【摘要】：自1955年Crombie發(fā)現(xiàn)高頻雷達(dá)可以收到海流回波之后,經(jīng)過(guò)半個(gè)多世紀(jì)的發(fā)展,它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋表面動(dòng)力學(xué)參數(shù)的測(cè)量,具有全天候、大范圍、造價(jià)低等優(yōu)點(diǎn),在漁業(yè)監(jiān)測(cè)、海態(tài)預(yù)報(bào)等方面起著重大作用。研究者希望高頻地波雷達(dá)能同時(shí)具有探測(cè)海上艦船目標(biāo)的能力,并開(kāi)展了很多研究,不過(guò)到現(xiàn)在也沒(méi)有達(dá)到實(shí)用化的階段。尤其是采用小型化天線的便攜式高頻地波雷達(dá),雖然成本大幅降低,并在海態(tài)監(jiān)測(cè)方面展現(xiàn)出很好的效果,但是在探測(cè)艦船目標(biāo)時(shí)還存在很多困難,主要包括:1.高頻段的干擾與噪聲信號(hào)均較強(qiáng),射頻干擾、電離層干擾、瞬態(tài)干擾很容易污染船只回波信號(hào);2.海上艦船點(diǎn)目標(biāo)的假設(shè)有時(shí)會(huì)失效,此時(shí)簡(jiǎn)單的單元檢測(cè)可能無(wú)法檢出目標(biāo);3.高頻地波雷達(dá)的距離分辨單元通常達(dá)到千米級(jí),這遠(yuǎn)大于船只的尺寸;4.緊湊式接收天線的方向圖容易因周邊環(huán)境影響而發(fā)生畸變,造成方位角估計(jì)困難。5.雷達(dá)照射范圍內(nèi)的船只信息無(wú)法完全掌握,因此缺乏足夠可靠的算法評(píng)估手段。針對(duì)上述困難,本文對(duì)便攜式高頻地波雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)相關(guān)問(wèn)題進(jìn)行了研究。一方面對(duì)現(xiàn)有的方法進(jìn)行了全面評(píng)估,尋找制約目標(biāo)探測(cè)研究的關(guān)鍵問(wèn)題所在;另一方面,在AIS信息的幫助下,成功把機(jī)器學(xué)習(xí)方法引入本領(lǐng)域,在目標(biāo)檢測(cè)和參數(shù)估計(jì)方面均取得了比傳統(tǒng)方法更好的結(jié)果。本文的研究工作具體包括如下內(nèi)容:1.提出了一種基于支持向量分類(SVC)的目標(biāo)檢測(cè)方法。該方法引入機(jī)器學(xué)習(xí)中經(jīng)典的SVC算法,借助AIS信息獲取標(biāo)記樣本,提取目標(biāo)在多個(gè)維度的信噪比作為樣本特征,選取隨機(jī)噪聲信號(hào)作為負(fù)樣本。通過(guò)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)結(jié)果對(duì)比SVC檢測(cè)法和傳統(tǒng)CFAR檢測(cè)法的性能:兩者在檢測(cè)出同樣多目標(biāo)的情況下,SVC檢測(cè)法能夠與AIS信息有更多的匹配數(shù),并且在胡椒圖上能得到更多、更長(zhǎng)的軌跡,證明了新方法優(yōu)于CFAR法。SVC檢測(cè)法還具有擴(kuò)展性強(qiáng)、泛化能力好等優(yōu)點(diǎn)。2.提出了一種利用AIS信息進(jìn)行單極子交叉環(huán)天線方向圖估計(jì)的方法。該方法利用AIS信息獲取來(lái)自各個(gè)方向的大量目標(biāo)匹配對(duì)作為校準(zhǔn)源,通過(guò)檢測(cè)、匹配、分類、篩選、插值、平滑得到方向圖的估計(jì)。本文通過(guò)2013山東渤海灣、2014福建平潭、2015福建漳州三次雷達(dá)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)的結(jié)果對(duì)算法進(jìn)行驗(yàn)證,AIS估計(jì)的方向圖揭示出方向圖在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境中很容易發(fā)生畸變,此時(shí)使用理想方向圖進(jìn)行角估計(jì)性能很差,使用AIS方向圖卻可以大大降低角估計(jì)誤差。2015年在六鰲進(jìn)行了方向圖船測(cè)試驗(yàn),AIS方向圖與船測(cè)方向圖的相關(guān)度非常之高,證實(shí)了新方法的有效性。3.提出了一種基于支持向量回歸(SVR)的目標(biāo)到達(dá)角估計(jì)方法。針對(duì)使用實(shí)測(cè)方向圖估角存在的一些問(wèn)題,本文引入機(jī)器學(xué)習(xí)中的SVR算法以繞過(guò)測(cè)量誤差和以往算法的內(nèi)在缺陷。標(biāo)記樣本的獲取來(lái)自與AIS匹配的目標(biāo),提取樣本在各個(gè)通道的歸一化幅相值作為樣本特征。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果表明SVR角估計(jì)算法能獲取比實(shí)測(cè)方向圖MUSIC法更高的精度,能有效緩解角度模糊現(xiàn)象,而且還具有擴(kuò)展性強(qiáng)、所需數(shù)據(jù)量少的優(yōu)點(diǎn)。4.提出了一種基于支持向量回歸(SVR)的目標(biāo)距離估計(jì)方法。在SVR算法取得不錯(cuò)的角估計(jì)結(jié)果之后,我們又把它應(yīng)用于距離估計(jì)。標(biāo)記樣本的獲取來(lái)自與AIS匹配的目標(biāo),樣本的特征選用樣本距離維鄰近單元的歸一化幅度,使用SVR算法學(xué)得距離估計(jì)的模型。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示SVR距離估計(jì)法不但能夠獲得比傳統(tǒng)經(jīng)驗(yàn)公式法更精確、更穩(wěn)定的距離估計(jì),還能自動(dòng)補(bǔ)償系統(tǒng)距離偏差。此外SVR距離估計(jì)的模型具有很好的泛化能力,在站點(diǎn)之間使用也取得了良好的效果。
【學(xué)位授予單位】：武漢大學(xué)
【學(xué)位級(jí)別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號(hào)】：TN959
【圖文】：

