李建華，李田科，于仕財，康 健

（1．海軍航空工程學(xué)院 a．科研部；b．電子信息工程系，山東 煙臺 264001； 2．91980 部隊(duì)，山東 煙臺 264001）

雷達(dá)測距產(chǎn)生誤差的原因分為系統(tǒng)誤差和隨機(jī)誤差。系統(tǒng)誤差是由設(shè)備本身對信號的延遲產(chǎn)生的。隨機(jī)誤差是由偶然因素引起的誤差，包括設(shè)備誤差和外界誤差。設(shè)備誤差是指由設(shè)備的不穩(wěn)定引起的誤差；外界誤差是指設(shè)備以外的因素引起的誤差，包括電波傳播速度、大氣對電波的折射、目標(biāo)的起伏和測讀方法等原因[1]。系統(tǒng)誤差可以相對地補(bǔ)償，而隨機(jī)誤差是不可補(bǔ)償?shù)摹ｋS機(jī)誤差成為衡量雷達(dá)測距精度的主要指標(biāo)。

文獻(xiàn)[2-5]中分別利用級差估計法、正態(tài)母體方差區(qū)間估計法、檢驗(yàn)正態(tài)母體方差法、均方差法等數(shù)理統(tǒng)計方法對數(shù)據(jù)進(jìn)行了估計、檢驗(yàn)和分析。本試驗(yàn)中為克服不同人員測讀所帶來的數(shù)據(jù)誤差，采用單人多次測量的方法，在目標(biāo)的起伏和測讀方法2 個方面針對相關(guān)目標(biāo)進(jìn)行距離探測試驗(yàn)，取得雷達(dá)探測距離的實(shí)驗(yàn)參數(shù)作為樣本觀測值，以均方差法分析出提高雷達(dá)測距精度的實(shí)用方法。

1 試驗(yàn)條件與過程

1.1 試驗(yàn)設(shè)備簡介

參加試驗(yàn)的設(shè)備有：JRC 公司的JMA-5312 型船用導(dǎo)航雷達(dá)、天津通信廣播集團(tuán)有限公司的MS1408 型AIS 海事自動識別系統(tǒng)。

JMA5312 型雷達(dá)的組成包括單級振蕩式發(fā)射機(jī)、超外差式接收機(jī)、線性中放和對數(shù)中放、彩色光柵掃描顯示器。雷達(dá)相關(guān)的基本指標(biāo)見表1[6]：

MS1408 型AIS 海事自動識別系統(tǒng)自帶電子海圖并擁有GPS 定位功能。試驗(yàn)場地設(shè)在山東煙臺港附近。

1.2 試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)的初選

根據(jù)試驗(yàn)?zāi)康暮驮囼?yàn)場內(nèi)的目標(biāo)特點(diǎn)，分別選用的試驗(yàn)?zāi)繕?biāo)類型有陡峭型山體和緩坡型山體類的大目標(biāo)、燈浮和輪船類的孤立的小目標(biāo)、防波堤類的長條型目標(biāo)，以增強(qiáng)試驗(yàn)結(jié)果的對比性[7]。

1.3 試驗(yàn)方法與過程

在煙臺港近海岸邊架設(shè)雷達(dá)站，利用港周圍豐富的大小船只、港口、島嶼、助航設(shè)備等目標(biāo)進(jìn)行雷達(dá)測距試驗(yàn)。試驗(yàn)中注意各種強(qiáng)干擾下距離數(shù)據(jù)的有效性取舍[8-9]。

陡峭型山體目標(biāo)選定為崆峒島，緩坡型山體目標(biāo)選用擔(dān)子島，孤立小目標(biāo)選用煙臺港1 號燈浮，長條型目標(biāo)只能用防波堤了。

試驗(yàn)方法為操作員進(jìn)行8 次獨(dú)立測試，每次測試時測讀2 次，以平均值作為測量結(jié)果，以使測量結(jié)果具有普遍性，符合統(tǒng)計規(guī)律。

2 測試結(jié)果

2.1 崆峒島的距離測量

對崆峒島測量時，選定其測量點(diǎn)為東南方向的燈塔。根據(jù)AIS 測量顯示以及通過地理坐標(biāo)換算驗(yàn)證的崆峒島燈塔的距離為4.918 n mile。8 次測量的平均值及其與真實(shí)值的偏差如圖1 所示。

圖1 崆峒島燈塔測距結(jié)果分布圖

分析圖1測得數(shù)據(jù)并計算其均方差如表2所示。

表2 崆峒島燈塔測距結(jié)果分析

2.2 擔(dān)子島的距離測量

對擔(dān)子島測量時，選定其測量點(diǎn)為島的最高峰。根據(jù)AIS 測量顯示以及通過地理坐標(biāo)換算驗(yàn)證的擔(dān)子島的距離為3.462 n mile。8 次測量的平均值及其與真實(shí)值的偏差如圖2 所示。

