基于IAVOA-GRU网络的高频地波雷达电离层杂波预测

电离层杂波的精确预测对提升高频地波雷达的探测性能具有重要作用。提出了一种基于改进非洲秃鹫优化算法优化门控循环单元(Improved African Vultures Optimization Algorithm Optimization Gated Recurrent Unit,IAVOA-GRU)网络的电离层杂波预测方法。首先,依据电离层杂波的混沌特性,通过相空间重构方法对接收到的电离层杂波进行相空间重建,构建GRU网络的输入、输出样本集;然后,利用IAVOA对GRU网络的隐层节点数、迭代次数及初始学习速率3个超参数值执行优选;最后,重新训练优化后的GRU网络,并进行预测。实测结果表明,相较其他6种对比预测模型,所提出的IAVOA-GRU网络模型具有较高的预测精度和可靠性,为有效改善高频地波雷达的探测性能提供了一种思路和方法。

基于卷积神经网络的高频地波雷达有效波高反演

高频地波雷达海面回波多普勒谱中蕴含着非常丰富的海浪信息,针对经验模型通常存在对回波谱信息利用不充分的问题,本文提出了一种利用卷积神经网络反演波高的方法。首先基于雷达后向散射截面方程和有效波高反演的参数化经验模型,并结合实测数据分析,本文选取了二阶与一阶谱能量比值、二阶谱能量和、二阶与一阶谱峰值比、Bragg频率处无向波高谱值、二阶谱能量、二阶谱峰值、左右一阶谱峰值及其比值、■布拉格频率处峰值、一阶谱能量共11种与有效波高相关的回波谱特征参数;为进一步说明一阶和二阶信息对有效波高的作用,将11种特征参数分成4个组合,分别搭建了多层深度卷积神经网络并进行高频地波雷达有效波高反演;然后将高、低两种海况下多层深度卷积神经网络模型与经验模型反演结果进行对比分析。研究结果表明,利用11种特征参数构建的模型波高反演精度更高,在高、低海况测试集中雷达反演有效波高与浮标波高序列相关系数R分别为0.92和0.78,均方根误差(Root Mean Square Error,RMSE)分别为0.32 m和0.21 m,平均绝对误差(Mean Absolute Error,MAE)分别为0.25 m和0.16 m,平均相对误差(Mean Relative Error,MRE)分别为0.12和0.27。综合利用这11种特征参数,能够提高雷达在复杂海况下对有效波高的反演精度。

高频地波雷达编队目标分辨方法

由于方位分辨性能受限和多普勒模糊问题,高频地波雷达(HFSWR)难以分辨编队内的子目标。该文将逆合成孔径原理应用于HFSWR,提出横向距离成像方法。该方法首先在运动补偿处理中消除径向运动分量、保留旋转运动,实现聚焦的多普勒谱,并分辨多个子目标。然后,横向距离定标处理将频率坐标转化为横向距离,进而估计子目标间的间距。其中,由最小熵准则来估计径向速度和径向加速度,由分段数字波束形成来估计旋转角度。为了在有限积累时间条件下提升分辨效果,采用基于数据复用方式的重叠相干积累来增加扫频周期数。仿真实验表明,所提方法的理论分辨率在几百米至几千米范围内,运动补偿和横向距离定标实现了单纵队的分辨及其间距估计,重叠积累具有缩窄主峰和降低旁瓣水平的效果。

基于广义S变换的高频地波雷达电离层杂波抑制方法

为了抑制电离层对高频地波雷达回波的干扰,文中提出了一种基于广义S变换(GST)的时频滤波方法,通过GST将受电离层污染的时域数据转换为时频域进行分析和处理,根据相邻时间窗信号和电离层杂波的相关性不同,依次将时间窗内数据构建Hankel矩阵,再进行子空间滤波,最终达到减轻电离层干扰的目的。通过与传统方法比较及实测数据处理分析,回波频谱中的电离层杂波抑制取得了较好的结果,进而验证了本方法在电离层杂波抑制中的可行性和有效性。

