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高頻地波雷達(dá)飛行目標(biāo)高度屬性判別

2015-07-26 11:11趙孔瑞于長軍劉愛軍菅維樂權(quán)太范
關(guān)鍵詞:飛行高度電波低空

趙孔瑞,于長軍,劉愛軍,菅維樂,權(quán)太范

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院,山東威海264200)

高頻地波雷達(dá)飛行目標(biāo)高度屬性判別

趙孔瑞1,于長軍2,劉愛軍2,菅維樂2,權(quán)太范2

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子與信息工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001;2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)(威海)信息與電氣工程學(xué)院,山東威海264200)

高頻地波雷達(dá)飛行目標(biāo)高度估計(jì)一直是工程上尚未解決的熱點(diǎn)問題。然而在實(shí)際工程應(yīng)用中,更加關(guān)心的是被探測到的飛行目標(biāo)是高空還是低空的高度屬性問題,而且飛行目標(biāo)高度屬性判別研究比精確估計(jì)目標(biāo)的具體飛行高度更有實(shí)際應(yīng)用意義,且更容易在實(shí)際系統(tǒng)中實(shí)現(xiàn)?;谏鲜龉こ淘O(shè)計(jì)思想,提出高頻地波雷達(dá)飛行目標(biāo)高/低屬性判別工程化方法,首次解決了高頻地波雷達(dá)飛行目標(biāo)高度屬性判別問題。所提方法利用垂直極化電波在高空和低空高度區(qū)域的不同電波傳播衰減特性構(gòu)建高度屬性判別算法,不僅判別目標(biāo)高度屬性,而且給出高度屬性判別可信度。實(shí)測數(shù)據(jù)處理表明,所提方法能夠利用少量觀測數(shù)據(jù)快速判別飛行目標(biāo)高度屬性,可信度達(dá)到90%以上。

高頻地波雷達(dá);高度屬性;電波傳播衰減

0 引 言

高頻地波雷達(dá)(high frequency surface wave radar,HFSWR)發(fā)射垂直極化電磁波沿海面?zhèn)鞑ニp較小的特點(diǎn),能夠探測數(shù)百公里外的海上飛行目標(biāo)[14],為海監(jiān)部門打擊海上走私、海上交通管制、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)保護(hù)提供了新途徑和手段[5-7]。HFSWR利用電波傳播繞射機(jī)理可以探測到超視距飛行目標(biāo),同時(shí)由于HFSWR垂直波束較寬,還可以探測到高空視距目標(biāo)。但是,目前HFSWR只能獲取目標(biāo)的距離和方位信息,不能直接獲取飛行目標(biāo)的高度信息,因而無法判別目標(biāo)高度屬性,即無法判別是高空目標(biāo)還是低空目標(biāo)。正如文獻(xiàn)[8]所指出的那樣“這種雷達(dá)不能立即區(qū)別在視線范圍內(nèi)位于同一超過地平線距離上而有不同高度的目標(biāo)”。

為判別飛行目標(biāo)的高/低空屬性,可以利用傳統(tǒng)方法先精確估計(jì)目標(biāo)飛行高度再判別目標(biāo)飛行高度屬性。但是目前HFSWR都是利用斜距和方位信息估計(jì)高空目標(biāo)的飛行高度,這些方法不能適用于低空飛行目標(biāo)高度估計(jì)問題。文獻(xiàn)[9]利用HFSWR信號回波強(qiáng)度提出了一種目標(biāo)高度和目標(biāo)散射截面積(radar cross section,RCS)的實(shí)時(shí)估計(jì)方法。但是這種方法在高度估計(jì)時(shí)是一個(gè)多解問題,高度估計(jì)誤差較大,高度估計(jì)結(jié)果可信度低。雖然基于上述方法提出了許多改進(jìn)算法,但仍然沒有從根本上解決高度估計(jì)的多解問題[10-12],至今無法應(yīng)用于HFSWR實(shí)際系統(tǒng)中。從工程應(yīng)用角度看,HFSWR飛行目標(biāo)高度估計(jì)仍處于探索階段。在HFSWR海上飛行目標(biāo)預(yù)警應(yīng)用中,往往更關(guān)心目標(biāo)是低空飛行狀態(tài)還是高空飛行狀態(tài)。能夠直接、快速判別飛行目標(biāo)是高空還是低空屬性,即獲取飛行目標(biāo)高度屬性比精確估計(jì)目標(biāo)的具體飛行高度更有實(shí)際應(yīng)用意義,而且更容易在實(shí)際HFSWR系統(tǒng)上實(shí)現(xiàn),也從而回答文獻(xiàn)[8]提出的HFSWR探測飛行目標(biāo)無高度判別的問題。

