雷达对海探测试验与目标特性数据获取

关键; 刘宁波; 王国庆; 丁昊; 董云龙; 黄勇; 田凯祥; 张梦雨

doi:10.12000/JR23029

雷达对海探测试验与目标特性数据获取——海上目标双极化多海况散射特性数据集

DOI: 10.12000/JR23029

关键¹,
刘宁波^1, ,,
王国庆^1, ,,
丁昊¹,
董云龙¹,
黄勇¹,
田凯祥²,
张梦雨²

1.
海军航空大学烟台 264001
2.
烟台大学烟台 264005

基金项目: 国家自然科学基金(62101583, 61871392)，泰山学者工程(tsqn202211246)

详细信息

作者简介:
关　键，教授，博士生导师，主要研究方向为雷达目标检测跟踪与识别、海上目标信息感知与融合

刘宁波，副教授，硕士生导师，主要研究方向为海上目标探测、雷达目标特征检测

王国庆，博士，副教授，主要研究方向为海上目标探测技术、雷达信号采集与处理

丁　昊，副教授，硕士生导师，主要研究方向为海杂波特性认知与抑制、海杂波中目标检测

董云龙，教授，博士生导师，主要研究方向为多传感器信息融合

黄　勇，副教授，硕士生导师，主要研究方向为雷达目标检测、MIMO雷达信号处理

通讯作者:
刘宁波 lnb198300@163.com

王国庆 gqwang80@163.com

责任主编：许述文 Corresponding Editor: XU Shuwen
中图分类号: TN959
计量
- 文章访问数: 3127
- HTML全文浏览量: 1192
- PDF下载量: 440
- 被引次数: 0
出版历程
- 收稿日期: 2023-03-06
- 修回日期: 2023-04-19
- 网络出版日期: 2023-04-24
- 刊出日期: 2023-04-28

Sea-detecting Radar Experiment and Target Feature Data Acquisition for Dual Polarization Multistate Scattering Dataset of Marine Targets（in English）

1.
Naval Aviation University, Yantai 264001, China
2.
Yantai University, Yantai 264005, China

Funds: The National Natural Science Foundation of China (62101583, 61871392), The Taishan Scholars Program (tsqn202211246)

More Information

Corresponding author: LIU Ningbo, lnb198300@163.com; WANG Guoqing, gqwang80@163.com

摘要

摘要: 海上目标检测识别受制于海上目标及海杂波环境特性，基于实测数据认知海上目标的本质特征有利于推进目标检测识别技术进步。针对海上目标散射特性数据不足的问题，升级“雷达对海探测数据共享计划(SDRDSP)”，扩展雷达目标观测的物理维度、提升雷达及辅助数据采集能力，获取不同极化、海况下的海上目标及环境数据，构建海上目标双极化多海况散射特性数据集，并分析其统计分布特性、时间与空间相关性和多普勒谱特性，为数据使用提供支持。后续将推进海上目标类型与数量的持续积累，为海上目标检测识别性能提升和智能化发展提供数据支持。
- 雷达试验 /
- 海上目标特性 /
- 海杂波 /
- 目标检测识别
Abstract: Marine target detection and recognition depend on the characteristics of marine targets and sea clutter. Therefore, understanding the essential features of marine targets based on the measured data is crucial for advancing target detection and recognition technology. To address the issue of insufficient data on the scattering characteristics of marine targets, the Sea-Detecting Radar Data-Sharing Program (SDRDSP) was upgraded to obtain data on marine targets and their environment under different polarizations and sea states. This upgrade expanded the physical dimension of radar target observation and improved radar and auxiliary data acquisition capabilities. Furthermore, a dual-polarized multistate scattering characteristic dataset of marine targets was constructed, and the statistical distribution characteristics, time and space correlation, and Doppler spectrum were analyzed, supporting the data usage. In the future, the types and quantities of maritime targets will continue to accumulate, providing data support for improving marine target detection and recognition performance and intelligence.
- Radar experiment /
- Sea target detection /
- Sea clutter /
- Target detection and recognition

HTML全文

图 1 两部X波段固态全相参雷达

Figure 1. Two X-band solid-state fully coherent radars

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 组合脉冲发射的3种模式

Figure 2. Three modes of combined pulse emission

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 HD-LD-CJ-22型雷达数据采集设备与显控软件

Figure 3. HD-LD-CJ-22 radar data acquisition and control software

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 环芝罘岛试验场俯瞰图

Figure 4. Overview of the Zhifu island test site

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 航道浮标

Figure 5. Channel buoy

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 试验海域气象水文数据(NC数据)

