緊湊型高頻地波雷達目標探測研究進展*

紀永剛，張 杰，王祎鳴，常廣弘

(1.國家海洋局第一海洋研究所海洋物理與遙感室，山東 青島 266061；2.國家海洋局航天科技集團公司海洋遙測工程技術研究中心，山東 青島 266061)

綜述

緊湊型高頻地波雷達目標探測研究進展*

紀永剛1，2，張 杰1，2，王祎鳴1，2，常廣弘1，2

(1.國家海洋局第一海洋研究所海洋物理與遙感室，山東 青島 266061；2.國家海洋局航天科技集團公司海洋遙測工程技術研究中心，山東 青島 266061)

高頻地波雷達是海上船只目標大范圍連續(xù)探測的主要手段，與大型陣列雷達相比，緊湊型地波雷達具有占用場地小、功耗低、架設和維護方便等優(yōu)點。本文首先概述了高頻地波雷達目標探測技術的國內外研究狀況，然后通過闡述緊湊型地波雷達目標探測技術的研究進展，分析緊湊型地波雷達目標探測中難點和急需解決的問題，給出緊湊型地波雷達目標探測的新方案。該方案利用檢測跟蹤一體化方法解決單方位緊湊型地波雷達弱信號檢測困難的問題，利用多方位目標航跡融合確定精確目標航跡，能夠降低目標航跡丟失概率，提高目標探測精度。最后總結了緊湊型地波雷達目標探測的發(fā)展趨勢和研究重點。

緊湊型高頻地波雷達； 目標檢測； 目標跟蹤； 數(shù)據(jù)融合

高頻地波雷達，又稱為高頻地波超視距雷達，是海上目標大范圍、連續(xù)探測的主要手段，它利用高頻電磁波(3～30 MHz)沿海面繞射傳播的特性，實現(xiàn)海上船只與低空飛機等移動目標和海洋動力參數(shù)的大范圍連續(xù)監(jiān)測[1-3]。在海上權益維護、海上救援、航海運輸和漁業(yè)管理等方面有著廣泛的應用前景。特別是在海上集成監(jiān)視系統(tǒng)中，高頻地波雷達作為主要的大范圍連續(xù)監(jiān)測手段，發(fā)揮著越來越重要的作用。

雖然全球范圍內有幾百部地波雷達系統(tǒng)，但目前用于目標探測的地波雷達系統(tǒng)大都是大型陣列式，其動輒幾百米甚至上千米的天線陣需要占用大面積稀缺的海邊資源，且較大的雷達發(fā)射功率也會對周邊環(huán)境造成電磁污染和干擾，限制了大型陣列式地波雷達的推廣及應用。為充分發(fā)揮高頻地波雷達大范圍海上目標連續(xù)監(jiān)視監(jiān)測的優(yōu)勢，滿足海洋權益維護、海上救援、航海運輸?shù)阮I域對海上船只大范圍連續(xù)監(jiān)視監(jiān)測的迫切需求，亟需發(fā)展占地面積小、設備小型化和功耗低的地波雷達系統(tǒng)。區(qū)別于海態(tài)監(jiān)測地波雷達系統(tǒng)的分類，本文定義具有上述特征的地波雷達系統(tǒng)為緊湊型地波雷達，包含小型陣列式和便攜式地波雷達系統(tǒng)。相對于大型陣列式地波雷達，緊湊型地波雷達具有天線占用場地小(天線孔徑小于百米)、雷達設備小型化、功耗低以及天線設備架設和維護方便等優(yōu)點，可應用于場地受限、探測距離要求不高等情況和場合。如將緊湊型地波雷達系統(tǒng)架設到海島、海上石油平臺或者船只平臺上，可進一步擴展高頻地波雷達的架設地點，增加其應用范圍。因此，發(fā)展緊湊型地波雷達系統(tǒng)及相應的目標探測技術是地波雷達技術的重要發(fā)展方向之一。

1 地波雷達目標探測的研究

目前，許多國家特別是西方發(fā)達國家都在大力發(fā)展地波雷達探測技術，成功研制和部署了多種型號的地波雷達系統(tǒng)，如美國的Seasonde、德國的WERA、加拿大的SWR-503、英國的OSCR和PISCES雷達以及俄羅斯的“向日葵”等[4-8]。國內，哈爾濱工業(yè)大學、武漢大學、西安電子科技大學、南京電子技術研究所等多家單位在高頻地波雷達系統(tǒng)方面開展了大量研究[9-12]。其中，武漢大學等單位研制的OSMAR系列地波雷達主要用于海洋動力參數(shù)的業(yè)務化監(jiān)測；哈爾濱工業(yè)大學等單位主要研制用于目標探測的高頻地波雷達，已有業(yè)務化運行的目標探測雷達系統(tǒng)應用。

