基于极化特征的海面漂浮小目标检测方法

摘要

海杂波背景下的海面目标检测问题长期以来都是雷达目标检测领域的难点和热点。雷达发射的电磁波照射海表面的回波包含海杂波。为了降低海杂波的功率水平，许多对海雷达常常采用高分辨工作模式。由于海浪对海面小目标运动特性的复杂影响以及高分辨海杂波的空时非平稳性，海杂波抑制和目标回波的相参累积效果明显下降。利用多个特征的特征检测技术被认为是实现海面漂浮小目标有效检测的手段之一，而提取海杂波和目标回波的差异特征是特征检测技术的关键环节。 随着全极化雷达的快速发展和硬件处理器能力的不断提升，使得利用多极化通道雷达数据进行联合检测成为可能。海杂波和漂浮目标回波在极化上具有明显的差异，因此利用多极化通道的高分辨雷达数据进行海面漂浮小目标的联合检测是一个有价值的探索方向。 本学位论文利用IPIX雷达数据库的四极化通道海杂波数据，研究特征类海面漂浮小目标检测方法中极化信息的利用和特征提取问题。主要内容分为以下三部分： 第一部分，首先介绍电磁波的极化理论基础，包括极化表征方法和散射体的极化描述。重点介绍极化散射矩阵、极化相干矩阵和极化协方差矩阵的定义和求解方法。然后简述经典的四类极化目标分解理论，并且重点回顾了三种经典分解算法：Cloude分解、Pauli分解和基于双酉变换的模型分解。 第二部分，理论分析得知，Freeman-Durden三分量分解方法能明确反映目标散射机制，有效表征目标极化散射特性，更适合海杂波场景下的漂浮目标检测。选用该分解方法提取到三个极化特征：相对体散射机制对应能量、相对二面角散射机制对应能量和相对面散射机制对应能量。对提取到的特征在三维特征空间中观测目标与海杂波混合数据特征向量与纯杂波数据特征向量的分离度，运用快速凸包学习算法获取检测的判决凸包区域，最终实现检测。由于选取了合适的极化特征，本方法较传统基于特征类检测方法有更好的检测效果。 第三部分，回顾了两种特征类的海面目标检测方法：基于三特征联合目标检测方法和基于归一化多普勒谱的检测方法。在上述两种检测方法中均未利用全极化信息，针对这个问题，分别通过融合四个极化通道的振幅谱和多普勒功率谱，获取新的全极化特征，提出两种新的检测方法：基于四通道融合极化特征的检测器和基于四极化通道融合归一化多普勒谱的双特征检测器。通过实测海杂波数据实验结果分析说明，提出的两种四极化通道融合改进方法均具有优良的检测效果和更好的鲁棒性。

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