王祎鳴，紀(jì)永剛

(1.自然資源部 第一海洋研究所，山東 青島 266061；2.哈爾濱工業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150001；3.中國(guó)石油大學(xué)(華東)，山東 青島 266580)

目前，業(yè)務(wù)化運(yùn)行的海上目標(biāo)監(jiān)測(cè)地波超視距雷達(dá)均為大型陣列式，依靠龐大的天線陣孔徑，可以有效抑制照射范圍以外的干擾與噪聲(包括海雜波、射頻干擾、大氣噪聲)，提高目標(biāo)回波的信噪比和目標(biāo)參數(shù)的估計(jì)精度。但大型陣列式地波超視距雷達(dá)系統(tǒng)接收天線陣尺寸大多在幾百米至幾千米，需占用大量稀缺的海岸線資源，限制了該系統(tǒng)的推廣應(yīng)用。因而小型海態(tài)探測(cè)類地波超視距雷達(dá)如SeaSonde、WERA及OSMAR等[1-3]的研究團(tuán)隊(duì)，開展了對(duì)目標(biāo)探測(cè)功能的研發(fā)，同時(shí)目標(biāo)探測(cè)類地波超視距雷達(dá)的研制方也進(jìn)行了雷達(dá)系統(tǒng)的小型化設(shè)計(jì)。自然資源部第一海洋研究所聯(lián)合哈爾濱工業(yè)大學(xué)、中國(guó)海洋大學(xué)以及中國(guó)石油大學(xué)等單位，研發(fā)了占地面積小、設(shè)備小型化和低功耗的緊湊型地波超視距雷達(dá)系統(tǒng)CORMS[4-7]。研究并發(fā)展緊湊型地波超視距雷達(dá)(high frequency surface wave radar,HFSWR)及其目標(biāo)探測(cè)技術(shù)，對(duì)推廣地波超視距雷達(dá)在海洋監(jiān)視監(jiān)測(cè)與海洋權(quán)益維護(hù)中的應(yīng)用具有重要意義。

但是，地波超視距雷達(dá)回波中摻雜著大量的海雜波，嚴(yán)重影響了對(duì)船只目標(biāo)的檢測(cè)性能[8]，尤其是對(duì)海雜波區(qū)及其周邊目標(biāo)，海雜波對(duì)目標(biāo)譜產(chǎn)生的遮蓋作用進(jìn)一步降低了對(duì)目標(biāo)的檢測(cè)能力，在系統(tǒng)緊湊型設(shè)計(jì)和小型化后，往往形成目標(biāo)檢測(cè)盲區(qū)[9]。為突破傳統(tǒng)意義上的目標(biāo)檢測(cè)盲區(qū)，了解和掌握海雜波的產(chǎn)生機(jī)理及對(duì)回波的調(diào)制作用，以及其在雷達(dá)回波的時(shí)域、多普勒域以及聯(lián)合域的特征[10-12]，從而區(qū)分海雜波與目標(biāo)特性的不同，是后續(xù)處理的基礎(chǔ)。目前，海雜波對(duì)目標(biāo)檢測(cè)的影響因素如海況、船只散射截面積(RCS)等已有研究[8-9]，但對(duì)海雜波區(qū)內(nèi)及其臨近目標(biāo)檢測(cè)的影響因素研究尚待開展。本文針對(duì)海雜波導(dǎo)致的目標(biāo)檢測(cè)盲區(qū)的特殊性，研究雷達(dá)積累時(shí)間的優(yōu)化選取以及海雜波區(qū)目標(biāo)與海雜波的關(guān)聯(lián)關(guān)系，并結(jié)合緊湊型地波超視距雷達(dá)CORMS實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析兩者的雷達(dá)回波特性差異，為加深對(duì)海雜波特有規(guī)律的認(rèn)識(shí)，實(shí)現(xiàn)海雜波區(qū)的目標(biāo)檢測(cè)提供依據(jù)。

1 緊湊型地波超視距雷達(dá)及信號(hào)積累時(shí)間分析

1.1 緊湊型地波超視距雷達(dá)系統(tǒng)