從1980年代開始，國內外學者圍繞地波雷達目標探測應用開展了大量的研究，發(fā)展了多種目標檢測與跟蹤算法[13-19]。近幾年，基于組網(wǎng)觀測的多站地波雷達目標探測研究成為熱點[20-22]，利用不同方位的陣列式地波雷達系統(tǒng)融合探測結果，提高整體的目標探測性能。目前國內外開展的大量多站地波雷達目標融合探測研究主要是針對大型陣列式地波雷達。在多站地波雷達關聯(lián)和融合方法研究方面，國內研究集中在T/R-R體制雙基地地波雷達方面[23-26]。以上研究主要是仿真分析，還未有實測數(shù)據(jù)的驗證，目標關聯(lián)方法大多是檢測級的點跡關聯(lián)。近幾年，開始出現(xiàn)進行航跡關聯(lián)和融合的相關研究[21,27]，為多站地波雷達組網(wǎng)觀測奠定了基礎。

目前，用于目標探測的高頻地波雷達系統(tǒng)大都是大型陣列式，主要靠大孔徑天線提高目標測向精度，采用高功率提高探測距離，增強探測性能。雷達天線特別是接收天線陣尺寸大多在數(shù)百米，甚至達上千米。如加拿大的SWR-503地波雷達系統(tǒng)，接收天線陣大小為660 m，發(fā)射功率達30 kW；澳大利亞的SECAR雙基地雷達，天線陣達1.2 km。要布放這些大型陣列式地波雷達需占用了大面積的靠近海岸的雷達場地。特別是國內重點發(fā)展海洋經(jīng)濟的大形式下，在本就稀缺的海岸找到滿足布設業(yè)務化運行的大陣列地波雷達場地是十分困難的，使得高頻地波雷達目標探測時難以發(fā)揮優(yōu)勢。因此，發(fā)展占用地面積小、低功耗以及架設和維護方便的緊湊型地波雷達系統(tǒng)及其目標探測技術更加必要。

2 緊湊型地波雷達目標探測的研究進展

為減少高頻地波雷達的陣列尺寸，國內外開展了緊湊型天線小型化方面的研究[28-30]。如Baker等研制了一種適合高頻段的緊湊型螺旋天線[30]，尺寸較小，能夠快速布放，且具有較好的性能。這種天線可作為常規(guī)較大尺寸的高頻天線的一種替代品，但不能改變天線的孔徑大小。MIMO體制地波雷達可在保持與大型陣列地波雷達相同的探測性能的前提下，明顯減少雷達天線孔徑。在MIMO地波雷達方面的研究[31-33]，如Helzel等介紹了研制的WERA-S的MIMO地波雷達系統(tǒng)[33]，并給出了在德國海岸的實驗結果，利用2元發(fā)射和8元接收陣的雷達系統(tǒng)實現(xiàn)了接近于傳統(tǒng)地波雷達16元接收陣的探測性能。目前，緊湊型地波雷達系統(tǒng)方面的研究主要集中在天線小型化、新體制雷達前端信號處理等方面，而在地波雷達目標探測方法及應用方面的研究較少。

從2000年開始，國內外多個研究單位利用便攜式緊湊型地波雷達開展了目標探測研究，如美國羅格斯大學、CODAR等單位利用Seasonde地波雷達網(wǎng)開展了船只目標探測[34-39]。Dobson等利用布設在紐約港的Seasonde地波雷達網(wǎng)做船只目標探測，評價了便攜式緊湊型地波雷達的船只監(jiān)測的有效性和探測性能[34]。Smith 等介紹了便攜式緊湊型地波雷達目標檢測、數(shù)據(jù)關聯(lián)等處理流程[38]，利用雙站的探測結果給出探測船只的唯一目標航跡。國內學者利用探測海態(tài)的高頻地波雷達開展目標檢測的研究[40-42]。吳雄斌等提出了一種適合于高頻海態(tài)雷達的移動目標檢測方法[40],并利用實測雷達數(shù)據(jù)做了驗證。文必洋等采用便攜式緊湊型地波雷達開展目標檢測和組網(wǎng)觀測[41],并在渤海海域進行了雷達組網(wǎng)試驗，初步驗證了便攜式高頻地波雷達組網(wǎng)探測的可行性。

目前，國內外開展了基于便攜式緊湊型地波雷達雙站或多站組網(wǎng)的目標探測，每個單站都給出具有位置的目標航跡，方法上主要采用先檢測后跟蹤的思路，即先做2個單站的點跡檢測，然后是由點跡形成航跡。目前相關研究主要集中在單站檢測方法方面，雙站融合探測方面的相關研究較少。

