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自研的HD-LD-CJ-22型便携式雷达中/视频数据采集设备，如图3所示。该采集设备由采集模块和上位机软件组成，升级后，采集模块具备4个采集通道，支持2部相参雷达同步采集，每个通道可实现14bit量化，具备120MSPS的峰值采样能力和80MB/S的连续不间断存储能力，具有3路TTL电平信号、2收2发RS232信号、4收RS422信号接口，可用于接入试验辅助设备数据。上位机软件可实现全量程和自定义波门采样，二进制数据文件可按预设文件大小自动分割与存储，采集数据文件命名格式为20221220153023_stare/cirscan/secscan(年/月/日/小时/分钟/秒/天线工作模式)，天线工作模式包括stare(天线凝视某一方位)、cirscan(天线圆周扫描)和secscan(天线扇形扫描)3种。采集设备还可通过串口与网络接口记录AIS、雷达输出点/航迹等数据。2.3 试验场地扩展为便于海上目标特性数据获取，将现有试验场地拓展为2个试验点位，如图4所示，在现有烟台第一海水浴场旁固定试验点(试验点1)基础上，充分表 2 X波段试验雷达参数Tab.2 Parameters of X-band experimental radars雷达技术指标HH极化VV极化工作频段XX工作频率范围9.39.5GHz9.39.5GHz量程1/1696nmile1/1696nmile扫描带宽25MHz(T2,T3)25MHz(T2,T3)距离分辨率6m6m脉冲重复频率(kHz)1.6,2.0,3.0,5.0,10.0 1.6,2.0,3.0,5.0,10.0发射波形T1：单频T2：LFMT3：LFMT1：单频T2：LFMT3：LFM脉冲宽度T1：0.15sT2：8sT3：25sT1：0.15sT2：8sT3：25s发射峰值功率100W100W天线转速(r/min)2,6,12,24,482,6,12,24,48天线长度2.0m2.5m天线工作模式圆扫、扇扫、固定指向圆扫、扇扫、固定指向天线极化方式HHVV天线水平波束宽度1.21.1天线垂直波束宽度2223(a)HH极化雷达(a)HH polarized radar(b)VV极化雷达(b)VV polarized radar图1两部X波段固态全相参雷达Fig.1TwoX-bandsolid-statefullycoherentradars458雷达学报第12卷发挥芝罘湾得天独厚的地理优势，新建芝罘岛试验场(试验点2)，在地理位置上与试验点1的观测角度互补，提升了多雷达多角度同时观测同一场景同一目标的试验能力。同时，海上目标包括客轮、油轮、货轮、集装箱船、海上养殖平台、海警船、救援船等中大型目标，以及近岸渔船、小型快艇、航道浮标等，海面上目标类型丰富，为雷达目标特性数据采集提供了便利的条件。试验点1位于烟台第一海水浴场旁，试验场地距离海边的直线距离约200m，架高约为80m，雷达对海视野范围约180，可测得明显海杂波数据的擦地角范围为0.36.0。试验点2位于烟台芝罘岛北岛东头，试验场地距离海边的直线距离约50m，海拔约25m，雷达对海视野范围大于180，可测得明显海杂波数据的擦地角范围为0.315.0。2.4 试验辅助数据在海上目标特性数据采集试验过程中，海洋环境数据的同步记录十分重要，一方面形成“信息全记录的海上目标特性数据”可以重演海洋环境基本信息；另一方面，可以推进海上目标特性、目标特性分析和目标检测等技术研究的精细化。2022年11月12日至15日开展试验期间，数据连续采集超过T1T2T3T1T2T3T1T2T1T2模式1模式2模式3T1T1T1图2组合脉冲发射的3种模式Fig.2Threemodesofcombinedpulseemission图3HD-LD-CJ-22型雷达数据采集设备与显控软件Fig.3HD-LD-CJ-22radardataacquisitionandcontrolsoftware船只目标试验点1试验点2图4环芝罘岛试验场俯瞰图Fig.4OverviewoftheZhifuislandtestsite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45970h，海况等级由4级升至5级，又降至2级，配试目标和气象水文数据详情如下。(1)配试目标(航道浮标)信息灯浮标1，距离雷达架设点2.97nmile，方位为10.7，状态为锚定漂浮。形状特征为红色柱形，罐形顶标，钢材质，浮体直径为2.4m，海面以上高度约4.1m，如图5(a)所示。灯浮标2，距离雷达架设点3.19nmile，方位为10.7，状态为锚定漂浮。形状特征为绿色柱形，锥形顶标，钢材质，浮体直径为2.4m，海面以上高度约4.1m，如图5(b)所示。