SEA CLUTTER CHARACTERISATION amp; SMALL TARGET DETECTION IN MARITIME SURVEILLANCE RADAR NADARAJ A/L CHIDAMBARAM
UNIVERSITI TEKNOLOGI
Maritime surveillance radar experiences serious limitations imposed on their performance by unwanted sea clutter. Sea clutter limits the performance of the radar, so it is vital to understand the characteristics of sea clutter to improve the performance in detecting small targets.A detail analysis of experimental live recorded radar data collected at Port Hanstholm, Denmark with Terma Scanter X band Radar was used to test the theoretical and experimental models developed by many researches on sea clutter./ The amplitude video voltage of collected digitized raw video consisting of targets and clutter of each radar sweep were measured and analyzed. The histogram from the collected samples of echo returns were plotted, a comparison of the amplitude histograms with Gaussian and Rayleigh distributions were done. The analysis of the recorded amplitude histogram has demonstrated for high resolution with low grazing angle and using horizontal polarization the data distribution fits the log normal distribution. The study concludes the statistics of sea clutter vary with polarization, resolution cell size, sea state and wind conditions.
In maritime surveillance, radar echoes which clutter the radar and challenge small target detection. Clutter is unwanted echoes that can make target detection of wanted targets difficult by radar. The characteristic of radar sea echo are of interest in number of application areas, such as maritime surveillance, radar remote sensing and search and rescue mission. This thesis will use recorded raw video data to analyze the characteristic of sea clutter, this chapter provides the objective, problem statements, research methodology and research methodology.
The term radar derived from the original name given to this technique by British inventors during World War II, which was Radio Detection And Ranging.Radar is an electromagnetic system for the detection and location of objects. It can be used to detect targets such as low flying aircraft, ships and small marine targets. The performance of radar may be dependent on the characteristics of particular operational scenarios, such as open-ocean, coastal waters, presence of sea clutter,wind direction, high target densities, sea state, target clutter interaction, radar cross section.Radar operating in a maritime environment experiences serious limitation imposed on their performance by unwanted sea clutter (sea echoes). Sea clutter limits the performance of maritime surveillance radar, so it is vital to understand the characteristics of sea clutter to improve the performance in detecting small targets.At home surveillance of the Straits is a national interest to protect our coastline due to the increase in smuggling, illegal immigrants and pirate attacks; the Maritime Enforcement Agencies require detecting small fast moving targets embedded in sea clutter and to conduct Search And Rescue. The need for understanding the sea clutter characteristics in the Straits of Malacca and South China Sea may be required to in the future meet our requirements for Coastal Surveillance and for Maritime Situational Awareness. Sea clutter has been studied and ongoing researchers are being conducted by many researchers, and many experimental and theoretical results have been published. Most published results are dependent on the radar and environmental parameter; as such this research will focus primarily on analysis of radar detection of targets in sea clutter using processed recorded live data. The detection schemes and signal processing techniques are used on the real time radar data and the processed digitized data was recorded for the research. By performing the analysis on the recorded data, the validity of theoretical analysis on sea clutter models and radar performance can be verified and understood.
The main objectives of this research is to use the theoretical foundation of sea
clutter to analyze the recorded radar video, the following are the objectives will be
met.(1)Radar detection of targets in sea clutter by analyzing processed recorded live
data.(2) Discussion of statistical distribution in modeling target detection in sea
clutter.(3)Analyze radar performance parameters in detection of targets in modern radar
systems.(4)Suppression of spiky sea clutter and detection of constant signal in modern
radar systems.
Most research on target detection in sea clutter is performed using specialized
radar system to investigate sea clutter characteristics to improve the performance of
the radars. The collection of radar data requires specialized data measurement tools,
detection schemes, instrumentation radar, calibrated target and environmental
conditions. It should be noted that it is difficult to describe the characteristics of sea
clutter as a simple model because sea clutter is dependent on each radar system
performance and many other environmental parameters. However, the research for
this paper will use processed radar data obtained from operational modern radar
system. The processed radar data have been digitized and it is obtained from the
radar signal distribution interface of the radar transceiver. The data acquisition,
storage systems and calibration techniques were consistent during the collection of
data for this research.
