張高偉 袁湘輝 張云雷

（1.海軍工程大學(xué)動力工程學(xué)院 武漢 430033）（2.海軍工程大學(xué)電子工程學(xué)院 武漢 430033）

1 引言

地波超視距雷達利用短波波段的繞射特性，能夠突破地球曲率限制，是實現(xiàn)大范圍、遠距離的海上船只和低空目標(biāo)監(jiān)視監(jiān)測的重要手段［1］。岸基高頻地波雷達具有許多不同于微波雷達的特點，如外部噪聲功率大、長積累時間、目標(biāo)回波信號強度高度敏感于其使用的工作頻率及目標(biāo)運動姿態(tài)等。用于探測海面和空中目標(biāo)的高頻地波雷達設(shè)備的典型工作頻率范圍大概在3MHz～14MHz范圍，要想利用地波雷達對某一重點目標(biāo)有效發(fā)現(xiàn)并實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定跟蹤，就必須選擇與目標(biāo)散射特性和運動參數(shù)相匹配的工作頻率［2～3］。

目前對于不同類型的艦船、飛機目標(biāo)而言，地波雷達頻率使用問題并沒有一個簡單的、可供直接使用的結(jié)論。其根本原因在于，艦船和飛機目標(biāo)均處于地波雷達工作頻率的諧振區(qū)，RCS特性較復(fù)雜，且難以通過仿真精確獲得。此外，由于地波雙向傳播損耗隨工作頻率的增大而增大，導(dǎo)致信噪比隨工作頻率的升高而降低，而RCS隨工作頻率的變化又是振蕩起伏的，不同目標(biāo)RCS特征不同，這兩種因素共同作用導(dǎo)致了頻率使用問題的復(fù)雜性［4～5］。

要想從根本上解決地波超視距雷達系統(tǒng)探測典型海上目標(biāo)的頻率使用問題，只能通過收集實際觀測數(shù)據(jù)并加以處理來獲取其頻率的使用規(guī)律。針對上述問題，需要設(shè)計一個合適的數(shù)據(jù)庫軟件系統(tǒng)，來存貯必要的典型目標(biāo)觀測數(shù)據(jù)，并實現(xiàn)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析。

2 地波超視距雷達目標(biāo)檢測信噪比分析

對單基地高頻地波雷達而言，來自目標(biāo)的接收功率可定義為［6］

其中Pr為接收峰值功率，Pt為發(fā)射峰值功率，Dt為發(fā)射天線方向性系數(shù)，Dr為接收天線方向性系數(shù)，γ為信號占空比，σ為目標(biāo)RCS，λ為雷達波長，R為目標(biāo)距離，Ls為系統(tǒng)損耗。假定基于下列標(biāo)準(zhǔn)條件：發(fā)射天線為赫茲電振子、垂直極化、天線緊貼海面，標(biāo)準(zhǔn)天線增益D0＝3，測試電磁波發(fā)射功率為P0＝1KW，自由空間特性阻抗Ω＝120π，標(biāo)準(zhǔn)條件下距離R處的場強值為E（R）。

對微波雷達而言，噪聲的主要來源是接收機熱噪聲。然而對于高頻地波雷達，外部噪聲才是主要的。于是，對目標(biāo)回波進行多脈沖相參積累之后，雷達距離方程可以寫成信噪比的形式。下面討論兩種在實際中遇到的檢測情況：即海浪回波占優(yōu)的情形和環(huán)境噪聲占優(yōu)的情形。

1）環(huán)境噪聲占優(yōu)的情形

在探測飛機與導(dǎo)彈目標(biāo)時，因為在高頻段飛機、導(dǎo)彈等快速目標(biāo)的多普勒頻率已超過海浪二階譜的分布區(qū)，在雷達接收機內(nèi)部目標(biāo)回波僅僅與環(huán)境噪聲進行對抗，因此Pa（f）?Ps（f），進而有Ni（f）＝Pa（f）＝kT0Fa，其中T0為噪聲溫度，F(xiàn)a為噪聲系數(shù)。此時信噪比模型簡化為

