基于多基站雷达协同的船只监控系统
张昊宇
摘 要：国内的海事雷达可以对目标船只进行监控和定位，但无法做到实时成像，因而无法对船只进行识别和分类。基于逆合成孔径雷达技术（ISAR）的多基站雷达监控系统可以做到对目标船只的全覆盖成像监控。本文提出了基于多基站ISAR技术的雷达系统用以监控海面船只并公布了在某海域的对船成像结果。
关键词：逆合成孔径雷达；ISAR；多基站雷达协同成像
中图分类号：U665 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0048-02
海洋占全球总面积的70%以上，是全球一体化条件下货物运输，产业转移的重要交通要道。为海洋交通运输方面抢占先机，欧美等发达国家上个世纪都分别建立了海洋战略。为了保障海上船只的安全，维持沿海地区稳定，建立健全强大的海洋监测体系势在必行。AIS与GPS等系统的普及提高了相关部门对船只的监控能力，然而这是一种“被动式”的监测方法。如果目标船只主动关闭了AIS与GPS等系统或船只来自敌对方，则这种被动监控手段将完全失灵。海事雷达是一种常用的“主动式”目标船只监测技术。雷达发射并接收电磁波，通过对回波信号的分析获取船只的位置，这种方法可以全天候全时段工作，但主要问题是无法获取目标船只的形状与大小，通过雷达信号分析只能确认在该位置有船只存在而无法根据船只形状予以自动分类鉴别。逆合成孔径雷达技术（ISAR）通过对移动目标进行成像，能够对海岸线的船只进行全天候成像监控，不受天气和时间的影响。而采用多台ISAR雷达配合成像可以从多角度获取船只信息，从而对目标船只进行更为全面的监控。本文提出利用多个ISAR雷达组成成像系统阵列，从多个角度同时监控船只。
1 多基站雷达系统方案
1.1 总体方案
岸基ISAR 架设在海岸边的固定位置，利用船只的移动进行成像，具有全天候、高精度，多船只多目标全跟踪能力。能够获得目标船只的精确成像的前提是该目标船只需要沿着雷达波束的照射方向（LOS走行问题）进行明显的运动变化。然而在一些极端状况下船只沿雷达波束方向进行直线的航行，这种情况将导致成像效果极差甚至成像失败。此外，在一些拥挤的航道或者港口，船只之间的遮蔽现象十分严重。目标船只极有可能被航道上的其他船只遮挡导致雷达波束无法完全照射，这将导致目标图像缺失并造成目标追踪鉴别失败。而采用多基站系统从多个方向对目标船只进行协同成像则可以有效的解决上述问题，如图1所示，6台ISAR雷达部署在海湾的不同位置，即可从不同角度对多条船只进行监控，避免了LOS走行问题和遮蔽现象。
图2描述了一套典型的多基站同步海岸雷达监测网安装场景示意图。R1 与 R2 为海岸预警雷达节点（MRN），使用固定（或旋转天线），最大转速可达40 rpm，方位角精度0.1°。该雷达基于FMCW（调频连续波）技术，使用X-波段（9.6 GHz），可以在中等范围内提供高距离分辨率的探测和跟踪，MRN的目标检测能力可达80公里，探测性能与船舶尺寸。 R3到R7是成像雷达节点（IRN），是基于FMCW（调频连续波）技术基础上的逆合成孔径雷达，其允许具有小尺寸天线的固定雷达获得移动目标的高分辨率图像。使用X-波段（9.6 GHz），工作范围高达10公里，用于自动目标识别成像目的。IRN具备四个垂直方向偏振的发射元，以用于干涉测量。通过干涉测量获取目标三维信息。通过使用多个成像雷达可以避免阴影效应。每台雷达可以单独工作，也可以与其他雷达协同工作，既可以单站作业，也可以多基站作业，而且整个系统可以很方便的加入更多雷达从而扩大整体组网，从而加大覆盖面积。另外，整套系统可以发现、探测、定位、追踪目标物，并对目标物进行三维成像从而进一步自动识别目标物。
1.2 系统结构