基于上述工程設(shè)計(jì)思想,本文重點(diǎn)解決HFSWR飛行目標(biāo)低空/高空屬性判別問題。利用垂直極化電波在高空和低空高度范圍內(nèi)的不同傳播衰減特性提出一種目標(biāo)高度屬性判別算法,而不估計(jì)目標(biāo)具體飛行高度。這種方法不僅判別目標(biāo)高度屬性,而且還給出高度屬性判別可信度。最后通過實(shí)測數(shù)據(jù)對本文提出的方法進(jìn)行驗(yàn)證。

1 HFSWR傳播衰減

根據(jù)單基地HFSWR方程可以得到接收站信號回波強(qiáng)度為

式中,Pr為接收信號回波強(qiáng)度;Pt為發(fā)射站信號發(fā)射功率;Gt為發(fā)射天線增益;Gr為接收天線增益;σ為目標(biāo)RCS;h為目標(biāo)高度;R為目標(biāo)距離雷達(dá)觀測站的距離;lb(·)表示國際電信聯(lián)盟采用的地波傳播衰減,其是目標(biāo)飛行高度h和目標(biāo)距離R的函數(shù);λ表示發(fā)射站雷達(dá)工作頻率。

將雷達(dá)方程式(1)取對數(shù),可得分貝形式下的表示形式為

那么,式(2)表示為

由HFSWR方程式(3)可知,假設(shè)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)恒定,那么C也是已知的。目標(biāo)回波強(qiáng)度Pr是傳播衰減ζb(R,h)和飛行目標(biāo)RCSΨ的二元函數(shù)。將信號回波強(qiáng)度看作一個(gè)已知的常量,目標(biāo)RCS和電波傳播衰減之間具有線性約束關(guān)系。此外,電波傳播衰減ζb(R,h)是目標(biāo)距離和飛行高度的函數(shù)。因此,要實(shí)現(xiàn)目標(biāo)飛行高度屬性判別,需要分析垂直極化電波傳播在不同高度上的傳播衰減特性。

在高頻波段,Rotheram模型考慮了大氣的折射指數(shù),并對傳播衰減模型進(jìn)行了詳細(xì)的理論推導(dǎo),其傳播衰減曲線被國際電信聯(lián)盟采納為10 k Hz~30 MHz的地波傳播衰減標(biāo)準(zhǔn)[13-14]。因此,基于Rotheram傳播衰減模型的獨(dú)特優(yōu)勢,本研究中采用Rotheram傳播衰減模型計(jì)算不同高度和距離上的傳播衰減曲線。首先,根據(jù)Rotheram模型給出一個(gè)傳播衰減的例子。在雷達(dá)工作頻率10 MHz,發(fā)射站高20 m,雷達(dá)站和目標(biāo)之間距離為40~140 km的范圍內(nèi),目標(biāo)飛行高度分別在高空區(qū)域和低空區(qū)域可以得到傳播衰減曲線如圖1和圖2所示。

圖1 低空域地波傳播衰減

圖2 高空域地波傳播衰減

由圖1和圖2可見,地波傳播衰減曲線在不同高度上都隨著距離的增大而增大;在高度方向上隨著高度的增加,衰減逐漸減小。此外,由圖1可見,當(dāng)飛行高度低于2 km時(shí),不同高度上的衰減曲線區(qū)分比較明顯,高度變化0.5 km時(shí)可以引起2 dB的偏差。而在高空空域,由圖2可見,隨著高度的增大,在不同高度上的傳播衰減差別越來越小,即使從8 km增大到12 km,在距離140 km處的傳播衰減僅僅減小0.58 dB;當(dāng)目標(biāo)距離更近時(shí),傳播衰減差別越不明顯。例如,目標(biāo)距離為80 km時(shí),傳播衰減之差僅僅為0.26 d B。由此可見,在高空區(qū)域傳播衰減區(qū)別不明顯。這是因?yàn)殡S著高度的增加,海面效應(yīng)對電波傳播衰減的影響越來越小,垂直極化電波衰減越來越近似于大氣傳播衰減。因此,垂直極化電波傳播衰減在高空和低空區(qū)域的不同傳播衰減特性為目標(biāo)飛行高度屬性判別提供了可能。

2 高度屬性判別算法

為簡化問題分析,假定目標(biāo)具有兩種高度屬性:低空屬性和高空屬性,分別用Dh和Dl表示。同時(shí)假設(shè)感興趣的低空范圍為0~2 km,高空范圍為7~12 km。由垂直極化電波傳播衰減特性可知,目標(biāo)飛行高度較高時(shí),高度信息對信號回波強(qiáng)度的影響很小,可以忽略高度對信號回波強(qiáng)度的影響。因此,用目標(biāo)高度為10 km處的傳播衰減代替高空區(qū)域內(nèi)任意高度上的傳播衰減。那么,式(3)可以重新定義為

