丁 昊 劉寧波 董云龍 陳小龍 關(guān) 鍵

(海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001)

1 引言

當(dāng)雷達(dá)以對(duì)海模式探測海上艦船、掠海飛行器或巡航導(dǎo)彈等軍用目標(biāo)，以及浮冰、航道浮標(biāo)、小漁船或快艇等民用目標(biāo)時(shí)，均會(huì)不可避免地受到復(fù)雜海面回波即海雜波的影響。如何有效抑制海雜波，最大限度地積累目標(biāo)回波能量，從而削弱海雜波不利影響，改善海上目標(biāo)探測性能，是一個(gè)探索性強(qiáng)且難度很大的瓶頸理論技術(shù)問題，也是雷達(dá)應(yīng)用領(lǐng)域仍需進(jìn)一步解決的重難點(diǎn)問題[1—3]。

削弱海雜波不利影響的基本前提是開展海雜波特性研究、充分掌握海雜波特性規(guī)律并合理有效利用海雜波特性；在此基礎(chǔ)上，建立合理的海雜波模型并研究與之匹配的雜波抑制和目標(biāo)檢測方法則是進(jìn)一步改進(jìn)和創(chuàng)新海上目標(biāo)探測技術(shù)的有效途徑[4]。海雜波特性研究是一個(gè)共性技術(shù)問題，是當(dāng)前各國海上目標(biāo)探測技術(shù)的研究熱點(diǎn)，同時(shí)也是一個(gè)基礎(chǔ)性問題，在特征描述上具有很大的難度，主要表現(xiàn)在以下3個(gè)方面[5]：(1)海雜波影響因素眾多，從大的方面看，包括雷達(dá)參數(shù)、海域、水文/氣象參數(shù)等，每種因素還可進(jìn)一步細(xì)化，而海雜波正是這些復(fù)雜多變參數(shù)的非線性函數(shù)；(2)海雜波模型通常偏離高斯分布，呈現(xiàn)出非高斯、非線性和非平穩(wěn)特性(即“三非”特性)，其中，非高斯主要與分辨率的不斷提高有關(guān)，非線性主要與海表面的動(dòng)態(tài)模型密切相關(guān)，非平穩(wěn)性主要由海表面狀態(tài)的時(shí)變特性引起；(3)在高分辨率、高海況和小擦地角等條件下，海雜波中出現(xiàn)海尖峰的概率明顯提高，它在時(shí)域表現(xiàn)出類似于目標(biāo)回波的特性，在頻域也具有更大的多普勒譜展寬，很容易引起虛警。

開展海雜波特性認(rèn)知研究的技術(shù)途徑主要有兩種[6]，一種是基于電磁散射理論和海表面模型開展物理機(jī)理方面的研究，另一種是通過開展試驗(yàn)，獲取海面回波測量數(shù)據(jù)(含海雜波與目標(biāo))，并利用實(shí)測數(shù)據(jù)開展研究。其中，后者是一種貼近實(shí)際且被廣泛采用的研究方法，其可驗(yàn)證海雜波散射機(jī)理研究成果，彌補(bǔ)機(jī)理研究的不足，同時(shí)可真實(shí)反映出不同因素影響下的海雜波特性變化規(guī)律以及海雜波與目標(biāo)之間的復(fù)雜耦合關(guān)系，進(jìn)而支撐多域多維特征提取和差異特征空間形成等方面的研究工作，直接服務(wù)于海雜波抑制和特征域的目標(biāo)檢測方法。試驗(yàn)測量數(shù)據(jù)除海雜波和目標(biāo)回波外，還應(yīng)采用波浪浮標(biāo)、風(fēng)速儀、GPS, AIS等多種輔助傳感器同步記錄海洋環(huán)境信息、目標(biāo)信息等輔助參數(shù)和數(shù)據(jù)，其中，海洋環(huán)境信息重點(diǎn)包括風(fēng)速/風(fēng)向、浪高/浪向、溫度/濕度等，目標(biāo)信息重點(diǎn)包括距離、經(jīng)/緯度、運(yùn)動(dòng)速度/方向等。這些信息應(yīng)規(guī)范化記錄并與回波數(shù)據(jù)同步入庫，若輔助數(shù)據(jù)記錄不完整、不規(guī)范，測量回波數(shù)據(jù)的應(yīng)用價(jià)值將大打折扣。

在過去的數(shù)十年里，國內(nèi)外相關(guān)研究機(jī)構(gòu)在雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)方面做了大量工作，所開展的試驗(yàn)涉及多種類型、多種參數(shù)，包括平臺(tái)、波段、分辨率、極化、擦地角、海域等，其中，平臺(tái)包括岸基、艦載、機(jī)載、彈載、星載等多種類型，波段覆蓋了P, L, S, C, X, Ku和Ka等，擦地角最低時(shí)小于1°，最高可達(dá)80°，涵蓋了小擦地角和大擦地角，海況也覆蓋了典型的低、中、高海況。這些試驗(yàn)數(shù)據(jù)是開展海上目標(biāo)探測理論研究和工程應(yīng)用研究的重要基礎(chǔ)和支撐。

本文首先以岸基試驗(yàn)和機(jī)載試驗(yàn)為主線對(duì)國外10余家研究單位開展的典型試驗(yàn)情況進(jìn)行了梳理和總結(jié)，緊接著回顧了基于造浪池開展的海雜波測量試驗(yàn)，并簡要介紹了國內(nèi)開展的海雜波測量試驗(yàn)和煙臺(tái)的海上目標(biāo)探測試驗(yàn)中心建設(shè)情況，最后，展望了后續(xù)雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)方面仍需進(jìn)一步關(guān)注的幾個(gè)方向。本文綜述的目的之一是為同類型試驗(yàn)的開展提供一些參考和借鑒，目的之二是在試驗(yàn)條件尚不具備、試驗(yàn)數(shù)據(jù)暫時(shí)無法獲取的情況下，通過參考近似條件下的試驗(yàn)情況及得到的主要分析結(jié)論或大致的參數(shù)范圍，支撐相關(guān)研究內(nèi)容的初步論證工作。

2 岸基雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)

從公開文獻(xiàn)來看，國外較為典型的岸基雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)有加拿大McMaster大學(xué)的IPIX雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)[7]、南非科學(xué)和工業(yè)研究理事會(huì)(Council for Scientific and Industrial Research,CSIR)的海雜波測量試驗(yàn)[8]、澳大利亞國防科技署(Defence Science and Technology Organization,DSTO)的多波段(L, S和X波段)雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)[9—11]、美國海軍研究實(shí)驗(yàn)室(Naval Research Laboratory, NRL)的X波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)[12]、西班牙南海岸Ka波段高分辨率雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)[13]等。除此之外，還包括美國海軍空戰(zhàn)中心的多波段(UHF, L, S, C, X和Ku波段)雷達(dá)小擦地角海雜波測量試驗(yàn)[14,15]、英格蘭南海岸多波段(S, X和Ku波段)雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)[16]、日本的X波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)[17]、德國和法國聯(lián)合開展的MARLENE(Mediterranean RFC and Sea Clutter Environmental Experiment)多波段(C, X, Ku,Ka和W波段)雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)[18]、倫敦大學(xué)(University College London, UCL)的S波段NetRAD單/雙基地雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)[19—23]等。該部分主要對(duì)幾次典型的單、雙基地試驗(yàn)情況進(jìn)行梳理和匯總。

2.1 IPIX雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)

該試驗(yàn)在雷達(dá)海上目標(biāo)探測技術(shù)方向廣為熟知，且試驗(yàn)數(shù)據(jù)得到了廣泛應(yīng)用。它由加拿大Mc-Master大學(xué)組織實(shí)施，測量的數(shù)據(jù)集由Haykin教授帶領(lǐng)的團(tuán)隊(duì)負(fù)責(zé)管理和維護(hù)，是典型的岸基平臺(tái)小擦地角海雜波數(shù)據(jù)(擦地角均小于1°)。

IPIX數(shù)據(jù)有兩大集合[7,24]，一是1993年在加拿大新斯科舍省南部城市Dartmouth的測量數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)雷達(dá)從峭壁上俯視大西洋，雷達(dá)天線及觀測海域如圖1所示，緯度/經(jīng)度為44°36.72′N/63°25.41′W，架設(shè)高度距平均海平面約30 m，試驗(yàn)時(shí)采用的雷達(dá)參數(shù)如表1所示。在駐留模式下，數(shù)據(jù)采樣時(shí)長約為130 s。本次試驗(yàn)公開了14組駐留模式數(shù)據(jù)，其中4組數(shù)據(jù)受到截?cái)嘈?yīng)的嚴(yán)重影響(編號(hào)分別為18#, 19#, 25#和283#)，因此可用數(shù)據(jù)共10組，每組包含14個(gè)距離單元。此外，另兩組數(shù)據(jù)分別名為“hi.dat”和“l(fā)o.dat”，它們?yōu)閱蝹€(gè)距離單元的數(shù)據(jù)，分別為典型的高海況和低海況海雜波。

圖1 IPIX雷達(dá)天線及觀測海域Fig.1 IPIX radar antenna and observed area

表1 IPIX雷達(dá)參數(shù)Tab.1 IPIX radar parameters

合作目標(biāo)是直徑1 m的航天用密封球形救生器，目標(biāo)表面包裹一層鋁箔，以有效增強(qiáng)其雷達(dá)回波信號(hào)。隨海浪的運(yùn)動(dòng)，該目標(biāo)在左右漂移的同時(shí)上下起伏運(yùn)動(dòng)，因此其能量在距離上和多普勒譜上均有所擴(kuò)展，在主目標(biāo)單元，平均信雜比(Signal to Clutter Ratio, SCR)約0～6 dB。在試驗(yàn)的不同時(shí)間，目標(biāo)球放在了不同的位置，分別標(biāo)識(shí)為TargA, TargB和TargC，對(duì)應(yīng)的距離/方位分別為2660 m/128°, 5525 m/130°和2655 m/170°。

IPIX的另一數(shù)據(jù)集是1998年在加拿大安大略湖畔Grimsby的測量數(shù)據(jù)，試驗(yàn)時(shí)雷達(dá)從岸上俯視安大略湖，緯度/經(jīng)度為43°12′41.0′N/79°35′54.6′W，平臺(tái)高度為20 m。與1993年試驗(yàn)相比，IPIX雷達(dá)的主要升級(jí)體現(xiàn)在量化位數(shù)上(從8位升級(jí)為10位)，以有效降低量化誤差。同時(shí)，增加了同一時(shí)間段、不同距離分辨率(3～60 m)條件下的海雜波測量試驗(yàn)，以便于研究分辨率對(duì)海雜波特性的影響。試驗(yàn)采用的合作目標(biāo)是漂浮小船，目標(biāo)位置、海浪參數(shù)等輔助信息并未在網(wǎng)上公布。