本方案中采用了两种雷达进行混合成像。其中MRN雷达用于预警，而IRN雷达用于成像。海岸预警雷达系统有两部分组成：包含电子器件的机箱和天线系统。其中GPS包含于雷达机箱中。本项目中海岸预警雷达天线是由两个水平极化的监视波导缝隙天线组成的旋转系统，每个波导天线长度为12英尺，总重量约40千克，天线外有天线罩结构，以保护辐射元件免受昆虫，灰尘和水的侵害。允许以0.1°的角度分辨率在方位角上进行全部空间覆盖。方位上的天线孔径角小于0.6°，并且其允许对雷达主要监视范围内目标准确辨别和检测。该配置满足IALA V-128“船舶交通服务设备的操作和技术要求”的国际标准要求。雷达机箱中有RF模块和雷达后端（AWG+ADC+CU+GPS）。其中RF模块使用独特的和专有的运动振动补偿技术，防止振动引起的振荡器相位噪声的退化。由于采用高集成和高性能RF数字信号处理架构，并采用最先进的技术，因此该雷达可以提供高质量的数据。RF模块和雷达后端（AWG + ADC +CU+GPS）靠近天线放置，以便容易将RF信号低损耗的直接传输到辐射元件。
预警雷达的总重量约180Kg，安装在靠近水面的6米桅杆顶部，可以承受高达250km / h的风速。使用定位器/旋转器提供方位角扫描，旋转速度为0rpm-20rpm。IRN雷达的探测范围是10m到5Km，整个雷达系统由两部分组成：一个包含电子器件的机箱和天线系统。雷达机箱的尺寸为 400 x 400 x 800 mm， 重量约 25 Kg。其中GPS包含在机箱中。雷达安装的GPS模块为工作在10MHz 的 Global Positioning System Disciplined Oscillator （GPSDO），其内置高性能的GPS接收器，GPS系统的作用就是对所有的工作雷达进行時间和相位同步。天线系统是一个面积为500x500 mm，重量为3 Kg的面板。其中全极化模式成像雷达（IRN-P）的天线系统由两个双线性极化天线组成，用于交替发射两个极化信号，并同时接收成像雷达极化模式（IRN-P）的两个极化信号。干涉模式成像雷达（IRN-I）的天线系统由四个垂直极化辐射元件组成。雷达机箱包括RF模块和雷达后端（AWG+ADC+CU+GPS）。其中RF模块使用独特的和专有的运动振动补偿技术，可以防止振动引起的振荡器相位噪声的退化。由于采用高集成和高性能RF数字信号处理架构，该雷达可以提供高质量的数据。RF模块和雷达后端（AWG+ADC+CU+GPS）靠近天线放置，以便容易将RF信号低损耗的直接传输到辐射元件。
2 对船成像结果
本系统中雷达传感器网络中所有雷达的工作模式如下：
模式 1： MRN和IRN都使用时分复用技术进行发送和接收。
模式 2： MRN发射，IRN接收。
模式 3： IRN发射，MRN接收。
模式 4： 仅MRN发射/接收。
模式 5： 仅IRN发射/接收。
在上面5个雷达工作模式中，就包含了单发单收、单发多收、多发单收、多发多收这几种工作状态。单收单收模式表示一个雷达发射一个雷达接收，单发多收表示一个雷达发射多个雷达接收，多发单收表示多个雷达发射一个雷达接收，多发多收表示多个雷达发射多个雷达接收。
图3是该海岸预警雷达（MRN）采集的雷达数据的可视化结果。在同一区域，还安装了一个成像雷达（IRN-P）。黑色箭头指出了小目标。在雷达成像中， 还可以看到环境的其他特征， 如土地与岛屿（强红色）， 在海中间的堤防（在距离海岸预警雷达约4000米的淡绿色直线）。图3可用于各个部门进行海域大范围监控预警，图4是对图3中的船只目标进行放大后的图像。从图中可以清晰地看出，目标是一艘大型油轮。
3 结论
本文公布基于多基站ISAR雷达联合对船监测系统的海岸地区总体部署方案，预警雷达与成像雷达的技术参数以及在某海域的成像实测结果。基于多基站ISAR雷达系统可以从多个角度对船体进行观测，提高了船只的识别率，这对于大范围海上船只的监控管理提供了强大的技术支撑。
参考文献：
[1] 干涉式逆合成孔径雷达成像技术综述[J]. 刘承兰，高勋章，黎湘. 信号处理. 2011（05）