此外，哈爾濱工業(yè)大學相關學者提出了僅利用距離-多普勒信息的無角度雙站地波雷達目標跟蹤方法[43-45]，其思路是先利用僅有距離和速度的目標點形成可能的航跡，然后再剔除虛假的鬼影航跡，驗證了雙站單陣元目標探測的理論可行性。但將此類方法應用于真實地波雷達多目標探測時，其提出的排除虛假航跡方法未充分考慮實際雷達目標參數(shù)估計的誤差影響；且僅使用單陣元的無角度目標信息，在先點跡檢測后跟蹤航跡過程中，會使航跡形成、虛假目標消除等處理階段的復雜度和計算量較使用有角度的情況呈指數(shù)增加，探測結果的可靠性下降。

3 緊湊型地波雷達目標探測中的問題和難點

緊湊型地波雷達由于天線孔徑減小和天線小型化等原因，導致雷達波束寬度增大、增益降低，引起目標信噪比和測向性能下降、一階海雜波譜擴展導致的目標遮蓋盲區(qū)范圍增大。當采用先檢測后跟蹤的探測方法時，對于低信噪比的弱信號會出現(xiàn)點跡檢測困難、漏檢率增大的問題，導致出現(xiàn)連續(xù)多個時刻檢測不到目標的情況發(fā)生，引起航跡斷裂、丟失問題。而且，展寬的海雜波盲區(qū)會致使目標航跡丟失問題更加嚴重。對于遠距離目標，即使能給出目標航跡，也會因其較低的測向性能而難以實現(xiàn)目標的精確定位。因此，為發(fā)展緊湊型地波雷達目標探測技術，實現(xiàn)目標航跡的精確跟蹤，亟需解決緊湊型地波雷達存在的目標檢測困難、航跡丟失和定位精度低等問題。

綜合緊湊型地波雷達目標探測的進展可以看出，已開展的雙站目標探測，特別是采用便攜式緊湊型地波雷達目標組網(wǎng)探測中，不管利用單站再融合還是直接利用雙站點跡信息來形成航跡，其本質上是先檢測后跟蹤的思路，且主要利用目標的空間信息，未充分利用目標回波強度等屬性信息。先點跡檢測后航跡跟蹤的方法主要適用于雷達波束小、測向精度高的大型陣列式地波雷達，并不適合于目標信號弱、遮擋盲區(qū)大、測向精度低的緊湊型地波雷達。如將其應用于緊湊型地波雷達，由于緊湊型地波雷達的目標信噪比降低，會引起單幀數(shù)據(jù)的CFAR檢測概率較低和漏檢率的增加；同時，緊湊型雷達目標點跡測向性能降低，兩方面都會影響最終的目標航跡跟蹤效果。且已開展的研究中多站關聯(lián)處理主要是采用單一時刻的關聯(lián)方法，關聯(lián)效果較差，相關算法目前處于研究階段。

目前便攜式緊湊型地波雷達用于目標探測還存在一些限制，為兼顧海態(tài)監(jiān)測和目標探測兩種用途，雷達工作頻率設置較高，系統(tǒng)探測距離有限，對于較小尺寸船只的探測能力較低，難以形成有效航跡。圖1給出了4.7和8.9 MHz兩個不同頻段同時觀測的雷達距離-多普勒(R-D)譜?？梢钥闯?，在相同發(fā)射功率條件下，較高頻段的8.9 MHz的R-D譜中目標探測數(shù)量及目標探測距離都較4.7 MHz明顯降低?？梢钥闯?，較低頻段更適合海上移動目標探測，而較高頻率的目標探測難度更大。