IPIX數(shù)據(jù)存儲(chǔ)格式為網(wǎng)絡(luò)通用數(shù)據(jù)格式(Net Common Data Format, NetCDF)，在載入原始數(shù)據(jù)時(shí)，共有3種可選的預(yù)處理類型，分別是Raw模式、Auto模式和Dartmouth模式。其中，Auto模式執(zhí)行的預(yù)處理包含兩個(gè)步驟，一是去掉I/Q通道的均值和標(biāo)準(zhǔn)差，二是去掉相位失衡，預(yù)處理后每個(gè)距離單元的數(shù)據(jù)均具有相同的功率水平。在海雜波特性分析與建模、海雜波抑制及目標(biāo)檢測等領(lǐng)域，IPIX數(shù)據(jù)得到了廣泛應(yīng)用。在圖2中，給出了目標(biāo)單元上典型的時(shí)頻域分析結(jié)果，其中，圖2(a)為短時(shí)傅里葉變換(Short-Time Fourier Transform, STFT)，圖2(b)為平滑偽WVD(Smoothed Pseudo WVD, SPWVD)?？梢钥闯觯ｋs波短時(shí)譜較寬，其能量主要集中在低頻段范圍，而目標(biāo)的譜線較窄，其能量集中在零頻附近，在時(shí)頻2維平面上表現(xiàn)為一條蛇形曲線。此外，海雜波短時(shí)譜表現(xiàn)出較為顯著的時(shí)變非平穩(wěn)性，譜寬、中心頻率及譜的功率水平等特征均隨時(shí)間起伏變化。

IPIX數(shù)據(jù)也存在一些局限性，一是數(shù)據(jù)集僅覆蓋了幾組有限的環(huán)境條件、相對(duì)幾何位置和雷達(dá)參數(shù)，且相關(guān)的重要輔助信息記錄不夠全面，尤其是1998年數(shù)據(jù)。另一個(gè)限制是沒有測量機(jī)動(dòng)船只等類型目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)，這也是研究人員在應(yīng)用IPIX數(shù)據(jù)時(shí)通常需要疊加仿真目標(biāo)回波的原因之一。

2.2 CSIR海雜波測量試驗(yàn)

為協(xié)助南非軍方遏制走私、偷獵、海盜、非法移民和恐怖主義，自2003年以來，CSIR先后啟動(dòng)了若干項(xiàng)目，以發(fā)展一個(gè)持續(xù)的、無處不在的監(jiān)視系統(tǒng)。其中，小船目標(biāo)檢測項(xiàng)目即為其中之一，其目的是通過開展海上探測試驗(yàn)獲取實(shí)測數(shù)據(jù)，用于支撐該監(jiān)視系統(tǒng)關(guān)鍵要素和所需功能的研發(fā)[8]。作為該項(xiàng)目的重要組成部分，在2006年和2007年，CSIR分別在南非西南海岸線利用試驗(yàn)雷達(dá)開展了兩批次、累計(jì)持續(xù)時(shí)間達(dá)19天的海雜波與目標(biāo)船回波數(shù)據(jù)測量試驗(yàn)[25,26]。

圖2 目標(biāo)單元的時(shí)頻域分析結(jié)果Fig.2 Time frequency domain analysis results of target bin

2006年試驗(yàn)采用的試驗(yàn)雷達(dá)為Fynmeet雷達(dá)，它是一個(gè)便攜式微波測量設(shè)備，性能參數(shù)在表2中給出。雷達(dá)架設(shè)在Overberg Test Range (OTB)的3號(hào)測量站，經(jīng)/緯度為20°117.46E/34°3656.52S，架設(shè)高度距離平均海平面約67 m。局部風(fēng)速和風(fēng)向由兩個(gè)間距為1 km的氣象站分別記錄，而波浪參數(shù)由定向波浪浮標(biāo)記錄。為了得到真實(shí)的RCS測量值，在試驗(yàn)時(shí)采用直升機(jī)下方吊裝標(biāo)準(zhǔn)反射球的形式獲取校準(zhǔn)系數(shù)，并對(duì)試驗(yàn)系統(tǒng)進(jìn)行校準(zhǔn)，使測量值的標(biāo)準(zhǔn)偏差保持在1 dB左右。

2007年試驗(yàn)時(shí)，采用X波段單脈沖體制試驗(yàn)雷達(dá)，工作頻率為8.8 GHz, PRF可調(diào)，雷達(dá)架設(shè)在Cape鎮(zhèn)的信號(hào)山(Signal Hill)測量站，經(jīng)/緯度為18°23′53.76′E/33°55′15.62′S。局部風(fēng)速和風(fēng)向分別在雷達(dá)位置、Robben島、開普敦港和Slangkop4處場地測量，局部海浪信息由放置于海底的波浪傳感器和定向波浪浮標(biāo)測量，同時(shí)在Table灣 和Robben島周邊的8處場地進(jìn)行了數(shù)值模擬。試驗(yàn)系統(tǒng)的校準(zhǔn)方法與2006年相同。

表2 Fynmeet雷達(dá)系統(tǒng)性能參數(shù)Tab.2 Fynmeet system and performance specifications

兩次試驗(yàn)期間，雷達(dá)架設(shè)場地周邊環(huán)境分別如圖3和圖4所示，場地的地理位置信息和海洋環(huán)境參數(shù)在表3中進(jìn)行了匯總。顯然，兩次試驗(yàn)均屬于小擦地角條件下的測量試驗(yàn)。

圖3 2006年試驗(yàn)架設(shè)位置(OTB)Fig.3 Location of the deployment site in 2006 (OTB)

圖4 2007年試驗(yàn)架設(shè)位置(信號(hào)山)Fig.4 Location of the deployment site in 2007 (Signal Hill)

測量數(shù)據(jù)涵蓋了多種參數(shù)組合，包括不同發(fā)射波形、方位角和距離范圍等，每當(dāng)環(huán)境條件發(fā)生顯著變化時(shí)，就會(huì)重復(fù)這一組測量，完成一次測量的最短時(shí)間約為2 h。試驗(yàn)期間，采用了多種類型的合作目標(biāo)船只，部分船只圖片如圖5所示，其中，從左到右依次為5.7 m長的乘浪者號(hào)充氣橡皮艇(Waverider Rigid Inflatable Boat, RIB)、機(jī)動(dòng)快艇和蒂莫西漁船。合作目標(biāo)試驗(yàn)累計(jì)開展9天，覆蓋低海況和高海況，船只的航行軌跡覆蓋了不同的距離范圍和方位角，并由GPS進(jìn)行同步數(shù)據(jù)記錄。

表3 地理位置和環(huán)境參數(shù)匯總Tab.3 Summary of geometry and environment conditions

圖5 合作目標(biāo)船F(xiàn)ig.5 Cooperative target ships

CSIR試驗(yàn)共測量了大量海雜波與目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，以及雷達(dá)工作參數(shù)、海洋環(huán)境參數(shù)、GPS數(shù)據(jù)等輔助數(shù)據(jù)。CSIR數(shù)據(jù)集在數(shù)據(jù)量、數(shù)據(jù)覆蓋的參數(shù)集合和合作目標(biāo)類型等多方面均可彌補(bǔ)IPIX數(shù)據(jù)的局限性，同時(shí)，CSIR詳細(xì)的試驗(yàn)方案設(shè)計(jì)和試驗(yàn)參數(shù)記錄也可為同類型試驗(yàn)的開展提供很好的參考和借鑒。目前，包括CSIR團(tuán)隊(duì)在內(nèi)，國內(nèi)外已有很多研究機(jī)構(gòu)利用該數(shù)據(jù)支撐了相關(guān)理論研究工作。例如，比薩大學(xué)的M. Greco等人利用該數(shù)據(jù)研究了非高斯、非平穩(wěn)海雜波對(duì)協(xié)方差矩陣估計(jì)和自適應(yīng)CFAR檢測器性能的影響[24](非高斯分布模型的典型擬合結(jié)果如圖6所示，數(shù)據(jù)文件為TFC15_001，可以看出，非高斯模型中K分布和GK分布擬合結(jié)果相對(duì)更好)；西電陳帥、水鵬朗利用該數(shù)據(jù)[27]，證實(shí)了所提出的過采樣MTD檢測方法在檢測性能上的優(yōu)勢；海軍航空大學(xué)陳小龍、關(guān)鍵等人利用該數(shù)據(jù)分析了海雜波和目標(biāo)信號(hào)的稀疏特性，并驗(yàn)證了基于短時(shí)稀疏時(shí)頻分布的目標(biāo)檢測方法的有效性[28]。

圖6 典型幅度分布擬合結(jié)果Fig.6 Typical amplitude distribution fitting results

2.3 DSTO岸基海雜波測量試驗(yàn)

DSTO在1998年—2013年期間，先后公開發(fā)布了15份海雜波方面的技術(shù)報(bào)告，其中共涉及5次、3個(gè)波段(L, S和X波段)的岸基和機(jī)載海雜波測量試驗(yàn)，這些試驗(yàn)及相關(guān)研究成果有效支撐了武器裝備的發(fā)展或升級(jí)計(jì)劃。在文獻(xiàn)[6]中，已經(jīng)從海雜波特性分析與建模層面對(duì)DSTO報(bào)告的研究內(nèi)容進(jìn)行了簡要梳理匯總，包括均值散射系數(shù)、幅度分布特性、時(shí)/空相關(guān)性、多普勒譜特性等多個(gè)方面。本文進(jìn)一步從測量試驗(yàn)的角度對(duì)DSTO的主要工作進(jìn)行梳理，其中，本部分主要關(guān)注3次岸基試驗(yàn)，機(jī)載試驗(yàn)情況在下一部分給出。

2.3.1 X波段Ingara雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)

Ingara雷達(dá)是由DSTO研制的HH極化、相參體制多功能雷達(dá)，其主要功能是作為一個(gè)技術(shù)演示平臺(tái)，調(diào)查和演示以SAR為主導(dǎo)的監(jiān)視系統(tǒng)在應(yīng)用時(shí)所面臨的挑戰(zhàn)，應(yīng)用場所是北澳大利亞海岸線上人口稀少的地區(qū)[9]。

Ingara雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)在1993年11月開展，試驗(yàn)地點(diǎn)在南澳大利亞Noarlunga港南部，雷達(dá)工作頻率為9.375 GHz。雷達(dá)架設(shè)在海面上方約30 m的懸崖頂上，大多數(shù)數(shù)據(jù)文件的測量時(shí)間保持在30 s量級(jí)，相鄰測量數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的方位角存在15°跳變，方位角覆蓋范圍為210°～345°。采樣率為50 MHz，量化位數(shù)為4位。試驗(yàn)時(shí)還記錄了風(fēng)速/風(fēng)向、氣溫、海水溫度、相對(duì)濕度等輔助數(shù)據(jù)，而海浪參數(shù)(如浪高/浪向、涌浪周期等)未見記錄。

2.3.2 S波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)

為支撐澳洲反艦導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的升級(jí)項(xiàng)目，2006年11月，DSTO在距離Adelaide西南方約110 km的袋鼠島(Kangaroo Island)海域開展了S波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)，試驗(yàn)代號(hào)為KI2006[10]。

試驗(yàn)雷達(dá)由DSTO設(shè)計(jì)和生產(chǎn)，主要采用商業(yè)化模塊組裝而成，并安裝在貨車上，雷達(dá)天線和各分系統(tǒng)如圖7所示。該雷達(dá)為全相參體制，脈寬、PRF、帶寬等參數(shù)均可調(diào)。在表4中，給出了試驗(yàn)雷達(dá)的主要性能參數(shù)。