2）海浪回波占優(yōu)的情形

在探測船目標(biāo)時，因為船的多普勒頻率較低，正好落入海浪回波的二階譜分量區(qū)域內(nèi)。若信號功率足夠大，滿足Ps（f）?Pa（f），則有Ni（f）＝Ps（f），這時信雜比模型簡化為

其中ΔR為距離分辨率，θB為波束寬度，上式說明海雜波占優(yōu)時，探測距離與發(fā)射功率無關(guān)，而與分辨能力ΔR成反比，與積分時間Ti成反比。

從以上分析可以看出，空中目標(biāo)檢測受限于信噪比，海上目標(biāo)檢測受限于信雜比，而通過實際仿真可知［4］，信噪比／信雜比和使用頻率的關(guān)系隨著不同目標(biāo)和目標(biāo)的不同姿態(tài)角而變化，為了合理選擇地波雷達的最優(yōu)工作頻率，需要獲得地波雷達回波的實時信噪比（信雜比）和頻率的統(tǒng)計規(guī)律，據(jù)此設(shè)計了地波雷達目標(biāo)頻率使用數(shù)據(jù)庫。

3 系統(tǒng)總體設(shè)計

3.1 系統(tǒng)需求分析

對于地波雷達目標(biāo)頻率使用數(shù)據(jù)統(tǒng)計而言，其數(shù)據(jù)量大、工作繁瑣，如實時記錄，裝備自動記錄信息的管理，標(biāo)準(zhǔn)記錄的生成，規(guī)律統(tǒng)計等。大量數(shù)據(jù)需要填寫與整理，使得工作量很大，迫切需要先進的數(shù)據(jù)管理手段。如何從實際出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)行的目標(biāo)信息管理模式，建立規(guī)范，優(yōu)質(zhì)高效的數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)很有必要。頻率使用數(shù)據(jù)庫軟件具有以下特點：

1）對目標(biāo)信息的錄入、導(dǎo)入、匹配、編輯與修改，自動化程度高，應(yīng)用方便；

2）對目標(biāo)信息參數(shù)進行精細化設(shè)計，避免了相同數(shù)據(jù)的重復(fù)錄入，有效提高了管理工作的效率；

3）統(tǒng)計結(jié)果的圖形化輸出，使得用戶對數(shù)據(jù)的感知更加清晰與明確，交互性更強；

4）采用功能強大、易于擴展、廣泛應(yīng)用的VFP開發(fā)平臺，為根據(jù)新的應(yīng)用要求開發(fā)新的功能與模塊創(chuàng)造了極大的可能性；

5）主要應(yīng)用于單機環(huán)境，避免了信息擁堵，處理信息效率很高；同時系統(tǒng)管理嚴(yán)格，保密性強，防止信息泄露。

為提高所采集數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，特約定頻率使用規(guī)律數(shù)據(jù)采集的前提條件為：

1）目標(biāo)未受電離層干擾；

2）目標(biāo)為合作目標(biāo)，或者有其他手段（如AIS系統(tǒng)）保證目標(biāo)的類型和屬性已知。

在對目標(biāo)進行觀測時，每間隔一個積累周期采集一個點，主要數(shù)據(jù)包括：（1）文件導(dǎo)入數(shù)據(jù)：日期時間、目標(biāo)批號、工作頻率、目標(biāo)距離、目標(biāo)方位、目標(biāo)徑向速度、目標(biāo)航向，這些數(shù)據(jù)由裝備自動記錄，并導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫；（2）人工實時記錄數(shù)據(jù)：日期時間、目標(biāo)批號、目標(biāo)頻譜幅度、雜波譜基底均值、目標(biāo)類型、目標(biāo)具體屬性。

目標(biāo)類型、目標(biāo)具體屬性、目標(biāo)批號的變化均不頻繁，因此不會額外增加工作量。只有“日期時間”，“目標(biāo)頻譜幅度”，“雜波譜基底均值”三項需人工實時填入。

