【摘要】：自1955年Crombie發(fā)現(xiàn)高頻雷達可以收到海流回波之后,經(jīng)過半個多世紀的發(fā)展,它已經(jīng)廣泛應(yīng)用于海洋表面動力學(xué)參數(shù)的測量,具有全天候、大范圍、造價低等優(yōu)點,在漁業(yè)監(jiān)測、海態(tài)預(yù)報等方面起著重大作用。研究者希望高頻地波雷達能同時具有探測海上艦船目標的能力,并開展了很多研究,不過到現(xiàn)在也沒有達到實用化的階段。尤其是采用小型化天線的便攜式高頻地波雷達,雖然成本大幅降低,并在海態(tài)監(jiān)測方面展現(xiàn)出很好的效果,但是在探測艦船目標時還存在很多困難,主要包括:1.高頻段的干擾與噪聲信號均較強,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;2.海上艦船點目標的假設(shè)有時會失效,此時簡單的單元檢測可能無法檢出目標;3.高頻地波雷達的距離分辨單元通常達到千米級,這遠大于船只的尺寸;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,造成方位角估計困難。5.雷達照射范圍內(nèi)的船只信息無法完全掌握,因此缺乏足夠可靠的算法評估手段。針對上述困難,本文對便攜式高頻地波雷達目標探測相關(guān)問題進行了研究。一方面對現(xiàn)有的方法進行了全面評估,尋找制約目標探測研究的關(guān)鍵問題所在;另一方面,在AIS信息的幫助下,成功把機器學(xué)習方法引入本領(lǐng)域,在目標檢測和參數(shù)估計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)的目標檢測方法。該方法引入機器學(xué)習中經(jīng)典的SVC算法,借助AIS信息獲取標記樣本,提取目標在多個維度的信噪比作為樣本特征,選取隨機噪聲信號作為負樣本。通過實測數(shù)據(jù)結(jié)果對比SVC檢測法和傳統(tǒng)CFAR檢測法的性能:兩者在檢測出同樣多目標的情況下,SVC檢測法能夠與AIS信息有更多的匹配數(shù),并且在胡椒圖上能得到更多、更長的軌跡,證明了新方法優(yōu)于CFAR法。SVC檢測法還具有擴展性強、泛化能力好等優(yōu)點。2.提出了一種利用AIS信息進行單極子交叉環(huán)天線方向圖估計的方法。該方法利用AIS信息獲取來自各個方向的大量目標匹配對作為校準源,通過檢測、匹配、分類、篩選、插值、平滑得到方向圖的估計。本文通過2013山東渤海灣、2014福建平潭、2015福建漳州三次雷達現(xiàn)場試驗的結(jié)果對算法進行驗證,AIS估計的方向圖揭示出方向圖在現(xiàn)場環(huán)境中很容易發(fā)生畸變,此時使用理想方向圖進行角估計性能很差,使用AIS方向圖卻可以大大降低角估計誤差。2015年在六鰲進行了方向圖船測試驗,AIS方向圖與船測方向圖的相關(guān)度非常之高,證實了新方法的有效性。3.提出了一種基于支持向量回歸(SVR)的目標到達角估計方法。針對使用實測方向圖估角存在的一些問題,本文引入機器學(xué)習中的SVR算法以繞過測量誤差和以往算法的內(nèi)在缺陷。標記樣本的獲取來自與AIS匹配的目標,提取樣本在各個通道的歸一化幅相值作為樣本特征。實測數(shù)據(jù)的結(jié)果表明SVR角估計算法能獲取比實測方向圖MUSIC法更高的精度,能有效緩解角度模糊現(xiàn)象,而且還具有擴展性強、所需數(shù)據(jù)量少的優(yōu)點。4.提出了一種基于支持向量回歸(SVR)的目標距離估計方法。在SVR算法取得不錯的角估計結(jié)果之后,我們又把它應(yīng)用于距離估計。標記樣本的獲取來自與AIS匹配的目標,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)得距離估計的模型。實測數(shù)據(jù)的結(jié)果顯示SVR距離估計法不但能夠獲得比傳統(tǒng)經(jīng)驗公式法更精確、更穩(wěn)定的距離估計,還能自動補償系統(tǒng)距離偏差。此外SVR距離估計的模型具有很好的泛化能力,在站點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)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TN959
【圖文】：

出ＣＨ雷達系統(tǒng)，該系統(tǒng)使用四個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７３米高的木塔，每個塔有三組接收天線。雷達的主要工作頻逡逑段是２０－３０ＭＨｚ，探測范圍超過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雷達站建成，同時英國建立起世界上第一個地面控制逡逑攔截系統(tǒng)——道丁系統(tǒng)，該系統(tǒng)可以通過專用電話迅速收集ＣＨ和其它觀測站的信息，逡逑然后指揮防御系統(tǒng)主動出擊，攔截敵機。１９３９年二戰(zhàn)爆發(fā)時，英國在東海岸和東南海逡逑岸已經(jīng)部署了數(shù)十部ＣＨ雷達，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的情況下，英國的ＣＨ逡逑雷達系統(tǒng)卻發(fā)揮了巨大的作用——德國飛機剛從歐洲大陸上的基地起飛，ＣＨ就能夠逡逑探測到它們，這使得英國有足夠的時間制定作戰(zhàn)計劃，最終取得了戰(zhàn)爭的勝利。逡逑二戰(zhàn)結(jié)束后

圖１．２：中國海域及海洋資源分布圖逡逑我國是個海洋大國，擁有１．８萬多公里大陸海岸線，１．１萬多個島嶼，專屬經(jīng)濟區(qū)逡逑面積達到３００多萬平方千米，圖１．２展示了我國海域以及海洋資源分布狀況。海洋在給逡逑我們帶來豐富資源的同時，也帶來了海洋監(jiān)控方面的巨大挑戰(zhàn)。傳統(tǒng)的海洋監(jiān)測方法逡逑包括岸邊觀測站監(jiān)測，衛(wèi)星監(jiān)測，海上浮標監(jiān)測，船只與飛機巡邏監(jiān)測等，均不能實逡逑現(xiàn)大面積、全天候、高精度的監(jiān)管，且實施和維護成本較高。高頻地波雷達則具有得逡逑天獨厚的優(yōu)勢：（１）成本低，高頻地波雷達只需要架設(shè)在固定的岸邊位置，其運行與逡逑維護成本遠低于巡邏船只；（２）范圍廣，高頻雷達的探測距離可達數(shù)百公里，能夠完逡逑全覆蓋專屬經(jīng)濟區(qū)的范圍；（３）全天候，高頻地波雷達的運行不受大雨、大風、大浪等逡逑惡劣天氣影響。由于存在這些優(yōu)點，各國才會如此青睞高頻地波雷達并大力研發(fā)，目逡逑前己在世界范圍內(nèi)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化。逡逑－３－逡逑

圖１．３：紐約港雷達站點圖（來源文獻［２９］）逡逑具有最高的占空比，但在近距離處占空比較低，很明顯對探測近距離的船只目標逡逑不利。圖１．４（ａ）中的修正波形采用周期極短的方波脈沖，在１１ｋｍ處就達到最大占逡逑空比，這種波形被用于近距離應(yīng)答器測量。圖１．４＾中的修正波形是用于目標探測逡逑的最優(yōu)波形，它以犧牲少量遠距離雷達回波占空比為代價，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，可以使雷達系統(tǒng)實現(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】

相關(guān)期刊論文 前10條

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本文編號：2764219