測量試驗(yàn)共持續(xù)4天，在多種條件下，采集了超過100組有效數(shù)據(jù)。在試驗(yàn)時(shí)，盡可能滿足以下3種條件：①海況盡可能高；②方位角盡可能多；③風(fēng)向和風(fēng)強(qiáng)度變化范圍盡可能多。試驗(yàn)期間共選擇了4處不同的場地(在圖8中，用紅色方塊標(biāo)注了其中的3處)，目的在于提供偏離正北方向約100°～200°范圍的方位角。試驗(yàn)場地海拔高度介于50～90 m之間，其經(jīng)/緯度、海拔高度、與波浪浮標(biāo)的距離等信息都做了完整記錄。

圖7 S波段雷達(dá)天線及分系統(tǒng)Fig.7 S-band radar antenna and sub-systems

表4 S波段雷達(dá)主要性能參數(shù)Tab.4 Specifications of the S-band radar system

圖8 袋鼠島的3處試驗(yàn)場地Fig.8 Locations of three sites on the Kangaroo Island

在每個(gè)試驗(yàn)場地開展試驗(yàn)時(shí)，均采用了一系列類似的配置參數(shù)，包括方位角(以5°或10°遞增)、極化(發(fā)射水平或垂直極化脈沖、接收兩種極化數(shù)據(jù))等。90%以上的發(fā)射脈沖都采用了20 μs的脈寬、340 μs的PRF，以及5 MHz或10 MHz帶寬的線性調(diào)頻信號(hào)。接收機(jī)大多采用最大增益，導(dǎo)致采集數(shù)據(jù)在6 ～8 km距離范圍內(nèi)經(jīng)常出現(xiàn)飽和現(xiàn)象。采集時(shí)間范圍在1～120 s之間，受存儲(chǔ)空間的限制，大部分為15 s或30 s。除雷達(dá)參數(shù)外，試驗(yàn)場地的氣象參數(shù)和波浪浮標(biāo)參數(shù)也同步記錄，其中，風(fēng)速通常介于5 ～10 m/s之間，浪高最高為3.5 m，對(duì)應(yīng)的海況約為3～4級(jí)。

2.3.3 L波段XPAR雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)

XPAR是由澳大利亞電子戰(zhàn)微波雷達(dá)分部和DSTO雷達(dá)分部聯(lián)合研制的L波段、16通道、VV極化純接收雷達(dá)陣列，以支持反艦導(dǎo)彈防御計(jì)劃(代號(hào)為SEA1448)。

2008年5月12日—2008年5月17日，在發(fā)射機(jī)協(xié)同配合下開展了首次海雜波測量試驗(yàn)，試驗(yàn)地點(diǎn)仍然在袋鼠島附近海域。在表5中，給出了XPAR和發(fā)射機(jī)的主要性能參數(shù)，在圖9中，給出了XPAR雷達(dá)外場試驗(yàn)場景的圖片[11]。為保證測量數(shù)據(jù)的有效性，在每次試驗(yàn)時(shí)都對(duì)接收陣列進(jìn)行了校準(zhǔn)。

試驗(yàn)期間，記錄了試驗(yàn)海域的天氣和海面信息。氣象參數(shù)由DSTO的便攜式氣象站提供，它放置在雷達(dá)附近，同時(shí)，也應(yīng)用了Bureau Of Meteorology(BOM)氣象站(距離試驗(yàn)場地約35 km)提供的記錄數(shù)據(jù)。海浪參數(shù)由部署在測試海域的定向浮標(biāo)進(jìn)行記錄。在表6中，分別給出了兩組典型數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)的氣象和波浪參數(shù)。

表5 XPAR和發(fā)射機(jī)的主要性能參數(shù)Tab.5 Specifications of the XPAR and transmitter

圖9 L波段雷達(dá)系統(tǒng)(多通道)Fig.9 L-band radar system (Multi-channel)

表6 記錄的氣象和波浪參數(shù)Tab.6 Recorded weather and wave parameters

2.4 NRL海雜波測量試驗(yàn)

1994年8月—1994年12月，NRL聯(lián)合海軍空戰(zhàn)中心(Naval Air Warfare Center, NAWC)的中國湖基地(China Lake, CL)、約翰霍普金斯大學(xué)應(yīng)用物理實(shí)驗(yàn)室(JHU/APL)和TI儀器，在夏威夷考艾島開展了多次海雜波測量試驗(yàn)，該試驗(yàn)是先進(jìn)雷達(dá)潛望鏡探測與識(shí)別(Advanced Radar Periscope Detection and Discrimination, ARPDD)項(xiàng)目的重要組成部分，試驗(yàn)時(shí)重點(diǎn)關(guān)注高PRF和小擦地角條件[12]。

試驗(yàn)系統(tǒng)是NRL的增強(qiáng)版APS-137雷達(dá)，主要雷達(dá)參數(shù)如表7所示。由于改變極化方式需要調(diào)整饋電角，因此每次數(shù)據(jù)采集都采用單一極化，典型采樣時(shí)長介于1200 ～1500 s之間。

測量數(shù)據(jù)主要由3種主要的特征參數(shù)描述，第1種是擦地角。試驗(yàn)場地之一位于Lihue機(jī)場，天線架設(shè)高度距離平均海平面約23 m，在VV/HH極化條件下，波門中心與雷達(dá)的直線距離分別為5.74 km和6.11 km，對(duì)應(yīng)的擦地角分別為0.23°和0.22°。另一處試驗(yàn)場地位于Makaha山脊，天線架設(shè)高度距離平均海平面約460 m，對(duì)應(yīng)的最小和最大擦地角分別為0.83°和2.63°。第2種描述參數(shù)是相對(duì)幾何位置，由雷達(dá)波束方向和風(fēng)向決定。總地來看，在Lihue機(jī)場，主要以逆風(fēng)向和側(cè)風(fēng)向?yàn)橹鳎逷RF試驗(yàn)期間，最小和最大的波束指向分別為37°和159°，而最小和最大風(fēng)向分別為39°和99°(均為相對(duì)于正北的方向)。風(fēng)速范圍為5～12.3 m/s，有效波高范圍為1.5～3.2 m，對(duì)應(yīng)的海況覆蓋范圍為2～5級(jí)，其中，3～4級(jí)海況較為常見。在較高海況條件下，雷達(dá)觀測海域?qū)?huì)明顯出現(xiàn)白浪和波浪破碎現(xiàn)象。第3種描述參數(shù)是極化，受試驗(yàn)系統(tǒng)限制，不能同時(shí)采集兩種極化的數(shù)據(jù)，但在試驗(yàn)期間，在較短的時(shí)間間隔內(nèi)(約6 h)對(duì)近似相同條件下的不同極化數(shù)據(jù)都進(jìn)行了采集，以便于對(duì)比分析極化的影響。

表7 X波段雷達(dá)參數(shù)Tab.7 X-band radar parameters

文獻(xiàn)[12]在3種不同的時(shí)間/空間尺度上對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了詳細(xì)分析，統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果表明，海尖峰事件之間存在很大的差異性，且韋布爾分布的擬合效果相對(duì)較好，但是單一的海尖峰事件又與韋布爾分布有所偏離，且不同海尖峰之間具有細(xì)微的差異。在后續(xù)研究中，仍然有待探索對(duì)海尖峰數(shù)據(jù)擬合度較好的統(tǒng)計(jì)分布模型。

2.5 西班牙南海岸Ka波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)

在西班牙國家科學(xué)技術(shù)研究委員會(huì)的支持下，馬德里理工大學(xué)相關(guān)研究人員于2006年在西班牙南海岸利用自研的Ka波段線性調(diào)頻連續(xù)波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave, LFMCW)雷達(dá)，開展了高分辨率、小擦地角海雜波測量試驗(yàn)[13]。該雷達(dá)架設(shè)在海上交通管制塔頂端，高度約為50 m，俯視直布羅陀海峽(如圖10所示)，該架設(shè)位置可以監(jiān)視歐洲海岸線的一個(gè)關(guān)鍵地點(diǎn)，即歐洲和非洲北海岸的自然邊界。

LFMCW雷達(dá)為HH極化、全相參體制，工作頻率在28～30 GHz之間，最大帶寬為2 GHz,PRF最大為3 kHz，波束寬度為3°。雷達(dá)系統(tǒng)照片如圖11所示。該雷達(dá)具有兩大特色，一是采集量程和采集距離波門可通過調(diào)整系統(tǒng)參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，二是波形參數(shù)可現(xiàn)場配置。

在本次試驗(yàn)中，分別在2種距離波門、3種距離分辨率和2種方位角條件下測量了海雜波數(shù)據(jù)，雷達(dá)天線均工作在駐留模式。試驗(yàn)周期為3天，根據(jù)當(dāng)?shù)貧庀笳咎峁┑男畔?，試?yàn)期間的海況約為3～4級(jí)。表8給出了主要的雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和試驗(yàn)參數(shù)。需要注意的是，本次試驗(yàn)記錄的海況等級(jí)是根據(jù)Beaufort風(fēng)速等級(jí)推斷得到的。通常情況下，只有在已知持續(xù)時(shí)間(風(fēng)吹過的時(shí)間長度)和風(fēng)量(風(fēng)吹過的海面范圍)的情況下，才能根據(jù)Beaufort風(fēng)速等級(jí)給出可靠的浪高估計(jì)，而試驗(yàn)記錄信息未描述上述參數(shù)，因此，試驗(yàn)記錄的海況等級(jí)并不是嚴(yán)格意義上的Douglas海況。

2.6 UCL單/雙基地雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)

該試驗(yàn)由Hugh Griffiths團(tuán)隊(duì)組織實(shí)施，采用的試驗(yàn)雷達(dá)是由UCL研發(fā)的S波段多基地雷達(dá)系統(tǒng)NetRAD，其主要參數(shù)在表9給出，它具有1套發(fā)射機(jī)和3套接收機(jī)，其中，兩套接收機(jī)部署在遠(yuǎn)離發(fā)射機(jī)的位置，根據(jù)節(jié)點(diǎn)配置可開展單基地、多基地海雜波測量試驗(yàn)。接收機(jī)節(jié)點(diǎn)采用南非開普頓大學(xué)(University of Cape Town, UCT)研發(fā)的GPS馴服晶振(GPS Disciplined Oscillators, GPSDO)進(jìn)行無線同步[19—23]。

圖10 架設(shè)位置和觀測方位角Fig.10 Location of the deployment site and azimuth angles

圖11 LFMCW雷達(dá)系統(tǒng)Fig.11 LFMCW radar system

表8 LFMCW雷達(dá)參數(shù)和試驗(yàn)參數(shù)Tab.8 LFMCW radar and experimental parameters

表9 NetRAD系統(tǒng)參數(shù)Tab.9 NetRAD system parameters

利用該試驗(yàn)系統(tǒng)，UCL和UCT科研團(tuán)隊(duì)先后在2010年10月和2011年6月聯(lián)合開展了兩次海雜波測量試驗(yàn)，試驗(yàn)期間的海洋環(huán)境信息均由試驗(yàn)場地附近的氣象站提供。

