舰船导航雷达远距离探测能力优化方法.pdf

第45卷第2 0 期2023年10 月舰船科学技术SHIP SCIENCEANDTECHNOLOGYVol.45,No.20Oct.,2023舰船导航雷达远距离探测能力优化方法郑建佳（青岛远洋船员职业学院，山东青岛2 6 6 0 7 1）摘要：为了提升舰船雷达远距离探测能力，更好保障舰船远距离航行任务顺利完成，提出舰船导航雷达远距离探测能力优化方法。基于扫描机制与面阵接收技术对舰船导航雷达架构实施合理设计，并在舰船导航雷达光学接收模块使用改进小波值法、中值滤波以及经验模态分解（EMD）算法，混合滤波接收到的舰船导航雷达回波信号，提升舰船导航雷达回波信号质量，实现舰船导航雷达远距离探测能力优化。结果表明，应用该方法能够优化舰船导航雷达远距离探测能力，相同量程下，可更好探测与呈现舰船航行过程中的远距离目标。关键词：舰船导航雷达；远距离探测；探测能力优化；改进小波值；中值滤波；EMD算法中图分类号：TN952文章编号：16 7 2-7 6 49(2 0 2 3)2 0-0 18 6-0 4Optimization method for long range detection capability of ship navigation radarAbstract:Propose an optimization method for the long-range detection capability of ship navigation radar,enhance thelong-range detection capability of ship radar,and better ensure the smooth completion of ship long-range navigation tasks.Based on the scanning mechanism and array reception technology,a reasonable design of the ship navigation radar architec-ture is implemented.The improved wavelet threshold method,median filtering,and empirical mode decomposition(EMD)algorithm are used in the optical reception module of the ship navigation radar to hybrid filter the received ship navigationradar echo signal,improve the quality of the ship navigation radar echo signal,and optimize the long-range detection abilityof the ship navigation radar.The experimental results show that the application of this method can optimize the long-rangedetection capability of ship navigation radar,and can better detect and present long-range targets during ship navigation atthe same range.Key words:ship navigation radar;remote detection;optimization of detection capability;improve waveletthreshold;median filtering;EMD algorithm0引言舰船导航雷达在远距离探测方面呈现出一定的局限性，在环境较为复杂的海域航行过程中，舰船导航雷达已不再能够更好满足舰船对远距离目标的探测需求1-3。为此需要一种合理有效的舰船导航雷达远距离探测能力优化方法，提升舰船导航雷达远距离探测能力。针对上述问题，王福来等4 提出基于雷达发射波形和接收滤波器联合设计的舰船导航雷达远距离探测收稿日期：2 0 2 3-0 3-18基金项目：中华人民共和国海事局海事科技项目（0 7 0 6-12 40 0 0 0 3N001）作者简介：郑建佳（19 8 0-），男，讲师，研究方向为航海技术及航海教育。文献标识码：AZHENG Jian-jia(Qingdao Ocean Shipping Mariners College,Qingdao 266071,China)能力优化方法，陈晨旭等5 提出基于复合波形体制全数字高频雷达接收机设计的舰船导航雷达远距离探测能力优化方法。2 种方法均可在一定程度上提升了舰船导航雷达的远距离探测能力，但是提升效果不够理想。将扫描机制与面阵接收方式结合起来对舰船导航雷达架构实施合理设计，并在舰船导航激光雷达光学接收模块使用混合滤波算法对激光雷达回波信号实施合理滤波，可显著提升舰船导航雷达的远距离探测能力。为此，本文提出舰船导航雷达远距离探测能力优化方法，可更好满足实际航行需要。