Figure 6. Meteorological and hydrological data of the test sea area (NC data)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 HH极化雷达示例数据

Figure 7. Typical data of HH polarized radar

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 VV极化雷达示例数据

Figure 8. Typical data of VV polarized radar

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 海杂波单元幅度分布拟合结果

Figure 9. Amplitude distribution fitting results of sea clutter bins

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 海杂波与目标单元时间相关性

Figure 10. Time correlation of sea clutter and target bin

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 距离维空间相关性

Figure 11. Spatial correlation of distance dimension

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 目标单元(浮标1)时频谱

Figure 12. Time spectrum of target bins (buoy 1)

下载: 全尺寸图片幻灯片

S1 雷达对海探测数据2022年第1期——海上目标散射特性数据集

S1. Sea-detecting radar data 2022 phase 1－－Sea target scattering feature dataset

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 1 Two X-band solid-state fully coherent radars

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 Three modes of combined pulse emission

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 HD-LD-CJ-22 radar data acquisition and control software

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 Overview of the Zhifu island test site

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 Channel buoy

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 Meteorological and hydrological data of the test sea area (NC data)

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 Typical data of HH polarized radar

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 8 Typical data of VV polarized radar

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 9 Amplitude distribution fitting results of sea clutter bins

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 10 Time correlation of sea clutter and target bin

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 11 Spatial correlation of distance dimension

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 12 Time spectrum of target bins (buoy 1)

下载: 全尺寸图片幻灯片

S1 Sea-detecting radar data 2022 phase 1－－Sea target scattering feature dataset

下载: 全尺寸图片幻灯片

表 1 已共享的雷达对海探测数据

Table 1. Shared sea-detecting radar data

年期	雷达波段	极化方式	数据简介
2019年第1期	X	HH	3组数据，主要为扫描和凝视观测模式下的海杂波数据，目标为海面非合作目标。
2020年第1期	X	HH	2组数据，主要为凝视观测模式下的海杂波数据、海杂波+目标数据，目标为锚泊船只和航道浮标。
2020年第2期	X	HH	2组数据，为海面机动目标跟踪试验数据，目标为海面合作目标(小型快艇)。
2020年第3期	X	HH	1组数据，为雷达目标RCS定标试验数据，目标为RCS为0.25 m²不锈钢球，由渔船拖动或漂浮。
2021年第1期	X	HH	5组数据，为云雨气象条件下的雷达不同转速扫描试验数据，海面无合作目标。

下载: 导出CSV

表 2 X波段试验雷达参数

Table 2. Parameters of X-band experimental radars

雷达技术指标	HH极化	VV极化
工作频段	X	X
工作频率范围	9.3～9.5 GHz	9.3～9.5 GHz
量程	1/16～96 n mile	1/16～96 n mile
扫描带宽	25 MHz (T2, T3)	25 MHz (T2, T3)
距离分辨率	6 m	6 m
脉冲重复频率(kHz)	1.6, 2.0, 3.0, 5.0, 10.0	1.6, 2.0, 3.0, 5.0, 10.0
发射波形	T1：单频 T2：LFM T3：LFM	T1：单频 T2：LFM T3：LFM
脉冲宽度	T1：0.15 μs T2：8 μs T3：25 μs	T1：0.15 μs T2：8 μs T3：25 μs
发射峰值功率	100 W	100 W
天线转速(r/min)	2, 6, 12, 24, 48	2, 6, 12, 24, 48
天线长度	2.0 m	2.5 m
天线工作模式	圆扫、扇扫、固定指向	圆扫、扇扫、固定指向
天线极化方式	HH	VV
天线水平波束宽度	1.2°	1.1°
天线垂直波束宽度	22°	23°

下载: 导出CSV

表 3 海上目标散射特性数据集概况表

Table 3. Summary table of sea target scattering characteristics dataset

序号	海况等级	数据组数	雷达天线工作模式	工作量程	发射脉冲模式	目标种类	气象水文数据	擦地角 (°)
1	2级	10组	凝视	6 n mile	T1+T2	航道浮标	有	0.68～1.09
2	3级	54组	凝视	6 n mile	T1+T2	航道浮标	有	0.68～1.09
3	4级	48组	凝视	6 n mile	T1+T2	航道浮标	有	0.68～1.09
4	5级	30组	凝视	6 n mile	T1+T2	航道浮标	有	0.68～1.09
注：① 每天气象水文数据形成一个nc格式文件，提供风速/风向/浪高/浪向/浪周期信息；　　② 凝视模式下每组数据包含的脉冲数均为2¹⁷个；　　③ 发射脉冲模式T1+T2，对应图2中的模式2；　　④ 雷达垂直波束保持不变，擦地角范围是通过雷达架高和数据对应的径向距离范围折算得到的。

