信号处理
 
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2020年 36卷 12期
出版日期:2020-12-25

综述
论文
 
       综述
1947 MIMO雷达微弱目标长时积累技术综述
陈小龙, 黄勇, 关键, 薛永华
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.001
复杂背景下雷达微弱目标检测一直以来是雷达信号处理领域的国际性难题,随着雷达新体制的发展,给信号处理提供了更多的空间维度,正交波形MIMO雷达的宽发窄收观测方式可有效延长目标驻留时间、实现时域、空域和频率的联合处理和高分辨估计,从而有利于积累目标能量和抑制杂波,提高强杂波背景中弱小目标检测能力。本文对近年来正交波形MIMO雷达长时间积累和目标检测技术的研究进展进行了归纳总结,介绍了正交波形MIMO雷达长时积累的概念和分类,并从机动目标回波特性认知、变换域相参积累、检测前跟踪、长时间相参积累、稀疏时频分析等方面给出了正交波形MIMO雷达机动目标积累的有效途径。最后,该文总结了现有研究存在的问题,对未来关注的技术发展进行了展望。
2020 Vol. 36 (12): 1947-1964 [摘要] ( 1 ) HTML (1 KB)  PDF (13811 KB)  ( 72 )
1965 基于对抗攻击的SAR舰船识别卷积神经网络鲁棒性研究
徐延杰, 孙浩, 雷琳, 计科峰, 匡纲要
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.002
随着深度学习技术的迅猛发展,卷积神经网络(Convolutional Neural Networks,CNN)在合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)舰船分类任务上取得很高的精度。但同时,由于SAR成像存在相干斑噪声等特性以及CNN自身的脆弱性,使得预测结果稳定性较差,在实际应用中存在明显隐患。针对上述CNN在SAR舰船识别分类任务上鲁棒性不足的问题,本文将对抗样本引入到SAR舰船识别鲁棒性的研究之中,通过从梯度、边界、黑盒模拟等多个角度对CNN网络进行全方位的对抗攻击及干扰,实现了对各SAR舰船识别CNN网络的综合评估,并依照评估结果完成针对性的鲁棒性增强方案的制定,为SAR舰船识别鲁棒性研究开拓了新的领域。
2020 Vol. 36 (12): 1965-1978 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (2780 KB)  ( 72 )
1979 海洋参数星上快速处理方法及典型应用研究
董晓龙, 杨晓峰, 徐星欧, 徐曦煜
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.003
海洋相关参数的遥感反演对灾害预警等有重要作用。随着硬件的发展,星上实时处理成为可能。海洋参数中,海面风场和浪场占据了重要地位。本文的研究,首先对星上处理进行说明,并叙述星上环境的仿真方法。然后针对台风海面风场和海面浪场,使用散射计、辐射计联合观测以及高度计的观测,进行星上快速处理的实现方法研究。对选取的方法,使用卫星遥感数据,在星上仿真环境下实现运行。结果表明,研究中使用的方法能有效实现星上处理。在“通导遥”一体化趋势下,该方法的应用将有效辅助自动的实时决策,实现灾害预警。下一步研究将实现更多参数的星上平台仿真。
2020 Vol. 36 (12): 1979-1986 [摘要] ( 1 ) HTML (1 KB)  PDF (1686 KB)  ( 42 )
       论文
1987 基于深度学习的海上目标一维序列信号目标检测方法
苏宁远, 陈小龙, 关键, 黄勇, 刘宁波
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.004
当前海面目标检测方法多基于统计理论,检测性能受背景统计特性假设的影响,本文从信号预测和特征分类两个角度,分别采用长短时记忆网络(LSTM)和卷积神经网络(CNN)对信号时间序列幅度信息进行处理,用于海上目标一维序列雷达信号检测,该方法不需事先假设背景统计特性,泛化能力更强。基于LSTM序列预测的目标检测方法通过用海杂波信号幅度时间序列对网络进行训练,再用训练后的网络对后续序列进行预测,并与后续实测信号进行比较,实现目标检测。基于CNN序列分类的目标检测方法中采用截取的海杂波信号和目标信号幅度序列作为数据集样本,对一维卷积核CNN进行训练,使其具有识别目标杂波信号特征能力,从而实现目标检测。最后,采用IPIX和CSIR实测海杂波数据对两种方法进行验证,结果表明两种方法均可实现一维序列信号中海面目标的检测,但LSTM预测方法对于长序列检测的实时性有待于进一步提高;CNN分类方法可实现实时检测,但仅利用信号幅度信息,检测性能仍需进一步提升。