基于OARO-GRU网络的高频地波雷达电离层杂波短期预测

电离层杂波的精确预测对提升高频地波雷达的目标探测性能具有重要推动作用。为此,提出了一种基于改进人工兔子算法优化门控循环单元(Opposite Artificial Rabbits Optimization optimized Gated Recurrent Unit,OARO-GRU)网络的电离层杂波短期预测模型。首先,依据高频地波雷达接收到的电离层杂波具有混沌特性这一先验知识,通过相空间重构技术构造GRU网络的输入和输出样本集;然后,融入反向学习和柯西变异两种改进策略用于改善标准ARO的寻优能力,并将其用于执行GRU网络的包含隐层节点个数、初始学习速率和最大迭代次数在内的三个超参数值的优选;最后,重新训练优化后的GRU网络,输入测试样本集进行测试,并依据给定的评价指标评估模型。实测结果表明:相较于其他7种对照模型,所提出的OARO-GRU网络预测模型在预测精度和可靠性上均具有明显的优越性,为有效改善高频地波雷达的目标探测性能提供了一种新的思路与方法。

舟山海域高频地波雷达表层流探测试验

2015年4月7-30日,在浙江省舟山近海海域开展了“嵊山-朱家尖”小型阵列变频高频地波雷达系统的海上比测试验,通过雷达观测数据与定点ADCP海流资料的比对检验了地波雷达表层流探测性能。径向流比对结果显示,测点与雷达法向夹角越小,距离雷达距离越近,径向流比测结果越好,雷达探测的结果越可靠。嵊山站径向流与ADCP观测结果的各站总体平均误差为7.98 cm/s,平均均方根误差为15.34 cm/s,平均相关系数为0.89,朱家尖站径向流与ADCP观测结果的各站总体平均误差为6.24 cm/s,平均均方根误差为12.36 cm/s,平均相关系数为0.81。根据矢量流比对结果显示,矢量流速与ADCP观测结果的各站总体平均误差为4.82 cm/s,平均均方根误差为15.03 cm/s,平均相关系数为0.44。设置在嵊山、朱家尖两个雷达站双站探测的核心区域(两个雷达站连线的中垂线上,并且与两个雷达站构成一个近似直角三角形)的站点比测结果更加理想,当流速大于0.25 m/s时,对于核心区域平均后的流向均方根误差为24.9°。

基于自适应KF的船载地波雷达目标跟踪方法

针对使用传统的卡尔曼滤波器进行多目标跟踪易发生状态估计不准确、航迹断裂的问题,提出了一种转换量测卡尔曼滤波增益自适应调整方法。结合船只目标的运动特性和历史船只航迹数据,采用线性最小二乘拟合提取出航迹参数的变化趋势。使用似然函数分别计算目标预测状态和量测状态与航迹的隶属度。利用预测状态和量测状态的隶属度值对滤波方式进行选择。利用仿真及实测船载地波雷达数据开展了目标跟踪实验,结果表明,使用该文方法能够得到平滑、持续的航迹输出,目标的跟踪距离远、跟踪精度高,优于现有的自适应滤波方法。

高频地波雷达射频干扰慢时域抑制方法

射频干扰(Radio Frequency Interference,RFI)会对高频地波雷达有用回波产生较大影响。本文提出了一种慢时域射频干扰抑制方法,首先利用频谱监测数据实现射频干扰的分段检测,而后基于射频干扰在慢时域的短时相干性、强距离相关性和方向特性,在常规高阶奇异值分解(Higher-Order Singular Value Decomposition,HOSVD)方法的基础上,结合训练张量三种展开模式矩阵的特点,利用左、右奇异矩阵包含的频率信息实现对干扰子空间的准确估计,进而实现对射频干扰的分段消除。仿真和实测数据的处理结果都表明,该方法可以有效检测并消除射频干扰,提高了数据批处理的运算效率。

