倪漢健 吳建華

（中國衛(wèi)星海上測控部1） 江陰 214000） （武漢理工大學(xué)航運(yùn)學(xué)院2） 武漢 430063）

0 引 言

受全球變暖的影響，每10年極地的冰層就會減少3%.按照這樣的速度，未來不久，這些冰層就將完全消失，通往極地的航路也將自然打通，極地航行可以縮短航程、提高營運(yùn)效益，北冰洋航路就是連接大西洋和太平洋以及俄羅斯歐亞2部分的最短路線［1－4］.然而在北極和南極地區(qū)航行的船舶面臨著許多極地地區(qū)特有的風(fēng)險(xiǎn)，惡劣的天氣條件，缺少良好海圖、通信系統(tǒng)以及其他導(dǎo)航輔助設(shè)備等情況都是海員不得不面對的挑戰(zhàn).特別是當(dāng)船舶駛?cè)胗斜虮絽^(qū)域時(shí)，由于陰暗、涌浪、霧和冰推力等因素影響船舶航行安全，極易發(fā)生船冰碰撞而導(dǎo)致船舶破損、沉沒事件，因此，極地航行中盡早發(fā)現(xiàn)海冰，避免船冰碰撞是航海技術(shù)人員亟待解決的研究課題.因?yàn)樵谄胀ù美走_(dá)上很難直接識別海冰圖像，所以研究人員已經(jīng)在開發(fā)探測海冰的專用雷達(dá).但是采用另外配置獨(dú)立的探冰雷達(dá)既增加船東的經(jīng)濟(jì)負(fù)擔(dān)，又不符合現(xiàn)代航海儀器設(shè)備集成化發(fā)展的方向.本文旨在探索根據(jù)海冰的類型特征、海冰反射雷達(dá)波的特點(diǎn)，利用雷達(dá)回波處理技術(shù)綜合分析冰山、冰面以及小塊流冰的雷達(dá)回波圖像，挖掘船用雷達(dá)現(xiàn)有的功能，達(dá)到識別、探測發(fā)現(xiàn)海冰從而避免船冰碰撞的研究方法.

1 海冰的類型特征

冰山是流到海上的陸冰，通常高數(shù)十米，長百余米.冰山經(jīng)常是連續(xù)出現(xiàn)、而且伴隨著浮冰群.剛剛離體的冰山，四面陡峭，回波比較強(qiáng)，發(fā)現(xiàn)距離可達(dá)20nmile以外.一般南極的冰山表面多陡峭，發(fā)現(xiàn)距離可在10nmile左右；而北極的冰山表明多傾斜，回波比較弱，若隱若現(xiàn)，有的發(fā)現(xiàn)距離甚至不足3nmile.有的冰山表面平坦，也有的冰山呈尖塔形，這些形狀都不利于反射雷達(dá)電磁波.尖塔形冰山的吃水深度約為水面高度的1～2倍，而其水上和水下部分的 體積比例，視其對海水的密度而定，由式（1）可以計(jì)算出其水上和水下比例.

式中：di為冰山相對密度；ds為海水相對密度；V為冰山體積；u為水上體積.

例如，di＝0.9，ds＝1.03；則0.9V＝1.03（V－u），V＝8u.

分析可知，冰山水上和水下體積分別約為其總體積的1／8和7／8，水下部分遠(yuǎn)大于水上部分.隨著時(shí)間的推移，海冰逐步融化，特別是水面上的海冰，其形狀也隨著海冰的融化變?yōu)榇竺娣e的冰面冰塊，其高度逐漸降低，導(dǎo)致雷達(dá)探測距離變小.海冰進(jìn)一步融化、分解后形成大片流冰，更容易被海浪分割，使得海冰回波被海浪雜波淹沒，難以探測.

2 海冰反射雷達(dá)波的特點(diǎn)

冰區(qū)航行，可以使用雷達(dá)觀測流冰接近的情況，雷達(dá)探測冰情的能力，取決于兩者之間的距離、冰塊的大小以及冰塊反射面的傾斜角度.小塊流冰和在平靜海面上高度小于0.3m的冰塊，較難被雷達(dá)發(fā)現(xiàn).有風(fēng)浪時(shí)，海浪干擾回波與冰塊的回波也極不易辨別.所以不能因?yàn)槔走_(dá)探測不到冰情而錯(cuò)誤地認(rèn)為船舶周圍沒有險(xiǎn)冰的存在.