2010年試驗(yàn)時(shí)，采用了兩個(gè)接收機(jī)節(jié)點(diǎn)，同時(shí)采集了單基地和雙基地條件下的海雜波數(shù)據(jù)，其中，單基地節(jié)點(diǎn)和雙基地節(jié)點(diǎn)的接收機(jī)架設(shè)高度分別為12 m和10 m，通過調(diào)整天線波束指向使其在不同雙基地距離上交匯。試驗(yàn)共測量了5種不同雙基地角條件下的數(shù)據(jù)，分別是15°, 30°, 60°, 90°和120°，極化方式為同極化(HH和VV極化)和交叉極化(HV極化)，擦地角范圍為0.8°～2.3°。在低海況試驗(yàn)時(shí)，基線長度為416 m，風(fēng)速約為3.1 m/s，海況約為2級(jí)；在高海況時(shí)，基線長度為1827 m，風(fēng)速約為10.18～12.3 m/s，海況約為4～5級(jí)[20]。利用該數(shù)據(jù)，重點(diǎn)對(duì)海雜波的均值散射系數(shù)、幅度分布和多普勒譜特性進(jìn)行了分析，并闡明了雙基地雷達(dá)系統(tǒng)在抑制海尖峰方面的優(yōu)勢。

2011年試驗(yàn)時(shí)，參數(shù)集合更加多樣化，包括雙基地幾何配置參數(shù)、海況、極化等，其中，最顯著的特點(diǎn)在于本次試驗(yàn)同時(shí)采用了3個(gè)接收機(jī)節(jié)點(diǎn)，這就可以同時(shí)采集同極化和交叉極化條件下的雙基地海雜波數(shù)據(jù)，以便于比較不同極化條件下海雜波特性的差異。每次測量時(shí)，雙基地角在60°～120°之間，按照5°～15°步進(jìn)的形式得到7組數(shù)據(jù)，如此重復(fù)3次，共得到了21組測量數(shù)據(jù)，這就允許對(duì)不同雙基地角條件下海雜波特性的差異進(jìn)行更加精細(xì)化的分析。擦地角范圍為0.7°～1.12°。試驗(yàn)期間，風(fēng)速約為8～9 m/s，浪高約為2 m，海況約為4級(jí)，這些參數(shù)在試驗(yàn)期間基本保持不變[23]。本次試驗(yàn)數(shù)據(jù)更加有助于理解海雜波隨多種因素影響而表現(xiàn)出的差異性，以便于設(shè)計(jì)和應(yīng)用更加有效的雙基地雷達(dá)系統(tǒng)和目標(biāo)檢測方法，以有效改善海上低可觀測目標(biāo)(如漁船或潛望鏡等)的檢測性能。

3 機(jī)載雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)

在機(jī)載條件下，受照射面積差異、平臺(tái)運(yùn)動(dòng)、平臺(tái)高度等多種因素的影響，海雜波特性及模型與岸基固定平臺(tái)相比有很大差異，開展試驗(yàn)、獲取試驗(yàn)數(shù)據(jù)的難度也明顯變大，且機(jī)載平臺(tái)無法以波束駐留模式對(duì)同一片海域進(jìn)行長時(shí)間觀測，因此數(shù)據(jù)時(shí)長有限，在處理分析時(shí)為保證統(tǒng)計(jì)準(zhǔn)確性通常需要對(duì)不同方位角、不同距離單元的數(shù)據(jù)聯(lián)合處理。公開文獻(xiàn)中記錄的機(jī)載雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)同樣有很多，其中，試驗(yàn)過程記錄較為完整的幾次試驗(yàn)分別是：美國NRL的機(jī)載四頻率(分別為UHF, L,C和X波段)雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)[3,29]、美國山頂計(jì)劃和多通道機(jī)載雷達(dá)測量(Multi-Channel Airborne Radar Measurements, MCARM)計(jì)劃[30—32]、加拿大利頓系統(tǒng)有限公司(Litton Systems Canada Limited, LSCL, 現(xiàn)為Northrop Grumman公司的子公司)的X波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)[33,34]、DSTO的X波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)[35,36]、加拿大國防研究與發(fā)展部(Defence Research and Development Canada, DRDC)的X波段寬帶試驗(yàn)機(jī)載雷達(dá)(X-band Wideband Experimental Airborne Radar,XWEAR)海雜波測量試驗(yàn)[37,38]、德國弗勞恩霍夫高頻物理與雷達(dá)技術(shù)研究所(Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques,FHR)的相控陣多功能成像雷達(dá)(Phased-Array Multifunctional Imaging Radar, PAMIR)海雜波測量試驗(yàn)[39—41]。

3.1 NRL的機(jī)載四頻率雷達(dá)海雜波測量

在20世紀(jì)60年代后期，NRL開展了機(jī)載四頻率雷達(dá)(4FR雷達(dá))海雜波測量試驗(yàn)，首次在如此寬的雷達(dá)頻率范圍內(nèi)采集了機(jī)載雷達(dá)海雜波數(shù)據(jù)，該數(shù)據(jù)在歷史上也是獨(dú)一無二的。在試驗(yàn)中，采用UHF波段(428 MHz)、L波段(1228 MHz)、C波段(4455 MHz)和X波段(8910 MHz)雷達(dá)，分別在HH/VV極化條件下，對(duì)順風(fēng)、逆風(fēng)和側(cè)風(fēng)的海雜波進(jìn)行了測量。雷達(dá)系統(tǒng)用標(biāo)準(zhǔn)金屬球做了校準(zhǔn)，用測量船只記錄了觀測海域的風(fēng)速和浪高。試驗(yàn)數(shù)據(jù)覆蓋的風(fēng)速范圍為2.57～25.7 m/s，擦地角為5°～90°[29]。利用該數(shù)據(jù)，研究人員系統(tǒng)梳理了海雜波與擦地角、頻率、極化和風(fēng)速/風(fēng)向等因素的依賴關(guān)系，并與Masuko等機(jī)載測量結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比分析。

4FR雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)的詳細(xì)試驗(yàn)過程及參數(shù)在技術(shù)報(bào)告[29]中均有記錄，在《雷達(dá)手冊(cè)》中，對(duì)主要的分析結(jié)論和圖表進(jìn)行了歸納梳理[3]。圖12給出了平均風(fēng)速(約7.72 m/s)條件下，較為典型的海雜波特性一般趨勢曲線，其中，L, C和X波段數(shù)據(jù)的功率水平變化不超出± 5 dB?？梢钥闯?，交叉極化對(duì)海雜波具有明顯的抑制作用；隨擦地角(即入射余角)的增加，海雜波功率水平明顯增大，80°擦地角比10°時(shí)高出30 dB以上；在擦地角小于60°時(shí)，VV極化海雜波功率水平高于HH極化，最大差異接近8 dB。更多分析結(jié)論和趨勢曲線可查閱上述兩篇文獻(xiàn)，這里不再贅述。

圖12 海雜波特性一般趨勢曲線Fig.12 General trend curves of sea clutter property

3.2 美國山頂計(jì)劃

20世紀(jì)90年代，美國海軍與國防部高級(jí)研究計(jì)劃署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)簽署協(xié)議，由DARPA牽頭實(shí)施了山頂計(jì)劃(MountainTop Program)，以研究下一代機(jī)載預(yù)警(Airborne Early Warning, AEW)雷達(dá)所需的先進(jìn)信號(hào)處理及其它相關(guān)技術(shù)。1993年前后，先后在新墨西哥州白沙導(dǎo)彈靶場(White Sands Missile Range, WSMR)，以及夏威夷太平洋試驗(yàn)區(qū)(Pacific Missile Range Facility, PMRF)的幾個(gè)山頂開展了數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，其中，海雜波數(shù)據(jù)是測量數(shù)據(jù)集的一部分[30]。

該試驗(yàn)并非真正意義上的機(jī)載海雜波測量，但是卻提供了一個(gè)由固定平臺(tái)轉(zhuǎn)機(jī)載平臺(tái)海雜波的有效途徑，其核心技術(shù)是逆相位中心偏置天線(Inverse Displaced Phase Center Array, IDPCA)的應(yīng)用。利用IDPCA，可以在固定平臺(tái)上產(chǎn)生出與機(jī)載平臺(tái)具有相同時(shí)空特性的雜波數(shù)據(jù)。試驗(yàn)時(shí)收發(fā)天線分離，發(fā)射天線采用專門設(shè)計(jì)的IDPCA，用于模仿從飛行平臺(tái)上發(fā)射波束，它由16個(gè)子陣構(gòu)成等效線陣，線陣軸線與水平面平行，發(fā)射信號(hào)頻率為450 MHz。工作時(shí)每個(gè)子陣沿線陣軸線方向交替發(fā)射，由此接收到的回波就具備了運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的特征。接收天線由RSTER(Radar Surveillance Technology Experimental Radar)負(fù)責(zé)，它是一部UHF波段雷達(dá)，最初設(shè)計(jì)為空域搜索雷達(dá)，由DARPA在1992年12月份購買以支持山頂計(jì)劃，雷達(dá)天線由14個(gè)等效陣元組成，寬5 m，高10 m, HH極化，每個(gè)陣列都有獨(dú)立的相位調(diào)整器、發(fā)射器和接收器，每個(gè)相干處理間隔(Coherent Processing Interval,CPI)有16個(gè)脈沖。RSTER系統(tǒng)參數(shù)如表10所示。RSTER還同時(shí)負(fù)責(zé)接收回波的信號(hào)處理。

在1993年早期的試驗(yàn)中，RSTER部署在WSMR的North Oscura Peak(NOP), NOP位于WSMR的東南角，高出海平面約2438 m，高出沙漠平面約1066 m。該場地可以提供360°的視野，視線方向的地貌特征包括沙漠、無遮擋和樹木茂密的小山、山峰和城郊區(qū)域等。

1994年10月開展的試驗(yàn)中，RSTER部署在PMRF的Makaha山脊上，高出海平面約457 m，并且與Niihau島(一個(gè)臨島)以及下方的海域之間在視野上無遮擋。該場地非常適合研究海上AEW雷達(dá)的相關(guān)問題，包括海面艦艇、掠海飛行的無人機(jī)等一系列海上目標(biāo)的檢測問題。

山頂計(jì)劃采集的數(shù)據(jù)主要用來支持空時(shí)自適應(yīng)處理(Space-Time Adaptive Processing, STAP)的評(píng)估和單/多基地散射特性分析和建模研究。采集的部分?jǐn)?shù)據(jù)保存在CREST(Common Research Environment for STAP)的主機(jī)中，位于Maui高性能計(jì)算中心(Maui High Performance Computing Center, MHPCC)，并由Rome實(shí)驗(yàn)室提供數(shù)據(jù)維護(hù)方面的技術(shù)支持。CREST數(shù)據(jù)庫的訪問網(wǎng)址為http://www.crest.mhpcc.edu，在國內(nèi)，由于IP地址權(quán)限問題，暫無法訪問該鏈接。

表10 RSTER系統(tǒng)參數(shù)Tab.10 RSTER system parameters

3.3 美國MCARM計(jì)劃

1995—1996年，美國空軍研究實(shí)驗(yàn)室(Air Force Research Lab, AFRL)及Northrop Grumman公司合作開展了L波段MCARM計(jì)劃。該計(jì)劃采用有源孔徑和多中頻接收機(jī)采集多通道雜波數(shù)據(jù)，載機(jī)為英國航空航天公司(British Aerospace Corporation,BAC)的1-11飛機(jī)。試驗(yàn)采集的雜波數(shù)據(jù)除海雜波、陸海交界雜波之外，還包括陸地、城區(qū)等典型地物雜波，這些數(shù)據(jù)為機(jī)載雷達(dá)信號(hào)處理(尤其是STAP技術(shù))研究提供了有力的數(shù)據(jù)支撐[31,32]。