doi:10.3404/j.issn.16727649.2023.20.035第45卷1舰船导航雷达探测能力优化1.1基于扫描机制与面阵接收的导航雷达架构设计激光拥有非常优越的准直性，能量较为集中，在方位指向方面的准确性也较高，非常适合进行远距离探测。将扫描机制与面阵接收技术结合在一起，对舰船导航雷达架构实施合理设计，可有效满足舰船在航行过程中对远距离小目标的高精探测需求，大幅度降低舰船导航雷达远距离探测失败的概率。基于扫描机制与面阵接收技术对舰船导航雷达实施合理设计，设计出的舰船导航雷达架构如图1所示。该舰船导航雷达架构由处理器、极速脉冲激光器、激光整形扩束以及激光发射等模块构成。由处理器中的脉冲控制模块控制极速脉冲激光器发出脉冲激光，脉冲激光经过分光镜到达PIN管处，记录脉冲激光被发射出去的初始时刻，而后脉冲激光通过激光整形扩束执行有效扩束操作后，由激光发射模块负责发出，激光接触到探测目标后，探测目标表面反射激光会被光学主镜所吸收，由镀膜反射镜执行合理反射操作后，被激光导航雷达光学模块接收，进而发送给面阵型APD探测器，由面阵型APD探测器接收并计算反射激光到达时刻，而后发送给处理器的距离解算模块；其他波段激光由镀膜反射镜执行反射操作后，会被可见光光学模块接收，而后进人CCD探测器，由CCD探测器执行表面成像操作后，经AD转换操作，将所获探测目标图像信息发送给处理器的目标图像存储模块实施合理存储；处理器承担的主要职责是以接收到的激光到达时刻为可靠依据，对舰船距离探测目标的距离实施合理计算，并根据接收到的探测目标图像信息求解探测目标所在接收光学主镜激光发射模块激光整形扩束模块分光镜极速脉冲激光器处理脉冲控制目标图像存储器PIN图1舰船导航雷达架构Fig.1Architecture of ship navigation radar郑建佳：舰船导航雷达远距离探测能力优化方法(0,Q;ojis。式中：y为阈值处理后的小波系数；jk为尺度为j时的第k个小波系数；e为自然常数；sgnO为符号函数。激光导航雷达镀膜反射镜光学接收模块可见光光学接收模块CCD探测器AD模块脉冲发射计时187方位信息。1.2舰船导航雷达回波信号混合滤波舰船导航雷达在对远距离目标实施合理探测时，因雷达回波信号相对较为微弱，且在极端天气下信号的微弱程度还会加深，总体来讲雷达回波信号的信噪比非常低，由此导致的最直接后果是当探测目标距离舰船较远时，很难完成相应的探测任务。为此，必须采取合理方式显著提升雷达回波信号的信噪比，从而达到优化舰船导航雷达远距离探测能力的目的。显著提升舰船雷达远距离探测能力，除基于扫描机制与面阵接收技术对导航雷达架构实施合理设计外，决定在激光导航雷达光学接收模块以及可见光光学模块，使用改进小波值法、中值滤波算法以及EMD算法对接收的雷达回波信号实施混合滤波。1.2.1改进小波阅值舰船导航雷达回波信号滤波小波阈值法对雷达回波信号中的高斯噪声具有很好的滤波效果。在实际工作中，传统的小波阈值法通常选用硬阈值或软阈值函数对回波信号执行滤波操作，但是滤波效果并不理想。为有效弥补在单独使用软、硬阈值函数对雷达回波信号实施滤波时的缺陷，将软阈值函数当中的阅值Q;替换成Qjed;(-loul+2i)=(loiul+1-Qi)，改进后的阈值函数可描述为：y=jQ;aikl,改进小波阈值舰船导航雷达回波信号滤波过程可简单归结为如下步骤：步骤1运用合适小波基以及分解层数对含噪声雷APD探测器达回波信号执行小波变换操作，获得各分解层下的有效小波系数。脉冲到达计时步骤2 确定合适阈值，本文按无偏风险估计准则对其实施确定。步骤3运用式（1）所描述的阈值函数对各层所拥有的小波系数执行阈值化处理操作。距离解算步骤4对经步骤3阈值化处理后的小波系数执行合理重构操作，得到改进小波值去噪后的舰船导航雷达回波信号。1.2.2舰船导航雷达回波信号中值滤波中值滤波算法通常被用于滤除图像以及其他种类(1).188信号的脉冲与斑点噪声，本质滤波思想是对输人信号采样信息实施合理检测，辨别其是否为信号，一般通过数量为奇数的信号采样信息构成检测窗口，并对所构检测窗口内含有的数据实施合理排序，把位于该窗口中值的数据当作有效输出。为获得更高质量的舰船导航雷达回波信号，在利用改进小波值法滤除掉回波信号中的大部分高斯噪声后，使用中值滤波算法对雷达回波信号中的脉冲噪声与斑点噪声实施有效滤除。以接收到的雷达回波信号为可靠基础，将雷达回波信号的各个径向数据当作一个行，如此操作后会获得一个二维性质的数组。在中值滤波过程中，通常采用的窗口规格为33，本文依据实际工作情况以及以往工作经验，最终决定使用规格为55的检测窗口执行中值滤波操作。如图2 所示，视中间灰色部分是中心位置点，对其四周其余2 4个点的相应数据实施合理检测，并对2 5个点数据执行有效排序操作，把2 5点排序过后获得的中间值当成灰色中心位置点所拥有的数据值，而后依次移动灰色位置点，对所有导航雷达探测数据执行中值处理操作。经历中值处理操作后，某些较大的探测数据值会比一定的阈值低，则可把该点看成是噪声数据，将其去除。轴图2 中值滤波处理示意Fig.2 Schematic diagram of median filtering processing1.2.3EMD算法在雷达回波信号滤波中的应用EMD算法在非平稳以及非线性数据去噪方面具有非常显著的优势，因而可以用于对雷达回波信号实施滤波处理。