利用特高頻雷達波束成形技術定位船舶軌跡

以作者查詢圖書館館藏

、以作者查詢臺灣博碩士

、以作者查詢全國書目

、勘誤回報

、線上人數：11

、訪客IP：3.144.43.208

姓名

孫忠佑(Zhong-You Sun) 查詢紙本館藏

畢業系所

太空科學研究所

論文名稱

利用特高頻雷達波束成形技術定位船舶軌跡
(Positioning Ship Trajectory Using a VHF Radar with Multireceiver Beamforming Technique)

相關論文

★ 利用中壢特高頻雷達研究對流降水系統雨滴粒徑與速度之關係	★ 利用中壢特高頻雷達對流星現象進行觀測與應用
★ 台灣北部地區大氣折射率之分析與應用	★ 中華衛星一號Ka波段標識訊號大氣衰減之量測研究
★ 利用華衛一號通訊實驗酬載Ka波段標識訊號對閃爍效應之研究	★ 利用中立VHF雷達對大氣及降水回波特性之研究
★ 台灣地區Ka波段大氣傳播通道之研究	★ 低軌道Ka波段人造衛星標識訊號特性之研究
★ 電離層散塊E層型態二不規則體之研究	★ 中華衛星一號Ka波段傳播實驗診斷分析
★ 中華衛星一號低軌道衛星 Ka 波段雨衰減實驗與模型建立	★ 特高頻雷達對空中降水粒子大小與回波功率關係之研究
★ 低軌道衛星Ka波段閃爍現象之研究	★ Ka波段雨衰減之分析與研究
★ 電離層E層場列不規則體移行速度之估算研究	★ 臺灣地區蒸發導管之特性研究

檔案

[Endnote RIS 格式]

[Bibtex 格式]

[相關文章]

[文章引用]

[完整記錄]

[館藏目錄]

[檢視]

[下載]

本電子論文使用權限為同意立即開放。
已達開放權限電子全文僅授權使用者為學術研究之目的，進行個人非營利性質之檢索、閱讀、列印。
請遵守中華民國著作權法之相關規定，切勿任意重製、散佈、改作、轉貼、播送，以免觸法。

摘要(中)

本研究分別在新屋地區以及枋寮地區架設52 MHz特高頻雷達，進行海洋環境之監測，並利用波束成形技術進行海面船舶方向與距離定位。定位之結果與交通部運輸研究所港研中心歷年之發展船舶自動識別系統(Automatic Identification System, AIS)建置計畫研發成果的台灣海域船舶動態資訊系統進行驗證，以完備本研究發展之波束成形演算法。
回波訊號處理利用快速傅立葉轉換取得海面回波頻譜，以非同相積分來抑制訊號擾動，以及利用動差法、均方根差(root-mean-square error, RMSE) 與高斯函數定位出海浪一階回波峰值的功率大小與頻率涵蓋位置來抑制海浪雜波訊號，接著進行船舶的到達方向估測分析。
比較傳統與Capon兩種波束成形技術，結果顯示Capon波束成形所估測出的功率分部較集中，且較不會因目標物彼此太過於接近而產生混合疊加的情形，Capon對於到達方向估測效果是較傳統波束成形要好的。
對於海面回波頻譜船舶訊號的篩選上，顯示飛機、船舶與海浪回波，原始資料上不同之擾動情形與波束成形結果之特徵的不同，並且把10分鐘為一筆的資料分割成66秒一筆，以利於分析實際船舶的航行軌跡，接著再與船舶動態資訊系統做比較，結果顯示以雷達發射天線為基準之距離與以波束主軸為基準之角度大致符合，均方根角度誤差為3.5747°，均方根距離誤差為0.3823公里。

摘要(英)