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海杂波的小目标检测
多余的海杂波使得海上监视雷达的性能受到严重的限制。海杂波限制了雷达的性能，因此对改善检测小目标的性能来说理解海杂波的特点是至关重要的。一个在汉斯特霍尔姆港口收集记录的详细分析实验生活的雷达数据，是丹麦的特曼X波段雷达被许多在海杂波的研究上用来理论测试和实验模型开发的。被收集的丰富的视频电压使数字化原始视频组成的目标和杂波雷达扫描被用于进行测量和分析。来自被收集到的直方图回声返回样品被绘制了,一个用于比较幅度的高斯分布和瑞利分布的直方图就被做好了。分析记录振幅的直方图表明较低的高分辨率掠射角和使用水平极化数据分布符合正态分布。研究结论是海杂波的统计数据是不同的极化、分辨单元大小、海况和风力条件。
在海上监视雷达回波是杂波雷达并且是具有挑战的小目标检测。混乱是不必要的回声，它可以使目标探测雷达对目标探测变得困难。许多应用领域对雷达海面回波的特点感兴趣，
例如海上监视，雷达遥感和搜救任务。本文将使用原始视频数据记录分析海杂波的特点,本章提供了客观、问题陈述、研究方法和研究方法。
雷达这一术语最初的名字来源于在二战期间发明这项技术由英国发明家，它是用来无线电探测和测距的。雷达是一个用来检测和对象位置的电磁系统。它可以用来检测目标,如低飞的飞机,船只和小型海洋目标。雷达的性能可能依赖于特定操作场景的特点,如公海,沿海水域,海面回波,风的方向、目标密度高、海况、目标杂波相互作用,雷达截面。雷达操作在海洋环境中受到必要的海面回波的严重限制 (海回声)。海杂波限制海上监视雷达的性能,因此对改进性能检测小目标来说，理解海面回波的特点是至关重要的。在国内监测的海峡是一个国家用来保护我们的海岸线的利益由于增加的走私、非法移民和海盗袭击;海上执法机构要求检测嵌入在海杂波的小型快速移动目标和进行搜救。在马六甲海峡和南海了解海面回波特征的必要性将来可能满足我们在海上沿海监视和态势感知能力的要求。海杂波正在被进行研究并且正在进行的研究被许多研究人员研究,许多实验和理论结果已经公布了。大多数发表的结果依赖于雷达和环境参数,因此本研究将主要侧重于分析海杂波的雷达检测目标使用记录实时的数据处理。检测计划和实时信号处理技术用于雷达数据和被记录处理的数字化数据用于研究。通过分析记录数据,理论分析的有效性可以验证对海杂波模型及雷达性能和理解。
本研究的主要目标是利用海洋的理论基础杂波,分析了雷达视频记录,以下是将要实现的目标。（1）通过分析处理记录生活的数据在海杂波钟检测雷达目标。（2）在海杂波的建模目标探测中讨论它的统计分布。（3）分析雷达在现代雷达性能参数检测的目标系统。（4）在现代雷达系统中的抑制海杂波和持续的信号检测。
大多数在海杂波目标检测的研究中使用专门的雷达系统来调查海面回波特性改进雷达的性能。雷达数据的收集需要专门的数据测量工具,检测方案,测量雷达,校准目标和环境条件。应该注意的是作为一个样本模型很难描述海杂波的特点因为海面回波是依赖于每一个雷达系统性能和许多其他环境参数。然而，本文研究将使用雷达数据处理获得现代雷达操作系统。雷达数据处理已经被数据化并且这是来自雷达信号分布雷达收发机的接口。在本研究的数据收集中数据采集、存储系统和校准技术是一致的。
雷达收发机由信号处理插入模块组成主要用于沿海监视来改善各种海洋目标探测雷达截面。关于信号处理的讨论将是有限的，因为超出综合主题以外的范围,然而特定功能信号处理卡将被突出显示。
