為驗證PCBED法在工程應用中的有效性, 通過實船試驗, 選取多個不同試驗場景, 並採用PCBED法(方法1)和常用的基於DBSCAN聚類的點跡凝聚方法(方法2)分別對各試驗場景獲取的目標點跡數據進行二次處理, 對比分析文中方法應用於障礙目標檢測的有效性和準確性。
2.1 試驗準備及過程
該試驗在1~2級海況下進行, 地點為青島膠州灣海域, 共有4處試驗場景。3種被測目標分別為: 小型皮划艇、小型漁船和大型輪船。試驗中, 為使雷達保持穩定, 保證試驗數據的可靠性, 試驗船以低速行駛靠近被測目標, 獲取檢測數據。經調研, 試驗選用德國 Continental公司的ARS408-21型77 GHz長距離毫米波雷達。該雷達採用快斜率調頻連續波體制, 檢測範圍可達200 m(20º~120º), 測距精度為0.1~0.4 m, 檢測周期為70 ms。將毫米波雷達安裝於船艏位置, 距海平面高度約1.5 m, 通過計算機控制毫米波雷達開啟, 獲取各試驗場景中本船前方障礙目標點跡信息並進行實時處理。
試驗前對方法中涉及的各個閾值參數進行設定: 根據雷達性能說明書設置Rmin0=0, Rmax0=200, Amin0=-60, Amax0=60, Vmin0=-40, Vmax0=25, N0=3, 其中速度值的正負分別代表目標遠離和靠近; 考慮無人艇避碰安全距離等因素設置W0=3。RCS0設置過小會導致濾除效果較差, 過大容易造成漏檢, 因此對其進行合理設定最為關鍵。在車載雷達中RCS0參考值為0, 即RCS值正負分別代表點跡有效和無效。但海上障礙目標類型、材質等更加多樣複雜, 採用該值相對過大, 易濾除有效點跡, 造成漏檢。因此從各類目標中分別隨機選取若干不同目標的300個點跡, 統計其RCS值分布情況, 如表1所示。
表1 海面障礙目標RCS值分布表
顯然, 各類目標點跡的RCS值基本大於–10 dBsm, 因此設置RCS0=–10 dBsm。
2.2 試驗結果
在4個試驗場景的檢測結果中均存在以下問題: 儘管試驗船低速行駛, 行駛過程中仍不可避免地產生俯仰運動, 導致毫米波雷達會檢測到海面並將其誤識別為目標, 從而檢測結果存在無效目標點跡, 同時, 受雷達解析度等因素影響, 有效目標會被分裂為多個目標點跡。以2種點跡凝聚方法分別對4處試驗場景獲取的目標點跡數據進行凝聚處理, 具體結果如下。
1) 試驗一: 被測目標為前方70 m外一艘小型皮划艇, 試驗船與其相對徑向速度約為–2 m/s, 試驗場景及雷達原始目標點跡如圖2所示。
圖2 試驗一場景及雷達原始目標點跡圖
通過圖2可以看出, 被測目標在原始目標點跡圖中表現為6個點跡, 圖中存在3個無效目標點跡, 分別採用2種點跡凝聚方法對本幀數據進行處理, 效果如圖3所示。通過2種點跡凝聚方法所得目標信息如表2所示。
圖3 試驗一數據處理效果圖
表2 試驗一計算所得目標信息
通過對比試驗結果可知, 2種方法均對目標信息進行較為準確的計算, 而方法1可獲取目標最近距離、最高速度以及目標寬度等信息, 能夠在無人艇進行自主避碰時進一步提高安全性。
2) 試驗二: 被測目標為前方15 m以外一艘小型漁船, 本船與其相對徑向速度約為–1 m/s試驗場景及雷達原始目標點跡如圖4所示。
圖4 試驗二場景及雷達原始目標點跡圖
圖5 試驗二數據處理效果圖
通過圖4可以看出, 原始目標點跡圖中除目標船返回的4個點跡外, 還存在大量無效目標點跡, 分別採用2種點跡凝聚方法對本幀數據進行處理, 效果如圖5所示。通過2種點跡凝聚方法所得目標信息如表3所示。通過對比試驗結果可知, 方法2所得的目標1實際為虛假目標, 而針對虛警問題, 方法1通過數據預處理及聚類後刪除離散點跡雙重處理, 有效濾出了虛假目標。
3) 試驗三: 被測目標為前方80 m以外一艘大型輪船, 試驗船與其相對徑向速度約為–2 m/s試驗場景及雷達原始目標點跡如圖6所示。
表3 試驗二計算所得目標信息
通過圖6可以看出, 被測大型輪船返回了大量點跡, 分別採用2種點跡凝聚方法對本幀數據進行處理, 效果如圖7所示。通過2種點跡凝聚方法所得目標信息如表4所示。
圖6 試驗三場景及雷達原始目標點跡圖
圖7 試驗三數據處理效果圖
表4 試驗三計算所得目標信息
通過試驗結果可知, 相對方法1而言, 儘管方法2計算得出了目標的質心距離、角度和速度等信息, 但在無人艇進行自主避碰及路徑規劃時該結果顯然不能代表目標實際情況, 甚至嚴重威脅本船安全。
4) 試驗四: 實驗船緩慢行駛與試驗三被測大型輪船不斷靠近至30 m左右, 實際速度約–3 m/s, 點跡的徑向速度檢測值為–2.75~0 m/s, 試驗場景及雷達原始目標點跡如圖8所示。
圖8 試驗四場景及雷達原始目標點跡圖
分別採用2種點跡凝聚方法對本幀數據進行處理, 效果如圖9所示。
圖9 試驗四數據處理效果圖
通過2種點跡凝聚方法所得目標信息如表5所示。
表5 試驗四計算所得目標信息
當試驗船與大型目標靠近時會導致屬於同一目標的點跡速度值不同, 影響聚類效果。通過試驗結果可知, 在計算歐氏距離時為速度設置與距離相關的衰減係數, 有效解決了上述問題。
2.3 試驗結果分析
通過對比不同場景下2種方法效果可得: PCBED法有效濾除了大量虛假目標點跡, 降低虛警; 基於歐氏距離實現點跡聚類, 解決了不同大小目標的點跡分裂問題; 計算獲得了目標的最近距離、角度、速度和橫向、縱向截面寬度, 並以矩形危險區域表示障礙目標的所屬範圍, 所得信息較為全面, 有效提高了檢測結果的準確性, 保證了無人艇的安全。