表11給出了MCARM計(jì)劃采用的雷達(dá)參數(shù)，其PRF可調(diào)，其中，單基地試驗(yàn)時(shí)可選參數(shù)為0.5 kHz(低PRF)、2 kHz(中PRF)和7 kHz(高PRF)，雙基地試驗(yàn)時(shí)為0.313 kHz和23 kHz，雷達(dá)天線包含16列8行共128個(gè)單元，正側(cè)面天線陣安裝在飛機(jī)前部左側(cè)的雷達(dá)罩內(nèi)。該雷達(dá)共有24路接收通道，其中2路分別接收和波束與方位差波束信號(hào)，其余22路接收22個(gè)子陣的信號(hào)，所有通道數(shù)據(jù)在試驗(yàn)時(shí)都進(jìn)行了采集。在1996年試驗(yàn)時(shí)，還驗(yàn)證了實(shí)時(shí)實(shí)現(xiàn)的STAP處理技術(shù)。

表11 MCARM計(jì)劃的雷達(dá)參數(shù)Tab.11 Radar parameters of the MCARM program

3.4 LSCL機(jī)載海雜波測量試驗(yàn)

為支撐機(jī)載X波段海用監(jiān)視雷達(dá)的目標(biāo)檢測算法改進(jìn)升級(jí)計(jì)劃，加拿大LSCL在1993年利用APS-504(V)5機(jī)載X波段雷達(dá)開展了多個(gè)飛行架次的機(jī)載海雜波測量試驗(yàn)，記錄了大量高分辨率海雜波數(shù)據(jù)[33,34]。該雷達(dá)主要執(zhí)行海上巡邏和搜索任務(wù)，已成功用于漁業(yè)巡邏、海冰和冰山探測、搜索救援、毒品攔截和其它特殊任務(wù)。

在文獻(xiàn)[33,34]中，對(duì)3個(gè)架次的測量試驗(yàn)做了較為全面的描述，并對(duì)高分辨率海雜波的統(tǒng)計(jì)特性、時(shí)/空相關(guān)性(包括距離向和方位向)及其影響因素進(jìn)行了分析，以支撐脈沖積累和掃描間積累處理方法的研究和優(yōu)化。每個(gè)飛行架次持續(xù)約2～3 h，總的數(shù)據(jù)時(shí)長約5.6 h，飛行區(qū)域?yàn)榧~芬蘭島附近的北大西洋上空。由于該區(qū)域沒有放置測波設(shè)備和氣象浮標(biāo)，因此波浪信息缺失，風(fēng)速/風(fēng)向信息由近岸氣象部門提供，并由機(jī)載導(dǎo)航系統(tǒng)計(jì)算得到風(fēng)矢量。3個(gè)架次期間的Beaufort風(fēng)速等級(jí)分別為3級(jí)、6級(jí)和4級(jí)，如果是充分發(fā)展的海面，對(duì)應(yīng)的海況等級(jí)將分別是2級(jí)、5級(jí)和3級(jí)(實(shí)際上未被證實(shí))。在所有的飛行中都存在低空的云，因此采集數(shù)據(jù)中包含了一些云雨雜波，然而，大多數(shù)數(shù)據(jù)在采集時(shí)都刻意避開了這些區(qū)域。

3個(gè)架次的飛行共采集了超過500組有效數(shù)據(jù)，每組包括約8000個(gè)樣本點(diǎn)，量化位數(shù)為8位。發(fā)射脈寬為32 ns，采樣率為70 MHz，采樣點(diǎn)之間的距離間隔為2.14 m，大多數(shù)數(shù)據(jù)的PRF約為1250 Hz。一個(gè)波束內(nèi)的脈沖數(shù)根據(jù)雷達(dá)工作模式而變化，對(duì)于將近70%的數(shù)據(jù)，脈沖數(shù)是15個(gè)或更多(最多21個(gè))，其余小于10個(gè)。在所有架次的測量試驗(yàn)中，雷達(dá)都沒有開啟靈敏度時(shí)間控制(Sensitivity Time Control, STC)功能，且?guī)缀?7%的數(shù)據(jù)都是在頻率捷變模式下采集的。雜噪比(Clutter to Noise Ratio, CNR)高于10 dB的數(shù)據(jù)組數(shù)占比約30%，最高時(shí)可達(dá)33 dB。試驗(yàn)時(shí)還專門采集了逆風(fēng)、側(cè)風(fēng)和順風(fēng)條件下的數(shù)據(jù)，占比約為20%。擦地角平均為1.56°，其中，80%為2.1°或更小。表12給出了該試驗(yàn)的主要參數(shù)。

通過上述數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)分析，研究人員發(fā)現(xiàn)，對(duì)數(shù)正態(tài)分布能擬合所有風(fēng)向時(shí)的海雜波數(shù)據(jù)，韋布爾和K分布分別更適合側(cè)風(fēng)和逆風(fēng)的情況。就時(shí)間相關(guān)性而言，海雜波和海尖峰的平均相關(guān)時(shí)間分別為8 ms和14 ms(或者更長)，對(duì)于功率水平較高且尖銳的海雜波，采用頻率捷變后可以顯著降低脈沖之間的相關(guān)性，但是不能完全去除。

表12 LSCL試驗(yàn)的主要參數(shù)Tab.12 Main parameters of the LSCL experiment

3.5 DSTO機(jī)載海雜波測量試驗(yàn)

在1999年、2004年和2006年，DSTO分別開展了3次X波段機(jī)載雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)，并在編號(hào)為DSTO-TR-1236(2001年發(fā)布)[35]、DSTO-TR-1818(2006年發(fā)布)[36]的技術(shù)報(bào)告中和文獻(xiàn)[42,43]詳細(xì)記錄了試驗(yàn)過程和數(shù)據(jù)分析結(jié)果，其中，后兩次試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)為中等以上擦地角海雜波(試驗(yàn)代碼為SCT04)，這類數(shù)據(jù)的特性分析結(jié)果在公開文獻(xiàn)中較為罕見。下面重點(diǎn)圍繞試驗(yàn)情況進(jìn)行簡要總結(jié)。

3.5.1 1999年試驗(yàn)情況

本次試驗(yàn)的背景是澳大利亞軍方的P-3C裝備升級(jí)計(jì)劃(AIR5276計(jì)劃)，即，將已有的機(jī)載AN/APS-115雷達(dá)升級(jí)為以色列研制的Elta EL/M 2022A(V)3海上監(jiān)視雷達(dá)，該新型雷達(dá)可大幅度提高P-3C的目標(biāo)檢測和跟蹤性能，并采用高分辨率距離像和SAR成像兩種模式使其兼具目標(biāo)分類能力。為了對(duì)該雷達(dá)在澳大利亞周邊海域的工作性能進(jìn)行系統(tǒng)全面的評(píng)估，DSTO啟動(dòng)了代號(hào)為ESRL 38/97的海雜波測量計(jì)劃，主要目的是采用與Elta EL/M 2022A(V)3雷達(dá)系統(tǒng)反潛作戰(zhàn)模式具有近似參數(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)采集海雜波數(shù)據(jù)，形成數(shù)據(jù)庫，并依據(jù)數(shù)據(jù)分析結(jié)果選擇合理的海雜波模型，以支撐新雷達(dá)的性能預(yù)測和評(píng)估工作[35]。

該試驗(yàn)于1999年2月在澳大利亞北部地區(qū)的海岸線附近開展，共持續(xù)3天，試驗(yàn)雷達(dá)為Ingara機(jī)載雷達(dá)，VV極化，載機(jī)平臺(tái)為租用軍方的Beech King Air 350飛機(jī)。與1993年的岸基試驗(yàn)相比，Ingara雷達(dá)在性能上有了大幅升級(jí)，如采樣頻率和采樣位數(shù)分別升級(jí)到了100 MHz和8位。試驗(yàn)期間雷達(dá)工作在凝視模式，即天線方位角與載機(jī)飛行路徑之間的夾角保持固定(本次試驗(yàn)固定在90°)。在表13中，對(duì)主要的試驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行了匯總，試驗(yàn)海域沒有放置波浪浮標(biāo)，所記錄的海洋環(huán)境參數(shù)是由Savage漁船和飛機(jī)觀測結(jié)果估計(jì)得到的。

本次試驗(yàn)共飛行8個(gè)架次，采集了9組數(shù)據(jù)，對(duì)應(yīng)不同的飛行軌跡和觀測方位角(如圖13所示)，其目的在于從不同的角度觀察海面的涌浪并記錄不同視角下的海雜波數(shù)據(jù)，以研究二者的相互依賴關(guān)系。載機(jī)飛行高度均為182 m左右，每組數(shù)據(jù)的采集脈沖數(shù)都達(dá)到90000個(gè)以上，可以保證統(tǒng)計(jì)分析結(jié)果的準(zhǔn)確性，脈壓后的距離采樣點(diǎn)均為3297個(gè)。試驗(yàn)數(shù)據(jù)經(jīng)預(yù)處理后，分別從幅度分布、相關(guān)性、多普勒譜等方面進(jìn)行了較為系統(tǒng)性的統(tǒng)計(jì)分析。

3.5.2 2004年和2006年試驗(yàn)情況

2004年試驗(yàn)重點(diǎn)關(guān)注大擦地角條件下的海雜波特性及建模問題，擦地角范圍為45°～80°，由于散射機(jī)理存在差異，因此小擦地角海雜波特性分析結(jié)論和模型在該條件下未必適用。

本次試驗(yàn)的目的是為澳大利亞政府的“空中7000”(Air 7000)多任務(wù)海上高空長航時(shí)(High-Altitude Long Endurance, HALE)無人機(jī)(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)采購計(jì)劃提供支持，即利用試驗(yàn)測量得到的海面回波數(shù)據(jù)，研究大擦地角海雜波和目標(biāo)特征，從而更好地評(píng)估雷達(dá)性能，以降低裝備采購決策中的風(fēng)險(xiǎn)[36]。試驗(yàn)雷達(dá)同樣采用Ingara系統(tǒng)，典型試驗(yàn)參數(shù)在表14中給出。

表13 雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)和海洋環(huán)境參數(shù)Tab.13 Radar system and environmental parameters

圖13 采集海雜波時(shí)的飛行軌跡Fig.13 Flight tracks for collection of sea clutter

表14 典型試驗(yàn)參數(shù)Tab.14 Typical experimental parameters

試驗(yàn)地點(diǎn)是澳大利亞林肯港(Port Lincoln)以南約100 km處的海域，該位置位于澳大利亞大陸架邊緣。試驗(yàn)共持續(xù)18天，采集了不同海洋參數(shù)條件下的海雜波數(shù)據(jù)。試驗(yàn)期間的風(fēng)浪信息由部署在試驗(yàn)海域附近的波浪浮標(biāo)、澳大利亞皇家海軍海洋學(xué)和氣象學(xué)理事會(huì)、當(dāng)?shù)貧庀缶止餐峁?/p>