以自然資源部第一海洋研究所主持研制的緊湊型地波超視距雷達(dá)系統(tǒng)CORMS為例，該系統(tǒng)由單極子雙鞭發(fā)射天線、偶極子接收天線、全固態(tài)發(fā)射機(jī)以及接收和信號(hào)處理機(jī)組成，系統(tǒng)實(shí)物見圖1。雷達(dá)系統(tǒng)采用一發(fā)多收體制，各子系統(tǒng)采用緊湊化設(shè)計(jì)。在雷達(dá)發(fā)射端采用低功率固態(tài)發(fā)射機(jī)和雙鞭天線，通過雙天線實(shí)現(xiàn)端射的方式在空間形成發(fā)射方向圖，增強(qiáng)輻射功率，提高探測(cè)距離和指向性。在接收端采用無需地網(wǎng)的小型化偶極子天線陣列和全數(shù)字化接收和信號(hào)處理機(jī)，降低天線陣占地面積。

圖1 緊湊型地波超視距雷達(dá)系統(tǒng)CORMS

CORMS雷達(dá)采用線性調(diào)頻中斷連續(xù)波信號(hào)形式，系統(tǒng)參數(shù)：中心頻率為4.7 MHz，帶寬為60 kHz，掃描周期為0.123 s，平均功率為200 W。

1.2 信號(hào)積累時(shí)間分析

圖2為地波超視距雷達(dá)檢測(cè)海面目標(biāo)的示意圖，其中距離雷達(dá)R的船只目標(biāo)以航速v由A點(diǎn)航行至B點(diǎn)，船只航向與雷達(dá)徑向的夾角為θ0，目標(biāo)方位變化量為Δθ。地波超視距雷達(dá)檢測(cè)目標(biāo)過程中，通過相干積累增強(qiáng)船只目標(biāo)的信雜噪比，在保持目標(biāo)為給定的雷達(dá)距離分辨率ΔR內(nèi)且不受距離走動(dòng)或多普勒拖尾[13]的情況下，適當(dāng)延長(zhǎng)積累時(shí)間有利于目標(biāo)的檢測(cè)。

圖2 地波超視距雷達(dá)檢測(cè)航行船只示意圖

為避免距離走動(dòng)和加劇多普勒拖尾效應(yīng)，雷達(dá)的積累時(shí)間受到船只航速、航向以及雷達(dá)距離分辨率的約束。該積累時(shí)間T與距離分辨率(或雷達(dá)帶寬)及船只航速航向的關(guān)系為

T=ΔR/(vcosθ0)=C/(2Bvcosθ0)，

(1)

其中，C為光速，B為雷達(dá)帶寬，vcosθ0為徑向速度。

結(jié)合公式(1)，分別取雷達(dá)帶寬30、60和100 kHz，以及目標(biāo)徑向速度5～40 kn，得到雷達(dá)最大可積累時(shí)間的變化規(guī)律(圖3)。可見，隨著雷達(dá)帶寬的增加，徑向速度落入海雜波區(qū)(12～15 kn)的目標(biāo)最大積累時(shí)間由13.9 min降為4.1 min，海雜波區(qū)外高速目標(biāo)最大積累時(shí)間由4.17 min降為1.2 min，可得平均積累時(shí)間由12.4 min降為3.7 min。但是，探測(cè)條件尚有很多不可控因素，如目標(biāo)機(jī)動(dòng)、散射截面變化、海浪散射變化等，且海雜波區(qū)內(nèi)和海雜波區(qū)外目標(biāo)的可積累時(shí)間也有所不同。因此，上述分析為相干積累時(shí)間的擬定劃定了最大的取值范圍。實(shí)際應(yīng)用中，由于海雜波的時(shí)間相關(guān)性通常小于80 s，因此在兼顧整體雷達(dá)探測(cè)結(jié)果的前提下，平均積累時(shí)間保證了各種航速的目標(biāo)相對(duì)海雜波均能得到更好的積累。以CORMS帶寬為例，積累時(shí)間取5 min。

