专利摘要

本发明提出一种基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法，所述方法包括：微波散射计通过扇形波束对舰船目标进行圆锥扫描，得到舰船目标的若干组观测数据；根据观测数据中的观测时延、不同观测方位角和多普勒频率，计算舰船与卫星运动方向的夹角；根据观测数据中某一观测方位角上的舰船一维距离像，计算舰船在回波方向上的投影长度；根据舰船与卫星运动方向的夹角和舰船在回波方向上的投影长度，计算舰船长度。本发明采用扇形波束能够扩大海面检测范围，使用宽带信号能够提高距离分辨率，使用环扫技术能够提高方位分辨率，通过对检测到的同一目标至少四次观测，能够准确计算舰船运动方向，实现对舰船长度的高精度计算。

权利要求

1.一种基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法，所述方法包括：微波散射计通过扇形波束对舰船目标进行圆锥扫描，得到舰船目标的若干组观测数据；根据观测数据中的观测时延、不同观测方位角和多普勒频率，计算舰船与卫星运动方向的夹角；根据观测数据中某一观测方位角上的舰船一维距离像，计算舰船在回波方向上的投影长度；根据舰船与卫星运动方向的夹角和舰船在回波方向上的投影长度，计算舰船长度；

具体包括以下步骤：

步骤1)微波散射计通过扇形波束对刈幅范围内的目标进行圆锥扫描检测，得到舰船目标，对所述舰船目标进行若干次扫描得到若干组观测数据；

步骤2)根据观测数据中观测时延τ、和多普勒频率fd，计算出干涉相位差，根据干涉相位差和不同观测方位角计算舰船在顺轨方向的速度Vx和交轨方向的速度Vy，从而得到舰船与卫星运动方向的夹角α；

步骤3)根据观测数据中的某一观测方位角上的舰船一维距离像H，得到距离单元幅度Am，通过恒虚警因子与最大距离单元幅度值计算得到检测因子D，将舰船一维距离像H通过检测因子D的检测，得到去噪后的一维距离像HRRP；设定船长检测门限d，记录一维距离像HRRP的幅度值大于船长检测门限的距离单元的位置，计算得到舰船在回波方向上的投影长度LR；

步骤4)根据舰船与卫星运动方向的夹角α和舰船在回波方向上的投影长度LR，计算船长在地面的投影长度Lc和舰船长度方向的夹角γ，从而得到舰船长度L；

所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)微波散射计通过扇形波束对刈幅范围内的目标进行圆锥扫描检测；

步骤1-2)微波散射计的回波信号在下变频和低通滤波后，经过环扫SAR处理，自适应二维检测，得到舰船目标；

步骤1-3)在不同观测方位角对所述舰船目标圆锥扫描检测至少4次，得到至少四组舰船目标观测数据信息；具体包括：观测时延τ，4次观测的观测方位角和4次观测的多普勒频率fd1、fd2、fd3和fd4和4次观测的舰船一维距离像H1、H2、H3、H4的信息；

步骤2)具体包括：

步骤2-1)根据4次观测的多普勒频率fd1、fd2、fd3和fd4以及观测时延τ，可计算两次干涉相位差Φ1、Φ2为：

Φ1＝2πfd1τ-2πfd2τ(1)

Φ2＝2πfd3τ-2πfd4τ(2)

其中fd1、fd2为相距时延τ的两次回波多普勒频率，fd3、fd4为另一组相距时延τ的两次回波多普勒频率；

步骤2-2)根据两次干涉相位差Φ1、Φ2和对应的观测方位角信息计算舰船在顺轨方向的速度Vx和交轨方向的速度Vy：

其中，Vsat为卫星在地面的投影速度，θ为天线下视角，且有：

其中，和分别4次观测的观测方位角；

步骤2-3)根据舰船在顺轨和交轨方向的速度，计算舰船速度V和舰船与卫星运动方向的夹角α：

所述步骤2-2)还包括：

步骤2-2-1)根据扇形波束微波散射计与目标相对位置关系得到散射计到舰船的入射方向单位矢量表达式为：

其中，θ为天线下视角；

步骤2-2-2)计算扇形波束微波散射计到舰船的相对速度VR为：

其中，Vsat为卫星在地面的投影速度，Vship为舰船行驶速度；

步骤2-2-3)回波信号的多普勒频率fd为：

其中λ为波长；

所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)将观测数据中的某一观测方位角上的一维距离像H两端各增加p个零值距离单元补零，得到一维距离像的单元幅度分别为A1，...，AM，M为补零后距离单元个数；