雷达参数的变化(脉冲宽度,STC,FTC)和分析它超出了本研究的范围,因为这将导致中断用户的工作需求,需要更多的时间。雷达是精心配置用来允许精确测量的脉冲雷达目标和海面回波脉冲波动返回。在雷达收发机增强了杂乱的小目标信号处理这也是超出了我们的工作范围。被收集的数据是特曼商业X波段25千瓦的航海雷达工作在9410MHz，组成的可编程脉冲宽度、水平极化和高增益开槽波导天线。雷达天线的细节系统描述将提供另一个部分。一些测量的雷达检测实验结果是在2005年1月丹麦的特曼汉斯特霍尔姆港口的雷达系统进行的。雷达站点位于俯瞰大海的港区，数据收集进行了1周。
获得的数据可能没有反映出不同国家的海洋,风能和环境条件的研究，可能只提供足够的实时数据来估计雷达海上小目标和杂波的性能检测特征。此外工作范围将识别信号的估计收到一个目标和背景杂波 (海洋、船只、基础设施) 将会被执行。本研究还将概述雷达性能预测模型在海上的目标检测。
有几种方法分析获得的数据,比如指定振幅统计、频域分析和相关分析。本研究只关注海面回波的振幅统计和目标。在海杂波检测时，所需的最小特征将被用于有效的数据收集,这项研究将在文献综述用来测试被开发的理论模型。海上监视的高分辨率雷达的性能检测和跟踪目标的低雷达截面(RCS),如小木船、浮标和潜艇潜望镜受到来自返回海面强烈目标的严重影响。在本研究论文中,有趣的是了解合适模型的海杂波的特点和从海洋环境与各种杂波及目标中记录雷达数据进行研究分析。
关于目标探测的问题是,用户必须拥有的信心,如果设计目标的雷达检测中存在雷达覆盖体积,雷达将可靠地探测到它。目标的问题检测包括成功地实现这两个需求之间的平衡:雷达接收机必须敏感检测很小的信号,由于高灵敏度的要求，因此噪声和杂波也要被检测。结果是意外的存在目标和假警报。不需要的目标可以被检测处理,但假警报的后果是另一方面噪声等干扰超过雷达检测建立的阀值,并且永远无法消除。在海洋环境中的雷达操作受到多余的海回声的严重限制。多年来,在低分辨率雷达的功能下,这些海杂波回波被视为高斯分布的扰动。目前,现代雷达系统、操作低放牧与高分辨率的角度和功能,统计数据的混乱已被视为偏离常态。比高斯分布干扰是尖细的而且随着误警率的增长，峰值作为目标被雷达监测过程处理。性能高的分辨率较低的雷达目标的检测和跟踪(RCS)雷达的十字架部分可能会受到海洋的强大的统计特性的严重影响,这些已被观察和文献记录，可以发生在放牧的角度非常低。考虑到这个问题,因此海杂波在低放牧的理解角度和高分辨率是一个研究的前提条件。因此,在总结问题是雷达社区非高斯杂波的建模。
尽管这项研究主要包括海杂波在小目标探测的统计特点, 研究结果预计将有益于理论需要理解在我们的地区的海杂波的统计数据和它适合类型的分布模型。总之，预期结果的研究贡献将协助雷达系统工程师理解需要的参数和规范标准来改善海上监视雷达性能并且主要结果如下。(1)更好的理解海面回波的特征。(2)接收功率的概率密度和分布杂物在我们允许的环境条件之下。(3)收集的数据对我们的海军和海洋执法机构来说是重要的。(4)在海杂波对小目标时雷达杂波模型可以用于规范准备。(5) 提高海面回波的检测小目标的性能。
研究方法和实验,由行业和大学进行了广泛使用各种雷达海面回波测量参数。弗雷德(1990),西蒙bull;赫金,散帝(2001)进行了实验测量并且他们开发的理论模型将被用于执行分析记录雷达数据。杰·瑞恩和米·约翰逊(1990)进行详细的讨论,估计雷达性能的主要困难为小目标探测的海面回波通常是有限的。
