雷达对海探测试验与目标特性...双极化多海况散射特性数据集_关键.pdf

雷达对海探测试验与目标特性数据获取海上目标双极化多海况散射特性数据集关键刘宁波*王国庆*丁昊董云龙黄勇田凯祥张梦雨(海军航空大学烟台264001)(烟台大学烟台264005)摘要：海上目标检测识别受制于海上目标及海杂波环境特性，基于实测数据认知海上目标的本质特征有利于推进目标检测识别技术进步。针对海上目标散射特性数据不足的问题，升级“雷达对海探测数据共享计划(SDRDSP)”，扩展雷达目标观测的物理维度、提升雷达及辅助数据采集能力，获取不同极化、海况下的海上目标及环境数据，构建海上目标双极化多海况散射特性数据集，并分析其统计分布特性、时间与空间相关性和多普勒谱特性，为数据使用提供支持。后续将推进海上目标类型与数量的持续积累，为海上目标检测识别性能提升和智能化发展提供数据支持。关键词：雷达试验；海上目标特性；海杂波；目标检测识别中图分类号：TN959文献标识码：A文章编号：2095-283X(2023)02-0456-14DOI:10.12000/JR23029引用格式：关键,刘宁波,王国庆,等.雷达对海探测试验与目标特性数据获取海上目标双极化多海况散射特性数据集J.雷达学报,2023,12(2):456469.doi:10.12000/JR23029.Reference format:GUANJian,LIUNingbo,WANGGuoqing,et al.Sea-detectingradarexperimentandtargetfeaturedataacquisitionfordualpolarizationmultistatescatteringdatasetofmarinetargetsJ.Journal ofRadars,2023,12(2):456469.doi:10.12000/JR23029.Sea-detecting Radar Experiment and Target Feature Data Acquisitionfor Dual Polarization Multistate Scattering Dataset of Marine TargetsGUANJianLIUNingbo*WANGGuoqing*DINGHaoDONGYunlongHUANGYongTIANKaixiangZHANGMengyu(Naval Aviation University,Yantai 264001,China)(Yantai University,Yantai 264005,China)Abstract:Marinetargetdetectionandrecognitiondependonthecharacteristicsofmarinetargetsandseaclutter.Therefore,understandingtheessentialfeaturesofmarinetargetsbasedonthemeasureddataiscrucialforadvancingtargetdetectionandrecognitiontechnology.Toaddresstheissueofinsufficientdataonthescatteringcharacteristicsofmarinetargets,theSea-DetectingRadarData-SharingProgram(SDRDSP)wasupgradedtoobtaindataonmarinetargetsandtheirenvironmentunderdifferentpolarizationsandseastates.Thisupgradeexpandedthephysicaldimensionofradartargetobservationandimprovedradarandauxiliarydataacquisitioncapabilities.Furthermore,adual-polarizedmultistatescatteringcharacteristicdatasetofmarinetargetswasconstructed,andthestatisticaldistributioncharacteristics,timeandspacecorrelation,andDopplerspectrumwereanalyzed,supportingthedatausage.Inthefuture,thetypesandquantitiesofmaritime收稿日期：2023-03-06；改回日期：2023-04-19；网络出版：2023-04-24*通信作者：刘宁波；王国庆*CorrespondingAuthors:LIUNingbo,;WANGGuoqing,基金项目：国家自然科学基金(62101583,61871392)，泰山学者工程(tsqn202211246)FoundationItems:TheNationalNaturalScienceFoundationofChina(62101583,61871392),TheTaishanScholarsProgram(tsqn202211246)责任主编：许述文CorrespondingEditor:XUShuwen第12卷第2期雷达学报Vol.12No.22023年4月JournalofRadarsApr.2023targetswillcontinuetoaccumulate,providingdatasupportforimprovingmarinetargetdetectionandrecognitionperformanceandintelligence.Key words:Radarexperiment;Seatargetdetection;Seaclutter;Targetdetectionandrecognition 1 引言海上航行安全、海上执法、海上军事行动等对海上目标的稳健可靠探测提出了很高的要求，但海上船只目标种类繁多，分布于广阔海域，重要航路上的船只目标密集分布，客轮、货船和军用船只等多种类型船只混杂在一起，准确检测识别难度大。