一種高頻地波雷達弱目標(biāo)檢測跟蹤方法和裝置

專利一種高頻地波雷達弱目標(biāo)檢測跟蹤方法和裝置01專利背景附圖說明實施方式發(fā)明內(nèi)容權(quán)利要求榮譽表彰目錄0305020406基本信息《一種高頻地波雷達弱目標(biāo)檢測跟蹤方法和裝置》是哈爾濱工業(yè)大學(xué)于2011年7月11日申請的發(fā)明專利，該專利的申請?zhí)枮?9，公布號為CNA，公布日為2013年1月16日，發(fā)明人是權(quán)太范、許榮慶、張新潮、于長軍、周共建、楊強，該專利涉及雷達領(lǐng)域?！兑环N高頻地波雷達弱目標(biāo)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(xué)特征的弱目標(biāo)檢測跟蹤方法，包括以下步驟：實時記錄回波信號的中頻數(shù)據(jù)；對消沖擊干擾和回波的一階譜數(shù)據(jù)；建立海浪回波的混沌動力學(xué)預(yù)測模型；以及執(zhí)行弱目標(biāo)檢測跟蹤，其中，對消的步驟包括：對中頻數(shù)據(jù)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沖擊干擾，并用重構(gòu)吸引子的軌跡矩陣方式剔除強海雜波。此外，該發(fā)明還提供了一種高頻地波雷達海浪回波非線性動力學(xué)特征的弱目標(biāo)檢測跟蹤裝置。2018年12月20日，《一種高頻地波雷達弱目標(biāo)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(biāo)檢測跟蹤方法和裝置》摘要附圖）專利背景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(xué)特征研究吸引著眾多的科學(xué)家。尤其是高頻雷達的問世，促進了高頻無線電海洋學(xué)新領(lǐng)域的發(fā)展。高頻無線電海洋回波具有哪些特征？如何提取高頻無線電海浪回波非線性動力學(xué)特征？如何應(yīng)用上述特征構(gòu)造基于高頻無線電海浪回波非線性動力學(xué)特性的弱目標(biāo)檢測跟蹤方法，這是2011年7月前，中國國內(nèi)外尚沒有開展的、具有挑戰(zhàn)性的發(fā)明課題，是《一種高頻地波雷達弱目標(biāo)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于微波海浪回波，它是結(jié)構(gòu)十分復(fù)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(jīng)驗?zāi)Ｐ?，另一種是Khan等建立的自適應(yīng)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，但對于高階分量無能為力。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，而且十分的課題。高頻地波雷達目標(biāo)檢測和海態(tài)遙感方法都是依據(jù)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(biāo)。

發(fā)明內(nèi)容技術(shù)方案專利目的發(fā)明內(nèi)容專利目的《一種高頻地波雷達弱目標(biāo)檢測跟蹤方法和裝置》依據(jù)高頻無線電海浪回波非線性動力學(xué)特性，建立高頻海浪回波混沌模型，并利用混沌海雜波的時間空間相關(guān)性和其他混沌拓撲特征進行海雜波的預(yù)測，從而在海浪回波中剔除強海雜波，最終實現(xiàn)淹沒在強海雜波背景下的弱目標(biāo)的檢測?！兑环N高頻地波雷達弱目標(biāo)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(biāo)檢測跟蹤提供新的可行的方法。

技術(shù)方案《一種高頻地波雷達弱目標(biāo)檢測跟蹤方法和裝置》提供了一種高頻雷達弱目標(biāo)檢測跟蹤方法，包括以下步驟：實時記錄回波信號的中頻數(shù)據(jù)；對消沖擊干擾和回波的一階譜數(shù)據(jù)；建立回波的海浪混沌動力學(xué)預(yù)測模型；以及執(zhí)行弱目標(biāo)檢測跟蹤，其中，對消的步驟包括：對中頻數(shù)據(jù)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沖擊干擾，并用重構(gòu)吸引子的軌跡矩陣方式剔除回波的強海雜波。其中，用前后回波數(shù)據(jù)來填補被剔除的數(shù)據(jù)。其中，實時記錄是通過使用fpga10k數(shù)據(jù)采集板完成的。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(xué)預(yù)測模型，對消海浪回波。其中，執(zhí)行弱目標(biāo)檢測跟蹤的步驟包括：執(zhí)行基于回波信號分維數(shù)特征的弱目標(biāo)檢測跟蹤。其中，重構(gòu)吸引子大于或等于約6.01、并且小于或等于約8.12的分數(shù)維。此外，該發(fā)明還提供了一種高頻雷達弱目標(biāo)檢測跟蹤裝置，包括：記錄模塊，用于實時記錄回波信號的中頻數(shù)據(jù)；對消模塊，用于對消沖擊干擾和回波的一階譜數(shù)據(jù)；模型建立模塊，用于建立回波的海浪混沌動力學(xué)預(yù)測模型；以及執(zhí)行模塊，用于執(zhí)行弱目標(biāo)檢測跟蹤，其中，對消模塊用于對中頻數(shù)據(jù)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沖擊干擾，并用重構(gòu)吸引子的軌跡矩陣方式剔除回波的一階譜數(shù)據(jù)。其中，用前后回波數(shù)據(jù)來填補被剔除的數(shù)據(jù)。其中，實時記錄是通過使用fpga10k數(shù)據(jù)采集板完成的。