试验期间，两雷达一直凝视航道浮标所在方位，但由于航道浮标为锚定漂浮状态，在高海况下其随浪起伏明显，且在浪向影响下位置可能会有小距离偏移，使得在雷达上观测航道浮标时，回波起伏明显。(2)气象水文信息雷达对海探测试验需记录风、浪等海洋环境要素信息，风要素的信息主要包括风速、风向等；浪要素信息主要包括浪高、浪向、波速、浪周期等。本次试验获取的气象水文数据，包括试验期间通过海洋预报APP人工实时记录的数据和NetCDF数据(.nc数据)6。2022年11月12日至15日试验期间，海况等级是由低到高、再由高到低的演变过程。数据开始记录时，浪高为1.8m中浪，4级海况；数据记录结束时，浪高为0.4m轻浪，2级海况，于2022年11月13日出现最高风速16.7m/s，最高浪高2.8m，大浪，5级海况，上述记录数据来自海洋预报APP，数值每3小时更新一次，其海浪与海风要素的数据源为美国全球预报系统。更为详细的风、浪要素信息，通过NetCDF数据文件解析得到6，如图6所示，其时间分辨率为15min。2.5 海上目标散射特性数据集示例海上目标散射特性数据集，涵盖了25级连续变化的海况，且为HH与VV两种极化雷达同时观测海上同一目标，相比于IPIX雷达数据8和CSIR雷达数据9，对海面和目标的观测时间长且持续，能够反映二者在不同极化下特性的连续变化特点和异同。为便于发布共享，从2022年11月12日14:00至15日08:00，每间隔1小时截取1组HH与VV极化数据，共计142组数据(HH与VV极化数据各71组，每组数据持续时间为65.536s)，构成海上目标(2个航道浮标，详见图5)双极化多海况散射特性数据集，数据集概况如表3所示。本节从中选取HH和VV极化雷达各4组示例测量数据，如表4所示，对应的海况等级分别是25级，并给出时域原始回波数据和目标所在距离单元的时频谱图。图7给出了HH极化下25级海况雷达回波原始数据图和目标单元时频谱图，图8给出了VV极化下25级海况雷达回波原始数据图和目标单元时频谱图，计算时，取目标所在距离单元的采样点序列，长度为217点，数据分段长度为1024点，相邻数据段之间重叠64点，采用短时傅里叶变换，加切比雪夫窗，得到时频谱。限于篇幅，这里并未将目标回波所占据距离单元的数据全部展示。3 实测数据特性分析 3.1 幅度分布特性分析本节主要分析表4所示数据中海杂波幅度的统计分布特性。海杂波作为海上目标检测的背景，其幅度分布特性直接影响目标CFAR检测方法的应用。图9给出了25级海况下HH和VV极化海杂波数据的经验概率密度函数(ProbabilityDensityFunction,PDF)，以及K分布和对数正态分布对经验PDF的拟合结果。绘制图9所示的经验PDF曲线时，表4中每一组数据均取T2脉冲数据的第20采样点，对应的雷达探测距离为4302.5m，雷达架高按80m计，则擦地角约为1.07，参与统计的数据长度为217，由图9可以看出，在两种极化条件下，随着海况等级升高，海杂波幅度分布的“拖尾”越来越重，在45级海况时，“拖尾”尤为明显。图9还给出了两种常见的拖尾分布模型K分布和对数正态分布的拟合效果，直观观察可发现，海况等(a)灯浮标1(2.97 n mile处)(a)Light buoy 1(2.97 n mile)(b)灯浮标2(3.19 n mile处)(b)Light buoy 2(3.19 n mile)图5航道浮标Fig.5Channelbuoy460雷达学报第12卷表 3 海上目标散射特性数据集概况表Tab.3 Summary table of sea target scattering characteristics dataset序号海况等级数据组数雷达天线工作模式工作量程发射脉冲模式目标种类气象水文数据擦地角()12级10组凝视6nmileT1+T2航道浮标有0.681.0923级54组凝视6nmileT1+T2航道浮标有0.681.0934级48组凝视6nmileT1+T2航道浮标有0.681.0945级30组凝视6nmileT1+T2航道浮标有0.681.09注：每天气象水文数据形成一个nc格式文件，提供风速/风向/浪高/浪向/浪周期信息；凝视模式下每组数据包含的脉冲数均为217个；发射脉冲模式T1+T2，对应图2中的模式2；雷达垂直波束保持不变，擦地角范围是通过雷达架高和数据对应的径向距离范围折算得到的。