基于海杂波强度变化率的杂波图单元划分方法

1.本发明属于电子设备识别技术领域，更进一步涉及雷达信号识别技术领域中的一种基于海杂波强度变化率的杂波图单元划分方法。本发明可用于把岸基雷达探测海洋区域分割为海杂波强度统计特性一致的杂波图单元。


背景技术：

2.目标检测前需要估计海杂波强度统计特性。在大场景海面背景下海杂波强度统计特性随时间和空间变化，通过杂波图单元划分技术将大场景探测区域实时划分为多个海杂波强度统计特性一致的杂波图单元，杂波图单元划分结果的好坏将直接影响海杂波强度统计特性估计的误差。
3.张海龙,李赛辉,张宁,翟刚毅在其发表的论文“某雷达杂波数据分析及杂波图技术研究”(雷达与对抗，2020年001期)中公开了一种均匀杂波图单元划分方法。该方法实现步骤为，在距离维和方位维上均匀划分杂波图单元，每个杂波图单元的距离尺寸为δrc、方位尺寸为δαc。雷达的距离分辨率为δr、波位扫描间隔为δθ，并且假设δrc＝mδr和δαc＝nδθ成立。m和n的数值根据距离展宽和方位展宽设定。该方法存在的不足之处是，根据海杂波后向散射系数经验模型描述，海杂波强度统计特性随空间和时间变化，导致探测区域内海杂波强度统计特性不一致。后续参数估计步骤需要估计海杂波统计特性参数，当杂波图单元内强度统计特性的一致性较低时，参数估计值和真实海杂波参数值的估计误差较大。均匀划分的方法会导致强度统计特性不一致的海杂波被划分到同一个杂波图单元内，不能保证杂波图单元内强度统计特性的一致性，影响参数估计精度。
4.四川九洲空管科技有限责任公司在其申请的专利文献“一种基于自适应遗忘因子的杂波图单元更新方法及装置”(专利申请号cn201510923867.9，申请公布号cn 105372636 b)中提出了一种基于经验的杂波图单元划分方法。该方法的实现步骤是，根据场景和需求选择相应的杂波图颗粒度，设置二维杂波图方位角宽度为δθ,径向大小为δρ，划分后杂波图单元方位和距离的尺寸分别是雷达分辨单元方位和距离尺寸的整数倍。该方法存在的不足之处是，杂波图颗粒度不随空间时间变化，导致划分后的杂波图单元边界不随时间变化，此时海况信息随时间变化导致杂波图单元内海杂波强度统计特性随时间变化，无法适应时变的海杂波强度统计特性，导致后续参数估计值和真实海杂波参数值的误差随时间变化，影响了参数估计精度在时间上的稳定性。


技术实现要素：

5.本发明的目的是针对上述已有技术的不足，提出基于海杂波强度变化率的杂波图单元划分方法，旨在解决海杂波强度统计特性的一致性影响参数估计精度的问题；以及解决时变海况影响海杂波强度分布参数估计精度的问题。
6.为了实现上述目的，实现本发明目的的思路是：本发明使用海杂波强度变化率，根据后续参数估计要求得到变化率门限，使杂波图单元内海杂波强度变化率小于门限保证杂
波图单元内海杂波强度统计特性的一致性，解决了现有技术海杂波强度统计特性的一致性影响参数估计精度降低的问题。本发明使用实时的海况信息随时间更新杂波图划分边界，更新的杂波图单元内重新计算海杂波强度变化率和变化率门限，保证不同时间内杂波图单元内海杂波强度统计特性的一致性，解决了时变海况影响海杂波强度分布参数估计精度的问题。
7.本发明的步骤包括如下：
8.步骤1，按照下式，计算海杂波强度沿距离维的变化率：
[0009][0010]
其中，λr(ri)表示海杂波强度沿距离维的变化率，表示当θj满足大于θ
min
且小于θ
max
时对括号内取最大值的操作，所述的θj表示沿方位维第j个方位角，θ
min
表示最小方位角，θ
max
表示最大方位角，|
·
|表示取绝对值操作，表示取值等于ξ
i,j
沿距离维求偏导数的海杂波强度变化率，ξ