本文为基金项目：浙江海洋大学科研启动经费资助，No.21045012815
摘 要：国内的海事雷达可以对目标船只进行监控和定位，但无法做到实时成像，因而无法对船只进行识别和分类。基于逆合成孔径雷达技术（ISAR）的多基站雷达监控系统可以做到对目标船只的全覆盖成像监控。本文提出了基于多基站ISAR技术的雷达系统用以监控海面船只并公布了在某海域的对船成像结果。
关键词：逆合成孔径雷达；ISAR；多基站雷达协同成像
中图分类号：U665 文献标识码：A 文章编号：1006—7973（2018）3-0048-02
海洋占全球总面积的70%以上，是全球一体化条件下货物运输，产业转移的重要交通要道。为海洋交通运输方面抢占先机，欧美等发达国家上个世纪都分别建立了海洋战略。为了保障海上船只的安全，维持沿海地区稳定，建立健全强大的海洋监测体系势在必行。AIS与GPS等系统的普及提高了相关部门对船只的监控能力，然而这是一种“被动式”的监测方法。如果目标船只主动关闭了AIS与GPS等系统或船只来自敌对方，则这种被动监控手段将完全失灵。海事雷达是一种常用的“主动式”目标船只监测技术。雷达发射并接收电磁波，通过对回波信号的分析获取船只的位置，这种方法可以全天候全时段工作，但主要问题是无法获取目标船只的形状与大小，通过雷达信号分析只能确认在该位置有船只存在而无法根据船只形状予以自动分类鉴别。逆合成孔径雷达技术（ISAR）通过对移动目标进行成像，能够对海岸线的船只进行全天候成像监控，不受天气和时间的影响。而采用多台ISAR雷达配合成像可以从多角度获取船只信息，从而对目标船只进行更为全面的监控。本文提出利用多个ISAR雷达组成成像系统阵列，从多个角度同时监控船只。
1 多基站雷达系统方案
1.1 总体方案
岸基ISAR 架设在海岸边的固定位置，利用船只的移动进行成像，具有全天候、高精度，多船只多目标全跟踪能力。能够获得目标船只的精确成像的前提是该目标船只需要沿着雷达波束的照射方向（LOS走行问题）进行明显的运动变化。然而在一些极端状况下船只沿雷达波束方向进行直线的航行，这种情况将导致成像效果极差甚至成像失败。此外，在一些拥挤的航道或者港口，船只之间的遮蔽现象十分严重。目标船只极有可能被航道上的其他船只遮挡导致雷达波束无法完全照射，这将导致目标图像缺失并造成目标追踪鉴别失败。而采用多基站系统从多个方向对目标船只进行协同成像则可以有效的解决上述问题，如图1所示，6台ISAR雷达部署在海湾的不同位置，即可从不同角度对多条船只进行监控，避免了LOS走行问题和遮蔽现象。
图2描述了一套典型的多基站同步海岸雷达监测网安装场景示意图。R1 与 R2 为海岸预警雷达节点（MRN），使用固定（或旋转天线），最大转速可达40 rpm，方位角精度0.1°。该雷达基于FMCW（调频连续波）技术，使用X-波段（9.6 GHz），可以在中等范围内提供高距离分辨率的探测和跟踪，MRN的目标检测能力可达80公里，探测性能与船舶尺寸。 R3到R7是成像雷达节点（IRN），是基于FMCW（调频连续波）技术基础上的逆合成孔径雷达，其允许具有小尺寸天线的固定雷达获得移动目标的高分辨率图像。使用X-波段（9.6 GHz），工作范围高达10公里，用于自动目标识别成像目的。IRN具备四个垂直方向偏振的发射元，以用于干涉测量。通过干涉测量获取目标三维信息。通过使用多个成像雷达可以避免阴影效应。每台雷达可以单独工作，也可以与其他雷达协同工作，既可以单站作业，也可以多基站作业，而且整个系统可以很方便的加入更多雷达从而扩大整体组网，从而加大覆盖面积。另外，整套系统可以发现、探测、定位、追踪目标物，并对目标物进行三维成像从而进一步自动识别目标物。
1.2 系统结构