目標(biāo)類型和目標(biāo)具體屬性，在某一次重點目標(biāo)的觀測中保持不變，因此在錄入時只需錄入一次。而目標(biāo)批號的變化也是不頻繁的，無需作頻繁改動。因此，在實時錄入時，只需根據(jù)裝備顯示的時間錄入“時”、“分”和“秒”，確認(rèn)批號是否正確，再根據(jù)頻譜圖顯示的目標(biāo)頻譜幅度和雜波譜基底幅度實時錄入即可。

目標(biāo)徑向速度可用于參考目標(biāo)頻譜的展寬程度。日期時間、目標(biāo)的距離和方位，可以在必要時查詢目標(biāo)所處海域的海況等級。目標(biāo)頻譜幅度和雜波譜基底均值用于計算目標(biāo)的信雜比。

3.2 系統(tǒng)功能設(shè)計

系統(tǒng)的主要功能應(yīng)包括：對時、數(shù)據(jù)維護、數(shù)據(jù)查詢、統(tǒng)計輸出、權(quán)限管理、數(shù)據(jù)備份等功能，下面主要針對其中的關(guān)鍵功能數(shù)據(jù)維護進行闡述。

數(shù)據(jù)維護主要包括數(shù)據(jù)初始化、實時錄入、文件導(dǎo)入、數(shù)據(jù)匹配修正和頻率使用數(shù)據(jù)錄入功能。

·數(shù)據(jù)初始化：對目標(biāo)類型表、目標(biāo)具體屬性表，根據(jù)部隊對目標(biāo)的掌握情況，由操作員手工錄入或修改數(shù)據(jù)。

·實時錄入：提供實時錄入界面，由操作員根據(jù)界面要求和裝備界面的觀測情況，錄入相應(yīng)數(shù)據(jù)到“實時錄入表”中。

·文件導(dǎo)入：導(dǎo)入裝備自動記錄的目標(biāo)信息數(shù)據(jù)文件，提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，并填入“文件導(dǎo)入”表中。

·數(shù)據(jù)匹配修正：數(shù)據(jù)匹配功能是將兩個基表“實時錄入表”和“文件導(dǎo)入表”中的記錄進行匹配處理，根據(jù)日期時間和目標(biāo)批號形成具有唯一性的標(biāo)準(zhǔn)記錄，并填入“標(biāo)準(zhǔn)記錄表”中。記錄修正功能是對于“實時錄入表”中尚未匹配的記錄，可以將其與“文件導(dǎo)入表”中的相近記錄進行比對，由操作員對“實時錄入表”中的相應(yīng)數(shù)據(jù)項進行修正。修正后的數(shù)據(jù)可以再次進行數(shù)據(jù)匹配，直到將“實時錄入表”中的所有數(shù)據(jù)都匹配完成。

·頻率使用：錄入統(tǒng)計輸出的各類目標(biāo)最佳工作頻率區(qū)間數(shù)據(jù)，供以后參考使用。

4 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)與子系統(tǒng)設(shè)計

系統(tǒng)主要包含用戶管理子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)維護子系統(tǒng)、數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)、統(tǒng)計輸出子系統(tǒng)和數(shù)據(jù)安全子系統(tǒng)五個部分。其中用戶管理子系統(tǒng)用于實現(xiàn)系統(tǒng)登錄、賬戶建立、密碼修改等功能，主要包括用戶登錄、賬號管理和密碼設(shè)置三個模塊；數(shù)據(jù)維護子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)存儲與處理的主要系統(tǒng)，實現(xiàn)了目標(biāo)各種數(shù)據(jù)的管理，包括目標(biāo)分類、實時錄入、文件導(dǎo)入、匹配修正和頻率使用五個模塊；數(shù)據(jù)查詢子系統(tǒng)主要包括實時錄入表查詢、文件導(dǎo)入表查詢、標(biāo)準(zhǔn)記錄表查詢、目標(biāo)類型表查詢、目標(biāo)屬性表查詢、目標(biāo)型號表查詢、頻率使用規(guī)律表查詢和權(quán)限管理表查詢八個模塊；統(tǒng)計輸出子系統(tǒng)用于操作員錄入最佳工作頻率區(qū)間到頻率使用規(guī)律表以及數(shù)據(jù)的報表顯示和打印，主要包括規(guī)律統(tǒng)計模塊和報表打印模塊；數(shù)據(jù)安全子系統(tǒng)包括數(shù)據(jù)備份和數(shù)據(jù)恢復(fù)兩個模塊。系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)