雷达作为海上目标探测的一种重要手段，关注的是目标及所处环境的电磁散射特性，包括雷达散射截面积，以及后向散射系数、近场电磁散射特性、宽带特性、目标噪声、极化散射特性等1。现有海上目标散射特性研究主要以电磁散射计算为主，并逐步从目标自身特性过渡到目标与海面环境扰动反馈作用下的特性，为海上目标检测识别研究提供了有力的理论支持。由于海上目标繁杂多样，目标特性在雷达对海上目标检测中应用不充分1。现有雷达对海上目标检测主要依赖于海杂波特性以及目标对海杂波特性影响，即目标散射回波能量或者通过相参/非相参积累的目标回波能量，需高出背景杂波能量一定水平，此时目标存在使海杂波特性发生显著变化，通过量化这种变化实现目标检测2,3。既然雷达对海上目标检测依赖于海面与目标的物理差异，那么检测不仅可以从背景杂波角度切入，还可以从目标特性角度切入，特征化表征海面与目标的物理差异，形成基于特征或特征组合的目标检测方法4,5。这一研究方向需要大量海上目标实测数据的支持，目标属性、位置、姿态等信息应具有准确标注，且在涵盖目标电磁散射特性的基础上，还应涵盖目标的光学、声学、磁场等多种物理场特性1，这里称之为“海上目标特性数据”，这对海上目标探测试验和典型海上目标数据常态化获取提出了很高的要求，尤其是在海上目标非合作条件下，获取目标多维数据、实现目标准确标注、高效管理并自动构建格式规范的数据集、建立多域特征/特征组合模型，是海上目标数据获取与使用面临的难点问题。针对雷达海上目标探测技术研发和验证对实测数据的迫切需求，海军航空大学海上目标探测课题组提出一项“雷达对海探测数据共享计划(Sea-DetectingRadarData-SharingProgram,SDRDSP)”6,7，旨在利用X波段固态全相参雷达等多型雷达开展海上目标探测试验，获取不同海况、分辨率、擦地角条件下海杂波数据和海上目标回波数据，并同步获取海洋气象水文数据、目标位置与轨迹的真实数据，形成信息全记录的雷达试验数据集。截至2022年12月，“雷达对海探测数据共享计划”已发布雷达对海探测数据5期13组，包括雷达天线凝视和扫描两种模式下的海杂波与目标回波数据，配套的目标记录信息主要为目标位置信息，如表1所示。为更好地支持海上目标检测识别技术进步，课题组升级“雷达对海探测数据共享计划(SDRDSP)”，构造“海上目标特性数据集”，通过海上目标雷达观测数据获取、海上目标多源观测切片数据获取、数据集构建与使用共3个步骤初步构建海上目标特性数据的获取、整编与使用的框架流程，解决目标多维数据获取、标注、管理和建模等核心问题，并在常态化运行过程中持续丰富目标数据集。本文内容属于第1步骤，即以航道浮标、不同RCS球形散射器、锚泊船只等海上目标为观测对象，构建海上目标双极化多海况散射特性数据集，且数据均为凝视长时观测获取，以更好地支持海上目标特性研究。2 海上目标散射特性数据长时采集试验为支持海上目标特性数据采集，课题组升级了已有的X波段试验雷达6,7和相应的数据采集设备，表 1 已共享的雷达对海探测数据Tab.1 Shared sea-detecting radar data年期雷达波段 极化方式数据简介2019年第1期XHH3组数据，主要为扫描和凝视观测模式下的海杂波数据，目标为海面非合作目标。2020年第1期XHH2组数据，主要为凝视观测模式下的海杂波数据、海杂波+目标数据，目标为锚泊船只和航道浮标。2020年第2期XHH2组数据，为海面机动目标跟踪试验数据，目标为海面合作目标(小型快艇)。2020年第3期XHH1组数据，为雷达目标RCS定标试验数据，目标为RCS为0.25m2不锈钢球，由渔船拖动或漂浮。2021年第1期XHH5组数据，为云雨气象条件下的雷达不同转速扫描试验数据，海面无合作目标。第2期关键等：雷达对海探测试验与目标特性数据获取海上目标双极化多海况散射特性数据集457提升雷达不同极化方式和高海况下凝视探测能力，扩展了目标特性数据采集试验点，具备多视角测量同一目标数据的能力，增加了气象水文辅助数据获取源，提高数据时间/空间分辨率。在此基础上，2022年11月12日至15日开展了HH与VV极化雷达多海况(覆盖25级海况)长时连续观测海上目标试验，试验时两部雷达架设于同一位置，架设高度错开约1.5m(HH极化雷达在下，VV极化雷达在上)，二者同时工作，采集目标特性数据(雷达中频回波数据)，根据数据协议解析数据，并完成正交解调、脉冲压缩(仅对LFM发射波形做此处理)、数据截取与目标位置标注等预处理，构建形成海上目标双极化多海况散射特性数据集。2.1 HH与VV极化X波段试验雷达本试验中所使用雷达为两部定制型X波段固态功放试验雷达，如图1所示，两部雷达的极化方式分别为HH极化和VV极化，HH极化雷达的天线长度约为2.0m，VV极化雷达的天线长度约为2.5m。相比于原有用于对海探测试验的X波段雷达1，发射功率由50W提升至100W，极化方式由HH极化升级为HH和VV极化，天线工作模式增加了固定指向模式(凝视观测模式)，可通过雷达终端控制天线指向任意方位，在5级海况条件下天线凝视方向稳定、指向精准，雷达详细技术参数如表2所示，组合脉冲的3种模式示意如图2所示，根据雷达工作量程的不同，雷达自动选定不同的发射波形组合模式。本文提及的数据，采集时雷达工作于图2所示的模式2，即只发射T1单频信号(脉宽为150ns)和T2LFM信号(脉宽为8s)，T1波形距离分辨率为22.5m，T2波形信号带宽为25MHz，距离分辨率为6m。采集数据时，两部试验雷达架设于同一位置，高度错开，凝视观测海上固定区域和指定目标，支持海杂波特性分析、抑制和目标检测技术研究。2.2 雷达中/视频数据采集设备数据采集使用课题组