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原文传递地波雷达海杂波背景下的船只目标检测方法研究

论文题名：	地波雷达海杂波背景下的船只目标检测方法研究
关键词：	地波雷达;海杂波;杂波特性;目标检测
摘要：	地波雷达目标探测应用中，不可避免的会受到多种杂波、干扰和噪声的影响。其中海杂波能量很强，且往往高于目标回波信号。海杂波的存在，不但严重干扰了邻近海杂波区域的船只目标探测，而且展宽的海杂波会完全掩盖进入其中的目标信号，形成“检测盲区”，导致目标漏检。特别是对小型地波雷达系统，由于天线阵列孔径减小和天线小型化，使得雷达波束宽度大幅增加、增益降低，因而由海杂波多普勒扩展导致的遮盖效应更加严重，进一步增大了海杂波背景下的目标检测难度。因此，海杂波干扰下的目标检测，尤其是展宽海杂波区域内的目标检测，是地波雷达目标探测中亟待解决的关键问题，也是地波雷达海洋监视监测技术的重要研究方向之一。　　本文为解决海杂波影响下的目标检测难题，结合仿真实验与实测数据，开展地波雷达海杂波特性及其对目标的影响分析、海杂波抑制方法和海杂波内目标检测方法等方面的研究。论文主要研究内容如下：　　第一，系统分析了海杂波和目标在雷达回波中的各维度特征，结合地波雷达海杂波背景下目标检测的特殊性，对海杂波与目标在时域、多普勒域、空域以及联合域的多域特性进行了对比分析。利用窄波束地波雷达实测数据对海杂波与目标在空域的差异开展了分析比对研究，研究结果表明海杂波能量主要分布于少量方位。而宽波束地波雷达识别的海杂波方位数量有限，采用常规波束形成的方式无法降低海杂波能量。同时，通过结合与海杂波邻近和位于海杂波区的船只目标情况，量化分析了雷达积累时间、目标与海杂波区的关联以及船载移动平台的目标检测影响因素，给出了海杂波背景下目标检测积累时间的计算方式，为后续开展海杂波抑制、信息提取以及海杂波内的目标检测等方法研究提供了重要的依据。　　第二，针对海杂波抑制存在的系列问题，改进了传统时域对消方法，提出了矩阵分解与时频联合的海杂波抑制方法，发展了方位-距离-多普勒多域联合的海杂波信息提取方法。其中，改进的海杂波时域对消方法利用海杂波时域的正弦调制和频域的边界统计特性，约束时域模型参数估计及循环对消过程，解决了传统时域对消方法目标被误消除的问题，取得了更好的抑制效果。而提出的矩阵分解与时频联合抑制方法，综合利用了海杂波时频域特征，结合回波分量的瞬时频率估计，从矩阵特征值分解与时频联合的角度实现海杂波的抑制。克服了矩阵特征值分解方法杂波奇异值不易确定的问题，也避免了时频联合方法在时间和频率分辨率之间的相互制约，进一步提高了对海杂波的抑制能力。进而，提出了联合空、时、频多域的海杂波信息提取方法，提高了海杂波边界信息的提取准确度，为后续海杂波内目标的检测奠定了基础。　　第三，针对海杂波导致的目标检测盲区问题，将斜投影算子引入到地波雷达海杂波抑制中，研究斜投影改进算法和多级空域滤波器构造，在方位-距离-多普勒三维联合框架下实现了海杂波内目标检测。其中，针对斜投影空域滤波对噪声功率的放大效应以及小空间主角所导致的输出信杂噪比降低等问题，引入杂波抑制代价参数，提出了斜投影的改进方法，更适合构建海杂波空域滤波器。证明了改进的斜投影是传统斜投影的一种拓展形式，并推导了其具有的特殊性质。在分析斜投影滤波的参数选择影响的基础上，针对海杂波主能量的空域多方位特性，提出构建多级空域滤波器的方法，实现了对宽波束雷达海杂波的等效窄波束滤波。在此基础上，联合多普勒及距离域，提出了基于改进斜投影的海杂波内目标三维联合检测方法。经性能仿真分析和实测数据检验表明，提出的基于改进斜投影的三维联合检测方法较基于常规波束形成（Digitalbeamforming，DBF）的方位-距离-多普勒三维联合检测以及基于局域联合处理（Jointdomainlocalized，JDL）方法更加有效。在低信杂比情况下，改进斜投影方法性能更优。　　最后，论证了海态信息在地波雷达海杂波内目标检测中应用的可行性，提出了综合海态信息的海杂波内目标检测方法。建立了海态信息到地波雷达海杂波谱的映射关系，分析了不同海态情况下的海杂波谱特征。进而，通过在构建的海杂波谱中添加仿真目标和实测雷达数据分析，提取了海杂波谱展宽量、峰值频率以及Bragg峰比值等目标存在所导致海杂波异常的敏感特征。最终，通过分析海况和海态测量精度对海杂波敏感特征的影响，提出了相关敏感特征异常检测的阈值确定方式。提出的方法不受海杂波抑制类方法在各个域所需的海杂波与目标间的特性差异性要求约束，也避免了抑制算法对雷达后续参数估计的潜在不利影响，提出了一种地波雷达海杂波内目标检测研究的新思路。采用岸基和船载地波雷达实验数据对该方法的有效性进行了检验，实现了检测结果与同步船舶自动识别系统信息（Automaticidentificationsystem，AIS）的比对验证，检测结果与AIS信息匹配较好。　　本文研究成果有望加深对地波雷达海杂波与目标特性的认识，提高海杂波抑制能力，推动海杂波内目标检测技术的发展，具有较好的研究价值和应用潜力。
作者：	王祎鸣
专业：	信息与通信工程
导师：	毛兴鹏
授予学位：	博士
授予学位单位：	哈尔滨工业大学
学位年度：	2021