分析一组被特曼雷达记录系统部门在2005年1月记录实时数据,本文研究的作者提供执行分析并且验证在雷达目标检测和理解海面回波的行为。在马来西亚记录集的数据的可用性分析本质上是研究行业和研究集团的相遇。雷达天线安装在丹麦汉斯特霍尔姆港口,海平面35米以上。非一致的高分辨率雷达被安装子在检测大型船只,轮船和小船的船舶交通管理实验。
港口内的天线位于俯瞰着的停泊区和公海。在实验中,可用风条件和海况被用来录音。天气条件是明确的并且数据被记录在2005年1月24日白天的某个时候。
由返回目标和杂波回波组成的原始视频数据被8位A / D转换器数字化。使用的是40 MHz的采样率。数据记录器被连接到用数字视频输出，视频幅度分辨率的8位的电脑。数据被记录在电脑的硬盘。
在这项研究中对于海面回波特性以下参数是固有的：(1) 雷达掠射角(由雷达高度和雷达范围决定)(2) 雷达频率(3) 海况(4) 雷达极化(5) 接收机增益(6) 采样频率,脉冲重复频率
所使用的雷达设备是来自特曼雷达天线系统。这个雷达主要用于船舶交通系统和沿海监视。这个系统的特点是高分辨率,增益高,低噪声设施。
这个雷达是一个用操作水平极化的X波段雷达,它使用脉冲磁控管,非相干雷达。测试下的雷达只能使用接收信号的包络处理,他们不使用信号相位,可以无粘聚力的从脉冲到脉冲雷达系统。雷达可编程脉冲重复频率和脉冲宽度,对于这个实验我们使用脉冲重复频率3000赫兹和120 ns测量的脉冲宽度。雷达每分钟12转的转速,并且使用3到5扫描检测。在测试确保目标和杂波的收集中使用的是优化脉冲重复频率为3000 MHz和120 ns高的脉冲宽度分辨率的X波段雷达。收发器的数字视频输出被连接到个人电脑视频输入中来记录观测数据的范围、方位和每个天线扫描收集的原始数据。记录的数据将被存储在一个电脑并且是带时间戳的。在雷达测试期间有几个RCS为100 msup2;大型船只和RCS 为15 msup2;小船被发现。通过检测的船只相遇在覆盖面积为25公里的海域，雷达的设置进行了性能优化。雷达可以俯瞰一部分土地面积,当土地面积是模糊的时候,雷达停止传播土地面积。
雷达设置被证实后,雷达天线系统是由辐射高频脉冲磁控管的火车通过。雷达返回观察确认提供在a型显示电脑上显示。a型显示器的显示类似于在船上被发现的雷达PPI显示器。
这里使用的a型显示器主要是雷达研究的视觉观察雷达返回与专业软件运行在并行显示回波功率或振幅返回雷达的回报。这里有许多观察者展示的功能,我们可以控制在感兴趣的范围,在感兴趣的区域进行雷达扫描,从雷达的方向看,在辉光和视频可获得用于验证海面回波的动态特性和真正的持久的收益目标。雷达重播的电压强度提供了视频的振幅分贝在雷达返回各自的范围。直方图雷达返回的平均值和标准偏差可以发现使用的特性。通过观察回报,视频电压返回包含目标和杂波的实时监控并记录到电脑的硬盘。数据集的时间也相应的被刻上了。
为了促进目标和杂波测量,按照下面的实验步骤：(1)接收到的视频目标和杂波的电压返回实时被记录; (2) 每个扫描角的振幅数据要被记录；(3)测量振幅实时返回在15公里范围内; (4)使用参考目标RCS，其他的小目标也被用于测量; (5)记录混乱的走向及周围的参考范围和目标扫描的方向(雷达脉冲传输); (6)记录的原始视频样本数据在一个合适的形式进行分析; (7)直方图来自收集样本的回声返回; (8)获得的数据要适合可用的海杂波分布模型,并做分析; (9)比较获得的数据得到另一个已存在的模型并提供结论。