步骤3-2)设一维距离像H中当前距离单元幅度为Am，计算前p个距离单元幅度和Abefore和后p个距离单元幅度和Aafter：

i，m，p为自然数，m＞p，取两者之间的最大值Amax：

Amax＝max(Abefore，Aafter)(14)

步骤3-3)计算检测因子D：

D＝Amax×β(15)

β为恒虚警因子；

步骤3-4)当前距离单元幅度为Am大于检测因子D时，输出幅度值Bm＝Am；当前距离单元幅度为Am小于检测因子D时，输出幅度值Bm＝0；对所有距离单元进行检测，检测后得到去噪后的一维距离像HRRP：

步骤3-5)设定船长检测门限d，HRRP的一维距离像幅度分为B1，...，BM，每一个Bm＞d处的距离单元位置为Pr，设第一个位置为P1，最后一个位置为PR，则舰船在回波方向上的投影长度LR为：

fs为回波信号采样频率，c为光速；

所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)根据舰船在回波方向上的投影长度LR，计算船长在地面的投影长度Lc：

步骤4-2)计算船长在地面的投影长度Lc与舰船长度方向的夹角γ：

其中为投影长度为LR的一维距离像H对应的观测方位角；

步骤4-3)根据船长在地面的投影长度Lc与舰船长度方向的投影关系，计算得到舰船长度L：

2.根据权利要求1所述的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法，其特征在于，船长检测门限d的取值为：

其中，0.01≤μ≤0.1。

3.根据权利要求1所述的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法，其特征在于，在正常海况下恒虚警因子β的取值范围为0.01-0.1。

4.根据权利要求1所述的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法，其特征在于，所述方法还包括：计算舰船行驶速度Vship大小为：

说明书

技术领域

本发明属于微波遥感领域，具体而言，涉及一种基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法，尤其适用于舰船遥感探测与监视的任务。

背景技术

舰船探测与监视是世界各临海国家的传统任务，在军事、民生部门有着广泛的应用。2000年至今，美国，欧盟和中国组织开展了一系列舰船遥感探测研究工作，主要技术有恒虚警检测算法，模板匹配算法，小波分析算法等，这些算法可用于大刈幅范围内的舰船检测能力，实现对舰船目标的检测，但很难获得准确的舰船长度信息，无法为不同种类和性质的舰船分类识别提供信息。近几年SAR卫星的高分辨遥感数据能够达到米级的高分辨率，应用图像识别技术实现对舰船的检测和识别，但观测刈幅限制在很小的范围内，不适用于大刈幅海面的实时探测和监视。

发明内容

本发明的目的在于解决现有技术中星载非成像雷达对海面舰船长度计算精度低的缺点。

为实现上述目的，本发明提出了一种基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法，所述方法包括：微波散射计通过扇形波束对舰船目标进行圆锥扫描，得到舰船目标的若干组观测数据；根据观测数据中的观测时延、不同观测方位角和多普勒频率，计算舰船与卫星运动方向的夹角；根据观测数据中某一观测方位角上的舰船一维距离像，计算舰船在回波方向上的投影长度；根据舰船与卫星运动方向的夹角和舰船在回波方向上的投影长度，计算舰船长度。

作为上述方法的一种改进，所述方法包括以下步骤：

步骤1)微波散射计通过扇形波束对刈幅范围内的目标进行圆锥扫描检测，得到舰船目标，对所述舰船目标进行若干次扫描得到若干组观测数据；

步骤2)根据观测数据中观测时延τ、和多普勒频率fd，计算出干涉相位差，根据干涉相位差和不同观测方位角 计算舰船在顺轨方向的速度Vx和交轨方向的速度Vy，从而得到舰船与卫星运动方向的夹角α；