2020 Vol. 36 (12): 1987-1997 [摘要] ( 1 ) HTML (1 KB)  PDF (3401 KB)  ( 65 )
1998 基于弹跳射线法的海上目标快速成像与识别算法
丁大志, 杨婕, 杨宝金, 何姿, 樊振宏, 陈如山
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.005
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar,SAR)以全天候、全天时的观测能力,在军事和民用领域有着广泛的应用背景。考虑到SAR研究的成本和效率以及SAR图像在目标检测领域的应用,SAR图像的仿真技术发挥了重要优势。针对传统成像方法耗时较长的问题,本文利用基于弹跳射线法(SBR)的快速成像技术以达到快速获取大批量SAR图像的目的。为了更加精准地识别SAR图像中的目标,在Faster RCNN目标检测网络的基础上,根据真实舰船目标改变候选框的初始尺寸以及利用特征融合的方式对原算法框架加以改进。最后,在Faster RCNN框架中加入特征金字塔结构(Feature pyramid networks,FPN),进一步提高目标识别算法对SAR图像中的舰船目标检测和识别的能力。
2020 Vol. 36 (12): 1998-2006 [摘要] ( 1 ) HTML (1 KB)  PDF (3780 KB)  ( 34 )
2007 天发船收高频雷达海面目标回波建模
丁明凯, 童鹏, 位寅生
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.006
天发船收高频雷达系统中,由于电离层随机扰动和接收船六维摆动运动影响,目标回波空时谱发生展宽和形变,严重影响雷达探测性能。本文对天发船收高频雷达海面目标回波建模问题开展研究,首先分析了动态空间几何关系变化下目标回波的多普勒频移特性,建立了理想条件下的空时目标回波模型;在此基础上,引入电离层不规则体和六维摆动空时相位扰动影响,分别构建电离层随机扰动相位仿真器和六维摆动扰动相位模型,进而建立了天发船收高频雷达扰动目标空时回波模型,实验数据验证了模型的有效性。
2020 Vol. 36 (12): 2007-2015 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (2278 KB)  ( 37 )
2016 无源多基雷达海面运动目标检测与定位方法
黄川, 李中余, 张丽君, 武俊杰, 杨建宇
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.007
由于北斗卫星导航系统全球覆盖的特性,以其为辐射源构成无源雷达在海面监测方向具有应用潜力。本文针对多颗北斗卫星为辐射源所构成的无源多基雷达,提出了一种目标回波空时联合积累方法,可实现海面运动目标的检测与定位。首先,本文提出距离反转-方位伸缩变换(RRAST),将各二维时域回波转换为一维方位信号,并将其多普勒质心置零;然后,利用去调频积分变换(DcIT)处理实现回波的长时间积累,并非相干叠加多源回波实现目标回波的空间积累,在多普勒调频率域实现海面运动目标的有效检测;最后,将多源回波均映射到目标运动参数域,根据峰值位置实现目标的定位与速度估计。仿真实验结果表明,本方法可在低信噪比条件下实现海面运动目标的检测与定位。
2020 Vol. 36 (12): 2016-2023 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (2789 KB)  ( 31 )
2024 基于广义参数化时频变换的天波雷达电离层污染校正
薛永华, 陈小龙, 黄勇, 张林
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.008
