科创中国

其他

课题来源：国家自然科学基金重点、面上、973项目、装发预研。 立项名称：海上弱小目标探测信息融合新机理及方法研究、海杂波中弱目标微动特征提取及检测技术研究、海杂波中雷达目标的变换域分形检测方法研究、××雷达××特性基础研究—“海杂波抑制方法研究”等课题。 课题立项编号：61531020、61179017、61471382、61201445、61179017、61320103-2等。 起止年限：2010年-2019年。 简介：雷达作为目标探测和识别的主要手段，在海上维权、海洋监视等公共安全以及国防安全领域应用广泛。然而受复杂海洋环境以及海上目标复杂运动特性的影响，雷达目标回波微弱，具有低可观测性，雷达对海上目标的探测性能难以满足实际需求，海杂波中低可观测目标的探测技术是关键制约因素，也是世界性难题。项目组在何友院士、关键教授的带领下，结合国防和国家经济建设发展需求，在国家自然科学基金、973等课题的资助下，以提高雷达海上目标探测能力为目的，对雷达海上低可观测目标探测技术进行了近10余年的深入研究，采用多维度信息融合利用、智能认知信号处理和多手段融合处理，将扩展维度和融合处理作为重要途径，突破了强杂波背景中目标时变多普勒的分析和检测、距离和多普勒徙动校正、时频谱非线性起伏抑制和特征提取、稀疏时频表示等关键技术，从多自由度、多表示域、多特征等方面发掘低可观测目标与噪声、杂波和干扰信号的差异，提高对海上目标的认知和精细化描述能力，改善对海雷达探测性能，为解决复杂海洋环境下雷达目标探测问题提供了新思路和途径。 创新性： 1）在雷达海杂波建模方面，从时域、频域、Hilbert-Huang变换（HHT）域、分数阶Fourier变换（FRFT）域、稀疏域多个表示域，系统分析了多海域、多平台、多波段大量海杂波数据，梳理挖掘了复杂海况条件下海杂波特性规律，建立了海杂波精细化模型，提高建模精度10%以上，为海上目标检测精细化处理奠定了基础； 2）针对海面慢速、机动目标检测，以海杂波特性精细化建模为支撑，从抑制海杂波和积累目标能量两个角度出发，构造了双谱差异特征、Hilbert谱差异特征、FRFT谱多尺度分形特征等多表示域差异特征，以抑制海杂波，信杂比提高2dB以上，提高了雷达对海上目标检测性能； 3）发明了分数阶傅里叶变换域海上目标微动特征匹配增强和提取分析方法。主要包括海杂波中目标微多普勒特性认知方法、利用分数阶变换谱对消的海上目标微动特征匹配增强方法、短时FRFT域海上目标微动特征检测和估计方法等。创新性地将微多普勒理论引入海上动目标检测领域，采用分数阶变换（FRFT）谱以及短时分数阶傅里叶变换对微动特征进行提取和匹配增强，突破强杂波背景中目标时变多普勒的分析和检测关键技术，实现时变非平稳信号的时频谱高分辨表示。 4）发明了基于长时间相参积累的海上高速高机动目标检测和参数估计方法。主要包括利用目标加速度信息的长时间相参积累检测方法、利用目标急动度信息的长时间相参积累检测方法、无变换参数搜索的长时间相参积累检测方法等。针对高速高机动目标在长时间观测过程中易产生距离和多普勒徙动，目标能量在时域和频域发散，难以有效积累的难题，从对目标机动信息的利用以及算法实时性角度出发，发明了六种长时间相参积累方法，能够灵活匹配并积累杂波背景中的非匀速平动、转动及高阶运动目标信号，同时补偿距离和多普勒徙动，提高积累增益，改善高速高机动目标的探测能力。 5）发明了基于时频谱非线性变换特征的海杂波抑制与动目标检测方法。主要包括基于FRFT谱非线性差异特征的海杂波中动目标检测方法和基于HHT谱非线性差异特征的海杂波抑制方法等。创新性地融合利用时频域与非线性变换域信息，从FRFT谱和Hilbert-Huang变换谱非线性起伏角度，提取动目标和海杂波的时频域非线性差异特征，并用于动目标检测。解决了高海况条件下海面非线性起伏严重、目标信杂比低、慢速运动目标难以发现、虚警点多的问题。 