圖3 目標(biāo)最大積累時(shí)間與徑向速度的關(guān)系

2 目標(biāo)與海雜波區(qū)的關(guān)聯(lián)分析

2.1 目標(biāo)航速航向與海雜波區(qū)的關(guān)聯(lián)分析

在目標(biāo)方位與雷達(dá)徑向一致時(shí)，兩者方位夾角為0°，此時(shí)船只航行速度即為相對(duì)雷達(dá)的徑向速度。目標(biāo)在雷達(dá)回波距離-多普勒譜中表現(xiàn)為點(diǎn)狀形式，其中回波距離為目標(biāo)到雷達(dá)的直線距離，多普勒為目標(biāo)徑向速度導(dǎo)致的多普勒偏移。目標(biāo)航速航向的改變將導(dǎo)致其徑向速度vr隨距離以及徑向夾角產(chǎn)生相應(yīng)的變化，表示為

vr=vcosθ0。

(2)

不同的目標(biāo)徑向速度又決定了其回波能否落入海雜波區(qū)，圖4給出了目標(biāo)徑向速度與航行狀態(tài)的關(guān)聯(lián)圖，圖中虛線為雷達(dá)中心頻率為4.7 MHz時(shí)的海雜波上下界。可見隨徑向夾角的增大，目標(biāo)徑向速度逐漸降低，其中目標(biāo)航速越高，航向的變化越易導(dǎo)致其落入或駛出海雜波區(qū)。海雜波多普勒區(qū)對(duì)應(yīng)的徑向速度為12～15 kn，表明航行速度大于12 kn的目標(biāo)均存在落入海雜波區(qū)域內(nèi)的可能性，以15 kn左右航行的目標(biāo)落入海雜波區(qū)的可能性最大，由表1可見徑向夾角覆蓋量為38°。隨著目標(biāo)航行速度的增大，目標(biāo)落入海雜波區(qū)所對(duì)應(yīng)的徑向夾角范圍減小。另外，由海雜波Bragg頻率計(jì)算公式[2]可以推知，隨著雷達(dá)頻率的升高，海雜波區(qū)將下移導(dǎo)致落入該區(qū)的目標(biāo)速度最小值降低，增加船只落入海雜波區(qū)的概率。

圖4 目標(biāo)徑向速度與徑向夾角的關(guān)系

表1 海雜波區(qū)目標(biāo)航行速度及對(duì)應(yīng)的徑向夾角覆蓋量

2.2 海雜波區(qū)非機(jī)動(dòng)目標(biāo)駐留時(shí)間分析

在滿足目標(biāo)徑向速度落入海雜波區(qū)的前提下，海雜波區(qū)非機(jī)動(dòng)目標(biāo)駐留時(shí)間與目標(biāo)距離，方位變化量及航速、航向的對(duì)應(yīng)關(guān)系可表示為

t=Rsin Δθ/{vsin(Δθ+θ0)}，

(3)

其中，θ0=arccos(vr/v)為滿足徑向速度為vr的目標(biāo)航向。

以目標(biāo)徑向速度為12 kn為例，目標(biāo)開始落入海雜波區(qū)，圖5給出了其方位變化為1°且航向保持不變時(shí)，目標(biāo)距離、速度與其在海雜波區(qū)駐留時(shí)間的關(guān)系。在近距離，目標(biāo)在海雜波區(qū)駐留時(shí)間可小于4 min，隨著目標(biāo)與雷達(dá)的距離增大，其駐留時(shí)間逐漸增加，而隨航速的增大目標(biāo)潛在駐留時(shí)間降低。以距雷達(dá)150 km的目標(biāo)為例，航速為13 kn的船只在海雜波區(qū)駐留時(shí)間最長(zhǎng)，可達(dá)16.75 min，而30 kn或40 kn航速的船只目標(biāo)駐留時(shí)間最短，約2～3 min。航速為15 kn和20 kn的船只在海雜波區(qū)駐留的時(shí)間至少為9.50 min和5.38 min。在遠(yuǎn)距離尤其是以13～15 kn速度非機(jī)動(dòng)航行的船只，在雷達(dá)的積累時(shí)間內(nèi)，難以駛出海雜波區(qū)。而從式(3)以及目標(biāo)徑向速度落入海雜波區(qū)的前提條件可得，非機(jī)動(dòng)目標(biāo)方位變化增加后，其在海雜波區(qū)內(nèi)的駐留時(shí)間將進(jìn)一步增加。