本文引入广义参数化时频变换方法对天波雷达接收信号进行分析,给出了一种更有效和稳健的天波雷达电离层污染估计和校正方法。根据电离层污染的特点选取样条函数作为参数化时频变换的核函数,针对电离层污染后的信号估计核函数参数,利用核函数来估计污染序列,构造污染校正算子进行污染校正。对于多模传播条件下的电离层污染,采用校正后滤除的方式,多次迭代完成污染的校正。仿真验证了方法的有效性和稳健性。
2020 Vol. 36 (12): 2024-2031 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (2409 KB)  ( 27 )
2032 基于AlexNet的自适应杂波智能抑制方法
唐先慧, 李东, 粟嘉, 程婉儒, 任金芝, 李玉琴
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.009
由于受观测环境以及雷达参数等因素的影响,构造协方差矩阵的杂波样本数据并不满足独立同分布,导致传统的自适应杂波抑制方法性能降低。针对静止雷达平台,本文提出一种基于AlexNet的自适应杂波智能抑制方法,首先,通过分析海杂波幅度分布特性,建立样本数据库;然后,通过迁移AlexNet在ImageNet数据集上的分类模型,并使用杂波数据集微调网络参数,实现对海杂波数据的准确分类,从而获取服从独立同分布的杂波样本数据,提高自适应杂波抑制方法性能。相比现有杂波抑制方法,所提方法具有人工参与度低、杂波分类准确率高、以及杂波抑制效果更好等优点;最后,通过CSIR实测数据验证了本文所提方法的有效性。
2020 Vol. 36 (12): 2032-2042 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (4504 KB)  ( 35 )
2043 水下声学滑翔机海上目标探测试验与性能评估
王超, 孙芹东, 张林, 王文龙, 张小川
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.010
针对传统海上目标探测效费比低且受恶劣海况影响严重的问题,亟需构建安全有效、多维立体的海上目标探测体系。水下声学滑翔机凭借其隐蔽性能好、环境适应强、成本低等优点,可广泛应用于海上目标探测。海上目标探测受海洋环境影响很大,需要进行系统、长期、深入研究。开展水下声学滑翔机海上目标探测试验并获取对不同海上目标的探测能力,是有效推进该研究的重要手段。该文重点围绕水下声学滑翔机对不同水面航船目标探测试验情况,从目标探测距离、目标估计方位精度和-3dB波束宽度三个方面进行了性能评估和总结。最后,对前期试验存在问题进行了梳理,并对下一步试验关注方向做了展望。
2020 Vol. 36 (12): 2043-2051 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (3672 KB)  ( 32 )
2052 大范围海域多站纯方位定位精度分布特性估计
张旭,李智生
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.011
针对大范围海域被动定位精度分布特性认识不足、制约测量系统优化设计的问题,提出一种基于多站纯方位定位体制的全区域精度特性估计方法,将定位求解、精度分析与布站优化集成考虑,采用非线性最小二乘法建立定位模型,应用Monte-Carlo方法建立随机误差传播算法,通过大样本、网格化仿真模拟得到全区域定位均方根误差(RMSE)分布。通过仿真验证,模型具有快速收敛特性,能够对测量元素变化产生合理响应,对于在30km×20km测量海区内采用5阵元星形布站、单站测向误差为2°~5°的场景,全区域RMSE中值达到1km精度水平。应用该方法能给出到全区域精度差异的细节特征,进而支持不同布站几何条件下的定位性能比对。仿真算例表明,在5阵元限定下,采用五边形布站能够获取比星形布站、矩形布站、梯形布站更优的精度分布,使区域内RMSE中值降低0.1km,同时高精度覆盖区明显扩大。该方法可为测量系统论证中的精度分析及布站优化设计提供技术途径。
2020 Vol. 36 (12): 2052-2060 [摘要] ( 1 ) HTML (1 KB)  PDF (2908 KB)  ( 30 )
2061 北斗短报文海上高效发射深度学习模型
杨航, 李洪烈, 方芳, 程春华
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.012