數(shù)據(jù)維護子系統(tǒng)是數(shù)據(jù)存儲與處理的主要系統(tǒng)，是數(shù)據(jù)管理系統(tǒng)的核心，其各個模塊的主要功能設(shè)計如下：

1）目標(biāo)分類模塊：提供目標(biāo)分類錄入界面，主要根據(jù)部隊對目標(biāo)的掌握情況，實現(xiàn)由操作員手工對目標(biāo)類型、屬性、型號數(shù)據(jù)進行分類錄入，并將錄入數(shù)據(jù)顯示在表格中，提高錄入結(jié)果的可視性。數(shù)據(jù)錄入后不允許刪除，如某一代碼不再使用，可以將有效標(biāo)志一項修改為無效，其余各項不允許修改。目標(biāo)類型代碼具有唯一性，由程序自動生成。其界面設(shè)計如圖2所示。

圖2 目標(biāo)分類表界面設(shè)計

2）實時錄入模塊：提供實時錄入界面，由操作員根據(jù)界面要求和裝備界面的觀測情況，填入文本框中，點擊錄入按鈕添加相應(yīng)數(shù)據(jù)到“實時錄入表”中，并將錄入數(shù)據(jù)顯示在表格中，可供操作員查看。在表中可對除日期時間和目標(biāo)批號外的各字段很方便地進行修改，可實現(xiàn)對存儲數(shù)據(jù)的簡單查找，對由于錯誤錄入的記錄選擇后點擊刪除按鈕可進行刪除操作。

3）文件導(dǎo)入模塊：提供文件導(dǎo)入界面，由操作員在裝備自動記錄的目標(biāo)信息數(shù)據(jù)文件中提取相應(yīng)的數(shù)據(jù)，填入“文件導(dǎo)入”表中。并將錄入數(shù)據(jù)顯示在表格中供操作員查看，數(shù)據(jù)導(dǎo)入后均不能進行修改，保證了目標(biāo)信息數(shù)據(jù)的可靠性，可實現(xiàn)對存儲數(shù)據(jù)的簡單查找，對錯誤錄入的數(shù)據(jù)可以進行刪除。

4）匹配修正模塊：提供匹配修正界面，由操作員對“實時錄入表”和“文件導(dǎo)入表”中的記錄進行匹配處理，根據(jù)日期時間和目標(biāo)批號形成具有唯一性的標(biāo)準(zhǔn)記錄，并填入“標(biāo)準(zhǔn)記錄表”中。在界面中將實時錄入表和文件導(dǎo)入表顯示在同一個表單上，方便了操作員的匹配操作。對于“實時錄入表”中尚未匹配的記錄，可以將其與“文件導(dǎo)入表”中的相近記錄進行比對，由操作員對“實時錄入表”中的相應(yīng)數(shù)據(jù)項進行修正。修正后的數(shù)據(jù)可以再次進行數(shù)據(jù)匹配，直到將“實時錄入表”中的所有數(shù)據(jù)都匹配完成。匹配結(jié)果顯示在第二個頁面的表格中可很方便地供操作員查看，可實現(xiàn)對存儲數(shù)據(jù)的簡單查找，對錯誤的匹配也可進行刪除。

5）頻率使用模塊：提供頻率使用規(guī)律錄入界面，通過觀察統(tǒng)計圖，可以看出對于某一類型目標(biāo)，不論其距離或姿態(tài)角如何，總能找到使其信雜比達到相對最佳值的工作頻率區(qū)間，借助上述圖形來找出工作頻率的使用規(guī)律。然后，由操作員根據(jù)界面要求錄入數(shù)據(jù)，錄入的數(shù)據(jù)顯示在表格中，可以對數(shù)據(jù)進行修改，對錯誤的記錄也可進行刪除。