在本文中，EMD算法用来对经小波阈值以及中值滤波算法滤波后的舰船导航雷达回波信号实施再次滤波，解决舰船导航雷达回波信号中的残余噪参数型号FAR-2137S参数量程范围/nmile125舰船科学技术声，其滤波流程如下：步骤1针对经历小波阈值以及中值滤波操作后的舰船导航雷达回波信号x()，对其局部的极大以及极小插值实施合理连接操作，获得上下包络线，将上包络线标记为xmax(t)，下包络线标记为xmin()。步骤2 求解xmax(t)、Xmi n(t)的均值线，具体的求解过程可描述为：Xmax()+Xmin(t)Zi(t)=2其中，Z()标记的是上下包络线均值。步骤3用经历小波阈值以及中值滤波操作后的舰船导航雷达回波信号x(t)与Zi(t)作差，求得滤除低频分量的x(t)剩余分量，将该分量标记为 hi()。步骤4对hi(t)实施有效判断，判断其是否符合模态函数相关条件，若符合就将hi()当成一个IMF存储起来，反之将hi(t)当成原始回波信号，重复执行步骤1步骤3，继续执行有效筛选操作，若经历过次数为k的筛选后的剩余分量hk()才符合IMF条件，那么就把h1k(t)当成一阶的IMF储存起来，并将其记作ci(t)。步骤5用x(t)减去ci(t)可以得到首个残差ri(t),之后将ri(t)当作一组新的数据信号，重复执行步骤1步骤4，再一次得到符合条件的舰船导航雷达回波信号IMF分量c2(U)。重复执行多次，一直到残差低于所设阈值或成为了单调性函数，分解完毕。步骤6 完成上述分解操作后，因噪声大多数情况下仅存在于IMF的高频分量中，故直接滤除部分IMF的高频分量，便可实现去噪的目的。2实验结果与分析在某远洋货运船，在舰船导航雷达光学接收模块中使用改进小波阈值法、中值滤波算法以及EMD算法对接收的雷达回波信号实施混合滤波，以验证本文方法有效性。舰船导航雷达主要参数情况如表1所示。选择在某日出现雷雨天气时对舰船导航雷达回波表1舰船导航雷达主要参数Tab.1 Main parameters of ship navigation radar重量/kg66.1输出频率/MHz306035第45卷2(2)屏幕尺寸天线类型与长度/cm液晶2 0.3寸（12 8 0 10 2 4）开放型36 0垂直波速宽度/（）转速/r:min-l2521/26/45输出功率/kW30中频中心频率/MHz60第45卷信号实施采集，并应用本文方法对采集的几组雷达回波信号数据样本执行混合滤波操作，最终获得的舰船导航雷达回波信号混合滤波效果如表2 所示。分析可知，未对舰船导航雷达回波信号实施混合滤波前，原始舰船导航雷达回波信号的信噪比均较低，信号质量一般，而在经过本文方法对其实施混合滤波后，信噪比显著提高，信号质量得到了显著提升。说明应用本文方法可较好滤除舰船导航雷达回波信号中的各种噪声，为舰船导航雷达远距离探测能力优化提供可靠保障与支持。表2 舰船导航雷达回波信号混合滤波效果Tab.2 Mixed filtering effect of ship navigation radar echo signal原始信号EMD算法编号信噪比/dB14.3426.89311.3647.2554.38612.3679.2784.56采用与未采用本文方法的雷达显示界面对比如图3所示。可知，在量程设定都为12 0 nmilie的情况下，未采用本文方法的雷达显示界面中标注部分所存在的探测目标没有被显示出来，而应用本文方法后这些远距离探测目标可清晰呈现于雷达显示界面。表明应用本文方法可以优化舰船导航雷达远距离探测能力，更好满足实际需要。3结语研究舰船导航雷达远距离探测能力优化方法，并对该方法在舰船导航雷达远距离探测中的效果进行验证。实验结果证明，使用该方法后，可显著提升舰船导航雷达远距离探测能力，能够为实际舰船导航提供可靠技术支持。郑建佳：舰船导航雷达远距离探测能力优化方法改进小波中值闵值后/dB滤波后/dB6.9811.8611.5615.5717.2921.2312.0215.296.1211.1115.2518.9516.2618.296.1510.08189(a)本文方法雷达显示界面后/dB13.9616.1625.6417.9814.0520.0821.2113.93(b)未采用本文方法雷达显示界面图3导航雷达远距离探测能力优化效果Fig.3 Optimization effect of navigation radars long-rangedetection capability参考文献：1张莉.基于Qt 的船用CCD星敏感器导航系统仿真研究1.船舶工程,2 0 2 1,43(5):114-12 0+12 8.2李业，任鸿翔,郑君.基于B/S架构的航海雷达仿真系统设计与实现J.火力与指挥控制，2 0 2 2,47(7)：150-156.3丁善婷，王淼，董正琼，等.基于多智能体的舰载雷达可靠性、维修性及保障性评估方法J.中国舰船研究,2 0 2 1,16(6):52-60.4】王福来，庞晨，黄大通，等.一种同时全极化雷达发射波形和接收滤波器联合设计的抗间歇采样转发干扰方法.中国科学：信息科学，2 0 2 2,52(7)：1333-1348.5陈晨旭，吴雄斌，张兰.复合波形体制全数字高频雷达接收机设计.现代雷达,2 0 2 1,43(6):7 0-7 5.6丁红波，王珍珠,刘东，激光雷达信号去噪方法的对比研究光学学报,2 0 2 1,41(2 4):9-18.