式中,h0=10 km。

定義目標(biāo)狀態(tài)向量為

式中,Ψ為目標(biāo)相對于觀測站的RCS大??;vΨ為目標(biāo)RCS變化率。假定飛行目標(biāo)相對觀測站的姿態(tài)角是慢變化的,那么目標(biāo)RCS也是慢變化的。則定義目標(biāo)狀態(tài)方程為

式中,F(xiàn)∈R2×2為狀態(tài)轉(zhuǎn)移矩陣;v(k)為零均值、白高斯過程噪聲。

由信號回波強(qiáng)度可定義量測值為

式中,H∈R1×2是量測矩陣;H=[1 0]。式(6)和式(7)構(gòu)成了高空飛行狀態(tài)下的目標(biāo)高度屬性判別模型。

目標(biāo)在低空飛行狀態(tài)下,由海面作用引起的地波傳播附加衰減影響較大,即使在目標(biāo)飛行高度上升0.5 km的情況下,傳播衰減將減小2 dB以上。因此,假定在2 km以下的區(qū)域?yàn)榈涂諈^(qū)域,將高度0~2 km的范圍劃分為4個(gè)高度子空間,高度劃分節(jié)點(diǎn)分別為h1=0.5 km,h2=1 km,h3=1.5 km。在每個(gè)高度節(jié)點(diǎn)上分別建立高度屬性判別模型。即每個(gè)高度子區(qū)間的屬性判別量測模型為

式中,i=1,2,3。

因此,為實(shí)現(xiàn)目標(biāo)高度屬性判別,可以在每個(gè)高度屬性區(qū)間利用式(8)建立相應(yīng)的判別模型,其中,h0表示高空屬性;hi(i=1,2,3)表示低空屬性。然后利用多假設(shè)思想,在每個(gè)高度區(qū)間上分別建立獨(dú)立的狀態(tài)估計(jì)模型,此處的狀態(tài)估計(jì)模型重點(diǎn)不是估計(jì)目標(biāo)狀態(tài)信息,而是利用每個(gè)模式下的狀態(tài)估計(jì)信息來求解每個(gè)高度屬性判別的可信度,依據(jù)可信度的大小對目標(biāo)飛行高度屬性進(jìn)行判別,而不必考慮狀態(tài)估計(jì)精度。定義高度屬性可信度如下:

(1)高空屬性可信度

(2)低空屬性可信度

式中,N=3;p(hi(k))(i=1,2,3)為第i個(gè)高度區(qū)間模型的概率大?。籶(zk+1/hi)為k+1時(shí)刻目標(biāo)處于hi高度區(qū)間時(shí)的量測似然函數(shù)。假設(shè)量測噪聲為零均值高斯白噪聲,量測似然函數(shù)p(zk+1/hi)可以表示為

3 實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證

為驗(yàn)證高度屬性判別算法的有效性,利用實(shí)測數(shù)據(jù)對其進(jìn)行驗(yàn)證。雷達(dá)工作頻率為11.4 MHz,發(fā)射功率為1 k W。飛行目標(biāo)相對于高頻地波雷達(dá)站的飛行航跡如圖3所示,目標(biāo)飛行高度為200 m,相對于雷達(dá)觀測站方位角為14°。高度屬性判別如圖4所示。

圖3 目標(biāo)相對于觀測站航跡

圖4 目標(biāo)低空屬性可信度

由圖4可見,本文提出的高度屬性判別算法可以準(zhǔn)確地判別低空飛行目標(biāo)的高度屬性。判別速度較快,只需要3個(gè)量測點(diǎn)跡信息就可以對目標(biāo)高度屬性進(jìn)行正確判別,且目標(biāo)高度屬性判別可信度為1。

第2批次低空目標(biāo)飛行高度為900 m,相對于觀測站的方位角為14.8°。目標(biāo)相對于觀測站的航跡如圖5所示,高度屬性判別結(jié)果如圖6所示。

圖5 目標(biāo)相對于觀測站航跡

圖6 目標(biāo)低空屬性可信度大小

由圖6可見,在目標(biāo)飛行高度為900 m的情況下,在4個(gè)量測點(diǎn)跡時(shí)間內(nèi)仍然可以正確判別出目標(biāo)高度屬性,判別速度快。

以上分析了低空目標(biāo)的高度屬性判別,并得到了精確的判別結(jié)果。以下部分將驗(yàn)證高空飛行目標(biāo)的飛行高度屬性判別,該目標(biāo)為非合作民航目標(biāo),高度信息未知,采用文獻(xiàn)[10]提出的方法估計(jì)目標(biāo)高度。