雷達(dá)觀測有時(shí)可以發(fā)現(xiàn)冰山，但是由于冰山的形狀、反射電磁波的性能等原因，小冰山也不容易發(fā)現(xiàn)，甚至200m長，高50～60m的較平坦冰山，有時(shí)在3nmile內(nèi)才被雷達(dá)發(fā)現(xiàn)［5－6］.

最危險(xiǎn)的是融化剩余的殘碎冰山，水面以上不大，但水下的體積巨大.雷達(dá)只能發(fā)現(xiàn)水面上的目標(biāo)，所以發(fā)現(xiàn)殘碎冰山困難.

平整的大面積冰面，大片浮冰在雷達(dá)上看不到回波，但能夠看到冰與海水交界線的回波.

不平整的冰面會產(chǎn)生冰面雜波的干擾、干擾雜波一般較弱、不均勻，但在屏幕上較穩(wěn)定，邊界明顯.

3 海冰雷達(dá)圖像識別綜合方法

根據(jù)上述海冰在生存期間所具有的不同類型特征、以及海冰反射雷達(dá)波的特點(diǎn)，針對冰山、冰塊、小塊流冰的雷達(dá)圖像，運(yùn)用雷達(dá)回波處理理論知識分析，探索綜合使用雷達(dá)擴(kuò)展功能解決雷達(dá)圖像中正確發(fā)現(xiàn)、識別海冰回波的方法［7－10］.

3.1 使用ECHO STRETCH和TRAILS功能識別冰山回波

由于殘碎冰山在水面上的體積較小，雷達(dá)正常觀測較難發(fā)現(xiàn)該回波，但是雷達(dá)探測不到的殘碎冰山在水面下體積巨大，所以殘碎冰山對船舶航行是一個(gè)很大的安全隱患.針對殘碎冰山的特點(diǎn)，可以使用雷達(dá)的ES回波拉伸功能，放大目標(biāo)圖像.ES有3種設(shè)置，ES1對遠(yuǎn)距離的回波在方位（橫向）上進(jìn)行放大；ES2在距離方向上進(jìn)行放大；ES3在方位及距離上均進(jìn)行放大.在對雷達(dá)圖像進(jìn)行放大之后，再使用TRAILS尾跡功能，如圖1所示，尾跡功能通常是用來觀測目標(biāo)運(yùn)動狀況的，在此既可以估算冰山的漂移方向，還可以使點(diǎn)狀小回波擴(kuò)大成面狀大回波，增加發(fā)現(xiàn)殘碎冰山的概率.

因?yàn)闅埶楸降膮^(qū)域很大，主要是隨風(fēng)漂流、也受潮流和海流的影響，在北半球，其移動方向約在下風(fēng)側(cè)偏右30°～40°之間，所以可以進(jìn)一步使用真尾跡功能得出回波的移動方向（圖1使用EBL OFFSET將其標(biāo)出），結(jié)合水域的風(fēng)流壓差方向來對比判斷識別殘碎冰山的雷達(dá)回波.

如果船舶所在區(qū)域的羅經(jīng)可以使用的話，很容易根據(jù)本船的船首向和航跡向判斷出風(fēng)流壓差的方向，但是在極地航行，由于緯度太高，陀螺羅經(jīng)失去指向作用，地磁水平分力減小導(dǎo)致磁羅經(jīng)指向能力減弱.在羅經(jīng)無法使用的情況下使用風(fēng)速風(fēng)向儀、海流計(jì)依然可以得到風(fēng)流壓差的方向，見圖1.

圖1 風(fēng)況、潮汐及回波尾跡比對圖

3.2 使用雨雪干擾抑制（FTC）識別冰面回波

雨雪反射雷達(dá)回波產(chǎn)生干擾，在雷達(dá)中為了抑制雨雪干擾回波，設(shè)置有雨雪干擾抑制（FTC）功能，其信號處理的工作原理是針對目標(biāo)回波，有比較明顯邊緣，從無到有，變化陡峭；雨雪回波變化平緩、無明顯邊緣的特征采用微分電路，在邊界處產(chǎn)生尖脈沖輸出，而平緩處信號削弱的技術(shù)抑制雨雪雜波、顯示目標(biāo)回波，見圖2.

圖2 FTC處理雷達(dá)回波原理圖

對于平整的大面積冰面，因?yàn)槟軌蚩吹奖c海水交界線的邊界回波，所以在晴天通過適當(dāng)調(diào)整使用“FTC”旋鈕，適當(dāng)減小“增益”旋鈕有望發(fā)現(xiàn)大面積平整冰面的邊界范圍回波，通過改變“量程”旋鈕，在雷達(dá)屏幕上冰面邊界回波形成的封閉曲線圖形形狀不變、大小變化的特點(diǎn)加以識別.