5 系統(tǒng)實現(xiàn)與結(jié)果分析

頻率使用支撐數(shù)據(jù)庫軟件的實現(xiàn)界面如圖3所示，登錄進行系統(tǒng)后操作員首先將目標(biāo)頻譜幅度、目標(biāo)雜波基底、目標(biāo)批號和日期時間實時錄入到數(shù)據(jù)庫中，同時由雷達可自動記錄目標(biāo)的其它信息；然后，將雷達自動記錄的目標(biāo)信息導(dǎo)入數(shù)據(jù)庫中，并與實時錄入的數(shù)據(jù)進行匹配，形成符合統(tǒng)計分析要求的數(shù)據(jù)記錄；最后，通過數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析，得出不同類型目標(biāo)在不同距離上的信雜比與工作頻率之間的關(guān)系。以圖形方式顯示統(tǒng)計分析結(jié)果，操作員可以根據(jù)圖形確定探測不同類型目標(biāo)的最佳工作頻率區(qū)間，并將其記錄到相應(yīng)的頻率使用規(guī)律表格中。

圖3 地波雷達頻率使用數(shù)據(jù)庫軟件主界面

下面通過仿真模擬數(shù)據(jù)來展示系統(tǒng)對數(shù)據(jù)的統(tǒng)計分析結(jié)果，圖4顯示的是某型空中目標(biāo)在100km距離上，地波雷達采用不同工作頻率統(tǒng)計得出的目標(biāo)回波強度變化，從中可以明顯看出地波雷達對該目標(biāo)的最佳工作頻率在5MHz附近。

圖4 某空中目標(biāo)信噪比與工作頻率的關(guān)系

圖5顯示的是地波雷達對某型艦船目標(biāo)的模擬數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)對應(yīng)著艦船目標(biāo)處于90°正橫狀態(tài)，從圖中的曲線可以很容易得出地波雷達此時的最佳工作頻率約為4MHz。

圖5 某艦船目標(biāo)檢測信雜比與工作頻率的關(guān)系

從圖4和圖5的結(jié)果可以看出，地波雷達對海、空目標(biāo)的探測性能與其工作頻率有著密切的關(guān)系，如果地波雷達選擇在最佳的工作頻率上，可以將目標(biāo)回波信噪比（信雜比）提高數(shù)十分貝，這對地波雷達遠距離探測和目標(biāo)的穩(wěn)定、連續(xù)跟蹤具有重要意義。

6 結(jié)語

國內(nèi)外的地波超視距雷達無論是用來海上目標(biāo)檢測還是海態(tài)遙感，都已完成了雷達系統(tǒng)的研制，但是在實際使用中對目標(biāo)的跟蹤難以連續(xù)，其中頻率的選擇對于目標(biāo)的檢測和跟蹤有重要影響。地波超視距雷達頻率的使用規(guī)律研究對于雷達裝備的日常操作訓(xùn)練，以及當(dāng)目標(biāo)點跡跟蹤出現(xiàn)中斷時，及時、準(zhǔn)確地調(diào)整工作頻率使目標(biāo)點跡恢復(fù)，保證對重點目標(biāo)的連續(xù)觀察掌握，具有重要的理論指導(dǎo)作用。

本文針對地波超視距雷達的頻率使用規(guī)律研究，設(shè)計和開發(fā)了相應(yīng)的支撐數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，該系統(tǒng)通過記錄地波雷達對海上目標(biāo)的實時探測數(shù)據(jù)，并進行統(tǒng)計分析，通過數(shù)據(jù)庫積累的方式利用雷達裝備的實測數(shù)據(jù)給出系統(tǒng)在不同工作環(huán)境下對不同類型目標(biāo)的最佳雷達工作頻率，對于提高地波雷達對重點目標(biāo)的發(fā)現(xiàn)能力，實現(xiàn)超視距預(yù)警具有非常重要的作用。下一步結(jié)合該數(shù)據(jù)庫系統(tǒng)，實際采集地波雷達的觀測數(shù)據(jù)，對地波超視距雷達目標(biāo)檢測中的頻率使用規(guī)律進行分析歸納。

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