基于AIS船的高频雷达性能分析

安娜Dzvonkovskaya，赫尔曼Rohling

电信研究院

汉堡理工大学

汉堡，德国

摘要

高频（HF）雷达工作在3-30 MHz频带。对于海洋学应用，已经开发了低发射功率的HF雷达系统，其使用沿着咸海表面的表面电磁波传播。WERA HF雷达系统发射功率为30瓦，但实现的检测范围可达200公里，这远远超出了传统的微波雷达覆盖范围。因此，雷达系统可用于沿海监测。由于外部噪声，射频干扰和海杂波，雷达检测能力受到限制，记录来自WERA系统的实测雷达数据，持续12小时。测量雷达数据与同时使用自动识别系统（AIS）的信息，这表明当前船舶的位置，航速，航向和类型相关。本文提出了最大可探测范围和目标反射率的统计分析，以估计在不同货船尺寸情况下的雷达性能。基于命令统计常数误报率（OS-CFAR）检测规则，分析了不同船舶类别的潜在可检测目标范围和方位角。

I.引言

基于由于导电性沿着咸海表面传播的电磁波的高频（HF）雷达提供了检测远远超过常规微波雷达覆盖的目标的独特能力。HF雷达使用3-30 MHz的频带提供可覆盖范围超过200公里的大覆盖范围。这些最大量程值对于诸如船舶检测和跟踪，搜索和救援，污染物的运输和分配，渔业和海洋研究等许多应用是高度关注的。这些雷达系统最近成为全球海岸监测的操作工具。

HF雷达系统WERA（WEllen RAdar）于1996年在德国汉堡大学开发，允许广泛的工作频率，空间分辨率和天线配置，以便作为低功率海洋雷达提供同时广域测量 的海洋表面电流，波浪和风参数[1]。该雷达系统是用于表面电流场的天气在线映射和同时的波导方向谱的空间分布的工具。 WERA基于模块化设计，可以轻松应用于实际应用的要求。大多数信号处理步骤在软件中实现，因此系统可以以简单的方式适应不同的需要，例如，同时海洋测量，船舶跟踪，海啸监测。

在更广泛的海洋环境中，对船舶跟踪的要求越来越高。本文提出了一种估算WERA系统船舶探测和跟踪性能的方法。自动识别系统（AIS）信息被考虑用于存在于雷达覆盖范围内的不同尺寸的船舶。

II . AIS信息和船舶类别

AIS是一种短程沿海跟踪系统，用于船舶和船舶交通服务（VTS），用于通过与其他附近船舶和VTS站电子交换数据来识别和定位船舶。在AIS无线电范围之外的船只可以用较不频繁传输的远程识别和跟踪系统跟踪。

国际海事组织（海事组织）“国际海上人命安全公约”（SOLAS）要求在总吨数为300吨或以上的国际航行船舶（不论是否携带危险物品）和所有客船上 的尺寸[2]。例外情况是军舰，渔船，传统船只和长度不到45米的娱乐工具，5000吨以下的地堡。

据估计，目前有4万多艘船舶装载AIS设备。AIS收发器每2-10秒周期性地发送数据，这取决于船舶在航行时的速度，船只在锚泊时每3分钟发送一次。本文中使用的AIS数据包括：

·生成此数据时的UTC时间的时间戳；

·通过GPS获得的地理坐标（即经度和纬度）中的船舶位置；

·相对于真北的地面路线；

·从VTS站到船舶的距离；

·真实航向，即船只指向的方向，例如。从陀螺罗经获得；

·地面速度，以节为单位；

·水上移动业务标识（MMSI），它是一系列九位数字，以便唯一地标识船舶和海岸电台。

广播模式允许系统在船到船模式中为彼此靠近10海里的船舶提供近100％的吞吐量。系统覆盖范围与其他VHF应用程序类似。在海上预期的典型值是标称20海里（37公里）。在中继站的帮助下，船舶和VTS站的覆盖范围可以大大改善。

为了注册，远洋船舶必须被认证为特定类型和尺寸，并保持在某一最低标准。 远洋船舶按其携带的货物类型分类，其大小以载重吨位（DWT）表示。DWT是船舶承载或可以安全携带的重量的度量。它是货物，燃料，淡水，压载水，规定，乘客和船员的重量的总和。在一些情况下，船舶按其长度和宽度分类。由于每个船级社具有略微不同的标准，因此每种船只类型的尺寸范围可以变化。主要船舶一般分类为油船，散货船，一般货船，集装箱船，杂货船，渡轮和客船等。