i,j
表示沿距离维第i个且沿方位维第j个空间分辨单元处海杂波强度；步骤2，按照下式，计算海杂波强度沿方位维的变化率：
[0011][0012]
其中，λ
θ
(θj)表示海杂波强度沿方位维第j个变化率，表示当ri满足大于r
min
且小于r
max
时对括号内取最大值的操作，所述的ri表示距离维上第i径向距离，r
min
表示最小径向距离，r
max
表示最大径向距离，表示取值等于ξ
i,j
沿方位维求偏导数的海杂波强度变化率；
[0013]
步骤3，计算门限值对应的沿距离维杂波图单元边界：
[0014]
步骤3.1，设定沿距离维杂波图单元的第一个边界，该边界值的取值等于沿距离维第一个空间分辨单元对应的径向距离；
[0015]
步骤3.2，将选择的海杂波强度沿距离维的变化率分组：
[0016]
取出径向距离大于等于第一个边界值的海杂波强度沿距离维的变化率，按照其径向距离的大小由小到大排序，对排序后的海杂波强度沿距离维的变化率进行分组，将排序中前2个变化率划分为第一组，将排序中前3个变化率划分为第二组，依此类推，将所有变化率划分为最后一组；
[0017]
步骤3.3，计算每组的海杂波强度沿距离维的变化量：
[0018]
步骤3.4，判断每组的海杂波强度沿距离维的变化量是否小于门限值，若是，则执行步骤3.7，否则，执行步骤3.5。
[0019]
步骤3.5，从变化量大于等于门限值的组中选择组号最小的组，确定沿距离维杂波图单元的第二个边界，该边界值的取值等于计算所选组中每个变化率时使用的径向距离值组成的数组中最大值；
[0020]
步骤3.6，将沿距离维杂波图单元的第一个边界改为沿距离维杂波图单元的第二个边界，使用步骤3.2到步骤3.5的方法，得到沿距离维杂波图单元的第三个边界，依此类推，直到只有最后一组的变化量大于门限值时执行步骤4；
[0021]
步骤3.7，设定沿距离维杂波图单元的最后一个边界，该边界值的取值等于计算最后一组中每个变化率时使用的最大径向距离的值；
[0022]
步骤4，计算门限值对应的沿方位维杂波图单元的边界：
[0023]
步骤4.1，设定沿方位维杂波图单元的第一个边界，该边界值的取值等于沿方位维第一个空间分辨单元对应的方位角；
[0024]
步骤4.2，按照步骤3.2到步骤3.5的方法，将径向距离改为方位角，将沿距离维改为沿方位维，得到沿方位维杂波图单元的第二个边界，依此类推，直到只有最后一组的变化量大于门限值时执行步骤5；
[0025]
步骤4.3，设定沿方位维杂波图单元的最后一个边界，该边界值的取值等于计算最后一组中每个变化率时使用的最大方位角的值。
[0026]
步骤5，按照步骤3和步骤4的方法，将门限值改为从门限值数组中随机选取的一个未选择过的门限值,得到门限值对应的沿距离维杂波图单元边界和沿方位维杂波图单元边界，依此类推，直到门限值数组中所有门限值都被选择过，得到门限值数组中每个门限值对应的沿距离维杂波图单元的边界和沿方位维杂波图单元的边界；
[0027]
步骤6，根据判决准则优化杂波图划分结果：
[0028]
步骤6.1，确定每个门限值对应的沿距离维杂波图单元最小宽度：
[0029]
从门限值数组中随机选择一个未被选择过的门限值，计算所选门限值对应的沿距离维杂波图单元每两个相邻边界的差值，将差值按照从小到大的顺序排序，将排序中最小差值作为当前门限值对应的沿距离维杂波图单元最小宽度，依此类推，重新选择门限值直到门限值数组中所有值都被选择过，得到每个门限值对应的沿距离维杂波图单元最小宽度；
[0030]