This study set up 52 MHz VHF radar in the Xinwu and Fangliao areas to monitor the marine environment, and use beamforming technology to locate the ship′s direction and distance. The results of the positioning to verify and the development of the Taiwan Maritime Ship Dynamic Information System, which
was developed by the Harbor and Marine Technology Center of the Ministry of Transport, and the development of the Automatic Identification System (AIS), to development the algorithm of beamforming.
The Fast Fourier Transform (FFT) algorithm was utilized to derive the Doppler spectrum of the sea echoes. The incoherent integration was used to reduce the fluctuations of the random echo signals. Based on the method of moment and Root-Mean-Square-Error (RMSE) to determine the spectral peak location of the first-order sea echoes for reduce sea clutters echo powers to let the direction of arrival results better.
Comparing the two beamforming techniques, traditional beamforming and Capon beamforming, respectively, the results show that the most power position estimated by Capon beamforming is more concentrated and less likely that blurred occurs in some situation that targets are too close to each other. Capon beamforming estimates the arrival direction better than traditional beamforming.
And then show the difference features about beamforming result, sea spectrum and raw data to select ship echo, next use 66 seconds as a data to analysis beamforming techniques, and comparison the positioning results with Taiwan Ship Dynamic Information System that is Automatic Identification System (AIS) for the development of the achievements of the Harbor and Marine Technology Center of the Ministry of Transport, the positioning results are consistent, angle root mean square error is 3.5747°, range root mean square error is 0.3823 km.

關鍵字(中)

★ 特高頻雷達
★ Capon波束成形演算法
★ 海面回波特徵
★ 船舶定位
★ 線性天線陣列

關鍵字(英)

★ VHF Radar
★ Capon beamforming algorithm
★ Sea echo
★ Ship positioning
★ Linear antenna array

論文目次

摘要-I
Abstract-II
致謝-III
目錄-V
圖目錄-VIII
表目錄-XIV
第一章前言-1
1.1研究動機-1
1.2測海雷達研究歷史-2
第二章基礎理論-4
2.1海浪成因-4
2.2海面雜波-6
2.3波束成形技術-9
2.3.1 天線陣列-9
2.3.2 到達角度估測(DOA direction-of-arrival)-11
2.3.3 線性陣列-13
2.3.4 共變異數矩陣-16
2.3.5 傳統波束成形與Capon波束成形-18
2.4特高頻(VHF)雷達介紹-20
2.5船舶自動識別系統(AIS)-27
第三章雷達資料處理-28
3.1回波訊號處理-28
3.2抑制海面雜波訊號-30
第四章模擬與觀測結果-35
4.1海面回波頻譜分析-35
4.2利用波束成形分析海面回波頻譜-40
4.2.1模擬訊號波束成形定位結果-40
4.2.2海面回波波束成形定位結果-49
4.3 Capon波束成形船舶定位與AIS船舶定位系統比較結果-52
第五章觀測結果分析與討論-69
5.1船舶回波頻譜選擇-69
5.2波束成形定位結果篩選-79
第六章結論與未來展望-91
6.1結論-91
6.2未來展望-92
參考文獻-93
附錄-97