20:0002:0008:0014:0019:59Time(2022-11-11 20:00-2022-11-12 19:59)00.51.01.52.02.53.0Significant waveheight(m)08:0014:0020:0000:0007:59Time(2022-11-12 08:00-2022-11-13 07:59)051015Wind speed(m/s)20:0002:0008:0014:0019:59Time(2022-11-12 20:00-2022-11-13 19:59)00.51.01.52.02.53.0Significant waveheight(m)08:0014:0020:0000:0007:59Time(2022-11-13 08:00-2022-11-14 07:59)051015Wind speed(m/s)20:0002:0008:0014:0019:59Time(2022-11-13 20:00-2022-11-14 19:59)00.51.01.52.02.53.0Significant waveheight(m)08:0014:0020:0000:0007:59Time(2022-11-14 08:00-2022-11-15 07:59)051015Wind speed(m/s)20:0002:0008:0014:0019:59Time(2022-11-14 20:00-2022-11-15 19:59)00.51.01.52.02.53.0Significant waveheight(m)08:0014:0020:0000:0007:59Time(2022-11-15 08:00-2022-11-16 07:59)051015Wind speed(m/s)(a)有效浪高(2022-11-12)(a)Significant wave height(2022-11-12)(b)风速(2022-11-12)(b)Wind speed(2022-11-12)(c)有效浪高(2022-11-13)(c)Significant wave height(2022-11-13)(d)风速(2022-11-13)(d)Wind speed(2022-11-13)(e)有效浪高(2022-11-14)(e)Significant wave height(2022-11-14)(f)风速(2022-11-14)(f)Wind speed(2022-11-14)(g)有效浪高(2022-11-15)(g)Significant wave height(2022-11-15)(h)风速(2022-11-15)(h)Wind speed(2022-11-15)图6试验海域气象水文数据(NC数据)Fig.6Meteorologicalandhydrologicaldataofthetestseaarea(NCdata)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461表 4 25级海况HH与VV极化雷达示例数据Tab.4 Sample data of HH and VV polarized radars in level 25 sea states数据名包含脉冲数PRF(kHz)T1采样点数T2采样点数T1,T2采样起始距离(km)采样间隔(m)目标浪高(m)浪向海况等级20221115050027_stare_HH217295010004.25252.5浮标1,20.4西2级20221115050036_stare_VV217295010004.25252.5浮标1,20.4西2级20221114190046_stare_HH217295010004.25252.5浮标1,20.7西西北3级20221114190055_stare_VV217295010004.25252.5浮标1,20.7西西北3级20221113210051_stare_HH217295010004.25252.5浮标1,21.3北东北4级20221113210023_stare_VV217295010004.25252.5浮标21.3北东北4级20221113040027_stare_HH217295010004.25252.5浮标1,22.6北5级20221113040009_stare_VV217295010004.25252.5浮标1,22.6北5级T1距离单元:623T2距离单元:677T2距离单元:674050100150-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20050100150-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20归一化频率归一化频率02040时间(s)600204060时间(s)02040时间(s)600204060时间(s)(a)原始数据和浮标1,2的时频谱(2级海况)(a)Raw data and the time-frequency spectrumof buoy 1 and 2(Level 2 sea state)(b)原始数据和浮标1,2的时频谱(3级海况)(b)Raw