下载: 导出CSV

表 4 2－5级海况HH与VV极化雷达示例数据

Table 4. Sample data of HH and VV polarized radars in level 2－5 sea states

数据名	包含脉冲数	PRF (kHz)	T1 采样点数	T2 采样点数	T1, T2采样起始距离(km)	采样间隔(m)	目标	浪高 (m)	浪向	海况等级
20221115050027_stare_HH	2¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	浮标1, 2	0.4	西	2级
20221115050036_stare_VV	2¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	浮标1, 2	0.4	西	2级
20221114190046_stare_HH	2¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	浮标1, 2	0.7	西西北	3级
20221114190055_stare_VV	2¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	浮标1, 2	0.7	西西北	3级
20221113210051_stare_HH	2¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	浮标1, 2	1.3	北东北	4级
20221113210023_stare_VV	2¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	浮标2	1.3	北东北	4级
20221113040027_stare_HH	2¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	浮标1, 2	2.6	北	5级
20221113040009_stare_VV	2¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	浮标1, 2	2.6	北	5级

下载: 导出CSV

表 1 Shared sea-detecting radar data

Year, issue	Radar band	Polarization mode	Data description
2019, Issue 1	X	HH	3 datasets: Primarily sea clutter data collected in scanning and staring observation modes with noncooperative surface targets.
2020, Issue 1	X	HH	2 datasets: Sea clutter data and combined sea clutter + target data collected in staring observation mode with anchored vessels and channel buoys as targets.
2020, Issue 2	X	HH	2 datasets: Test data for tracking maneuvering surface targets collected using cooperative targets (small speedboats).
2020, Issue 3	X	HH	1 dataset: Radar target RCS calibration test data collected using a 0.25 m ² stainless steel sphere as the target, either towed by a fishing boat or left floating.
2021, Issue 1	X	HH	5 datasets: Radar scanning test data under cloudy and rainy meteorological conditions without cooperative surface targets.

下载: 导出CSV

表 2 Parameters of X-band experimental radars

Radar specifications	HH polarization	VV polarization
Operating band	X	X
Operating frequency range (GHz)	9.3–9.5	9.3–9.5
Range (n miles)	1/16–96	1/16–96
Scanning bandwidth (MHz)	25 (T2, T3)	25 (T2, T3)
Range resolution (m)	6	6
Pulse repetition frequency (kHz)	1.6, 2.0, 3.0, 5.0, 10.0	1.6, 2.0, 3.0, 5.0, 10.0
Transmit waveform	T1：Single frequency T2：LFM T3：LFM	T1：Single frequency T2：LFM T3：LFM
Pulse width (μs)	T1：0.15 T2：8 T3：25	T1：0.15 T2：8 T3：25
Peak transmit power (W)	100	100
Antenna rotation speed (rpm)	2, 6, 12, 24, 48	2, 6, 12, 24, 48
Antenna length (m)	2.0	2.5
Antenna operating modes	Circular, Sector, Fixed Direction	Circular, Sector, Fixed Direction
Antenna polarization	HH	VV
Antenna horizontal beamwidth (°)	1.2	1.1
Antenna vertical beamwidth (°)	22	23

下载: 导出CSV

表 3 Summary of the datasets of sea target scattering characteristics

No.	Marine state level	Number of datasets	Radar antenna mode	Operating range	Transmit pulse mode	Target type	Meteorological and hydrological data	Clutter grazing angle (°)
1	Level 2	10	Staring	6 n miles	T1+T2	Channel buoy	Yes	0.68～1.09
2	Level 3	54	Staring	6 n miles	T1+T2	Channel buoy	Yes	0.68～1.09
3	Level 4	48	Staring	6 n miles	T1+T2	Channel buoy	Yes	0.68～1.09
4	Level 5	30	Staring	6 n miles	T1+T2	Channel buoy	Yes	0.68～1.09
Notes:① Meteorological and hydrological data for each day are stored in a .nc format file, providing information on wind speed, wind direction, wave height, wave direction, and wave period. ② Each dataset in staring mode contains 2 ¹⁷ pulses. ③ The transmit pulse mode T1 + T2 corresponds to mode 2 in Fig. 2. ④ The radar’s vertical beamwidth remains constant, and the grazing angle range is calculated based on the radar’s installation height and the corresponding radial distance range of the data.