參考文獻

(1)Barrick, D. E.,The interaction of hf/vhf radio waves with the sea surface and its implications, AGARD Conference Proceedings, Sprinfield, 1970
(2)Barrick, D. E., First-order theory and analysis of MF/HF/VHF scatter from the sea, IEEE Trans.Anten.Propagat., vol. 20, no. 01, pp. 2-10, 1972
(3)Barrick, D. E., Extraction of wave parameters from measured HF radar sea‐echo Doppler spectra, Radio Science 12.3,1977
(4)Broche, P. Forget, P., Maistre, J. C. d., Devenon, J. L.,and Crochet, M., VHF radar for ocean surface current and sea state remote sensing, Radio Science, vol. 22, no. 01, pp. 69-75, 1987
(5)Crombie, D.D., Doppler spectrum of sea echo at 13.56 Mc/s, Nature, Vol. 175, pp.681-682., 1955
(6)Chen, Z., Gokeda, G.,and Yu, Y., Introduction to Direction of Arrival Estimation, Artech House,Boston, 2010
(7)Chen, J. S., Chu, Y. H., Su, C. L., Lai, J. W., Lin, K. I., Wang, C. Y., Chen, M. Y., Chien, H., Sea Surface Observations Using a VHF Radar With Multireceiver Beamforming Technique, OCEANS 2017-Aberdeen, IEEE, Aberdeen, 2017
(8)Dean, R. G.,and Dalrymple, R. A., Water Wave Mechanics for Engineers and Scientists, Advanced Series on Ocean Engineering, World Scientific, Singapore, 1991
(9)Hilmer, T., RADAR SENSING OF OCEAN WAVE HEIGHTS, Honolulu, University of Hawaii at Manoa, 2010
(10)Kline, M., Theory of Electromagnetic Waves, chapter Reflection of electromagnetic waves from slightly rough surfaces, pages 351–378. Interscience and Dover, New York, 1951
(11)Ponsford, T., & Wang, J. (2010). A Review of High Frequency Surface Wave Radar for Detection and Tracking of Ships. Turkish Journal of Electrical Engineering & Computer Sciences, 18(3), pp. 409-428.
(12)Shay, L. K., Cook, T. M., Haus, B. K., Martinez, J., Peters, H., Mariano, A. J., ... Luther, M., VHF radar detects oceanic submesoscale vortex along Florida coast, Trans am geophys union, 2000
(13)Shay, L. K. et al., Very high-frequency radar mapping of surface currents, in IEEE Journal of Oceanic Engineering, vol.27, no.2, pp.155-169, Apr 2002
(14)Wetzel, L. B., Sea clutter, In: Chapter 13 of Radar handbook, Skolnik, M.I. ed., 2nd ed., McGraw-Hill, New York, 40 pp.1990
(15)尹彰、周宗仁、翁文凱，有關海面雜波問題的探討，國立成功大學，第 29 屆海洋工程研討會論文集，2007
(16)林廷翰，利用中壢特高頻雷達研究中緯度電離層散塊Ｅ層公尺級不規則體之動力行為，國立中央大學，碩士論文，2008
(17)周庭光、蔡原祥、苗君易、楊雅兆、李中宏、馮宗緯，彰濱漢寶潮澗帶光達風場量測，台灣風能學術研討會暨 NEP-II 離岸風力及海洋能源主軸中心成果發表會，2015
(18)范光龍，台灣附近的海域，科學月刊0221期，科學月刊雜誌社，1988 5月
(19)莊士賢、陳禹儒、鍾育仁，高頻雷達測流系統應用於海面船舶偵測與追蹤─調適性偵測技術研發，國立中興大學，第37屆海洋工程研討會論文集，2015
(20)莊士賢、陳禹儒、鍾育仁、吳立中，高頻雷達測流系統應用於海面船舶偵測與追蹤─雙測站估算船舶位置與船速向量，國立臺灣大學，第38屆海洋工程研討會暨科技部計畫成果發表會論文集，2016
(21)莊士賢、陳禹儒、鍾育仁，岸基高頻雷達測流系統估測船舶回波強度，弘光科技大學，第39 屆海洋工程研討會論文集，2017
(22)傅兆平，國立中央大學特高頻測海雷達回波分析與比對，國立中央大學，碩士論文，2017
(23)楊文昌、梁恩昱、王雅真、陳少華、胡建驊、李俊賢，利用高頻雷達監測台灣四周海域表層海流，國立臺灣海洋大學，第 32 屆海洋工程研討會論文集，2010
(24)韓劍，同相散射雷達觀測雲對地閃電與地面電場關聯性之研究，國立中央大學，碩士論文，2015
(25)Magnetic Field Calculators https://www.ngdc.noaa.gov/geomag-web/#declination

指導教授

朱延祥(Yen-Hsyang Chu)

審核日期

2019-1-22

推文