雷达上船舶目标回波大小引起的目标重心偏移模拟

    王桐明++周春华++王化伟

    

    

    

    摘 要：在雷达目标跟踪时，为了正确地计算出雷达中显示的目标位置，采取计算二值图像中雷达目标图像的重心（抑或质心）位置来作为目标的位置。文章通过一系列的计算阐述了不同船型的回波对船舶重心位置的影响。

    关键词：雷达；回波；重心偏移

    在实际的雷达操作中，雨雪干扰，海浪抑制和增益的调节，都会影响雷达目标的大小。目标大小的变化，对于目标重心的偏移有何影响？

    为了快速地计算出雷达目标的重心，有时会采用雷达目标边缘跟踪点计算出重心代替利用雷达目标所有点计算出的重心[1]，这种用边缘跟踪点计算重心的方法能代替目标的重心吗？

    对于海上的船舶跟踪，船型的不同又会对计算的重心有何影响呢？下面通过一些计算来解决这些问题。

    1 目标计算

    在海上，对于普通的商船、客船以及渔船，其在雷达上的船舶目标类似于一个椭圆形[2]。为了探究船舶目标重心计算的特性，用以标准的椭圆形（见图1）、带大缺口椭圆形（见图2）、带小缺口椭圆形（见图3）3种形状，作为雷达上的目标，来模拟研究目标重心的变化。标准的椭圆形表示船舶的外切椭圆；椭圆的大缺口、小缺口表示船尾的变化程度。

    图1、图2和图3中的下一图是上一图向内缩小2个像素生成的图；左边的图计算的是目标的重心，右边的图是其同行的左边的图进行边缘跟踪生成的图，计算出边缘跟踪点的重心位置。左边和右边的图计算出的结果标在对应的图上边。

    图1—3的计算结果进行归结，结果如图4所示。

    椭圆形的相似度对比如图5所示，其中左边图显示的是图1（标准的椭圆形）、图2（带大缺口椭圆形）、图3（带小缺口椭圆形）左边从上到下的面积变化，横轴的1—5是图1—3中从上到下的编号。图5中右边图是图2及图3的左边从上到下的面积与图1相对应的椭圆形面积的比率。由于图2、图3是从图1演变而来，这里用面积的比率作为一个指标，来表示其与标准椭圆形的相似程度。

    2 结语

    虽然是以带缺口形状的椭圆形代替雷达图像上的船舶图像，其大小的变化反映了雷达的雨雪干扰，海浪抑制和增益的调节引起的船舶图像回波的变化，以及这种变化引起的重心偏移。结果归结如下。

    （1）回波大小的变化会引起回波重心的偏移。

    （2）回波从大变小，导致回波的重心从外围收束到船舶外切椭圆的重心。图4左右图中的小圆形符号代表船舶外切椭圆的重心。

    （3）用回波计算的重心比用回波边缘计算的重心的变化幅度小，变化比较均匀。在进行雷达跟踪时，用回波计算的重心比用回波边缘计算的重心来代替观测的船舶位置精度要高，相对稳定可靠。

    （4）用回波邊缘计算重心时，当回波比较大时，会出现不规则、不可预测的变化。图4左右图的左下角的钩子样的形状就是一种表现。直接用回波计算的重心，当回波变小时，其重心会成直线状地收束到船舶外切椭圆的重心（见图4左右图）。

    （5）大缺口椭圆形的船舶和小缺口椭圆形的船舶的回波，随着回波的变小，其重心都向船舶外切椭圆的重心处收束。很明显，小缺口椭圆形船舶的回波比大缺口椭圆形船舶的回波的重心收束速度快得多（比较图4左右图可知，很明显右图收束很快）。

    （6）从图5可以看到，当带缺口椭圆形对于标准椭圆形的相似程度很高时，随着其大小的收缩，其很快也就变成了椭圆形；相反，当椭圆形的缺口大时，随着大小的收缩，其相似度反而下降。

    （7）从图4右图可以看出，随着大小的收缩，利用目标边缘边算出的重心几乎同目标本身的重心具有相同的特性。对于这种雷达上的回波，当回波比较小的时候，可以用回波边界计算的重心来代替回波的重心。

    对于能否用回波边界计算的重心来代替回波的重心，可以利用图5右图的回波与其外切椭圆的相似度作为一个参考指标进行考虑。以此模拟为基础，下一步对实际的雷达上的船舶目标的特性作进一步的探讨，包括船舶的宽窄程度（肥大程度）引起的回波形状的变化。

    [参考文献]

    [1]王洋，李玉书，张健.基于RCS信息的雷达目标大小分类方法[J].现代雷达，2009（2）：17-19.

    [2]丁鹭，陈建春.雷达原理[M].北京：电子工业出版社，2009.