步骤6.2，按照步骤6.1的方法，将沿距离维改为沿方位维，得到每个门限值对应的沿方位维杂波图单元最小宽度，将每个门限值对应的沿距离维杂波图单元最小宽度和沿方位维杂波图单元最小宽度相乘后除以距离维分辨率和方位维分辨率得到每一个门限值对应的最少空间分辨单元个数；
[0031]
步骤6.3，设定数值最接近200的最少空间分辨单元个数对应的门限值为最优门限值，设定最优门限值对应的沿距离维杂波图单元边界和沿方位维杂波图单元边界为最优划分结果。
[0032]
本发明与现有技术相比具有以下优点：
[0033]
第一，由于本发明在杂波图单元划分过程中，使用海杂波强度变化率，使杂波图单元内海杂波强度变化率小于门限，克服了现有技术海杂波强度统计特性随空间变化的问题，使得本发明提高了杂波图单元内海杂波强度统计特性的一致性，降低了海杂波强度统计特性随空间变化对参数估计精度的影响。
[0034]
第二，由于本发明在杂波图单元划分过程中，在探测区域每个空间分辨单元中根据时变的海杂波强度变化率实时划分杂波图单元，克服了时变的海杂波强度统计特性影响参数估计性能的问题，使得本发明提高了杂波图单元划分对随时间变化的海杂波强度统计
特性的适应能力，消除了时变海况对海杂波强度分布参数估计精度的影响。
附图说明
[0035]
图1为本发明的流程图；
[0036]
图2为本发明的仿真图。
具体实施方式
[0037]
下面结合附图和实施例，对本发明做进一步的详细描述。
[0038]
参照图1和实施例，对本发明的实现步骤做进一步的详细描述。
[0039]
步骤1，按照下式，计算雷达擦地角：
[0040][0041]
其中，表示由沿距离维第i个空间分辨单元距离雷达的径向距离ri决定的雷达擦地角，arcsin(
·
)表示求反正弦操作，h表示雷达阵元几何中心相对海平面的高度，r取值为6371千米；
[0042]
步骤2，计算海杂波强度沿距离维和方位维的变化率：
[0043]
步骤2.1，按照下式，计算海杂波强度：
[0044][0045]
其中，ξ
i,j
表示沿距离维第i个且沿方位维第j个空间分辨单元处的海杂波强度，cos(
·
)表示求余弦操作，θj表示方位维上第j个方位角，vw表示由气象部门实时预报的海况等级s决定的取值为3.189s
0.8
的系数，a表示由雷达波长λ和q决定的系数，q表示由擦地角决定的取值为的系数；
[0046]aa
表示由雷达波长λ和海况等级s决定的系数，exp(
·
)表示以自然常数e为底的指数操作，θw表示风吹来的方向相对于正北方向的顺时针夹角；
[0047]
步骤2.2，按照下式，计算海杂波强度沿距离维的变化率：
[0048][0049]
其中，λr(ri)表示海杂波强度沿距离维的第i个变化率，表示当θj满足大于θ
min
且小于θ
max
时对括号内取最大值的操作，所述的θj表示沿方位维第j个的方位角，θ
min
表示最小方位角，θ
max
表示最大方位角，|
·
|表示取绝对值操作，表示取值等于ξ
i,j
沿距离维求偏导数的海杂波强度变化率；
[0050]
步骤2.3，按照下式，计算海杂波强度沿方位维的变化率：
[0051][0052]
其中，λ
θ
(θj)表示海杂波强度沿方位维第j个变化率，表示当ri满足大于r
min
且小于r
max
时对括号内取最大值的操作，所述的ri表示距离维上第i个空间分辨单元的径向距离，r
min
表示最小径向距离，r
max
表示最大径向距离，表示取值等于ξ
i,j
沿方位维求偏导数的海杂波强度变化率；
[0053]
步骤3，计算门限0.05对应的沿距离维杂波图单元的边界：
[0054]
步骤3.1，选择沿距离维杂波图单元的第一个边界，该边界值的取值等于沿距离维第一个空间分辨单元的径向距离，本发明的实施例中沿距离维杂波图单元的第一个边界取值等于775；