附圖說明附圖說明圖1示出了根據(jù)該發(fā)明的原理框圖；圖2示出了根據(jù)該發(fā)明實施例的高頻無線電海浪回波數(shù)據(jù)的獲取過程；圖3示出了根據(jù)該發(fā)明實施例的海雜波預(yù)測和對消過程示意圖；圖4示出了根據(jù)該發(fā)明實施例的高頻海浪回波海浪混沌預(yù)測對消和分形檢測的弱目標(biāo)檢測跟蹤流程圖；圖5示出了根據(jù)該發(fā)明實施例的對消沖擊干擾后的回波信號頻譜；圖6-8示出了根據(jù)該發(fā)明實施例的剔除海浪一階譜和沖擊干擾后回波的某個距離門混沌信號特征；圖9示出了根據(jù)該發(fā)明實施例的用海浪混沌動力學(xué)預(yù)測對消海雜波后的相應(yīng)的對消結(jié)果；圖10示出了經(jīng)預(yù)處理后的實際雷達系統(tǒng)回波信號分維數(shù)變化曲線；以及圖11示出了實際系統(tǒng)航跡處理結(jié)果。

權(quán)利要求權(quán)利要求1.一種高頻地波雷達弱目標(biāo)檢測跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟：實時記錄回波信號的中頻數(shù)據(jù)；對消沖擊干擾和所述回波的海浪一階譜數(shù)據(jù)；建立所述回波的海浪混沌動力學(xué)預(yù)測模型；以及執(zhí)行弱目標(biāo)檢測跟蹤；其中，所述對消的步驟包括：對所述中頻數(shù)據(jù)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沖擊干擾，并用重構(gòu)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(jīng)小波正交濾波補償和多尺度拓撲結(jié)構(gòu)變換后的數(shù)據(jù)，從相空間的角度建立所述回波的海浪混沌動力學(xué)預(yù)測模型，對消海浪回波；其中，所述執(zhí)行弱目標(biāo)檢測跟蹤的步驟包括：執(zhí)行基于經(jīng)小波正交濾波補償和多尺度拓撲結(jié)構(gòu)變換后的回波信號分維數(shù)特征的弱目標(biāo)檢測跟蹤。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，用前后回波數(shù)據(jù)來填補被所述剔除的數(shù)據(jù)。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述實時記錄是通過使用fpga10k數(shù)據(jù)采集板完成的。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的方法，其特征在于，所述重構(gòu)吸引子大于或等于約6.01、并且小于或等于約8.12的分數(shù)維。5.實施方式實施方式該發(fā)明目的是針對高頻地波雷達在強海雜波背景下弱目標(biāo)檢測跟蹤問題，提供基于高頻無線電海浪回波非線性動力學(xué)特性的弱目標(biāo)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(xué)特征以及基于高頻無線電海浪回波非線性動力學(xué)特性的弱目標(biāo)檢測跟蹤。該發(fā)明的核心一是在多卜勒域上如何剔除沖擊干擾和一階譜海浪信息；二是如何應(yīng)用高頻無線電海浪回波非線性動力學(xué)特性建立海浪預(yù)測模型，把強海雜波背景下的目標(biāo)檢測跟蹤轉(zhuǎn)化為弱雜波背景下的檢測跟蹤問題，從而實現(xiàn)高頻地波雷達弱目標(biāo)檢測跟蹤。該發(fā)明理論依據(jù)有兩點：一是高頻無線電海浪回波數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后具有混沌特征，因而對海雜波可進行預(yù)測，進而根據(jù)海浪預(yù)測模型在回波信號中可對消海雜波（即海浪信息）；二是海面屬于復(fù)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(guān)而小尺度相似的分形特性，因而可利用回波信號的分維數(shù)特征進行目標(biāo)檢測。該發(fā)明基本原理首先應(yīng)用信號在不同小波尺度上的拓撲特征剔除異常信號（如突變、沖擊），用重構(gòu)吸引子的軌跡矩陣方法剔除一階譜信號，并用前后向預(yù)測器方法擬補被剔除的部分。這一步把非平穩(wěn)信號轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)信號，然后針對不同結(jié)構(gòu)時間序列建立不同分量的模型，并用該模型對消回波信號中的強海雜波，最終實現(xiàn)在一般雜波背景下的弱目標(biāo)檢測跟蹤