圖1 高頻段(8.9 MHz)RD譜Fig.1 Range-Doppler spectrum of 8.9 MHz

4 緊湊型地波雷達目標探測的新思路

4.1 緊湊型地波雷達目標航跡一體化探測

高頻地波雷達不同于微波雷達，雖不能對目標精確測向和空間定位，但能夠提供精確的速度和相對精確的距離信息。在地波雷達距離-多普勒-時間(R-D-T)數(shù)據(jù)中(見圖3)，船只目標表現(xiàn)為在距離維和速度維都擴展的面目標，除了提供目標的運動特征外，還保留了目標回波強度等屬性信息。雷達一體化探測是將檢測、跟蹤甚至識別等過程作為一個緊密的整體，是提高緊湊型雷達弱信號探測性能的一種有效途徑。其思想是將地波雷達目標檢測在時間維做擴展，充分利用目標在距離-速度空間位置和強度屬性都隨時間連續(xù)分布的特性，通過時間積累來凸顯弱信號目標，實現(xiàn)目標航跡的一體化探測。圖4給出了一體化航跡探測結果。一體化探測可避免傳統(tǒng)航跡跟蹤中點跡與航跡關聯(lián)處理以及在此過程中由于閾值選取不當導致的航跡誤跟蹤問題。因此，一體化探測為緊湊型地波雷達弱信號檢測提供了解決方案，其給出的目標航跡為緊湊型地波雷達多方位觀測信息的關聯(lián)與融合提供了新的選擇。在較低測向精度情況下，航跡關聯(lián)充分利用了多時刻的目標信息，減少了單時刻點跡錯誤關聯(lián)的概率，多方位融合更具可靠性。

國內外已發(fā)展的各種檢測前跟蹤算法可用于地波雷達目標一體化探測[46-50]。目前開展的研究主要集中在大型陣列式地波雷達目標探測方面，一體化探測方法更多的作為先檢測后跟蹤探測方法的另一種實現(xiàn)途徑，更多的關注和解決較高信噪比的目標探測問題，而對低信噪比的弱信號檢測與判別研究較少，未充分發(fā)揮一體化探測方法在弱信號檢測方面的優(yōu)勢。因此，需結合緊湊型地波雷達中的目標展寬特性，研究適應于緊湊型地波雷達的目標航跡一體化探測方法，發(fā)展低可觀測目標的檢測方法，提高緊湊型地波雷達中的微弱目標檢測率。

圖3 R-D-T數(shù)據(jù)Fig.3 Range-Doppler-Time data

圖4 目標無向航跡探測結果Fig.4 Target tracking result without azimuth

4.2 緊湊型地波雷達多站組網(wǎng)觀測

基于檢測跟蹤一體化探測方法可實現(xiàn)小陣元緊湊型地波雷達目標航跡探測，但不能提高緊湊型地波雷達的目標測向精度。通過增加天線孔徑增強測向性能來提高目標跟蹤探測性能和定位精度的方案也并不適合緊湊型地波雷達系統(tǒng)。為提高海上目標的連續(xù)跟蹤探測的精確定位，多站組網(wǎng)觀測是緊湊型地波雷達目標探測的必然趨勢，特別是直接的航跡關聯(lián)可以克服單時刻的點跡關聯(lián)的錯誤關聯(lián)，整體上提高目標探測性能。由于雜波和噪聲引起的虛假目標會對目標點跡關聯(lián)結果影響較大，導致直接的點跡關聯(lián)問題較多。大陣列雷達由于方位探測精度較高，這種影響較小，在關聯(lián)中可直接利用確定的雷達目標探測結果，但對于緊湊型的新體制地波雷達，這種影響卻不能忽略。

對于大型陣列地波雷達系統(tǒng)，目標測向精度較高，2個雷達具備開展單一時刻的檢測級點跡關聯(lián)的條件。如圖5中，在T1和T2時刻，由于大陣列雷達波束寬度較窄，只有目標A1與目標T位置一直重疊，很容易確定目標T的匹配目標是A1。而對于緊湊型地波雷達，由于波束寬度較大，測向精度低，在T1時刻A1和A2都和目標T位置重疊，此時難以判別目標T的匹配目標是A1還是A2。因此，對于緊湊型地波雷達，如用航跡關聯(lián)，則可以找出只有目標A1在整個航跡段上都滿足關聯(lián)條件，應是匹配目標。

圖5 雙站目標關聯(lián)示意圖

相對于單基地雷達系統(tǒng)的基于測向方法實現(xiàn)目標定位，多站的組網(wǎng)觀測同時獲取多路不同觀測方位的目標探測信息。利用多個雷達站獲取的目標探測結果可實現(xiàn)目標聯(lián)合定位，顯著提高目標的定位精度。多方位的目標觀測克服了單一觀測方位上由于海雜波盲區(qū)、高頻諧振區(qū)目標閃爍等原因導致的目標航跡缺失或斷裂問題，能更好地跟蹤目標。而且，多方位觀測信息具備了提高目標空間定位精度的潛能。

5 總結與展望

隨著高頻地波雷達探測技術的發(fā)展，本文認為以下幾個方面將是緊湊型地波雷達目標探測技術研究的重要方向：

(1) 一體化目標航跡探測中真實目標甄別方法。緊湊型目標探測中，由于目標信噪比較低，且在不同距離、不同回波強度的目標之間的差異較大，加上噪聲或雜波等影響，地波雷達目標航跡一體化探測的結果中會存在雜波或噪聲引起的虛假目標，造成區(qū)分真實目標和虛假目標的困難，有待進一步深入研究。