2006年，在澳大利亞達(dá)爾文(Darwin)附近北部的開闊海域開展了第2次機(jī)載試驗(yàn)，試驗(yàn)實(shí)施方案與2004年類似，但是這次的擦地角范圍為29°～38°，屬于中等擦地角條件下的海雜波測量試驗(yàn)[42,43]。兩次試驗(yàn)時(shí)，Ingara雷達(dá)均工作在聚束模式，飛機(jī)以逆時(shí)針方向繞指定的感興趣點(diǎn)飛行，雷達(dá)波束始終指向該點(diǎn)。雷達(dá)平臺(tái)每天至少圍繞同一海域飛行6個(gè)完整的批次，以覆蓋感興趣的中等擦地角范圍。

在隨后發(fā)布的多篇技術(shù)報(bào)告和發(fā)表的公開論文中[44—47]，從多個(gè)方面對(duì)該數(shù)據(jù)進(jìn)行了系統(tǒng)性分析，包括幅度分布特性(重點(diǎn)關(guān)注的是拖尾建模)、距離/方位向的空間相關(guān)性、極化特性、海尖峰特性和多普勒譜特性等，得到了適用于中等以上擦地角海雜波的特性分析結(jié)論，建立了統(tǒng)計(jì)分布模型、短時(shí)多普勒譜模型等理論模型，并給出了典型的模型參數(shù)取值。在需要類似參數(shù)條件下的海雜波特性規(guī)律且尚不具備試驗(yàn)條件的情況下，可參考借鑒相關(guān)研究結(jié)論。

3.6 DRDC和FHR機(jī)載海雜波測量試驗(yàn)

在2008年和2009年，加拿大DRDC和德國FHR分別利用XWEAR和PAMIR兩型試驗(yàn)雷達(dá)開展了中等擦地角(7°～28°)條件下的海雜波測量，以便于為HALE和中高空長航時(shí)(Middle-Altitude Long Endurance, MALE) UAV平臺(tái)的雷達(dá)海上目標(biāo)檢測方法研究提供支撐[37]。

XWEAR主要用于支撐SAR, ISAR, GMTI雷達(dá)和海上監(jiān)視雷達(dá)的關(guān)鍵技術(shù)研究。該雷達(dá)采用專為AN/APS-506海上監(jiān)視雷達(dá)設(shè)計(jì)的數(shù)字掃描轉(zhuǎn)換器，并針對(duì)SAR和GMTI控制模式進(jìn)行了修改，天線伺服和電源也來自AN/APS-506雷達(dá)。該試驗(yàn)雷達(dá)的數(shù)據(jù)采集模式非常靈活，天線轉(zhuǎn)速、掃描扇區(qū)、PRF、距離分辨率等參數(shù)均可進(jìn)行設(shè)置[38]。PAMIR是由FHR設(shè)計(jì)并研制的試驗(yàn)型機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)，可為多項(xiàng)技術(shù)的研發(fā)提供平臺(tái)，如SAR, GMTI信號(hào)處理技術(shù)等，它還可以與AER II系統(tǒng)聯(lián)合應(yīng)用開展機(jī)載雙基地SAR成像試驗(yàn)。該雷達(dá)具備多種操作模式，如斜視條帶SAR、聚束SAR、干涉SAR、掃描MTI和ISAR等[39]。

2008年試驗(yàn)于2008年10月份在加拿大哈利法克斯(Halifax)東海岸開展，雷達(dá)系統(tǒng)采用XWEAR，數(shù)據(jù)采集時(shí)雷達(dá)工作在聚束模式，波束中心指向固定的地理位置(44°30′N, 63°25′W)。飛機(jī)圍繞不同的高度，以100 m/s的速度沿著半徑為15 km的圓形軌跡飛行。試驗(yàn)輔助數(shù)據(jù)(如風(fēng)速/風(fēng)向、有效波高、波浪周期等)從加拿大漁業(yè)和海洋檔案館波浪浮標(biāo)(編號(hào)為44258)中獲取并記錄，典型的有效波高范圍為1.97～2.21 m，對(duì)應(yīng)4級(jí)海況。2009年試驗(yàn)于2009年12月份在德國Helgoland和Wilhelmshaven之間的北海開展，雷達(dá)系統(tǒng)采用PAMIR，工作在掃描MTI條帶模式，并以側(cè)視方式測量海雜波數(shù)據(jù)。載機(jī)分別沿兩條平行且方向相反的路徑飛行，對(duì)應(yīng)逆風(fēng)和順風(fēng)兩種情況。海洋環(huán)境參數(shù)由測風(fēng)裝置、波浪浮標(biāo)和當(dāng)?shù)貧庀蟛块T提供，海況中等，涌浪高度約為0.9～1.5 m。兩次試驗(yàn)期間的參數(shù)在表15中給出。

在圖14中，以瀑布圖的形式給出了XWEAR測量數(shù)據(jù)在不同擦地角條件下的多普勒譜估計(jì)結(jié)果，圖14(a)—圖14(c)依次是7°, 15°和28°擦地角，其中，綠線和藍(lán)線分別對(duì)應(yīng)順浪和逆浪方向，在相同擦地角和方位角時(shí)相鄰曲線之間的時(shí)間間隔約為1 s。虛線是平均多普勒譜，實(shí)線是8點(diǎn)平滑后的結(jié)果，黑色實(shí)線是多普勒譜的歸一化協(xié)方差。從圖中可明顯看出擦地角和浪向?qū)Χ嗥绽兆V的影響，主要體現(xiàn)在譜形狀、平滑度、中心頻率等多個(gè)方面，在文獻(xiàn)[37]中，結(jié)合不同擦地角條件下海雜波形成的物理機(jī)理對(duì)分析結(jié)果進(jìn)行了詳細(xì)解釋。

4 造浪池海雜波測量試驗(yàn)

除外場岸基或機(jī)載試驗(yàn)外，利用造浪池開展海雜波測量試驗(yàn)是另一種重要的海雜波數(shù)據(jù)獲取手段。盡管計(jì)算機(jī)模擬出的水面環(huán)境難以真實(shí)還原實(shí)際的復(fù)雜海洋環(huán)境，但是由于可控因素較多、可重復(fù)性強(qiáng)，因此便于開展系統(tǒng)性的定量分析，在探索不同波浪類型的后向散射機(jī)理及其回波特性、海雜波特性隨不同外界因素的變化趨勢等方面的研究中具有一定的優(yōu)勢。

表15 兩型機(jī)載雷達(dá)系統(tǒng)試驗(yàn)參數(shù)Tab.15 Experimental parameters of two airborne radar systems

圖14 不同擦地角條件下的多普勒譜Fig.14 Doppler spectrum at different grazing angles

在造浪池海雜波測量方面，較有代表性的是美國加利福尼亞大學(xué)圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara, UCSB)海洋工程實(shí)驗(yàn)室(Ocean Engineering Laboratory, OEL)開展的試驗(yàn)，又稱UCSB試驗(yàn)[48—53]。該試驗(yàn)采用的造浪池長53.3 m，寬4.26 m，深2.13 m，并配有風(fēng)洞。風(fēng)洞延伸30.5 m長，其截面為矩形，與造浪池寬度相同，頂端距水平面1.5 m。風(fēng)洞開口端距離雷達(dá)17 m，測試段距離雷達(dá)約40 m。風(fēng)洞產(chǎn)生的風(fēng)力可控，最大風(fēng)速可達(dá)12 m/s，可產(chǎn)生的風(fēng)浪波長在0.1～0.75 m之間。造浪設(shè)備除風(fēng)洞外，還可采用計(jì)算機(jī)控制的機(jī)械式波浪發(fā)生器，它可以產(chǎn)生出更大尺度的波浪或碎浪，波長介于0.6～4 m之間。在造浪池末端配有升降平臺(tái)，可供雷達(dá)系統(tǒng)架設(shè)安裝，通過控制升降平臺(tái)的高度，可以測量不同擦地角條件下的海雜波數(shù)據(jù)。

利用該造浪池已開展了多次海雜波測量試驗(yàn)，配套采用的雷達(dá)系統(tǒng)包括PCR(Pulse-Chirped Radar)、FMCW雷達(dá)和英國的MIDAS(Mobile Instrumented Data Acquisition System)等。PCR是X波段試驗(yàn)雷達(dá)，在8.5～9.6 GHz頻段范圍內(nèi)，有32個(gè)工作頻點(diǎn)，全極化，距離分辨率為13.6 cm。FMCW是C波段試驗(yàn)雷達(dá)，HH/VV雙極化，試驗(yàn)時(shí)雷達(dá)工作頻率和帶寬典型值分別為6 GHz和4 GHz，對(duì)應(yīng)的距離分辨率為3.75 cm。與雷達(dá)同步的水面實(shí)時(shí)影像由高速攝像設(shè)備獲取。MIDAS雷達(dá)為脈沖多普勒體制，帶寬為500 MHz，距離分辨率為30 cm，工作頻率可在3～94 GHz之間設(shè)置，HH/VV雙極化。在試驗(yàn)時(shí)，通過調(diào)整升降平臺(tái)的高度來改變擦地角，共測量了10種不同擦地角條件下的數(shù)據(jù)，覆蓋3°～24°。FMCW和MIDAS雷達(dá)系統(tǒng)的試驗(yàn)參數(shù)在表16中給出。

表16 造浪池試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)主要參數(shù)Tab.16 Main radar system parameters of wave tank experiment

除UCSB試驗(yàn)以外，東京大學(xué)工業(yè)科學(xué)學(xué)院(Institute of Industrial Science, IIS)在2005年利用其海洋工程造浪池也開展了海雜波測量試驗(yàn)[48]。該造浪池長50 m，寬10 m，其波浪產(chǎn)生器擁有32個(gè)獨(dú)立控制的柱塞，可以用來制造多向波，但是在試驗(yàn)時(shí)實(shí)際只用了1個(gè)。造浪池未配置風(fēng)洞，只能利用風(fēng)機(jī)在較短的距離內(nèi)吹向水面使其變得粗糙。雷達(dá)架設(shè)在靠近風(fēng)機(jī)的區(qū)域，照射區(qū)域的中心距離風(fēng)機(jī)10 m，距離波浪產(chǎn)生器18 m。在試驗(yàn)時(shí)同時(shí)采用1個(gè)波線陣列和2個(gè)攝像機(jī)同步記錄了波浪的高程數(shù)據(jù)和波浪影像。試驗(yàn)采用的雷達(dá)類型為連續(xù)波散射計(jì)，散射計(jì)安裝在轉(zhuǎn)臺(tái)上，在方位和俯仰方向都可以轉(zhuǎn)動(dòng)。IIS雷達(dá)系統(tǒng)的主要試驗(yàn)參數(shù)如表16所示。在無風(fēng)或有風(fēng)條件下，一共產(chǎn)生了41種不同類型的波浪，包括規(guī)則波(Regular waves)、孤子波(Solitons)、聚焦波(Focussing waves)和本杰明型(Benjamin-Fier)破碎波等。該試驗(yàn)數(shù)據(jù)有效支撐了海雜波多普勒譜特性及其隨擦地角、方位角之間依賴性的研究。