战斗机飞行员海上遇险搜救的核心是获取遇险定位信息,由于受海上气象、浪涌等多种因素影响,手持和穿戴式救生终端选择恰当的时机快速发起遇险位置报告的相关能力较弱。以飞行员某装备北斗RDSS短报文有效发射为研究对象,利用深度神经网络,提出一种海上环境下发射时机学习预测模型,将高度、经纬度、方向、俯仰角、电量、速度、加速度等参数转换为单精度浮点数输入深度神经网络,经过10个隐层,每层32个神经元,得到通信成功率预测和发射延迟预测结果,在某装备工作时长延长43%的基础上,短报文发射成功率提高1倍。
2020 Vol. 36 (12): 2061-2066 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (1491 KB)  ( 31 )
2067 基于GLRT的逆高斯纹理海杂波背景下目标检测器
时艳玲,刘浩,刘子鹏,李君豪
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.013
本文主要研究复合高斯海杂波背景下的雷达目标检测问题。复合高斯海杂波由纹理调制高斯散斑构成,传统将纹理建模为伽马和逆伽马分布,会存在拟合偏差。本文将海杂波的纹理建模为逆高斯分布,基于待检测样本的广义似然比检验(GLRT)模型,提出了逆高斯的GLRT(IGS-GLRT)检测器。其计算复杂度略高于对比算法。对多组实测的CSIR海杂波进行纹理分布的拟合,验证了纹理服从逆高斯分布。通过仿真和实测的海杂波数据进行蒙特卡罗实验,实验结果显示,所提出的IGS-GLRT在仿真数据和实测数据中均优于对比算法。
2020 Vol. 36 (12): 2067-2073 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (1968 KB)  ( 32 )
2074 基于行为模式的海上目标轨迹分段算法
金佳龙, 周伟, 姜佰辰
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.014
海上目标监视系统实时获取并长期积累了大量轨迹数据,深入挖掘分析其中蕴含的目标行为特征,是提升传统的基于声光电磁特性的海上目标探测技术性能的重要途径。在轨迹聚类、轨迹预测和行为分析等数据挖掘的预处理环节中,主流的轨迹分段算法以最小化损失为分段依据,没有给分段轨迹赋予行为模式等语义内涵,限制了分段轨迹的应用范围。对此,本文提出一种基于行为模式的海上目标轨迹分段算法,通过定义七种目标行为模式,制定行为模式优先级,达到轨迹分段的目的。通过提取轨迹段的特征值,真实的保留轨迹特征,尽可能的还原轨迹。实验分析表明,本文的算法能准确合理的进行轨迹分段并真实的还原轨迹,不同的算法参数对应不同的应用场景。最终,本文对算法分段结果的应用前景进行展望。
2020 Vol. 36 (12): 2074-2084 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (3293 KB)  ( 24 )
2085 低掠射微波雷达的海杂波多方位幅度特性分析
曹成会, 张杰, 张晰, 孟俊敏, 毛兴鹏
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.015
雷达处于低掠射角探测时,干涉、衍射以及遮挡等效应导致电磁波与海面的相互作用更加复杂,海杂波的非均匀、非高斯、非线性特性明显,使得海杂波建模难度大,同时,雷达海杂波在多方位下的特性是否存在差异也是一个问题,进一步增大了低掠射条件下海杂波的认知难度。为了提高海杂波的建模精度和多方位特性的认知,亟需开展低掠射雷达海杂波的多方位幅度特性分析。本文利用低掠射机载雷达数据,围绕雷达的低掠射和多方位两个特点,开展了多方位海杂波的幅度特性差异分析,在此基础上,利用多个海杂波模型对低掠射、多方位下的海杂波进行拟合优度分析。实现了低掠射角条件下海杂波的多方位特性差异认知,包括不同方位下的带宽、功率和最优海杂波模型。实验结果表明,雷达前视状态带宽最窄,侧视最宽;右侧视时的海杂波功率大于左侧视,且正侧视时最大;对于多方位下的最优海杂波拟合,雷达前视时推荐G0分布,而侧视模式下,海杂波更接近K和GΓD分布。
2020 Vol. 36 (12): 2085-2098 [摘要] ( 1 ) HTML (1 KB)  PDF (7128 KB)  ( 28 )
2099 基于多域多维特征融合的海面小目标检测
施赛楠,杨静,王杰
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.016