6）发明了高分辨稀疏域海杂波抑制和微动目标检测方法。主要包括稀疏域海杂波抑制技术和基于形态成分分析的海面微动目标检测和特征提取方法等。采用高分辨率稀疏表示技术，仅利用待检测单元观测数据设计稀疏 域海杂波抑制算子，有效降低非平稳非均匀海杂波对目标检测性能的影响；利用海杂波和微动目标回波信号组成成分的形态差异性，对不同的源信号采用不同的字典进行稀疏表示，区分海杂波与微动目标。在时频分辨率、抗杂波、运算效率以及多分量信号分析等方面较传统时频分析方法有明显优势。 7）研制了X波段对海雷达目标融合检测技术工程开发平台，解决了海杂波长期观测与获取的难题，突破了融合检测实时处理及多信息综合显示等技术瓶颈。开展了多平台多手段联合对海上目标协同探测和识别技术研究，主要解决单一平台单一手段目标识别难的问题。利用雷达、光电和AIS多种探测手段，研发了多传感器综合对海监视系统，对周边海域进行全天候协同感知，实时掌握监视区域目标态势，识别具有潜在威胁的非合作目标。 本项目申请专利38项，已授权28项，发表论文150余篇，其中SCI收录36篇。 独占性： 本项目的承担单位拥有该项目的全部知识产权，本项目针对海上不同类型运动目标，对海上目标雷达微动特征匹配增强和提取、高速高机动目标的长时间相参积累以及时频谱非线性变换特征检测等技术进行了深入研究，突破了强杂波背景中目标时变多普勒的分析和检测、高速高机动目标距离和多普勒徙动校正、海杂波时频谱非线性起伏抑制和特征提取等关键技术，创新了海上低可观测目标雷达特征提取及检测理论，整体技术属于国际先进水平，关键技术成果已获国家发明专利保护。 盈利性： 本项目发明技术能够获得海上动目标的微动特征、机动特征和时频谱非线性变换特征等，所发明的动目标检测方法相对于传统频域处理方法，对低可观测目标的发现距离至少提高10%，对信杂比的需求均有明显减少。研究成果突破了海上复杂动目标特征提取和检测的技术瓶颈，最大程度地利用海杂波回波信号的多普勒特征，大大增加信息量，相对于传统的基于统计和非线性的检测方法有重大改进，部分算法已成功应用到现有雷达装备。本项目的研究成果能够为解决对海雷达海杂波的抑制以及动目检测和识别问题提供广阔的前景，极大地促进雷达目标检测理论的发展，在海上维权、海洋监视等公共安全以及国防安全领域，如海防、海警、海监和海事等部门的海上交通监视、海上船舶搜救等相关领域具有广阔的应用前景。 持续性： 本项目课题组自十五以来长期致力于强杂波背景下的微弱目标检测和跟踪技术研究，在雷达海杂波精细建模、杂波环境中目标的变换域处理和非线性特征提取、雷达目标智能CFAR检测、密集杂波环境中机动目标跟踪等方面取得了一系列创新成果，获国家科技进步二等奖2项，山东省技术发明一等奖1项，军队级科技进步一等奖5项，第十九届中国专利优秀奖1项。出版学术专著2部，在核心期刊及国际学术会议上发表论文400余篇，其中被SCI、EI和ISTP检索170余篇次，被国内外同行他引400余次；授权发明专利30余项，软件著作权3项。课题组依托“信号与信息处理”山东省重点实验室、“海战场信息感知与融合技术”军队重点实验室和国家级实验教学示范中心，已拥有多型对海雷达装备，并配有光电和红外设备、AIS、气象仪、电罗经、GPS、激光测距仪、标准反射体、橡皮艇等实验辅助设施，将在雷达目标认知检测、智能信号处理、目标跟踪和识别等方面进行深入研究，具备持续创新能力。 先进性： 目前，雷达海上目标探测受复杂海洋环境以及海上目标复杂运动特性的影响，雷达目标回波微弱，具有低可观测性，雷达对海上目标的探测性能难以满足实际需求，海杂波中低可观测目标的探测技术是关键制约因素，也是世界性难题。本项目发明技术能够抑制强海杂波，获得海上目标多种特征等，所发明的目标检测方法相对于传统频域处理方法，对低可观测目标的发现距离至少提高10%，对信杂比的需求均有明显减少。整体技术达到国际先进水平。