(2)展寬海雜波中的目標檢測方法。緊湊型地波雷達由于天線孔徑減小，波束寬度增大，導致單站雷達的一階海雜波展寬引起的速度盲區(qū)范圍增大。雖然多方向的目標探測可以克服一部分目標丟失問題，但海雜波內的目標信息不可忽略，需考慮展寬海雜波中的目標檢測方法，提高單站緊湊型地波雷達的目標檢測率。

(3)緊湊型地波雷達的超分辨率測向方法。為提高單站緊湊型地波雷達的目標方位探測性能，還應研究適合于小陣列緊湊型地波雷達的超分辨方位估計方法。將目標航跡的一體化結果與超分辨測向方法相結合來估計航跡方位可能是一種好的思路。在此過程中，應考慮到積累時間內目標在回波譜中占據(jù)多個單元格的特性。

(4)多方位目標關聯(lián)與融合方法。緊湊型地波雷達較低的測向精度增加了多站目標檢測結果關聯(lián)與匹配判別的難度。其對于處于不同空間位置的目標，不同觀測方位組合的聯(lián)合定位精度不同，而在不同空間位置實際得到的不同方位的目標航跡關聯(lián)組也不相同，如何充分利用多方位聯(lián)合定位理論結果和實際的目標航跡匹配結果，給出優(yōu)化融合策略與處理方案也是實現(xiàn)緊湊型地波雷達目標精確定位的關鍵。

此外，緊湊型地波雷達系統(tǒng)的發(fā)展離不開雷達系統(tǒng)設備的小型化。研究適合于緊湊型地波雷達的雷達設備小型化技術，可以減少高頻雷達天線孔徑和設備體積及重量，提高其應用范圍。特別是發(fā)展小型化的高頻雷達天線技術，適應場地受限的岸邊、海島、海上平臺以及船體等平臺，增強在不鋪設地網(wǎng)情況下的雷達探測性能，提高電磁兼容性。同時，減少雷達硬件設備數(shù)量和復雜度，提高緊湊型地波雷達的便攜性。

通過發(fā)展緊湊型地波雷達目標探測技術，將進一步拓寬地波雷達的應用范圍。可以預見，緊湊型地波雷達目標探測技術將在海洋權益維護、交通運輸、漁業(yè)管理等中發(fā)揮更大的作用。

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責任編輯 陳呈超

An Overview of Target Monitoring with Compact HFSWR

JI Yong-Gang1,2，ZHANG Jie1,2,WANG Yi-Ming1,2,CHANG Guang-Hong1,2

(1.Laboratory of Marine Physics and Remote Sensing,First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China.2.Oceanic Telemetry Engineering and Technology Research Center,State Oceanic Administration and China Aerospace Science and Technology Corporation,Qingdao 266061,China.)

High frequency surface wave radar (HFSWR) is the main remote sensing instrumen for continuously monitoring marine target in a wide range.Compared with thelarge array HFSWR,the compact HFSWR has the advantage of occupying smaller radar site,lower power consumption,easy deployment and maintenance compared with the large array HFSWR.First,an overview of target monitoring with the large arrary HFSWR wasintroduced.In addition,the progress of target detection and tracking with the compact HFSWR was expounded,and relateddifficult and urgent problemswere addressed.Then a solution was given to solve the problem of target monitoring with the compact HFSWR.In the proposed method,an integrated method of detection and tracking can be used to solve the difficulty of detecting weak signal,and the multi-azimuth fusion tracks can be used to reduce the probability of the target missing and improve the location accuracy.Finally,some research trends and priorities ontarget monitoring with the compact HFSWR were summarized.

compact high frequency surface wave radar；targetmonitoring；target tracking；data fusion

海洋公益性行業(yè)科研專項項目(201505002)；國家自然科學基金項目(61671166)資助

Supported by the National Marine Technology Program for Public Welfare(201505002) and the National Natural Science Foundation of China ( 61671166)

2016-09-15;

2016-11-12

紀永剛(1977-)，男，博士，副研究員。E-mail：jiyonggang@fio.org.cn

TN958.93

A

1672-5174(2017)02-001-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20160285

紀永剛，張杰，王祎鳴，等.緊湊型高頻地波雷達目標探測研究進展[J].中國海洋大學學報(自然科學版),2017,47(2):1-7.

JI Yong-Gang，ZHANG Jie,WANG Yi-Ming，et al.An overview of target monitoring with compact HFSWR[J].Periodical of Ocean University of China,2017,47(2):1-7.