步骤3)根据某一观测方位角 上的舰船一维距离像H，计算距离单元幅度Am，通过恒虚警因子与最大距离单元幅度值计算得到检测因子D，对舰船一维距离像H通过检测因子D的检测，得到去噪后的一维距离像HRRP；设定船长检测门限d，记录一维距离像HRRP的幅度值大于船长检测门限的距离单元的位置，计算得到舰船在回波方向上的投影长度LR；

步骤4)根据舰船与卫星运动方向的夹角α和舰船在回波方向上的投影长度LR，计算船长在地面的投影长度Lc和舰船长度方向的夹角γ，从而得到舰船长度L。

作为上述方法的一种改进，所述步骤1)具体包括：

步骤1-1)微波散射计通过扇形波束对刈幅范围内的目标进行圆锥扫描检测；

步骤1-2)微波散射计的回波信号在下变频、低通滤波后，经过环扫SAR处理，自适应二维检测，得到舰船目标；

步骤1-3)在不同观测方位角对所述舰船目标圆锥扫描检测至少4次，得到至少四组舰船目标观测数据信息；具体包括：观测时延τ，4次观测的观测方位角 和 4次观测的多普勒频率fd1、fd2、fd3和fd4和4次观测的舰船一维距离像H1、H2、H3和H4的信息。

作为上述方法的一种改进，步骤2)具体包括：

步骤2-1)根据4次观测的多普勒频率fd1、fd2、fd3和fd4以及观测时延τ，可计算出两次干涉相位差Φ1、Φ2：

Φ1＝2πfd1τ-2πfd2τ(1)

Φ2＝2πfd3τ-2πfd4τ(2)

其中fd1、fd2为相距时延τ的两次回波多普勒频率，fd3、fd4为另一组相距时延τ的两次回波多普勒频率；

步骤2-2)根据两次干涉相位差Φ1、Φ2和对应的观测方位角信息 计算舰船在顺轨方向的速度Vx和交轨方向的速度Vy：

其中，Vsat为卫星在地面的投影速度，θ为天线下视角，且有：

其中， 和 分别4次观测的观测方位角；

步骤2-3)根据舰船在顺轨和交轨方向的速度，计算舰船速度V和舰船与卫星运动方向的夹角α：

作为上述方法的一种改进，所述步骤2-2)还包括：

步骤2-2-1)根据扇形波束微波散射计与目标相对位置关系得到散射计到舰船的入射方向单位矢量表达式 为：

其中，θ为天线下视角；

步骤2-2-2)计算扇形波束微波散射计到舰船的相对速度VR为：

其中，V sat为卫星在地面的投影速度, V ship为舰船行驶速度；

步骤2-2-3)回波信号的多普勒频率fd为：

其中λ为波长。

作为上述方法的一种改进，所述步骤3)具体包括：

步骤3-1)将某一观测方位角 上的一维距离像H两端各增加p个零值距离单元补零，得到一维距离像的单元幅度分别为A1，…,AM，M为补零后距离单元个数；

步骤3-2)设一维距离像中当前距离单元幅度为Am，计算前p个距离单元幅度和Abefore和后p个距离单元幅度和Aafter：

i，m,p为自然数，m>p,取两者之间的最大值Amax：

Amax＝max(Abefore,Aafter)(14)

步骤3-3)计算检测因子D:

D＝Amax×β(15)

β为恒虚警因子；

步骤3-4)当前距离单元幅度为Am大于检测因子D时，输出幅度值Bm＝Am；当前距离单元幅度为Am小于检测因子D时，输出幅度值Bm＝0；对所有距离单元进行检测，检测后得到去噪后的一维距离像HRRP：