这些数据收集运行通常持续了600秒,一次扫描16 MB。每三个数据集文件的收集有20扫描的数据进行充分的分析。测量雷达天线的分项上述的表1.1和表1.2。对海杂波测量,有几个影响海面回波特征的描述符。主要描述符,被认为是掠射角(由雷达高度和距离的区域决定),传输几何(由雷达方位和风向决定)和极化。在现有的风速和海况使用条件被使用。
这是进一步被波斯纳证实了 (1998),他进行了海杂波的研究并指出,丰富复杂的海杂波在低放牧行为角度和高距离分辨率是强烈依赖于传输几何和极化和观测的尺度一样。
雷达杂波定义为来自不相关目标的反射波。振幅统计由瑞利杂波的建模,对数正态,威布尔和K分布。
雷达杂波的抑制研究是解决现代雷达技术问题的重要课题。有过发表的文章讨论这个问题,研究将证明为雷达工程师进行价值评估并且对雷达的性能评价有利于我们的海上监视和执法利益。
信号检测理论是由大米、马克在第二次世界大战发现的,但他们的理论是基于信号检测高斯相关噪声,这只有在接收机噪声情况下有效。我们需要的是信号嵌入在混乱的研究;这是在非高斯相关噪声信号检测的情况下。总之目标信号的性质,以斯威林模型为代表, 在过去30年详尽分析了高斯噪声(1957),并且高斯噪声一直是大多数雷达性能的预测计算的基础。
近年来,基于斯威林类型的雷达性能计算模型嵌入到K分布已经成为最现实的,因为它允许解决杂波相关性。最近基于斯威林模型嵌入式雷达性能的计算在K噪声(1981)已经出现了（1982）。
直到1997年，(1970,1971)在讨论非信号检测的高斯正态分布和对数分布。第一次进行威布尔杂波信号检测的是高德斯坦(1973)，艾克(1973)，施里海尔，(1976)和最近的法纳尔(1987)。
以前的工作对理解海杂波的非高斯特性集中在振幅分布和平均功率谱的形状,这两个属性是足以描述一个高斯过程;然而他们提供一个完整的描述非高斯过程。在海杂波的平均功率谱的不明显的相关性属性,可能影响雷达性能和信号处理。
简而言之早期的工作大部分是基于拟合振幅分布的高斯模型,这暗示着瑞利分布的振幅。然而很快就发现随着雷达分辨率操作的增加和较低的放牧角度的高斯模型未能预测观察到发生增加更高的振幅。研究人员开始使用两个参数分布(意思是标准偏差)与适合这些长尾的威布尔,对数正态和K分布。
本部分的目的是总结所需的结果,提供更完整的证据支持该模型的有效性的可能,并且扩展我的工作来确定海杂波的特征和在海上监视雷达的小目标检测。(1990) 从海洋表面可以发现雷达散射的统计建模,并得出振幅和相关性高的属性可以准确地由复合K分布表示的海面回波。这个模型最直接适用于真正的非相干雷达杂波,但也扩展到适用于相干杂波。西蒙支持在复合K分布的海杂波。(2002)在他们的案例研究名为“揭示非线性动力学:海面回波的案例研究”。 最近许多研究人员使用雷达距离分辨率进行了研究并且调查海杂波的特点,他们的分析被我所考虑。
安纳普(1999)和法里纳 (1997)研究高执行决议海杂波统计并得出结论,不同的概率分布需要最适合的不同的雷达数据(极化,放牧角)。研究人员将研究数字化的海面回波原始视频并考虑海面类型,分辨单元的大小和掠射角的天线波束。考
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