基于差值信噪比法的船载地波雷达一阶谱识别

本文提出了适用于船载地波雷达展宽一阶谱识别的差值信噪比方法。通过结合仿真分析和实测试验数据,开展了船载地波雷达展宽一阶谱的频移和展宽特性分析,确定了一阶谱的最大展宽范围与平台运动速度之间的定量关系。通过分析一维多普勒频点间的差值数量关系,确定了边界预筛选准则。利用展宽一阶谱的区域连续特性,实现展宽一阶谱边界最终识别。采用船载地波雷达仿真和实测数据对所提方法的有效性进行了验证,所提方法相对于传统方法取得了较好的识别效果。

船载高频地波雷达一阶海杂波仿真模型研究

船载高频地波雷达(High Frequency Surface Wave Radar, HFSWR)海杂波仿真模型的建立对于有效海杂波抑制方法的提出具有重要指导意义。针对目前一阶海杂波模型存在的问题,提出了改进的船载HFSWR一阶海杂波空时分布模型。首先分析了船载平台在相参积累周期内前向运动对海杂波回波入射角的影响,提出了不同距离元海杂波子块入射角随时间变化的规律,并由此导出新的一阶海杂波时空分布模型、海杂波回波信号模型、以及目标回波模型。仿真结果表明,生成的海杂波数据的分布特性比传统模型更加接近实测海杂波的分布特性,为以后船载HFSWR海杂波有效抑制算法的研究提供较好的仿真数据支持。

高频地波雷达在海洋学中的应用综述

围绕高频地波雷达这一新兴的海洋观测手段,简述其特点和工作原理,并简单回顾了其发展历史,着重介绍分析了国内外以高频地波雷达为基础的表层流资料分析和对比验证、资料同化等方面的研究进展和近年来的应用成果,最后对高频地波雷达的发展历史及其数据应用进行了总结,并提出了未来几点发展方向。

基于改进ALO-RBF的高频地波雷达海杂波预测模型

高频地波雷达是海上动目标检测的重要手段,其中海杂波是影响海面目标检测性能的主要因素。为了提高海杂波的预测精度进而有效抑制海杂波,本文提出了一种基于改进蚁狮算法(Ant Lion Optimizer,ALO)优化RBF神经网络的海杂波预测模型(MGPALO-RBF,Multiple elites dynamic guidance Ant Lion Optimizer based on Gaussian difference variation-based learning with Perturbation factor-radial basis function)。由于标准蚁狮算法具有易陷入局部最优且收敛速度慢的缺点,本文在蚂蚁进行随机行走的过程中加入扰动因子以增加种群的活跃性和多样性,并提出多个精英动态引导机制,强化算法前期的探索能力和后期的开发能力,同时对种群中较差蚁狮进行高斯差分变异以提高算法的收敛速度。仿真结果表明:改进的蚁狮算法在对比算法中具有更高的收敛精度和收敛速度,MGPALO-RBF模型具有更好的海杂波预测性能。

基于单极子交叉环收发共用天线设计的高频地波雷达海上比测

为了验证一种使得OSMAR-S高频地波雷达的发射天线和接收天线一体化的天线系统的可行性,于2021年11月25日至12月1日在珠江口内进行雷达观测与声学多普勒流速剖面仪(ADCP)现场观测海流时间序列比测实验。结果表明,雷达与ADCP的观测结果具有高度一致性,相关系数达到0.916。通过调和分析等方法得到的主要分潮(M2和K1)振幅大小与随时间变化趋势高度吻合。实验结果证明,在具有占地面积小、成本低以及方便海边架设等优点的基础上,该收发共用天线系统对海流的观测结果有很高的精度。