下载: 导出CSV

表 4 Sample data of HH and VV polarized radars in levels 2–5 sea state

Data name	Pulse count	PRF (kHz)	T1 sampling points	T2 sampling points	T1, T2 sampling start distance (km)	Sampling interval (m)	Target	Wave height (m)	Wave direction	Marine state level
20221115050027 _stare_HH	2 ¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	Buoys 1, 2	0.4	West	Level 2
20221115050036 _stare_VV	2 ¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	Buoys 1, 2	0.4	West	Level 2
20221114190046 _stare_HH	2 ¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	Buoys 1, 2	0.7	West-northwest	Level 3
20221114190055 _stare_VV	2 ¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	Buoys 1, 2	0.7	West-northwest	Level 3
20221113210051 _stare_HH	2 ¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	Buoys 1, 2	1.3	North-northeast	Level 4
20221113210023 _stare_VV	2 ¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	Buoy 2	1.3	North-northeast	Level 4
20221113040027 _stare_HH	2 ¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	Buoys 1, 2	2.6	North	Level 5
20221113040009 _stare_VV	2 ¹⁷	2	950	1000	4.2525	2.5	Buoys 1, 2	2.6	North	Level 5

下载: 导出CSV

参考文献(9)

[1]	关键. 雷达海上目标特性综述[J]. 雷达学报, 2020, 9(4): 674–683. doi: 10.12000/JR20114. GUAN Jian. Summary of marine radar target characteristics[J]. Journal of Radars, 2020, 9(4): 674–683. doi: 10.12000/JR20114.
[2]	丁昊, 刘宁波, 董云龙, 等. 雷达海杂波测量试验回顾与展望[J]. 雷达学报, 2019, 8(3): 281–302. doi: 10.12000/JR19006. DING Hao, LIU Ningbo, DONG Yunlong, et al. Overview and prospects of radar sea clutter measurement experiments[J]. Journal of Radars, 2019, 8(3): 281–302. doi: 10.12000/JR19006.
[3]	陈小龙, 黄勇, 关键, 等. MIMO雷达微弱目标长时积累技术综述[J]. 信号处理, 2020, 36(12): 1947–1964. doi: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.001. CHEN Xiaolong, HUANG Yong, GUAN Jian, et al. Review of long-time integration techniques for weak targets using MIMO radar[J]. Journal of Signal Processing, 2020, 36(12): 1947–1964. doi: 10.16798/j.issn.1003-0530.2020.12.001.
[4]	许述文, 白晓惠, 郭子薰, 等. 海杂波背景下雷达目标特征检测方法的现状与展望[J]. 雷达学报, 2020, 9(4): 684–714. doi: 10.12000/JR20084. XU Shuwen, BAI Xiaohui, GUO Zixun, et al. Status and prospects of feature-based detection methods for floating targets on the sea surface[J]. Journal of Radars, 2020, 9(4): 684–714. doi: 10.12000/JR20084.
[5]	贺丰收, 何友, 刘准钆, 等. 卷积神经网络在雷达自动目标识别中的研究进展[J]. 电子与信息学报, 2020, 42(1): 119–131. doi: 10.11999/JEIT180899. HE Fengshou, HE You, LIU Zhunga, et al. Research and development on applications of convolutional neural networks of radar automatic target recognition[J]. Journal of Electronics &Information Technology, 2020, 42(1): 119–131. doi: 10.11999/JEIT180899.
[6]	刘宁波, 董云龙, 王国庆, 等. X波段雷达对海探测试验与数据获取[J]. 雷达学报, 2019, 8(5): 656–667. doi: 10.12000/JR19089. LIU Ningbo, DONG Yunlong, WANG Guoqing, et al. Sea-detecting X-band radar and data acquisition program[J]. Journal of Radars, 2019, 8(5): 656–667. doi: 10.12000/JR19089.
[7]	刘宁波, 丁昊, 黄勇, 等. X波段雷达对海探测试验与数据获取年度进展[J]. 雷达学报, 2021, 10(1): 173–182. doi: 10.12000/JR21011. LIU Ningbo, DING Hao, HUANG Yong, et al. Annual progress of the sea-detecting X-band radar and data acquisition program[J]. Journal of Radars, 2021, 10(1): 173–182. doi: 10.12000/JR21011.
[8]	DROSOPOULOS A. Description of the OHGR database[R]. Technical Note 94–14, 1994.
[9]	DE WIND H J, CILLIERS J C, and HERSELMAN P L. DataWare: Sea clutter and small boat radar reflectivity databases [Best of the Web][J]. IEEE Signal Processing Magazine, 2010, 27(2): 145–148. doi: 10.1109/msp.2009.935415.