5 國內(nèi)開展的海雜波測量試驗(yàn)

從公開文獻(xiàn)來看，國內(nèi)眾多研究所、高校等單位在海雜波測量、特性研究與建模、海雜波抑制和目標(biāo)檢測等方面具有豐厚的技術(shù)積累，并且在基礎(chǔ)理論、關(guān)鍵技術(shù)、工程應(yīng)用3個(gè)方面取得了一大批先進(jìn)的創(chuàng)新成果，為有效補(bǔ)齊雷達(dá)裝備短板、提升海上目標(biāo)探測性能奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。這些單位包括中國電科第22所、第38所、第14所等研究所，以及西安電子科技大學(xué)、電子科技大學(xué)、哈爾濱工業(yè)大學(xué)、哈爾濱工程大學(xué)、南京理工大學(xué)、北京理工大學(xué)、大連海事大學(xué)、國防科技大學(xué)、空軍預(yù)警學(xué)院、海軍航空大學(xué)等高校。

在研究時(shí)除采用國外的IPIX數(shù)據(jù)和CSIR數(shù)據(jù)以外，在我國周邊海域開展了多次海雜波測量試驗(yàn)并測量了典型條件下的海雜波和目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。幾次典型的試驗(yàn)和數(shù)據(jù)應(yīng)用基本情況如下。

南京電子研究所趙海云等人[54]利用某X波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，分析了海雜波的幅度分布特性、相關(guān)性和譜特性，并計(jì)算了混沌特征量，驗(yàn)證了海雜波的可預(yù)測性。

空軍預(yù)警學(xué)院劉志高等人[55]利用某S波段兩坐標(biāo)雷達(dá)開展海雜波測量試驗(yàn)，分析了海雜波的幅度分布特性。該雷達(dá)架設(shè)高度為82 m，天線仰角為1.2°，線極化，試驗(yàn)期間天氣晴朗，風(fēng)速較低。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)電子工程技術(shù)研究所利用自研的高頻地波艦載OTH雷達(dá)，在我國黃海海域開展了海雜波和艦船目標(biāo)回波測量試驗(yàn)。雷達(dá)工作頻率為3～7 MHz，發(fā)射功率為1.5 kW，陣元數(shù)為10，接收天線陣列口徑為100 m，積累時(shí)間為100 s。利用測量數(shù)據(jù)，提出了艦載雷達(dá)海雜波的理論與數(shù)學(xué)統(tǒng)計(jì)模型，并對(duì)海雜波相關(guān)性做了統(tǒng)計(jì)分析[56]。

北京理工大學(xué)周超等人利用課題組自研的Ku波段試驗(yàn)雷達(dá)開展了海雜波測量試驗(yàn)。雷達(dá)架設(shè)高度約90 m，波束駐留，觀測約4 km外的海面，擦地角約1.3°，信號(hào)帶寬為100 MHz，方位/俯仰波束寬度分別為5°/7°，風(fēng)速約2～3級(jí)。利用該數(shù)據(jù)對(duì)海雜波統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了分析，并提出了一種降低虛警率的工程處理方法[57]。

國防科技大學(xué)楊俊嶺等人利用某C波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)獲取的數(shù)據(jù)，對(duì)海尖峰統(tǒng)計(jì)特性進(jìn)行了分析和建模，主要試驗(yàn)參數(shù)如表17所示。研究結(jié)果表明，二項(xiàng)分布和泊松分布均可以在低虛警概率下較好描述海尖峰的統(tǒng)計(jì)特性[58]。

表17 C波段雷達(dá)主要試驗(yàn)參數(shù)Tab.17 Main parameters of the C-band radar experiment

西電雷達(dá)信號(hào)處理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室于近幾年利用X波段試驗(yàn)雷達(dá)，在連云港海域開展了海雜波和合作目標(biāo)回波測量試驗(yàn)。雷達(dá)工作頻率為9 GHz, PRF為1 kHz，帶寬為75 MHz，距離分辨率為2 m，方位/俯仰波束寬度分別為2.5°/4°，在每個(gè)波束內(nèi)共發(fā)射3個(gè)非相參脈沖。雷達(dá)架設(shè)高度為100 m，觀測海域與雷達(dá)的距離介于6.5～9.5 km之間，均為小擦地角情況。合作目標(biāo)船包括長度為20 m的漁船和長度為5 m的小木船，漁船拖著木船運(yùn)動(dòng)，對(duì)于2 m分辨率的雷達(dá)而言，它們均是距離擴(kuò)展目標(biāo)。許述文等人[59]利用該數(shù)據(jù)，研究了重拖尾海雜波中雷達(dá)目標(biāo)的非相參檢測方法。

除上述試驗(yàn)外，中國電科第22所電波環(huán)境特性及?；夹g(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室、海軍航空大學(xué)(原海軍航空工程學(xué)院)海上目標(biāo)探測課題組也開展了較為系統(tǒng)性的海雜波測量試驗(yàn)和相關(guān)研究工作，下面分別進(jìn)行簡要介紹。

5.1 中國電科第22所的海雜波測量試驗(yàn)

中國電科第22所是國內(nèi)較早開展海雜波測量試驗(yàn)的科研單位之一。較早的一次試驗(yàn)記錄是1998年6月，利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，在青島近海海域開展了多波段(S, C, X和Ku波段)海雜波測量試驗(yàn)，并同步測量了海水的介電常數(shù)，記錄了海面和環(huán)境的實(shí)況參數(shù)，包括海況、浪向、波高、波周期、風(fēng)速等，并對(duì)測量數(shù)據(jù)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)分析，包括海雜波的多普勒譜、幅度分布、均值散射系數(shù)的變化等[60]。

近年來，隨著試驗(yàn)條件的不斷完善，22所先后開展了P, L和S波段岸基雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)，在不同分辨率、不同海況等多種條件下獲取了海雜波測量數(shù)據(jù)，并圍繞均值散射系數(shù)、幅度分布特性、時(shí)間相關(guān)性等內(nèi)容開展了研究[61—67]。以L波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)為例，在文獻(xiàn)[64]中，對(duì)本次試驗(yàn)做了較為詳細(xì)的說明。雷達(dá)架設(shè)于青島市海拔100 m的岸基平臺(tái)上，面向方位201°觀測黃海海域，觀測的擦地角范圍為1.5°～6.5°，試驗(yàn)時(shí)同步記錄了有效波高、風(fēng)速、風(fēng)向和波向，如圖15所示，可以看出，最大波高為1.6 m，最大風(fēng)速為11.1 m/s，最高海況達(dá)4～5級(jí)?；谠摂?shù)據(jù)提出了兩分量高斯模型，在描述海雜波幅度均值散射系數(shù)隨風(fēng)速的變化關(guān)系上優(yōu)于國外已有模型，表明在L波段，新模型更加適合我國黃海海域，可為雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)和雷達(dá)海雜波預(yù)測提供技術(shù)支撐。

5.2 海軍航空大學(xué)的海雜波測量試驗(yàn)

海軍航空大學(xué)海上目標(biāo)探測課題組從“十五”開始開展海雜波特性、海上目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)研究，歷經(jīng)10余年的條件建設(shè)和技術(shù)積累，在海雜波采集、分析、建模與抑制，海上目標(biāo)特性分析、建模與特征提取，海上目標(biāo)檢測、跟蹤與識(shí)別，對(duì)海雷達(dá)探測新機(jī)理、新方法，雷達(dá)海上目標(biāo)探測試驗(yàn)與評(píng)估分析等方面取得了一定的成果[68—80]。

圖15 試驗(yàn)時(shí)的海洋環(huán)境參數(shù)Fig.15 Sea environmental parameters during experiment

課題組利用瀕海的有利條件，建設(shè)了海上目標(biāo)探測實(shí)驗(yàn)室。實(shí)驗(yàn)室位于山東煙臺(tái)，緊靠大海，地理位置優(yōu)越，周邊區(qū)域的海面和空中航道密集，水面船只和空中目標(biāo)眾多。實(shí)驗(yàn)室擁有多型試驗(yàn)雷達(dá)，以及AIS、ADS-B、氣象儀、羅經(jīng)、GPS、激光測距儀、波浪浮標(biāo)、多型標(biāo)準(zhǔn)反射體、帆船、橡皮艇等試驗(yàn)輔助設(shè)施，具備長期、系統(tǒng)開展雷達(dá)海上目標(biāo)探測試驗(yàn)的能力。為配合數(shù)據(jù)采集需要，課題組研發(fā)了多套高速數(shù)據(jù)采集系統(tǒng)，搭建了數(shù)據(jù)庫服務(wù)器，開發(fā)了配套的數(shù)據(jù)庫管理軟件，制定了雷達(dá)數(shù)據(jù)采集和入庫規(guī)范，所記錄的信息包括海雜波數(shù)據(jù)、目標(biāo)數(shù)據(jù)、天氣狀況信息、海面狀況信息、AIS數(shù)據(jù)、紅外數(shù)據(jù)等。目前，已采集并入庫管理的雷達(dá)海雜波和目標(biāo)回波數(shù)據(jù)覆蓋不同平臺(tái)、海況(低、中、高海況)、波段、極化、擦地角(最低小于1°，最大可達(dá)70°)、目標(biāo)類型(包括多型海面目標(biāo)和低空飛行目標(biāo))，有效數(shù)據(jù)量達(dá)20 TB以上。

利用實(shí)驗(yàn)室提供的有利條件，課題組近些年在海上目標(biāo)探測技術(shù)方向積累了多項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)，包括：非高斯、非平穩(wěn)、非線性條件下的海雜波特性認(rèn)知新方法，復(fù)雜非均勻背景下的CFAR檢測技術(shù)，分?jǐn)?shù)階傅里葉域處理技術(shù)，分形處理技術(shù)，多目標(biāo)檢測前跟蹤技術(shù)，工程應(yīng)用技術(shù)等。目前主攻方向?yàn)槔走_(dá)精細(xì)化信號(hào)處理和智能化處理方面的理論研究和工程應(yīng)用轉(zhuǎn)化工作。

6 海上目標(biāo)探測試驗(yàn)中心建設(shè)情況

目前，國內(nèi)很多單位在開展對(duì)海探測試驗(yàn)時(shí)，大多以選擇臨時(shí)場地為主，存在試驗(yàn)人員保障難、輔助設(shè)施不配套、雷達(dá)設(shè)備安全保障不到位等問題。因此，迫切需要建設(shè)海上目標(biāo)探測試驗(yàn)中心，以提供貼近實(shí)際的海面環(huán)境、保障有力的試驗(yàn)地點(diǎn)、合適的架設(shè)平臺(tái)、齊備的試驗(yàn)輔助設(shè)施，以開展多種條件下的試驗(yàn)并獲取豐富的實(shí)測數(shù)據(jù)。試驗(yàn)中心建設(shè)是開展海上目標(biāo)及環(huán)境特性基礎(chǔ)研究的需要，開展多種手段探測和識(shí)別技術(shù)研究的需要，開展試驗(yàn)驗(yàn)證和工程轉(zhuǎn)化的需要，也是開展對(duì)海探測雷達(dá)性能評(píng)估研究的需要。