步骤3-5)设定船长检测门限d，HRRP的一维距离像幅度分为B1，…,BM，每一个Bm>d处的距离单元位置为Pr，设第一个位置为P1，最后一个位置为PR，则舰船在回波方向上的投影长度LR为：

fs为回波信号采样频率，c为光速。

作为上述方法的一种改进，船长检测门限d的取值为：

其中，0.01≤μ≤0.1。

作为上述方法的一种改进，在正常海况下恒虚警因子β的取值范围为0.01-0.1。

作为上述方法的一种改进，所述步骤4)具体包括：

步骤4-1)根据舰船在回波方向上的投影长度LR，计算船长在地面的投影长度Lc：

步骤4-2)计算船长在地面的投影长度Lc与舰船长度方向的夹角γ：

其中 为投影长度为LR的一维距离像H对应的观测方位角。

步骤4-3)根据船长在地面的投影长度Lc与舰船长度方向的投影关系，计算得到舰船长度L：

作为上述方法的一种改进，所述方法还包括计算舰船行驶速度Vship大小为：

本发明与现有技术相比的有益效果是：

1、本发明的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法使用扇形波束圆锥扫描微波散射计，采用扇形波束能够扩大海面检测范围，使用宽带信号能够提高距离分辨率，使用环扫SAR技术能够提高方位分辨率，结合自适应二维检测算法能够提高检测性能，对检测到的同一目标可实现至少四次观测，准确计算舰船运动方向，实现对舰船长度的高精度计算；

2、本发明基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法的一维距离像是用宽带信号获取的目标散射点子回波在雷达射线上投影的向量和，它不仅提供了目标的几何形状和结构特点，还包含了目标识别所需的更多相关信息；

3、本发明基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法提供了一种基于扇形波束圆锥扫描散射计观测数据的舰船长度计算方法，该方法实现了星载散射计观测下的大刈幅范围内舰船长度精确计算；

4、本发明基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法使用扇形波束圆锥扫描微波散射计检测舰船目标，得到舰船目标的多组观测数据，根据舰船不同方位角 多普勒频率fd，计算舰船与卫星运动方向的夹角α，根据某一方位角 上舰船一维距离像H，计算舰船在回波方向上的投影长度LR，根据舰船与卫星运动方向的夹角α和舰船在回波方向上的投影长度LR，计算舰船长度L；

5、本发明基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法相比于现有技术能够提高舰船长度计算精度，实现星载非成像雷达对舰船长度、速度、运行方向信息的提取，为进一步舰船目标分类识别提供信息。

附图说明

图1为本发明的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法逻辑框图；

图2为本发明的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法扇形波束圆锥扫描微波散射计扫描示意图；

图3为本发明的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法扇形波束圆锥扫描微波散射计系统处理示意图；

图4为本发明的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法旋转扫描扇形波束散射计天线坐标系与目标相对位置关系；

图5为本发明的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法多次观测回波参数示意图；

图6为本发明的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法CFAR算法示意图；

图7为本发明的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法舰船一维距离像示意图；

图8为本发明的基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法舰船长度投影关系图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细的说明。

如图1所示,本发明提供一种基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法，包括以下步骤：

扇形波束圆锥扫描微波散射计检测舰船目标，得到舰船目标的多组观测数据；

根据舰船不同方位角、多普勒频率，计算舰船与卫星运动方向的夹角；

根据某一方位角上舰船一维距离像，计算舰船在回波方向上的投影长度；

根据舰船与卫星运动方向的夹角和舰船在回波方向上的投影长度，计算舰船长度。

本发明充分利用扇形波束圆锥扫描微波散射计的优势，实现对舰船长度的计算，为散射计探测海面舰船特性提供信息。

实施例1：

如图2所示，本发明的微波散射计为扇形波束圆锥扫描微波散射计，例如通过低轨遥感卫星(高度500km)上的扇形波束大入射角(40°～60°)，实现对大刈幅(刈幅>2000km)的观测几何，通过扇形波束圆锥扫描，实现对刈幅范围内所有目标的检测。