货船部分地由其能力分类，部分由其重量分类，部分由其尺寸分类，其通常被称为它们可以通过的各种运河和运河闸门。

使用在HF雷达覆盖范围内的任何船舶的AIS信息的给定MMSI代码。并非所有船舶都通过AIS数据报告，但它们被雷达检测到，因此HF雷达可以提供额外的船舶交通监测。

使用数字船舶交通在线图书馆[3]确定了这些船舶的大小（长度和宽度）和类型。 在我们的研究中，所有由HF雷达观测并由AIS报告的船舶按大小分为5大类（也见图1）：

·非常小的尺寸与拖船，牵引，乘客，渔船和货物的DWT小于5000；

·选择小尺寸装载5000-10000载重吨的货物；

·中型尺寸对应于承载10000-50000 DWT的货物，即所谓的方便尺寸和手持尺寸的容器；

·大型货物被选择用于携带60000-150000载重吨的货物/罐车，包括所谓的Aframax，Panamax，Capesize等船舶；

·非常（超）大尺寸对应于装载150,000-550,000DWT的货物/油轮。

不幸的是，非常大尺寸的船只在观测期间不在雷达覆盖范围内，因此最后一类不进一步考虑。

III. 使用WERA数据的船舶检测和跟踪

在船舶探测和跟踪活动期间，WERA系统连续运行了几个月。本文中使用的数据已经在12小时期间内获取并记录，当AIS记录船舶位置时。

WERA系统发射30W的低功率，但可以实现检测范围，这远远超过常规微波雷达覆盖。它使用调频连续波（FMCW）模式进行距离分辨率，因此发射器和接收器同时工作。这种模式允许避免在雷达前面的盲区，简化雷达的距离分辨率修改，减少无线电干扰的影响。WERA覆盖的方位角为垂直于线性接收天线阵列的plusmn;60°，线性接收天线阵列由沿海岸的16个天线元件组成.总雷达覆盖面积约75000平方公里。

沿着海面行进的电磁波的衰减取决于雷达频率和水的电导率（盐度）。雷达频率是考虑到通信服务对无线电频谱的使用而选择的。为了找到最佳的雷达工作频率和带宽，每小时定期进行频率扫描。在8MHz频带中的典型带宽被选择为100kHz，这导致1.5km的距离分辨率。在雷达运行期间，在通过下一次频率扫描重新调整雷达的频率和带宽之前可能发生了新的射频干扰（RFI）。在这种情况下，使用特殊的算法来从RangeDoppler频率图中推导和减去RFI的结构[4]。

图1.所选船舶类别的船舶长度和宽度。

所提出的用于船舶检测和跟踪的方案已经使用由WERA HF雷达系统测量的数据进行测试。这些方案在[5]中详细讨论。每个范围门的单个快照的相干积分时间设置为133 s。检测方案每33 s向跟踪算法提供图。跟踪过程的结果如图1所示。检测和可以观察真实移动船只的轨迹。图中的彩色子弹显示了在跟踪器输出处观察到的船位置，其中颜色表示由HF雷达测量的船的径向速度。项目符号的大小指的是跟踪分配计数器。大子弹显示恒定的不间断轨道，小子弹指示在最近的一些跟踪步骤中不能确认预测的位置。每艘船后面的蓝色尾巴显示船舶最后30分钟运行的记录轨迹。黑色十字线对应于指示在观测的雷达覆盖中的真实船运动的AIS数据。当船速的径向分量接近布拉格共振海浪的速度时，十字架标记为红色，表示船舶的回波可能隐藏在海杂波下。

在许多情况下，雷达在AIS报告的位置附近检测到目标。将由雷达获得的检测和跟踪结果与由AIS报告的船舶位置进行比较。在12小时数据集内，统计分析显示所有检测到的船位置的77％偏离AIS位置不到1公里[5]。

图2.在WERA数据的信号处理之后的检测和跟踪结果。

然而，由AIS给出的几个船舶位置，这些位置没有被雷达检测到。其原因是：

1）船舶在布拉格频率范围内航行，回波不够强。

2）两个或更多船舶在同一分辨率单元格范围和方位角内以相同的径向分量航行。 在这种情况下，检测到最强的回波。

3）船舶的回波强度低于检测阈值。

对于上述情况，位于大约100公里外的第二雷达将能够由于不同的径向速度而检测船。其他解决方案可以是定期改变雷达的工作频带。

图2显示了检测和跟踪结果。在这种情况下，可以在160km范围内观察由WERA跟踪并由AIS报告的船舶，在190km范围内观察到没有AIS确认的船舶。

这是初步结果。为了描述WERA的检测和跟踪性能，需要更多的比较，包括不同的海况和无线电干扰条件。 还没有考虑到船舶的尺寸。

IV. 高频雷达性能分析

AIS船舶信息对于了解低功率HF雷达对船舶探测和跟踪的限制非常有用。 在21小时期间131艘船舶不同的大小被雷达覆盖。关于船位置，速度，航向和类型（记录为MMSI代码）的AIS信息叠加在测量的雷达测距 --多普勒频谱上，如图3所示。