[0055]
步骤3.2，将选择的海杂波强度沿距离维的变化率分组：
[0056]
取出径向距离大于等于第一个边界值的海杂波强度沿距离维的变化率，按照其径向距离的大小由小到大排序，对排序后的海杂波强度沿距离维的变化率进行分组，将排序中前2个变化率划分为第一组，将排序中前3个变化率划分为第二组，依此类推，将所有变化率划分为最后一组；
[0057]
步骤3.3，按照下式，计算每组的海杂波强度沿距离维的变化量：
[0058]
γ
p
＝η
p
(max(r
p
)-min(r
p
))
[0059]
其中，γ
p
表示第p组的海杂波强度沿距离维的变化量，η
p
表示第p组中海杂波强度沿距离维的变化率中最大值，max(
·
)表示取最大值操作，r
p
表示由第p组中计算每个变化率时使用的径向距离值组成的数组，min(
·
)表示取最小值操作。
[0060]
本发明的实施例中第一组中包含两个0.0109和0.0107变化率，两个变化率中的最大值是0.0109，故η1＝0.0109，计算这两个变化率时使用的径向距离分别为775和777.5，故r1是由775和777.5组成的数组，r1中的最大值为777.5，故max(r1)＝777.5，r1中的最小值为775，故min(r1)＝775，将最大值和最小值的差和η1相乘计算得到γ1＝0.0272，第二组中包含三个0.0109、0.0107和0.0106变化率，三个变化率中的最大值是0.0109，故η2＝0.0109，计算这三个变化率时使用的径向距离分别为775、777.5和780，故r2是由775、777.5和780组成的数组，r2中的最小值为775，故min(r1)＝775，r2中的最大值为780，故max(r1)＝780，将最大值和最小值的差和η2相乘计算得到γ2＝0.0545，依此类推，计算每组的海杂波沿距离维的变化量；
[0061]
步骤3.4，判断每组的海杂波强度沿距离维的变化量是否小于0.05，若是，则执行步骤3.8，否则，执行步骤3.5。
[0062]
本发明实施例中由于第一组的变化量γ1＝0.0272，由此得知，第一组变化量小于0.05。由于第二组的变化量γ2＝0.0545，由此得知，第二组变化量大于0.05，执行步骤3.5。
[0063]
步骤3.5，从变化量大于等于0.05的组中选择组号最小的组，设定沿距离维杂波图单元的第二个边界，该边界值的取值等于计算所选组中每个变化率时使用的径向距离值组成的数组中最大值。
[0064]
本发明实施例中变化量大于等于门限值的组的组号包括2,3,...,5249，其中组号最小为2，故选择第二组，由于计算第二组中每个变化率时使用的径向距离值分别为775，777.5，780，因为数组由775，777.5，780组成，所以数组中的最大值为780，故沿距离维杂波图单元的第二个边界为780。
[0065]
步骤3.6，将沿距离维杂波图单元的第一个边界改为沿距离维杂波图单元的第二个边界，使用步骤3.2到步骤3.5的方法，得到沿距离维杂波图单元的第三个边界，将沿距离维杂波图单元的第二个边界改为沿距离维杂波图单元的第三个边界，使用步骤3.2到步骤3.5的方法，得到沿距离维杂波图单元的第四个边界，依此类推，直到每组的海杂波强度沿距离维的变化量全部小于0.05或者只有最后一组的变化量大于0.05时执行步骤3.7；
[0066]
本发明实施例中第一次进入步骤3.6时第二组变化量γ2＝0.0545，由于第二组变化量大于0.05，故将第一个边界改为第二个边界，使用步骤3.2到步骤3.5的方法，得到第三个边界，此时第二组的变化量γ2＝0.053，由于第二组变化量大于0.05，故将第二个边界改为第三个边界，得到第四个边界，依此类推，直到得到第57个边界后，每组的变化量都小于0.05，执行步骤3.7。
