一種高頻地波雷達(dá)弱目標(biāo)檢測跟蹤方法和裝置

專利一種高頻地波雷達(dá)弱目標(biāo)檢測跟蹤方法和裝置01專利背景附圖說明實(shí)施方式發(fā)明內(nèi)容權(quán)利要求榮譽(yù)表彰目錄0305020406基本信息《一種高頻地波雷達(dá)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(hào)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(qiáng)，該專利涉及雷達(dá)領(lǐng)域?！兑环N高頻地波雷達(dá)弱目標(biāo)檢測跟蹤方法和裝置》提供了一種高頻地波雷達(dá)海浪回波非線性動(dòng)力學(xué)特征的弱目標(biāo)檢測跟蹤方法，包括以下步驟：實(shí)時(shí)記錄回波信號(hào)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(dòng)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(jìn)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(qiáng)海雜波。此外，該發(fā)明還提供了一種高頻地波雷達(dá)海浪回波非線性動(dòng)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(dá)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(jiǎng)。（概述圖為《一種高頻地波雷達(dá)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(dòng)力學(xué)特征研究吸引著眾多的科學(xué)家。尤其是高頻雷達(dá)的問世，促進(jìn)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(dòng)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(dòng)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(dá)弱目標(biāo)檢測跟蹤方法和裝置》要解決的問題。高頻雷達(dá)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(hào)。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(yàn)?zāi)Ｐ?，另一種是Khan等建立的自適應(yīng)時(shí)間序列模型。Barrick模型很難實(shí)時(shí)建模。而且在海洋非線性作用增強(qiáng)時(shí)，模型的偏差會(huì)顯著增大。Khan方法實(shí)時(shí)性較好，但對于高階分量無能為力。這是因?yàn)楦哳l海浪回波決不僅僅是簡單線性時(shí)變模型，背景噪聲也不是簡單的高斯噪聲。在強(qiáng)海雜波背景下高頻地波雷達(dá)弱信號(hào)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(dá)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(jìn)行檢測的，因而這種方法無法檢測淹沒在一階和二階強(qiáng)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(dá)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(dòng)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(shí)間空間相關(guān)性和其他混沌拓?fù)涮卣鬟M(jìn)行海雜波的預(yù)測，從而在海浪回波中剔除強(qiáng)海雜波，最終實(shí)現(xiàn)淹沒在強(qiáng)海雜波背景下的弱目標(biāo)的檢測?！兑环N高頻地波雷達(dá)弱目標(biāo)檢測跟蹤方法和裝置》將為解決高頻地波雷達(dá)在強(qiáng)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(dá)弱目標(biāo)檢測跟蹤方法和裝置》提供了一種高頻雷達(dá)弱目標(biāo)檢測跟蹤方法，包括以下步驟：實(shí)時(shí)記錄回波信號(hào)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(dòng)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(jìn)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(qiáng)海雜波。其中，用前后回波數(shù)據(jù)來填補(bǔ)被剔除的數(shù)據(jù)。其中，實(shí)時(shí)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(dòng)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(hào)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?jǐn)?shù)維。此外，該發(fā)明還提供了一種高頻雷達(dá)弱目標(biāo)檢測跟蹤裝置，包括：記錄模塊，用于實(shí)時(shí)記錄回波信號(hào)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(dòng)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(jìn)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(bǔ)被剔除的數(shù)據(jù)。其中，實(shí)時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)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(shí)施例的對消沖擊干擾后的回波信號(hào)頻譜；圖6-8示出了根據(jù)該發(fā)明實(shí)施例的剔除海浪一階譜和沖擊干擾后回波的某個(gè)距離門混沌信號(hào)特征；圖9示出了根據(jù)該發(fā)明實(shí)施例的用海浪混沌動(dòng)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(shí)際雷達(dá)系統(tǒng)回波信號(hào)分維數(shù)變化曲線；以及圖11示出了實(shí)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(dá)弱目標(biāo)檢測跟蹤方法，其特征在于，包括以下步驟：實(shí)時(shí)記錄回波信號(hào)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(dòng)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(jìn)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(hào)中的強(qiáng)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(bǔ)償和多尺度拓?fù)浣Y(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(dòng)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(bǔ)償和多尺度拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)變換后的回波信號(hào)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(bǔ)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(shí)時(shí)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?jǐn)?shù)維。5.實(shí)施方式實(shí)施方式該發(fā)明目的是針對高頻地波雷達(dá)在強(qiáng)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(dòng)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(shí)域上的海浪信息的提取、海浪回波非線性動(dòng)力學(xué)特征以及基于高頻無線電海浪回波非線性動(dòng)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(dòng)力學(xué)特性建立海浪預(yù)測模型，把強(qiáng)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(shí)現(xiàn)高頻地波雷達(dá)弱目標(biāo)檢測跟蹤。該發(fā)明理論依據(jù)有兩點(diǎn)：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(jìn)行預(yù)測，進(jìn)而根據(jù)海浪預(yù)測模型在回波信號(hào)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(hào)的分維數(shù)特征進(jìn)行目標(biāo)檢測。該發(fā)明基本原理首先應(yīng)用信號(hào)在不同小波尺度上的拓?fù)涮卣魈蕹惓Ｐ盘?hào)（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(hào)，并用前后向預(yù)測器方法擬補(bǔ)被剔除的部分。這一步把非平穩(wěn)信號(hào)轉(zhuǎn)化為平穩(wěn)信號(hào)，然后針對不同結(jié)構(gòu)時(shí)間序列建立不同分量的模型，并用該模型對消回波信號(hào)中的強(qiáng)海雜波，最終實(shí)現(xiàn)在一般雜波背景下的弱目標(biāo)檢測跟蹤