第3批飛行目標(biāo)為高空飛行民航目標(biāo),其相對于雷達(dá)觀測站的航跡如圖7所示,目標(biāo)飛行高度估計(jì)和高度屬性判別可信度分別如圖8和圖9所示。該民航目標(biāo)飛往韓國、日本方向,目標(biāo)高度估計(jì)高度為11 km,航向速度為938.9 km/h。一般國際民航飛機(jī)飛行高度為10.7 km左右,高度估計(jì)結(jié)果為11 km與經(jīng)驗(yàn)值相符合,且高空屬性判別可信度達(dá)到0.95左右。因此,以上飛行高度和屬性判別結(jié)果驗(yàn)證了本文提出的高度屬性判別算法的有效性和正確性。

圖7 目標(biāo)航跡

圖8 高度估計(jì)結(jié)果

圖9 高空屬性判別可信度

第4批次目標(biāo)飛行航跡如圖10所示,航跡圖中粗線為要處理的非合作民航目標(biāo)。其高度估計(jì)結(jié)果和目標(biāo)高度屬性判別結(jié)果如圖11和圖12所示。

圖10 目標(biāo)航跡

圖11 高度估計(jì)結(jié)果

圖12 高空屬性判別可信度

由圖11可見,目標(biāo)高度估計(jì)結(jié)果為9.7 km左右,圖12所示的高度屬性判別可信度顯示目標(biāo)為高空屬性,屬性判別正確,高空屬性可信度為90%。從圖10所示的目標(biāo)航跡可見,目標(biāo)從山東飛往大連方向,航向速度為730 km/h。根據(jù)經(jīng)驗(yàn)可知,國內(nèi)民航飛機(jī)一般為波音737類型中型飛機(jī),飛行高度在9 km左右。因此,本試驗(yàn)結(jié)果表明,高度估計(jì)誤差在10%左右,目標(biāo)高度屬性判別正確。

4 結(jié) 論

本文利用垂直極化電波在高空和低空高度范圍內(nèi)的傳播衰減的不同特性,提出一種基于信號回波強(qiáng)度信息的目標(biāo)高度屬性判別算法,首次解決了HFSWR飛行目標(biāo)高度屬性判別問題。這種屬性判別算法不僅判別目標(biāo)高度屬性,而且給出了高度屬性判別可信度。實(shí)測數(shù)據(jù)處理表明,本算法能夠在5個(gè)觀測時(shí)間內(nèi)判別出目標(biāo)高度屬性,屬性判別可信度達(dá)到90%。

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Target flight mode identification with HFSWR

ZHAO Kong-rui1,YU Chang-jun2,LIU Ai-jun2,JIAN Wei-le2,QUAN Tai-fan2
(1.School of Electronics and Information Engineering,Harbin Institute of Technology,Harbin 150001,China;2.School of Information and Electrical Engineering,Harbin Institute of Technology(Weihai),Weihai 264209,China)

Fight altitude estimation of aircraft is a hotspot in high frequency surface wave radar(HFSWR)application which has not been resolved effectively.However,it is more meaningful and available to identify the flight mode of aircraft than cost too much time to estimate the target altitude in the engineering application.Based on the above viewpiont,an engineering method is proposed to solve the flight mode identification problem with the variation property of the propagation attenuation at different altitude intervals.This method can identify the target flight mode and evaluate the probability of the flight mode.Practical trials demonstrate that the proposed method can identifiy the target flight mode with a small quantity of measurement data,the aircraft flight mode can be identified correctly and the identification probability achieves more than 90%.

high frequency surface wave radar(HFSWR);flight mode;propagation attenuation

TN 959.72 文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A DOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2015.09.10

趙孔瑞(1984-),男,博士,主要研究方向?yàn)楦哳l地波雷達(dá)信號處理。

E-mail:zhaokongrui@163.com

于長軍(1962-),男,教授,博士,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)系統(tǒng)及信號處理。

E-mail:yuchangjun@hit.edu.cn

劉愛軍(1971-),男,副教授,博士,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理與通信系統(tǒng)。

E-mail:hitlaj@163.com

菅維樂(1978-),男,講師,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)信號處理。

E-mail:jianweile@sina.com

權(quán)太范(1949-),男,教授,主要研究方向?yàn)楦哳l地波雷達(dá)信號處理、數(shù)據(jù)處理及多源信息融合。

E-mail:quantaif@hit.edu.cn

1001-506X(2015)09-2018-05

2014-04-30;

2015-01-04;網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期:2015-06-08。

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址:http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20150608.1031.001.html

國家自然科學(xué)基金(61171188)資助課題

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