[0067]
步骤3.7，判断最后一组的变化量是否小于0.05，若是，则执行步骤3.8，否则，执行步骤4；
[0068]
本发明实施例中最后一组是第150组，第150组的变化量为0.0372，由于第150组的变化量小于0.05，故执行步骤3.8。
[0069]
步骤3.8，设定沿距离维杂波图单元的最后一个边界，该边界值的取值等于计算最后一组中每个变化率时使用的最大径向距离的值。
[0070]
本发明实施例中最后一组为第150组，r
150
中最大值为13897.5，故第58个边界为13897.5；
[0071]
步骤4，计算沿方位维杂波图单元的边界：
[0072]
步骤4.1，选择沿方位维杂波图单元的第一个边界，该边界值的取值等于沿方位维第一个空间分辨单元的方位角，本发明的实施例中沿方位维杂波图单元的第一个边界取值等于297.375
°
；
[0073]
步骤4.2，按照步骤3.2到步骤3.5的方法，将径向距离改为方位角，将沿距离维改为沿方位维，得到沿方位维杂波图单元的第二个边界，按照步骤3.2到步骤3.5的方法，将径向距离改为方位角，将沿距离维改为沿方位维，将第一个边界改为第二个边界，得到沿方位维杂波图单元的第三个边界，依此类推，直到每组的海杂波强度沿方位维的变化量全部小于0.05或者只有最后一组的变化量大于0.05时执行步骤4.3；
[0074]
步骤4.3，判断最后一组的变化量是否小于0.05，若是，则执行步骤4.4，否则，执行步骤5；
[0075]
步骤4.4，设定沿方位维杂波图单元的最后一个边界，该边界值的取值等于计算最后一组中每个变化率时使用的最大方位角的值。
[0076]
步骤5，按照步骤3和步骤4的方法，将0.05改为从门限值数组中随机选取的一个未选择过的门限值,得到门限值对应的沿距离维杂波图单元边界和沿方位维杂波图单元边界，将0.05改为从门限值数组中随机选取的一个未选择过的门限值，依此类推，直到门限值数组中所有门限值都被选择过，得到门限值数组中每个门限值对应的沿距离维杂波图单元
的边界和沿方位维杂波图单元的边界，所述的门限值数组为0.025,0.05,...,0.175；
[0077]
步骤6，根据判决准则优化杂波图划分结果：
[0078]
步骤6.1，确定每个门限值对应的沿距离维杂波图单元最小宽度：
[0079]
从门限值数组中随机选择一个未被选择过的门限值，计算所选门限值对应的沿距离维杂波图单元每两个相邻边界的差值，将差值按照从小到大的顺序排序，将排序中最小差值作为当前门限值对应的沿距离维杂波图单元最小宽度，依此类推，重新选择门限值直到门限值数组中所有值都被选择过，得到每个门限值对应的沿距离维杂波图单元最小宽度；
[0080]
步骤6.2，按照步骤6.1的方法，将沿距离维改为沿方位维，得到每个门限值对应的沿方位维杂波图单元最小宽度，将每个门限值对应的沿距离维杂波图单元最小宽度和沿方位维杂波图单元最小宽度相乘的积除以距离维分辨率和方位维分辨率后得到每一个门限值对应的最少空间分辨单元个数；
[0081]
步骤6.3，设定数值最接近200的最少空间分辨单元个数对应的门限值为最优门限值，设定最优门限值对应的沿距离维杂波图单元边界和沿方位维杂波图单元边界为最优划分结果。
[0082]
本发明的效果可通过以下仿真进一步说明：
[0083]
1.仿真条件：
[0084]
本发明的仿真实验是在计算机配置为core i7-6700 3.40ghz，内存16g，windows 10系统和计算机软件配置为matlab r2021a环境下进行的。