如图3所示，微波散射计回波信号在下变频、低通滤波后，经过环扫SAR处理，自适应二维检测，检测得到舰船目标；

散射计系统检测得到多种舰船目标后，首先剔除陆地和岛屿，保留海洋目标，然后进行目标确认，判断是否同一目标，对所有目标进行分集。

每个舰船目标至少被观测四次，每次观测包含一组回波脉冲信息，个数为N，有方位角 多普勒频率fd，一维距离像H等信息；具体包括观测时延τ，4次观测的观测方位角 和 4次观测的多普勒频率fd1、fd2、fd3和fd4和4次观测的舰船一维距离像H1、H2、H3、H4的信息。

如图4所示，示出了散射计天线坐标系与目标相对位置关系，如图5所示，示出了干涉相位差参数位置图，结合4次回波的方位角 和 多普勒频率fd1、fd2、fd3和fd4和观测时延τ，可以计算出两次干涉相位差Φ1、Φ2：

Φ1＝2πfd1τ-2πfd2τ(1)

Φ2＝2πfd3τ-2πfd4τ(2)

根据图4散射计天线坐标系与目标相对位置关系，通过理论推导，可以得到散射计到舰船的入射方向单位矢量表达式为：

其中，θ为天线下视角；

散射计到舰船的相对速度可表示为：

其中，Vsat为卫星在地面的投影速度,Vship为舰船行驶速度；

回波信号的多普勒频率fd可表示为：

根据干涉相位差Φ和多普勒频率fd的关系，得到舰船在顺轨方向的速度Vx和交轨方向的速度Vy：

分别为这两次干涉相位差对应的天线方位角，

根据舰船在顺轨方向的速度Vx和交轨方向的速度Vy，计算舰船航速和航向：

根据舰船在顺轨和交轨方向的速度，计算舰船速度V和舰船与卫星运动方向的夹角α：

舰船行驶速度Vship大小为：

舰船的航向和航速也作为舰船信息，为下一步舰船目标分类识别提供信息。

选取某一方位角 对应的一维距离像H，通过恒虚警算法进行去噪处理，得到去噪后的一维距离像HRRP，处理过程如图6所示。

在一维距离像H两端各增加p个零值距离单元，补零后设一维像幅度分为A1，…,AM,M为补零后距离单元个数；

设当前距离单元幅度为Am，计算前p个距离单元幅度和Abefore和后p个距离单元幅度和Aafter,

取两者之间的最大值Amax：

Amax＝max(Abefore,Aafter) (14)

乘以恒虚警因子β得到检测因子D：

D＝Amax×β(15)

当前距离单元幅度为Am大于检测因子D时，输出幅度值Bm＝Am；

当前距离单元幅度为Am小于检测因子D时，输出幅度值Bm＝0；

对所有距离单元进行检测，检测后得到去噪后的一维距离像HRRP。

恒虚警因子β的取值本身应随着海情、海况和卫星与舰船的相对位置进行灵活调整，在正常海况下取值范围为0.01-0.1，例如平静海况下可选为0.1。

如图7所示，一维距离像示意图，设定船长检测门限d,计算一维距离像HRRP中超过检测门限部分的长度，即为此次观测得到一维距离像舰船长度LR，过程如下：

设HRRP的一维距离像幅度值分为B1，…,BM,将每个幅度值Bm(m＝1，2，…M)与船长检测门限d进行比较，记录每一个Bm>d处的距离单元位置Pr，认为此处是舰船范围，设第一个检测位置为P1，最后一个检测位置为PR，回波信号中舰船一维距离像长度LR为：

fs为回波信号采样频率。

船长检测门限d的取值为：

其中，0.01≤μ≤0.1。

如图8所示，舰船长度投影关系图，根据舰船一维距离像长度LR，计算船长在地面的投影长度：

通常船长与舰船运动方向一致，即舰船长度与卫星运动轨迹的夹角α即为航向，可以得到船长在地面的投影长度Lc与舰船长度方向的夹角

其中 为一维距离像H的投影长度LR对应的观测方位角；

根据船长在地面的投影长度Lc与舰船长度方向的投影关系，计算得到舰船长度：

最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

一种基于微波散射计观测数据的舰船长度计算方法专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。