立足于上述需求，充分利用軍民融合政策優(yōu)勢，采取聯(lián)合共建方式，依托煙臺(tái)養(yǎng)馬島靠山面海的優(yōu)越地理環(huán)境，按照3個(gè)階段規(guī)劃在山東煙臺(tái)完成試驗(yàn)中心建設(shè)。

(1) 建設(shè)試驗(yàn)中心固定試驗(yàn)點(diǎn)，形成岸基雷達(dá)試驗(yàn)保障能力。

第1階段目標(biāo)是以某一地理?xiàng)l件優(yōu)越的地點(diǎn)建設(shè)海上目標(biāo)探測試驗(yàn)中心，可開展各類岸基雷達(dá)對(duì)海和對(duì)低空探測的試驗(yàn)任務(wù)。

該階段目標(biāo)目前已完成，試驗(yàn)中心位于養(yǎng)馬島某地，該場地座山面海，遠(yuǎn)離市區(qū)，地理環(huán)境優(yōu)越，面臨海上航道，海上目標(biāo)類型豐富，且便于雷達(dá)設(shè)備和試驗(yàn)人員保障。在養(yǎng)馬島這一固定地點(diǎn)的基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮芝罘灣海域得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢，以現(xiàn)有試驗(yàn)條件建設(shè)為基礎(chǔ)，新建芝罘島東口試驗(yàn)場、煙臺(tái)山塔頂平臺(tái)、東炮臺(tái)試驗(yàn)平臺(tái)，以上擴(kuò)建或新建的為固定式試驗(yàn)平臺(tái)；在崆峒島、養(yǎng)馬島、漁人碼頭建設(shè)流動(dòng)式試驗(yàn)場地。

(2) 建設(shè)試驗(yàn)中心海上移動(dòng)試驗(yàn)點(diǎn)，形成船載雷達(dá)試驗(yàn)保障能力。

第2階段目標(biāo)是建設(shè)試驗(yàn)中心的船載試驗(yàn)點(diǎn)，可開展各類船載雷達(dá)對(duì)海和對(duì)空探測的試驗(yàn)任務(wù)，一方面具備穩(wěn)定可調(diào)度的船只，可架設(shè)各類型船載雷達(dá)并供電，可在較為復(fù)雜海況下開展對(duì)海對(duì)空探測試驗(yàn)，另一方面具備穩(wěn)定可調(diào)度的配試目標(biāo)(如海上船只、無人機(jī)等)，形成較為完備的船載平臺(tái)海上目標(biāo)探測試驗(yàn)保障能力。

(3) 建設(shè)試驗(yàn)中心空基試驗(yàn)點(diǎn)，形成機(jī)載與星載雷達(dá)試驗(yàn)保障能力。

第3階段目標(biāo)是建立試驗(yàn)中心的機(jī)載試驗(yàn)點(diǎn)，可開展各類機(jī)載與星載雷達(dá)對(duì)海和對(duì)空探測的試驗(yàn)任務(wù)。對(duì)于小型或微型雷達(dá)，可提供無人機(jī)載平臺(tái)架設(shè)雷達(dá)，配合完成試驗(yàn)任務(wù)；對(duì)于中大型雷達(dá)，可協(xié)調(diào)周邊非軍用飛機(jī)(或自行購置小型載人飛機(jī)等)及海面上空航線，配合完成試驗(yàn)任務(wù)，形成較強(qiáng)的空基平臺(tái)海上目標(biāo)探測試驗(yàn)保障能力。

7 試驗(yàn)展望

海雜波特性研究是一項(xiàng)重要的基礎(chǔ)性研究工作，研究結(jié)果直接關(guān)乎雷達(dá)對(duì)海模式下的系統(tǒng)參數(shù)如何選擇、海雜波抑制和目標(biāo)檢測方法如何設(shè)計(jì)等核心問題，而開展海雜波測量試驗(yàn)，并獲取不同參數(shù)影響下的測量數(shù)據(jù)，是有效支撐該研究的重要前提。從國內(nèi)外的試驗(yàn)情況來看，盡管這項(xiàng)工作已經(jīng)持續(xù)開展了數(shù)十年，但是一些基礎(chǔ)問題仍然難以回答，例如已有特性分析結(jié)果或模型能否適用于新的海域、新的平臺(tái)等，因此海雜波測量試驗(yàn)仍在繼續(xù)并且是雷達(dá)研制各環(huán)節(jié)的重要工作之一。通過對(duì)國內(nèi)外試驗(yàn)情況的綜合對(duì)比，并結(jié)合海雜波抑制和目標(biāo)檢測方法對(duì)海雜波特性及模型的需求，總結(jié)梳理出后續(xù)海雜波測量試驗(yàn)方面仍需進(jìn)一步重點(diǎn)關(guān)注的方向，主要有以下幾個(gè)方面。

(1) 系統(tǒng)性、持續(xù)性的海雜波測量試驗(yàn)仍需進(jìn)一步開展，并加強(qiáng)試驗(yàn)輔助信息的同步記錄。

海雜波是多種因素影響下的復(fù)雜函數(shù)，通過零星開展試驗(yàn)得到的數(shù)據(jù)分析結(jié)果通常具有很大的局限性，通過仿真手段進(jìn)行研究更是毫無價(jià)值。同時(shí)，海雜波理論模型也有很多，僅僅是公開文獻(xiàn)中涉及到的均值散射系數(shù)模型、統(tǒng)計(jì)分布模型、多普勒譜模型和相關(guān)性模型4種類型，總數(shù)就不下30種，這些模型怎么選、怎么用，都還沒有得到很好的解決。因此，無論是從理論研究還是工程應(yīng)用方面的需求考慮，均需有針對(duì)性地開展長期、系統(tǒng)、持續(xù)、深入的研究，例如不同平臺(tái)、不同波段、不同分辨率、不同擦地角、不同海域、不同海況等條件下的海雜波測量試驗(yàn)及特性研究。通過海量測量數(shù)據(jù)的分析處理，才能形成有價(jià)值的特性分析結(jié)論或特性變化趨勢，比如不同雷達(dá)參數(shù)和海洋環(huán)境參數(shù)等條件下的海雜波特性變化規(guī)律、不同海域和海況條件下適用的海雜波模型及模型參數(shù)取值范圍、不同擦地角條件下海雜波特性的定性或定量變化規(guī)律、海雜波特征參數(shù)(如譜寬、中心頻率、相關(guān)時(shí)間等)與典型影響因素之間的經(jīng)驗(yàn)或半經(jīng)驗(yàn)關(guān)系模型等。在試驗(yàn)時(shí)，還需采用多種輔助設(shè)備同步記錄試驗(yàn)周邊海域的風(fēng)速/風(fēng)向、浪高/浪向等海洋環(huán)境參數(shù)，以及GPS, AIS, ADS-B等設(shè)備提供的海面和空中目標(biāo)信息。這種系統(tǒng)性、持續(xù)性的海雜波測量試驗(yàn)是開展海雜波特性基礎(chǔ)研究的必經(jīng)之路，也只有借助試驗(yàn)數(shù)據(jù)的不斷積累、不斷完善、不斷總結(jié)，才有望在未來數(shù)年或數(shù)十年時(shí)間里取得海雜波特性基礎(chǔ)研究方面的重大突破。

(2) 任務(wù)背景牽引的海雜波測量試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析仍需強(qiáng)化。

在這方面工作中DSTO開展的試驗(yàn)較有代表性，例如，岸基S波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)是為了支撐澳洲反艦導(dǎo)彈防御系統(tǒng)的升級(jí)項(xiàng)目，岸基L波段XPAR雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)是為了支持代號(hào)為SEA1448的反艦導(dǎo)彈防御計(jì)劃，1999年的機(jī)載X波段雷達(dá)海雜波測量試驗(yàn)是為了支持澳軍方的P-3C裝備升級(jí)計(jì)劃，2004年的機(jī)載試驗(yàn)則是為澳大利亞政府的“空中7000”(Air 7000)多任務(wù)海上HALE UAV采購計(jì)劃提供支持。

與海雜波基礎(chǔ)特性研究所需開展的試驗(yàn)不同，這種試驗(yàn)通常具有明確的任務(wù)背景，這就意味著，試驗(yàn)平臺(tái)或試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)相對(duì)固定或者僅在一定的范圍內(nèi)變動(dòng)，例如波段、帶寬、分辨率、極化等，而可變因素主要以部分雷達(dá)參數(shù)、海洋環(huán)境參數(shù)和相對(duì)幾何位置參數(shù)為主。盡管該部分國外已做了大量工作，但出于各種原因，通常在文獻(xiàn)中僅對(duì)試驗(yàn)基本情況和少量數(shù)據(jù)的分析結(jié)果進(jìn)行公開，對(duì)國內(nèi)相關(guān)領(lǐng)域的應(yīng)用而言遠(yuǎn)不能滿足需求，且國外數(shù)據(jù)在雷達(dá)系數(shù)參數(shù)、海域、海洋環(huán)境參數(shù)等方面與國內(nèi)的差異性明顯，特性分析結(jié)果或參數(shù)取值范圍是否適用也具有很大的爭議。因此，有必要結(jié)合國內(nèi)的雷達(dá)研制、升級(jí)等具體任務(wù)背景，采用平臺(tái)和系統(tǒng)參數(shù)近似的試驗(yàn)雷達(dá)系統(tǒng)深化海雜波測量試驗(yàn)及數(shù)據(jù)分析工作，從而為制定雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案、研制目標(biāo)檢測方法、優(yōu)化選擇雷達(dá)參數(shù)等工作提供理論依據(jù)和模型基礎(chǔ)。

(3) 面向智能雷達(dá)應(yīng)用的海雜波和目標(biāo)回波數(shù)據(jù)集亟需構(gòu)建。

近年來，深度學(xué)習(xí)理論在雷達(dá)領(lǐng)域得到了廣泛的應(yīng)用，它是一種高效的智能化信號(hào)處理方法，并有望助推雷達(dá)進(jìn)入智能化時(shí)代。然而，深度學(xué)習(xí)方法應(yīng)用的前提是訓(xùn)練數(shù)據(jù)集的支撐，目前，在SAR圖像識(shí)別領(lǐng)域已有公開可用的數(shù)據(jù)集，即MASTER數(shù)據(jù)，而在海雜波數(shù)據(jù)方面尚屬空白。在文獻(xiàn)[78]中，對(duì)深度學(xué)習(xí)方法在海上微動(dòng)目標(biāo)檢測與分類的應(yīng)用上做了探索研究，其采用部分IPIX實(shí)測海雜波數(shù)據(jù)疊加仿真目標(biāo)的形式構(gòu)建了簡易的且規(guī)模較小的數(shù)據(jù)集，證實(shí)了該方法的優(yōu)越性能。在后續(xù)的深化研究中，亟需結(jié)合海雜波測量試驗(yàn)構(gòu)建開放、共享的數(shù)據(jù)集，以規(guī)范化的形式記錄多樣化(包括多種波段、海況、目標(biāo)類型等)的原始回波數(shù)據(jù)及輔助的標(biāo)記信息，以支撐深度學(xué)習(xí)方法在海雜波抑制、目標(biāo)檢測與識(shí)別等方面的研究，并最終實(shí)現(xiàn)該成果從理論向?qū)嵱玫霓D(zhuǎn)化。