[0085]
使用的实测数据为海军航空大学公开共享的x波段雷达对海探测数据2019年第1期第二组的20191014020844_14_scanning雷达回波数据、wave_info.2019101400海浪数据和wind_info.2019101400海风数据。
[0086]
2.仿真内容：
[0087]
本发明仿真实验是采用本发明和现有技术(杂波图单元均匀划分方法)对实测数据进行杂波图单元划分。
[0088]
现有技术杂波图单元均匀划分方法是指，张海龙等人在其发表的论文“某雷达杂波数据分析及杂波图技术研究”.(雷达与对抗,2020,40(1):5.)中提出的杂波图单元均匀划分方法。
[0089]
下面结合图2的仿真图对本发明的效果做进一步的描述。
[0090]
图2(a)为将实测数据采用本发明杂波图划分方法后门限值等于0.1时的仿真结果图，图2(b)为将实测数据采用杂波图单元均匀划分方法后门限值等于0.1时的仿真结果图。图2中的横轴表示方位维，纵轴表示距离维，图2中白线表示杂波图的边界线。
[0091]
由图2(a)中可以看出，本发明仿真实验结果中，杂波图单元边界的间隔随空间变化，呈现出上密下疏和左密右疏的趋势，主要因为本发明方法根据海况信息划分杂波图单元边界，实测数据中距离标号较小处的海况与距离标号较大处相比变化较剧烈，方位标号较小处的海况与方位标号较大处相比变化较剧烈，导致距离标号较小处和方位标号较小处的杂波图单元边界间隔更小，证明本发明方法将海杂波强度统计特性不一致的区域划分为较多的杂波图单元，保证了每个杂波图单元内部海杂波强度统计特性的一致性。
[0092]
由图2(b)中可以看出，沿距离维杂波图单元边界的间隔为89，沿方位维杂波图单
元边界的间隔为478，主要原因是设定杂波图单元均匀划分方法沿距离维杂波图单元个数和本发明方法沿距离维杂波图单元个数相同，通过计算得到沿距离维杂波图单元边界的间隔为89，同理计算得到沿方位维杂波图单元边界的间隔为478，现有技术结果和本发明方法结果相比，杂波图单元的边界间隔不随空间变化，主要原因是因为该方法采用等间隔划分杂波图单元，导致海况变化剧烈处和海况变化平缓处杂波图单元内包含个数相同的空间分辨单元，海况变化剧烈的空间分辨单元被划分入同一个杂波图单元导致参数估计精度下降。
[0093]
利用评价指标(平均变异系数)对两种方法的分类结果进行评价。利用下面公式，计算平均变异系数，将所有计算结果绘制成表1：：
[0094][0095]
其中，c
ε
表示某门限值ε的平均变异系数，i取值等于沿距离维杂波图单元的个数，j取值等于沿方位维杂波图单元的个数，表示从括号中的数中取出i＝1,2,...,i时的值，将取出的值求和的操作，表示从括号中的数中取出j＝1,2,...,j时的值，将取出的值求和的操作，所述的沿距离维第i个且沿方位维第j个杂波图单元处的变异系数c(i,j)由下式得到：
[0096][0097]
其中，σ表示杂波图单元内海杂波强度标准差，μ表示海杂波强度均值；
[0098]
表1.仿真实验中本发明和现有技术结果的定量分析表
[0099][0100]
结合表1可以看出，所有门限下本发明实验结果变异系数均低于杂波图单元均匀划分变异系数，证明本发明方法划分后的杂波图单元内海杂波强度统计特性具有较高的一致性。
[0101]
以上仿真实验表明：本发明方法计算海杂波强度沿距离维和方位维的变化率用于划分杂波图单元，提高了杂波图单元内海杂波强度统计特性的一致性，降低了海杂波强度统计特性随空间变化对参数估计精度的影响，解决了现有技术海杂波强度统计特性随空间变化，导致参数估计精度降低的问题，是一种非常实用的杂波图单元划分方法。