舰船导航雷达远距离探测能力优化方法

2023-12-04郑建佳

舰船科学技术 2023年20期

郑建佳

（青岛远洋船员职业学院，山东青岛 266071）

0 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。

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[6]，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，而后进入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方位信息。

图1 舰船导航雷达架构Fig.1 Architecture of ship navigation radar

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。

1.2.1 改进小波阈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阈值Qj替换成改进后的阈值函数可描述为：

式中：y为阈值处理后的小波系数；ωj,k为尺度为j时的第k个小波系数；e为自然常数；sgn()为符号函数。

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。

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。

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，得到改进小波阈值去噪后的舰船导航雷达回波信号。

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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信号的脉冲与斑点噪声，本质滤波思想是对输入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，在利用改进小波阈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3×3，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5×5 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24 个点的相应数据实施合理检测，并对25 个点数据执行有效排序操作，把25 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。

图2 中值滤波处理示意Fig.2 Schematic diagram of median filtering processing

1.2.3 EMD 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(t)，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(t)。

步骤2求解xmax(t)、xmin(t)的均值线，具体的求解过程可描述为：

其中，Z1(t)标记的是上下包络线均值。

步骤4对h1(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h1(t)当成一个IMF 存储起来，反之将h1(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h1k(t)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c1(t)。

步骤5用x(t)减去c1(t)可以得到首个残差r1(t)，之后将r1(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(t)。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。

表1 舰船导航雷达主要参数Tab.1 Main parameters of ship navigation radar

选择在某日出现雷雨天气时对舰船导航雷达回波信号实施采集，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

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120 n milie 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。