圖5 海雜波區(qū)非機(jī)動(dòng)目標(biāo)駐留時(shí)間

3 實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析

結(jié)合緊湊型地波超視距雷達(dá)的實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析影響因素，圖6給出了海雜波及目標(biāo)多維聯(lián)合分析結(jié)果。圖6(a)為5 min信號(hào)積累后形成的距離-多普勒譜，可見海雜波為條帶形狀，幾乎遍布所有距離單元，符合海雜波的大范圍面目標(biāo)特征，而目標(biāo)表現(xiàn)為點(diǎn)狀目標(biāo)形式，并且海雜波條帶中的目標(biāo)難以直接解譯。因此在后續(xù)分析中，將同步船只自動(dòng)識(shí)別信息AIS投影[14]到CORMS坐標(biāo)，用虛線表示，而海雜波區(qū)用實(shí)線框出。圖6(b)為海雜波區(qū)的回波時(shí)頻分布，由AIS信息可知該海雜波區(qū)內(nèi)的船只目標(biāo)航速、航向相對(duì)穩(wěn)定，其徑向速度介于12～13 kn，至少15 min難以駛出海雜波區(qū)，符合前述理論分析的結(jié)果，在此期間無法通過時(shí)頻分析的檢測(cè)方法發(fā)現(xiàn)。圖6(c)為海雜波區(qū)的目標(biāo)時(shí)間-距離分布，可見與海雜波多普勒重合的目標(biāo)(徑向速度12.39 kn)，其在時(shí)間-距離上與海雜波重合，在30 min或者更長(zhǎng)時(shí)間內(nèi)難以顯現(xiàn)。然而，從圖6(d)海雜波區(qū)目標(biāo)的時(shí)間-空間分布可見，目標(biāo)所在海雜波區(qū)的空間分布在時(shí)間維相對(duì)于雷達(dá)積累滑窗時(shí)間(1 min)不具有長(zhǎng)時(shí)持續(xù)性。通過圖6(e)～6(f)海雜波區(qū)外目標(biāo)和無目標(biāo)海雜波的時(shí)空分布表明，海雜波與目標(biāo)在時(shí)空維具有較為明顯差異，該差異可以由目標(biāo)的航行特點(diǎn)和海浪傳播的往復(fù)性解釋。但當(dāng)目標(biāo)和海雜波在頻率和距離上重合時(shí)，由于緊湊型地波超視距雷達(dá)的寬波束特點(diǎn)，兩者回波方位如在同一寬波束內(nèi)，則難以區(qū)分，需發(fā)展有效的波束內(nèi)濾波方法提高海雜波區(qū)內(nèi)目標(biāo)的檢測(cè)能力。

圖6 海雜波及目標(biāo)多維聯(lián)合分析

另外，傳統(tǒng)地波超視距雷達(dá)利用海水對(duì)垂直極化的高頻電磁波衰減少的特點(diǎn)，均采用垂直極化發(fā)射-垂直極化接收的形式。但如在CORMS雷達(dá)接收端增加水平極化接收通道，可利用電離層雜波的極化通道差異顯著提高電離層干擾的抑制性能。而海雜波和目標(biāo)間的極化特性是否存在差異還沒有理論證明，在此從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)方面加以討論。極化域信息體現(xiàn)在不同極化通道之間的幅度和相位關(guān)系，即極化角和極化角相差，定義為[15]

γ=tg-1|xV(t)|/|xH(t)|，

(4)

η=arg(xV(t))-arg(xH(t))，

(5)

其中，xV(t)和xH(t)分別代表垂直極化和水平極化信號(hào), arg(…)代表信號(hào)相位。

(2)若CP(a)＞1,則P?(G)的連通分支個(gè)數(shù)為k(P?(G))=s1(P)-s1(Φ(P))+1.

