(yàn)證本文方法有效性。艦船導(dǎo)航雷達(dá)主要參數(shù)情況如表1所示。

表1 艦船導(dǎo)航雷達(dá)主要參數(shù)Tab.1 Main parameters of ship navigation radar

選擇在某日出現(xiàn)雷雨天氣時(shí)對(duì)艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)實(shí)施采集，并應(yīng)用本文方法對(duì)采集的幾組雷達(dá)回波信號(hào)數(shù)據(jù)樣本執(zhí)行混合濾波操作，最終獲得的艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)混合濾波效果如表2 所示。分析可知，未對(duì)艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)實(shí)施混合濾波前，原始艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)的信噪比均較低，信號(hào)質(zhì)量一般，而在經(jīng)過(guò)本文方法對(duì)其實(shí)施混合濾波后，信噪比顯著提高，信號(hào)質(zhì)量得到了顯著提升。說(shuō)明應(yīng)用本文方法可較好濾除艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)中的各種噪聲，為艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力優(yōu)化提供可靠保障與支持。

表2 艦船導(dǎo)航雷達(dá)回波信號(hào)混合濾波效果Tab.2 Mixed filtering effect of ship navigation radar echo signal

采用與未采用本文方法的雷達(dá)顯示界面對(duì)比如圖3所示。可知，在量程設(shè)定都為120 n milie 的情況下，未采用本文方法的雷達(dá)顯示界面中標(biāo)注部分所存在的探測(cè)目標(biāo)沒(méi)有被顯示出來(lái)，而應(yīng)用本文方法后這些遠(yuǎn)距離探測(cè)目標(biāo)可清晰呈現(xiàn)于雷達(dá)顯示界面。表明應(yīng)用本文方法可以?xún)?yōu)化艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力，更好滿足實(shí)際需要。

圖3 導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力優(yōu)化效果Fig.3 Optimization effect of navigation radar's long-range detection capability

3 結(jié)語(yǔ)

研究艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力優(yōu)化方法，并對(duì)該方法在艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)中的效果進(jìn)行驗(yàn)證。實(shí)驗(yàn)結(jié)果證明，使用該方法后，可顯著提升艦船導(dǎo)航雷達(dá)遠(yuǎn)距離探測(cè)能力，能夠?yàn)閷?shí)際艦船導(dǎo)航提供可靠技術(shù)支持。