多维特征检测技术是提高海面小目标检测的有效途径。为了进一步提升海面小目标检测性能,本文提出基于多域多维特征融合的检测方法。首先,从时域、频域、时频域、极化域等多域,充分挖掘海杂波和含目标回波的差异性,并将这些差异性表征为多维特征,构建高维特征空间。其次,通过极化域和特征域的多维特征线性融合,将多维特征压缩到3D特征空间中,获得高维度信息的同时减少维度计算代价。然后,结合凸包学习算法获得3D判决区域,实现异常检测。最后,基于IPIX实测数据的实验结果表明:相对现有的极化检测器,提出的检测器具有25%以上的显著性能提升。
2020 Vol. 36 (12): 2099-2106 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (1416 KB)  ( 35 )
2107 脉冲噪声环境下水声通信信号调制识别方法
王彬, 王海旺, 李勇斌
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.017
为了提高浅海脉冲噪声环境下水声通信信号调制识别的性能和实用性,提出了基于降噪自编码器和卷积神经网络的调制识别方法。首先,利用降噪自编码器对含噪声信号进行降噪处理,然后,利用卷积神经网络对降噪信号的功率谱图进行分类,从而完成调制识别。此外,采用数据迁移思想构造训练数据集对网络进行训练解决了目标水域数据样本不足的问题。仿真实验和实际信号测试结果验证了本文方法的有效性。与现有算法相比,具有较高的识别率,并且提升了目标信道数据不足条件下的识别性能。
2020 Vol. 36 (12): 2107-2115 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (6003 KB)  ( 36 )
2116 基于声传感器阵列的高亚音速飞行目标宽带DOA时域MSWF快速估计方法
陈昭男,王磊
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.018
在海面低空飞行目标探测场景中,主要利用声学方法对目标进行测向从而为其他高精度雷达系统提供引导,这就对声学测向方法的实时性提出了较高要求。针对低空高亚音速飞行目标DOA的快速估计问题,以利用布设于有限空间内的声传感器阵实现海面高亚音速目标角度的快速估计为背景,针对其宽带声信号精确测向的难题,建立了基于均匀线性空间十字阵的宽带时域阵列信号模型,为实现海面低空飞行目标的快速声学测向,将经典宽带时域多级维纳滤波器(MSWF)的DOA估计方法拓展至时域模型,提出了相应的宽带DOA快速估计方法,该方法在保持了多重信号分类算法优势的同时,有效提升了声学DOA估计的实时性。

2020 Vol. 36 (12): 2116-2122 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (1767 KB)  ( 52 )
2123 结合场景分类的近岸区域SAR舰船目标快速检测方法
付晓雅,王兆成
DOI: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.019
合成孔径雷达(Synthetic Aperture Radar, SAR)图像场景通常较大,深层卷积网络用于SAR舰船目标检测时通常需要密集滑窗提取子图像预处理,然后利用目标检测网络直接对子图像进行目标检测,该过程存在大量信息冗余,极大影响了目标检测效率的提升。在近岸区域下陆地场景偏多且场景复杂,针对以上问题,本文提出了一种结合场景分类的近岸区域SAR舰船快速目标检测方法(SC-SSD),该方法主要包含两个阶段:场景分类阶段和目标检测阶段。它们分别是由场景分类网络(Convolutional Neural Network for Scene Classification, SC-CNN)和目标检测网络(Single Shot Detector, SSD)构成。其中SC-CNN可以快速粗略筛选出可能包含舰船的子图像,然后将筛选出的子图像输入到SSD网络中实现精细化的舰船目标检测。基于高分辨率SAR舰船检测数据集AIR-SARShip-1.0的实验结果表明,提出方法相比于传统舰船检测方法,在保持较高的检测精度的同时,具有明显更快的检测速度。
2020 Vol. 36 (12): 2123-2130 [摘要] ( 0 ) HTML (1 KB)  PDF (1890 KB)  ( 45 )

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