data and the time-frequency spectrumof buoy 1 and 2(Level 3 sea state)T1距离单元:620浮标2浮标2浮标2浮标2T1距离单元:454T2距离单元:508T2距离单元:506归一化频率02040时间(s)60-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.200204060050100150050100150-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20归一化频率时间(s)02040时间(s)600204060时间(s)T1距离单元:451浮标1浮标1浮标1浮标1T1脉冲回波200 400 600 800采样点数24681012脉冲数(104 dB)脉冲数(104 dB)200 400 600 8001000200 400 600 8002000000400 600 8001000采样点数0102030405060708090100T2脉冲回波T1脉冲回波T2脉冲回波采样点数采样点数010203040506070809010024006810122个航道浮标2个航道浮标2个航道浮标2个航道浮标462雷达学报第12卷级高时，“拖尾”部分的拟合效果越好，海况等级低时拟合效果相对较差。这是因为，所取数据对应的距离处，在低海况下海杂波能量弱，“拖尾”现象不明显。此外还发现，无论HH还是VV极化条件下，K分布模型对拖尾部分的拟合效果优于对数正态分布，对海上目标散射特性数据集中其他数据分析也可以得到类似的结论。3.2 时间与空间相关性分析本节时间相关性分析包括海杂波单元和目标单元的时间相关性，空间相关性主要是指距离维(径向)空间相关性。时间相关性分析可反映海杂波与目标单元的强相关时间差异，支持目标检测中相参积累时间的合理设定；空间相关性分析可反映雷达回波的空间强相关距离，其对于目标CFAR检测中参考单元设定具有指导作用。这里提及的强相关时间和强相关距离，均采用1/e作为门限，即时间自相关系数大于1/e时所对应的相关时间为强相关时间；空间自相关系数大于1/e时所对应的相关距离为强相关距离。对于时间/空间自相关系数曲线与T1脉冲回波T2脉冲回波T1脉冲回波T2脉冲回波200 400 600 800采样点数200 400 600 800100020000400 600 80020000400 600 8001000采样点数采样点数采样点数2468101224006810121020304050607080901000102030405060708090100脉冲数(104 dB)脉冲数(104 dB)-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20050100150050100150归一化频率归一化频率02040时间(s)600204060时间(s)02040时间(s)600204060时间(s)-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20050100150050100150归一化频率归一化频率时间(s)时间(s)02040时间(s)60020406002040600204060时间(s)(c)原始数据和浮标1,2的时频谱(4级海况)(c)Raw data and the time-frequency spectrumof buoy 1 and 2(Level 4 sea state)(d)原始数据和浮标1时频谱(5级海况)(d)Raw data and the time-frequency spectrumof buoy 1(Level 5 sea state)T1距离单元:445T2距离单元:499T2距离单元:507T1距离单元:614T2距离单元:668T2距离单元:678T1距离单元:454T1距离单元:6132个航道浮标2个航道浮标2个航道浮标浮标1浮标1浮标2浮标2浮标2浮标1浮标12个航道浮标浮标2应在613-623采样点之间,能量弱,图中无法清晰展示图7HH极化雷达示例数据Fig.7TypicaldataofHHpolarizedradar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4631/e有多个交点(即存在多值解)的情况，则取最小值解作为强相关时间/距离。