圖2 擔(dān)子島測距結(jié)果分布圖

分析圖2測得數(shù)據(jù)并計算其均方差如表3所示。

表3 擔(dān)子島測距結(jié)果分析

2.3 煙臺港1 號燈浮的距離測量

對1 號燈浮測量時，由于其體積較小，不指定測量點(diǎn)。根據(jù)AIS 測量顯示以及通過地理坐標(biāo)換算驗(yàn)證的1 號燈浮的距離為1.427 n mile。8 次測量的平均值及其與真實(shí)值的偏差如圖3 所示。

圖3 煙臺港1 號燈浮測距結(jié)果分布圖

分析圖3測得數(shù)據(jù)并計算其均方差如表4所示。

表4 煙臺港1 號燈浮測距結(jié)果分析

2.4 防波堤的距離測量

對防波堤測量時，由于其形狀狹長，指定其東南端為測量點(diǎn)。根據(jù)AIS 測量顯示以及通過地理坐標(biāo)換算驗(yàn)證的防波堤東南端的距離為1.424 n mile。8 次測量的平均值及其與真實(shí)值的偏差如圖4 所示。

圖4 防波堤東南端測距結(jié)果分布圖

分析圖4測得數(shù)據(jù)并計算其均方差如表5所示。

表5 防波堤東南端測距結(jié)果分析

3 試驗(yàn)結(jié)果分析

均方差定義為真誤差平方的平均數(shù)的平方根，是一系列觀測值離散情況的度量，可作為在一定條件下衡量測量精度的一種數(shù)值指標(biāo)。

根據(jù)對4個不同目標(biāo)的8 次測量結(jié)果進(jìn)行分析，分析分為最大最小偏差值分析、均方差值分析、偏大或偏小3 項(xiàng)。

3.1 偏差值分析

以表2~5 的最大偏差值欄目為基礎(chǔ)，得出最大偏差大小排列為：

以表2、表3、表4、表5 的最小偏差值欄目為基礎(chǔ)，最小偏差大小排列為：

根據(jù)上述兩種測量結(jié)果的比較可見：雷達(dá)測量坡度較小的島嶼目標(biāo)偏差較大，測量陡峭目標(biāo)的偏差次之，測量小目標(biāo)的偏差要小。

3.2 均方差值分析

以表2~5 的均方差欄目為基礎(chǔ)，均方差大小排列為：σ擔(dān)子島＞σ崆峒島燈塔＞σ燈浮＞σ防波堤。

根據(jù)均方差的比較可見：雷達(dá)測量坡度較小的島嶼目標(biāo)均方差較大，測量陡峭目標(biāo)的均方差次之，測量小目標(biāo)的均方差要小。

3.3 偏大或偏小分析

根據(jù)圖1~4 顯示的8 次測量值的偏離方向?yàn)榛A(chǔ)，統(tǒng)計各目標(biāo)的偏離方向次數(shù)如表6 所示。

表6 偏離方向統(tǒng)計

根據(jù)表6 統(tǒng)計結(jié)果，對于各個不同類型目標(biāo)的測量結(jié)果偏大偏小次數(shù)基本相當(dāng)，只有對防波堤測量時其偏大次數(shù)比偏小次數(shù)多2 次，符合基本測量規(guī)律，表明本次試驗(yàn)結(jié)果的數(shù)據(jù)是有效的。

4 結(jié)論

通過對試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析而得出的結(jié)論有很高的科學(xué)性[10]。航海雷達(dá)是艦船狹水道航行、島礁區(qū)避險、進(jìn)出港等時候的重要測量設(shè)備，這對雷達(dá)操縱人員熟練操作雷達(dá)、克服人為誤差提出了很高要求。

本次試驗(yàn)針對常見助航設(shè)施的測量偏差而進(jìn)行，得到了如下結(jié)論：

對于坡度較小的島嶼、暗礁目標(biāo)，其測距偏差較大。分析其原因，一是因?yàn)楹Ｋ钠鸱鶎?dǎo)致的島礁的高度、面積、形狀等產(chǎn)生的起伏變化比較大；二是因?yàn)閸u礁的坡度小，雷達(dá)回波圖像的邊緣不飽滿，使操作人員使用距標(biāo)線和方位線時不易準(zhǔn)確對準(zhǔn)回波圖像。

對于燈塔類具有一定高度的陡峭目標(biāo)、防波堤類狹長型端點(diǎn)清晰的目標(biāo)、艦船類孤立小目標(biāo)，其測距偏差較小。分析其原因，是因?yàn)槔走_(dá)回波圖像的邊緣清晰，操作人員易于把握準(zhǔn)確的要領(lǐng)，測量結(jié)果比較準(zhǔn)確。

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