本方案中采用了两种雷达进行混合成像。其中MRN雷达用于预警，而IRN雷达用于成像。海岸预警雷达系统有两部分组成：包含电子器件的机箱和天线系统。其中GPS包含于雷达机箱中。本项目中海岸预警雷达天线是由两个水平极化的监视波导缝隙天线组成的旋转系统，每个波导天线长度为12英尺，总重量约40千克，天线外有天线罩结构，以保护辐射元件免受昆虫，灰尘和水的侵害。允许以0.1°的角度分辨率在方位角上进行全部空间覆盖。方位上的天线孔径角小于0.6°，并且其允许对雷达主要监视范围内目标准确辨别和检测。该配置满足IALA V-128“船舶交通服务设备的操作和技术要求”的国际标准要求。雷达机箱中有RF模块和雷达后端（AWG+ADC+CU+GPS）。其中RF模块使用独特的和专有的运动振动补偿技术，防止振动引起的振荡器相位噪声的退化。由于采用高集成和高性能RF数字信号处理架构，并采用最先进的技术，因此该雷达可以提供高质量的数据。RF模块和雷达后端（AWG + ADC +CU+GPS）靠近天线放置，以便容易将RF信号低损耗的直接传输到辐射元件。
预警雷达的总重量约180Kg，安装在靠近水面的6米桅杆顶部，可以承受高达250km / h的风速。使用定位器/旋转器提供方位角扫描，旋转速度为0rpm-20rpm。IRN雷达的探测范围是10m到5Km，整个雷达系统由两部分组成：一个包含电子器件的机箱和天线系统。雷达机箱的尺寸为 400 x 400 x 800 mm， 重量约 25 Kg。其中GPS包含在机箱中。雷达安装的GPS模块为工作在10MHz 的 Global Positioning System Disciplined Oscillator （GPSDO），其内置高性能的GPS接收器，GPS系统的作用就是对所有的工作雷达进行時间和相位同步。天线系统是一个面积为500x500 mm，重量为3 Kg的面板。其中全极化模式成像雷达（IRN-P）的天线系统由两个双线性极化天线组成，用于交替发射两个极化信号，并同时接收成像雷达极化模式（IRN-P）的两个极化信号。干涉模式成像雷达（IRN-I）的天线系统由四个垂直极化辐射元件组成。雷达机箱包括RF模块和雷达后端（AWG+ADC+CU+GPS）。其中RF模块使用独特的和专有的运动振动补偿技术，可以防止振动引起的振荡器相位噪声的退化。由于采用高集成和高性能RF数字信号处理架构，该雷达可以提供高质量的数据。RF模块和雷达后端（AWG+ADC+CU+GPS）靠近天线放置，以便容易将RF信号低损耗的直接传输到辐射元件。
2 对船成像结果
本系统中雷达传感器网络中所有雷达的工作模式如下：
模式 1： MRN和IRN都使用时分复用技术进行发送和接收。
模式 2： MRN发射，IRN接收。
模式 3： IRN发射，MRN接收。
模式 4： 仅MRN发射/接收。
模式 5： 仅IRN发射/接收。
在上面5个雷达工作模式中，就包含了单发单收、单发多收、多发单收、多发多收这几种工作状态。单收单收模式表示一个雷达发射一个雷达接收，单发多收表示一个雷达发射多个雷达接收，多发单收表示多个雷达发射一个雷达接收，多发多收表示多个雷达发射多个雷达接收。
图3是该海岸预警雷达（MRN）采集的雷达数据的可视化结果。在同一区域，还安装了一个成像雷达（IRN-P）。黑色箭头指出了小目标。在雷达成像中， 还可以看到环境的其他特征， 如土地与岛屿（强红色）， 在海中间的堤防（在距离海岸预警雷达约4000米的淡绿色直线）。图3可用于各个部门进行海域大范围监控预警，图4是对图3中的船只目标进行放大后的图像。从图中可以清晰地看出，目标是一艘大型油轮。
3 结论
本文公布基于多基站ISAR雷达联合对船监测系统的海岸地区总体部署方案，预警雷达与成像雷达的技术参数以及在某海域的成像实测结果。基于多基站ISAR雷达系统可以从多个角度对船体进行观测，提高了船只的识别率，这对于大范围海上船只的监控管理提供了强大的技术支撑。
参考文献：
[1] 干涉式逆合成孔径雷达成像技术综述[J]. 刘承兰，高勋章，黎湘. 信号处理. 2011（05）
本文为基金项目：浙江海洋大学科研启动经费资助，No.21045012815