圖7及圖8分別給出了垂直極化、水平極化接收的回波距離-多普勒譜和相應(yīng)的極化角及極化相差譜。圖7中橫向條帶為電離層干擾，可以發(fā)現(xiàn)垂直極化距離-多普勒譜中海雜波和目標(biāo)回波較強(qiáng)，而水平極化距離-多普勒譜中電離層干擾更強(qiáng)。表明海雜波和目標(biāo)與電離層干擾的極化角具有較明顯的區(qū)別，而極化相差尚難以直接解譯出明顯的不同，相關(guān)差異需通過統(tǒng)計(jì)量化體現(xiàn)。在此，通過對(duì)電離層干擾、海雜波以及目標(biāo)的極化角和極化相差分布等極化特性進(jìn)行分析。從圖8極化角概率密度統(tǒng)計(jì)分布可見，電離層干擾的極化角主要集中在14°～50°，目標(biāo)的極化角位于67°～84°且以79°左右居多，海雜波的極化角處于78°～86°且以82°左右為主。由極化相差概率密度分布可得，電離層干擾的極化相差主要集中在153°～228°，海雜波的極化相差位于35°～143°，目標(biāo)的極化相差處于110°～274°。

圖7 極化角及極化相差譜

圖8 極化角及相差概率密度分布

綜合統(tǒng)計(jì)結(jié)果，海雜波與目標(biāo)的極化角集中分布于80°左右，而電離層干擾的極化角基本上分布于20°～40°。海雜波與電離層干擾的極化相差分布相對(duì)集中，海雜波的極化相差位于30°～150°，電離層干擾為180°～230°，目標(biāo)的極化相差分布相對(duì)分散，但在150°～230°居多。因此可見，目標(biāo)和海雜波的極化角分布較為一致，兩者與電離層干擾的極化角分布具有明顯的界限。目標(biāo)與電離層的極化相差分布具有較大的重合率，兩者與海雜波的極化相差分布存在差異。

4 結(jié)論

本文研究了緊湊型地波超視距雷達(dá)海雜波區(qū)目標(biāo)檢測(cè)的潛在影響因素，并以CORMS雷達(dá)系統(tǒng)為例，給出了相關(guān)數(shù)值統(tǒng)計(jì)結(jié)果。得到以下結(jié)論：

(1)雷達(dá)的目標(biāo)積累時(shí)間受船只航行狀態(tài)以及雷達(dá)距離分辨率的約束，但在常規(guī)帶寬范圍內(nèi)，平均積累時(shí)間保證了各種航速的目標(biāo)信號(hào)相對(duì)海雜波均能得到更好的積累。

(2)落入海雜波區(qū)內(nèi)目標(biāo)的航行狀態(tài)具有特殊性，以雷達(dá)主頻為5 MHz為例，落入海雜波區(qū)的船只目標(biāo)航行速度最小值為12 kn，隨著雷達(dá)頻率的升高，該速度最小值降低，將覆蓋更多不同航行狀態(tài)的船只。

(3)海雜波區(qū)遠(yuǎn)距離非機(jī)動(dòng)目標(biāo)，尤其是速度為13～15 kn時(shí)，其駐留時(shí)間均遠(yuǎn)超雷達(dá)的積累時(shí)間。在時(shí)頻維航速航向穩(wěn)定的目標(biāo)在雷達(dá)積累周期內(nèi)難以與海雜波區(qū)分，機(jī)動(dòng)目標(biāo)除外。

另外，信雜噪比在一定程度上決定了海雜波區(qū)目標(biāo)可檢性。因而船只RCS也是海雜波區(qū)目標(biāo)檢測(cè)的主要影響因素，已有的研究成果僅給出了高頻頻段的簡(jiǎn)化計(jì)算公式，未計(jì)入船只姿態(tài)以及船上構(gòu)造物高度等的實(shí)際情況，將在后續(xù)研究工作中加以考慮。