基于频谱细化和二阶同步压缩变换的船载地波雷达目标检测方法

受船载平台运动、海杂波、多目标聚集以及环境干扰等的影响,海上船只目标的雷达回波极易被遮蔽和淹没,导致船载地波雷达的目标监视监测能力大幅减弱。为提高船载地波雷达对船只目标的检测与发现性能,提出了一种基于频谱细化和二阶同步压缩变换的目标检测方法。该方法首先对船载地波雷达的回波信号进行频率细化处理,提高频率分辨率;然后,通过二阶同步压缩变换的时频分析方法来提取目标的时频分布特征;最终,根据得到的时频分布特征来实现目标检测。实验结果表明:与短时傅里叶变换、小波变换等传统的时频分析方法相比,本文提出的方法不仅具有更好的时频聚集性,而且能有效检测海杂波附近的运动目标以及回波多普勒频率相近的多船只聚集目标。

高频地波雷达电小多频天线设计

本文通过顶部加载多个平面阿基米德螺旋线圈得到具有多频功能的电小地波雷达天线。采用CST软件设计多个平面螺旋线圈的尺寸参数,所设计的天线具有3.7 MHz、6.5 MHz和8 MHz三个频点,天线总高度相对3.7 MHz的天线电长度仅为0.077λ,属于电小天线。采用Dixon优化算法实现多频点的阻抗匹配,在匹配元件数较少前提下保证各个频点带宽大于60 kHz,满足了设计要求。天线实测结果和CST仿真结果吻合,说明了本文方法在实现高频地波雷达天线小型化和多频化方面具有可行性和有效性。

基于高频地波雷达的舰船目标探测系统

本文对各种干扰源进行理论分析,通过垂直化的电磁波探究了高频地波雷达的目标探测范围,重点基于二次拟合和三次拟合曲线对距离向和多普勒向进行曲线拟合。最后,给出船舶目标识别系统结构,并给出距离谱和方位谱曲线。

基于矩阵重构的高频地波雷达电离层杂波抑制

高频地波雷达(HFSWRs)回波数据受Es层电离层杂波污染,严重影响雷达探测性能。为解决该问题,利用协方差矩阵重构结合特征分解法对杂波进行抑制。该方法通过划分一阶谱区,将排除一阶谱区信号的区域进行积分获得重构电离层干扰-噪声协方差矩阵,接着改进特征分解法处理重构协方差矩阵,对电离层杂波进行抑制。OSMAR-S雷达实测数据处理结果表明,单侧和双侧Es层电离层杂波处理后信噪比分别至少提升15.1和19.7 dB,海洋雷达理论探测距离至少提高15 km,该方法对电离层杂波可以有效的抑制,信噪比得到有效的改善。

高频地波雷达总体方案及工程实施中的几个主要问题

从线性调频中断连续波 (FMICW)基本原理出发 ,结合雷达方程和相控阵技术 ,阐述了在 OS-MAR2 0 0 0总体设计和研制过程中遇到的几个主要问题 ,如雷达探测性能估计、雷达波形设计、雷达参数的选择、相控阵形式、I/ Q形成方式、数据采集与 Doppler提取、距离混迭与 Doppler频率混迭、零频干扰等 .东海现场实验表明 ,采用 12 0 m八元相控天线阵 ,“一发八收”、收发共用天线工作模式 ,平均发射功率 10 0 W,可实现 2 0 0 km,12 0°扇面海流探测和 10 0

高频地波雷达海面有效波高探测实验研究

利用安装于福建龙海的OSMAR071高频地波雷达和位于雷达波束范围内金门料罗湾口的波浪浮标在2008年11月1日至2009年4月30日半年期间的观测结果,对Barrick波高模型进行改进和模型系数拟合、标定,讨论了改进模型系数的稳定性。结果表明,该模型能适应噪声和干扰等因素对宽波束雷达有效波高探测结果的影响。雷达观测反演回报的有效波高与浮标观测结果对比,二者时间序列的均方根误差为0.39m,相关系数为0.67。

高频地波雷达信号波形分析

根据雷达设计的一般原理 ,综合研究了雷达波形分析的一般概念、处理技术和主要结果 ;尤其针对国家 86 3计划海洋领域重大课题要求研制的高频地波雷达的特殊需要 ,深入研究了线性调频中断连续波 (FMICW)的基本理论、波形参数和处理方法 ,使之成为高频地波雷达 OSMAR2 0 0