图10给出了HH和VV极化条件下25级海况海杂波和目标单元的自相关系数曲线，对比可知，4,5级海况下海杂波的强相关时间在几毫秒量级，VV极化下强相关时间与HH极化相当，2,3级海况下HH极化海杂波相邻距离单元的相关性很弱，而VV极化下海杂波的强相关时间也在几毫秒量级，VV极化下强相关时间长于HH极化，这是因为在2,3级海况下所选距离单元处HH极化海杂波能量弱，杂噪比约为3dB，其时间相关性类似于白噪声的时间相关性，而此距离处VV极化海杂波能量要强于HH极化，杂噪比约为12dB，从而呈现一定的时间相关性。4,5级海况下目标单元的强相关时间在几毫秒量级，2,3级海况下目标单元的强相关时间在几十毫秒量级，且VV极化下强相关时间略长于HH极化。这是因为4,5级海况下目标(航道浮标)随浪起伏严重，且目标所在分辨单元内杂波能量也比较强，受此影响，目标单元与海杂波单元的强相关时间十分接近，而在2,3级海况下，海杂波能量弱，且目标起伏较为平缓，此时目标在几十毫秒的时间尺度内呈现强相关性。200 400 600 800采样点数24681012脉冲数(104 dB)脉冲数(104 dB)200 400 600 800100020000400 600 80020000400 600 8001000采样点数0102030405060708090100采样点数采样点数01020304050607080901002400681012归一化频率02040时间(s)60-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.200204060050100150050100150-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20归一化频率时间(s)02040时间(s)600204060时间(s)050100150-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20050100150-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20归一化频率归一化频率02040时间(s)600204060时间(s)02040时间(s)600204060时间(s)(a)原始数据和浮标1,2的时频谱图(2级海况)(a)Raw data and the time-frequency spectrumof buoy 1 and 2(Level 2 sea state)(b)原始数据和浮标1,2的时频谱图(3级海况)(b)Raw data and the time-frequency spectrumof buoy 1 and 2(Level 3 sea state)T1脉冲回波T2脉冲回波T1脉冲回波T2脉冲回波T1距离单元:454T2距离单元:508T2距离单元:507T1距离单元:624T2距离单元:678T2距离单元:674T1距离单元:453T1距离单元:621回波微弱浮标2应在613-623采样点之间,能量弱,图中无法清晰展示2个航道浮标2个航道浮标2个航道浮标浮标1浮标1浮标2浮标2浮标2浮标1浮标12个航道浮标464雷达学报第12卷图11给出了HH和VV极化条件下25级海况海杂波的距离维空间相关系数曲线，观察可知，海杂波的空间强相关距离为12m左右，HH与VV极化下无明显差异，不同海况等级下也十分接近。考虑到发射脉冲为T2时，雷达的距离分辨率为6m，因此，当间隔距离超过2个距离分辨单元时，距离维空间相关性很弱。这里需说明的是，图11中存在相邻采样点空间相关性很强的情况，这主要是因为距离向采样有冗余，一个距离单元中采集了多个采样点，其本质上描述的是同一个距离单元的回波。3.3 多普勒谱特性分析图12(a)和图12(b)给出了HH与VV极化条件下25级海况目标单元(浮标1)数据的时频谱图，图12(a)中25级海况下所选取的采样点数分别为508,506,498,507，图12(b)中25级海况下所选(c)原始数据和浮标2时频谱图(4级海况)(c)Raw data and the time-frequency spectrum of buoy 2(Level 4 sea state)200 400 600 800采样点数240681012脉冲数(104 dB)200 400 600 8001000采样点数0102030405060708090100T1脉冲回波T2脉冲回波050100150-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20归一化频率02040时间(s)600204060时间(s)T1距离单元:615T2距离单元:668脉冲数(104 dB)20000400 600 80020000400 600 8001000采样点数采样点数0102030405060708090100240681012T1脉冲回波T2脉冲回波050100150-0.20-0.15-0.10-0.0500.050.100.150.20归