图3. WERA现场和由雷达检测到并由AIS报告的不同船舶类型的测量的HF雷达频谱。

HF雷达系统的主要贡献是由于海面回波信号。由于海浪是移动目标，它们引起多普勒频移。巴里克[6]开发了一阶HF散射理论，并引入海面作为基于布拉格散射作为负责电磁的物理机制的时变量分散。 HF雷达反向散射的主要贡献是通过具有一半雷达波长并朝向和远离雷达站点的海洋的散射产生的。在范围-多普勒频率图中永久地观察布拉格线。对接收的单基本雷达光谱的影响是产生两个

强峰在频率为plusmn;，其中g是重力加速度，k是无线电波数。除了强烈的一阶布拉格峰，多普勒频谱来自海洋的电磁反向散射包含在一级布拉格峰之外和之间的连续体。二阶散射由交叉海浪之间的相互作用引起，这导致布拉格线周围的边带，也称为二阶连续体[7]。因此，海洋表面可以表征为分布的，非定向的散射源。

在这些频谱中永久地观察到海杂波，因为入射电磁波从海浪反向散射，其朝向和远离雷达站移动并且具有等于雷达波长的一半的波长。该一阶谐振散射效应导致称为布拉格线的多普勒频谱中的两个主峰，如图中所示。

使用给定的MMSI码110，根据[3]识别不同类型的船舶。然而，有21艘船没有按其类型识别，但仍然记录了位置，速度，航向等。在图3里面，这些船舶标有“货物”。由于这些船只的大小不能被核实，它们被排除进行进一步的数据分析。

可以看出，并非所有由雷达观测的船舶都由AIS报告，因此HF雷达提供了额外的船舶交通信息和监测。

使用测量的光谱，导出配备有AIS的船舶的信噪比（SNR），以研究雷达的可检测性能。因为这个实验只有一个雷达站点，只有径向速度分量可用。使用关于船舶航向和航向的附加信息，AIS速度被重新计算为由雷达观测的径向分量。

HF频带下部的自然干扰电平高于热噪声电平，取决于白天和季节。低于10 MHz的背景噪声水平包括在时间和空间中的大气噪声，银河噪声和人为干扰的永久变化。HF雷达系统的性能可能受到背景噪声的限制。在我们这种情况下，估计背景噪声水平可以理解限制（见图4）。时间分为每四小时三个时期。每个绘制的点对应于基于在积分时间的133秒内测量的距离--多普勒频谱的噪声估计。对雷达接收天线的方位角进行一度步长的估计。相对噪声功率的标度对应于图2的功率标度。它可以看到在夜间期间背景噪声水平明显高于早晨和白天。对于这种特定的检测和跟踪情况，覆盖区域的最右部分的噪声水平在所有测量周期期间掩蔽部分可检测的目标。

针对包含船舶回波的每个雷达频谱估计SNR。根据秩序统计常数误报率（OS-CFAR）检测技术[8]，船舶具有大于11dB的SNR的回波被选择为WERA系统的潜在可检测目标的表示，其具有50％的最小检测概率。相对于上述船尺寸，将结果分成4组。方位角（由雷达观察的船舶）被选择为在向船头（前方）的观察方向上为0度，在观察方向上分别为左右和左侧的观察方向为90度和-90度，在 看向船尾（背）的方向。 使用关于船舶航向的真实航向的AIS信息计算方位角。 映射距离--方位角图以估计WERA系统的检测能力。

图5示出了由AIS报告的15个非常小（品红色），26个小（绿色），35个中等（蓝色）和34个大（红色）货船的范围 --灰色多边形表示船的顶视图，以了解由于方位角引起的位置。 绘制的点是具有SNR的船舶回波，允许检测; 因此它们被计为可检测的。主要是这些货船遵循交通规则规定的方向。这些方向几乎平行于雷达的线性接收天线阵列安装。这就是为什么在船运动期间没有观察到船尾的方位角的原因。在船舶运动期间只发生了一次船舷观察。

图4.三个不同时间段的雷达接收天线的估计背景噪声功率与方位角的关系。

图5.可检测货物尺寸与AIS报告的船舶的航程和方位角。

a)

b)

图6.可检测的小货物与范围（a）和方位角（b）的PDF。

根据船舶范围和方位角收

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