出ＣＨ雷達(dá)系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用四個(gè)１１０米高的鐵塔作發(fā)射，間距約５５米，發(fā)射功率逡逑３５０ｋＷ；接收陣列是四個(gè)７３米高的木塔，每個(gè)塔有三組接收天線。雷達(dá)的主要工作頻逡逑段是２０－３０ＭＨｚ，探測(cè)范圍超過(guò)１５０公里。圖１．１⑷展示了邋ＣＨ的鐵塔發(fā)射天線。逡逑１９３７年，最早的五座ＣＨ雷達(dá)站建成，同時(shí)英國(guó)建立起世界上第一個(gè)地面控制逡逑攔截系統(tǒng)——道丁系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過(guò)專用電話迅速收集ＣＨ和其它觀測(cè)站的信息，逡逑然后指揮防御系統(tǒng)主動(dòng)出擊，攔截?cái)硻C(jī)。１９３９年二戰(zhàn)爆發(fā)時(shí)，英國(guó)在東海岸和東南海逡逑岸已經(jīng)部署了數(shù)十部ＣＨ雷達(dá)，圖１．１（ｂ）展示了邋ＣＨ覆蓋的區(qū)域。１９４０年７月，英德逡逑之間決定性的“不列顛之戰(zhàn)”爆發(fā)，在軍事力量完全不如德國(guó)的情況下，英國(guó)的ＣＨ逡逑雷達(dá)系統(tǒng)卻發(fā)揮了巨大的作用——德國(guó)飛機(jī)剛從歐洲大陸上的基地起飛，ＣＨ就能夠逡逑探測(cè)到它們，這使得英國(guó)有足夠的時(shí)間制定作戰(zhàn)計(jì)劃，最終取得了戰(zhàn)爭(zhēng)的勝利。逡逑二戰(zhàn)結(jié)束后

圖１．２：中國(guó)海域及海洋資源分布圖逡逑我國(guó)是個(gè)海洋大國(guó)，擁有１．８萬(wàn)多公里大陸海岸線，１．１萬(wàn)多個(gè)島嶼，專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)逡逑面積達(dá)到３００多萬(wàn)平方千米，圖１．２展示了我國(guó)海域以及海洋資源分布狀況。海洋在給逡逑我們帶來(lái)豐富資源的同時(shí)，也帶來(lái)了海洋監(jiān)控方面的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測(cè)方法逡逑包括岸邊觀測(cè)站監(jiān)測(cè)，衛(wèi)星監(jiān)測(cè)，海上浮標(biāo)監(jiān)測(cè)，船只與飛機(jī)巡邏監(jiān)測(cè)等，均不能實(shí)逡逑現(xiàn)大面積、全天候、高精度的監(jiān)管，且實(shí)施和維護(hù)成本較高。高頻地波雷達(dá)則具有得逡逑天獨(dú)厚的優(yōu)勢(shì)：（１）成本低，高頻地波雷達(dá)只需要架設(shè)在固定的岸邊位置，其運(yùn)行與逡逑維護(hù)成本遠(yuǎn)低于巡邏船只；（２）范圍廣，高頻雷達(dá)的探測(cè)距離可達(dá)數(shù)百公里，能夠完逡逑全覆蓋專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)的范圍；（３）全天候，高頻地波雷達(dá)的運(yùn)行不受大雨、大風(fēng)、大浪等逡逑惡劣天氣影響。由于存在這些優(yōu)點(diǎn)，各國(guó)才會(huì)如此青睞高頻地波雷達(dá)并大力研發(fā)，目逡逑前己在世界范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。逡逑－３－逡逑

圖１．３：紐約港雷達(dá)站點(diǎn)圖（來(lái)源文獻(xiàn)［２９］）逡逑具有最高的占空比，但在近距離處占空比較低，很明顯對(duì)探測(cè)近距離的船只目標(biāo)逡逑不利。圖１．４（ａ）中的修正波形采用周期極短的方波脈沖，在１１ｋｍ處就達(dá)到最大占逡逑空比，這種波形被用于近距離應(yīng)答器測(cè)量。圖１．４＾中的修正波形是用于目標(biāo)探測(cè)逡逑的最優(yōu)波形，它以犧牲少量遠(yuǎn)距離雷達(dá)回波占空比為代價(jià)，大大改善了近距離回逡逑波占空比。靈活調(diào)整發(fā)射脈沖波形，可以使雷達(dá)系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)不同的需求。逡逑＜邐Ｐｕｉｓｅ邋Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ邋Ｉｎｔｅｒｖａｌ邋＞邐＾邐Ｐｕｌｓｅ邋Ｒｅｐｅｔｉｔｉｏｎ邋Ｉｎｔｅｒｖａｌ邋，逡逑０邋邐ｉｆ…}0邐１４４0邐１９２０邐２４Ｇ０邐０邐４？０邐９？０邐１４４０邐１３２Ｇ邐２４００逡逑Ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄｓ邐Ｍｉｃｒｏｓｅｃｏｎｄｓ逡逑ＩＩ邋ｌｌｆ］邋｜逡逑０邐２５邐５０邐７５邐１００邐１２５邐１５

【參考文獻(xiàn)】

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本文編號(hào)：2764219