而對于不平整的冰面因其回波在屏幕上較穩(wěn)定，邊界明顯，所以使用“FTC”結(jié)合“增益”旋鈕更加容易識別冰面回波.

3.3 使用ECHO AVERAGE，WIPER功能識別小塊流冰回波

ECHO AVERAGE（回波平均）使用“掃描到掃描”（scan－to－scan）信號相關(guān)技術(shù)，該技術(shù)依據(jù)的是每個(gè)目標(biāo)相對地面的真運(yùn)動.天線每旋轉(zhuǎn)一周，來自穩(wěn)定目標(biāo)（例如海冰）的回波將顯示在屏幕的同一位置.另一方面，不穩(wěn)定的回波（例如海浪雜波）則會隨機(jī)顯示在任意位置.為了將穩(wěn)定的目標(biāo)回波與海浪回波區(qū)分開來，回波會平均分布在連續(xù)的圖像幀上.分布在連續(xù)幀上的穩(wěn)固回波會以正常強(qiáng)度顯示，而海浪雜波則會在連續(xù)掃描中平均分布，并且亮度降低，因此應(yīng)該能區(qū)分真實(shí)海冰目標(biāo)回波和海浪雜波.

對于小塊流冰和在平靜海面上高度小于0.3m的冰塊雷達(dá)圖像，采用通常的雷達(dá)觀測方法較難以被識別發(fā)現(xiàn)，有風(fēng)浪時(shí)，海浪干擾回波與冰塊的回波也極不易辨別.如果使用回波平均功能可以有效抑制隨機(jī)回波（例如海浪雜波）并顯示靜止（低速）的小目標(biāo)（例如流冰等）.但在探測相對地面高速運(yùn)動的小目標(biāo)方面，回波平均處理并不那么有效.

要想正確使用回波平均功能識別小塊流冰，建議首先使用A／C SEA控制按鈕抑制海浪雜波，然后執(zhí)行以下ECHO AVERAGE操作.

1）ECHO AVERAGE1 從海浪干擾中區(qū)別目標(biāo)，減小不穩(wěn)定的回波亮度.

2）ECHO AVERAGE2 區(qū)分出小的固定目標(biāo)，如流冰.

3）ECHO AVERAGE3 穩(wěn)定顯示遠(yuǎn)距離回波.

為了更好地從海浪雜波中分辨出小塊流冰回波，在使用ECHO AVERAGE功能時(shí)可以和WIPER（擦除器）功能配合使用，WIPER的信號處理原理是用信號乘以擦除系數(shù)，信號幅度漸漸減小.信號幅度越小，擦除系數(shù)就越小，因此弱信號要比強(qiáng)信號更快地消失，如圖3.

擦除特性可以自動地改變?nèi)跣盘柕娘@示強(qiáng)度，以有利于圖像的觀測.因此雷達(dá)上的擦除器功能可以自動抑制微弱信號（噪訊、海浪雜波、雨滴雜波等等）以及多余信號（例如雷達(dá)干擾信號）的亮度以實(shí)現(xiàn)清除畫面上多余的回波.它的觀測效果取決于使用的擦除器設(shè)置和是否打開或關(guān)閉平均功能，見表1.

圖3 WIPER的信號處理原理圖

表1 擦除器設(shè)置和平均功能關(guān)系表

1）狀況A 減少多余的微弱回波（例如噪訊、海浪雜波和雨滴雜波）亮度以清除畫面.擦除器設(shè)置“1”和“2”之間的區(qū)別在于“2”的亮度下降更緩慢.

2）狀況B 打開擦除器功能時(shí)，回波平均自動開啟，可以通過回波平均的開關(guān)迅速查看畫面如何受到影響，如圖4.

圖4 回波平均off和on狀態(tài)比較圖

4 結(jié)束語

本文針對大面積冰山的移動特點(diǎn)，采用回波尾跡與風(fēng)流壓差比對的方法進(jìn)行識別；冰面與海水邊界明顯的特征，使用FTC微分處理后辨識；流冰被海水淹沒的現(xiàn)象利用相關(guān)技術(shù)和擦除技術(shù)加以甄別，通過雷達(dá)信號處理的理論研究得出的結(jié)論將運(yùn)用到今后的極地航行中，接受實(shí)踐的檢驗(yàn)，并進(jìn)一步的修改完善.

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