船載雷達(dá)測波儀的設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)方法研究

鄧萬紅 盧志忠 衛(wèi)延波

摘要：目前國內(nèi)對船載雷達(dá)測波儀的性能評價和研究較少.而且基準(zhǔn)儀器誤差和雷達(dá)測波儀誤差通常在一個數(shù)量級，所以討論其設(shè)計(jì)鑒定方法具有重要作用。該文通過分析國外同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)鑒定方法以及外場試驗(yàn)開展數(shù)據(jù)采集的環(huán)境要求.提出國內(nèi)船載雷達(dá)測波儀設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)的主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)性能實(shí)驗(yàn)安排和數(shù)據(jù)處理及指標(biāo)評定方法，并利用設(shè)計(jì)的鑒定試驗(yàn)來驗(yàn)證該方法的有效性。試驗(yàn)結(jié)果表明：試驗(yàn)方案考核的船載雷達(dá)測波儀的主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)能夠滿足鑒定試驗(yàn)要求，可以為國內(nèi)船載雷達(dá)測波儀設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)提供指導(dǎo)和建議。

關(guān)鍵詞：數(shù)據(jù)分析；航海雷達(dá)圖像；船載雷達(dá)測波儀；海浪參數(shù)

0引言

船載雷達(dá)測波儀是一種船載非接觸海浪遙測設(shè)備，它利用雷達(dá)波入射海面時布拉格散射被重力波調(diào)制的原理，從標(biāo)準(zhǔn)的x波段航海雷達(dá)中采集海雜波回波視頻圖像信號并進(jìn)行數(shù)字化處理，可以直接生成海浪的方向譜信息，并由此得出海浪參數(shù)。船載雷達(dá)測波儀主要包括以下3項(xiàng)功能：1）計(jì)算并輸出海浪有效波高、波峰周期、波峰峰向等信息；2）顯示當(dāng)前波浪參數(shù)、歷史數(shù)據(jù)曲線以及雷達(dá)極坐標(biāo)原始圖像等信息：3）記錄雷達(dá)原始圖像和海浪實(shí)測數(shù)據(jù)等信息。該設(shè)備屬全新研制，首次在艦船上形成裝備。

根據(jù)船載雷達(dá)測波儀的工作原理及其工作條件限制，船載雷達(dá)測波儀不能在大型水池等試驗(yàn)室環(huán)境下工作，因此海浪參數(shù)探測性能試驗(yàn)必須在相對開闊的實(shí)際海域并在實(shí)際的海浪條件下進(jìn)行。海浪監(jiān)測方法可分為直接的現(xiàn)場觀測（如波浪方向浮標(biāo)）與間接的遙感探測兩種方式，本設(shè)備屬于后一種監(jiān)測方式。經(jīng)調(diào)研，目前國內(nèi)與本設(shè)備同類的產(chǎn)品均處在研制階段，還沒有一家產(chǎn)品進(jìn)行過鑒定，因此只能夠借鑒國外的同類產(chǎn)品。

通過對國內(nèi)外船載雷達(dá)測波儀的工作原理和功能開展分析，為后續(xù)提出該設(shè)備的主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)（海浪監(jiān)測能力）和鑒定試驗(yàn)的數(shù)據(jù)分析奠定基礎(chǔ)。本文根據(jù)國外同類產(chǎn)品的設(shè)計(jì)鑒定方法和船載雷達(dá)測波儀對外場試驗(yàn)的環(huán)境要求，提出了國內(nèi)船載雷達(dá)測波儀設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)的主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)性能實(shí)驗(yàn)安排和評定方法，并通過長時間的實(shí)測試驗(yàn)對其主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)進(jìn)行了考核，考核的誤差指標(biāo)滿足鑒定試驗(yàn)要求。

1國外同類產(chǎn)品設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)情況

由于試驗(yàn)所需時間長、不確定性大，而且也沒有船級社認(rèn)可的具有資質(zhì)的試驗(yàn)單位可供選擇，國外設(shè)備性能試驗(yàn)承試單位均是由設(shè)備生產(chǎn)廠家編寫試驗(yàn)大綱、組織開展性能試驗(yàn)、編寫試驗(yàn)報告，與必要的詳細(xì)技術(shù)文件、用戶手冊等文檔資料一同提交船級社，由船級社根據(jù)文件資料進(jìn)行認(rèn)證。

1.1 WaMoSⅡ認(rèn)證及試驗(yàn)情況

文獻(xiàn)[6]為WaMoS Ⅱ的DNV認(rèn)證證書。作為DNV認(rèn)證的主要依據(jù)，文獻(xiàn)[7]為WaMoS Ⅱ官方網(wǎng)站公布的技術(shù)指標(biāo)對比試驗(yàn)報告，該報告詳細(xì)記錄了性能試驗(yàn)方法、試驗(yàn)過程、性能指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)結(jié)論。

試驗(yàn)時WaMoS獲取的海浪參數(shù)為0.7 kmx0.7km范圍內(nèi)的空間平均值以及20min范圍內(nèi)的時間平均值，采用同步獲取的波浪方向浮標(biāo)及激光測浪雷達(dá)測量的單點(diǎn)、與WaMoS對應(yīng)測量時間段相同的20min范圍內(nèi)的平均數(shù)據(jù)作為比對真值，假設(shè)二者是相互獨(dú)立的隨機(jī)過程，采用標(biāo)準(zhǔn)的誤差統(tǒng)計(jì)方法對試驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。

1.2 WAVEX認(rèn)證及試驗(yàn)情況

文獻(xiàn)[8]為WAVEX的DNV認(rèn)證證書。作為DNV認(rèn)證的主要依據(jù)，文獻(xiàn)[9]為WAVEX官方提供的技術(shù)手冊公布的技術(shù)指標(biāo)對比試驗(yàn)報告，該報告詳細(xì)記錄了性能試驗(yàn)方法、試驗(yàn)過程、性能指標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析及試驗(yàn)結(jié)論。性能試驗(yàn)的3個主要波浪參數(shù)為有效波高、波峰周期和波峰（能量）峰向，采用均方差對數(shù)據(jù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析。

1.3試驗(yàn)存在的問題

根據(jù)認(rèn)證證書和相關(guān)試驗(yàn)報告等文獻(xiàn)，國外商業(yè)用的船載雷達(dá)測波儀所通過的性能鑒定為船級社認(rèn)證，均只進(jìn)行了海岸、石油平臺等陸上試驗(yàn)，分析其原因主要是海上試驗(yàn)采用搭載方式，在高海況下數(shù)據(jù)獲取無法得到保證，且海上試驗(yàn)代價高昂，試驗(yàn)時間無法控制，加上高海情條件下布放、回收浮標(biāo)困難，缺乏有效的海浪參考真值測量手段。相比而言，海岸、石油平臺等陸上試驗(yàn)選擇在固定地點(diǎn)進(jìn)行，采用值守方式等待大浪過程的出現(xiàn)，由于試驗(yàn)成本較低且能夠長期進(jìn)行，因此性能指標(biāo)考核驗(yàn)證在該條件下完成。

另外上述兩家國外設(shè)備的性能試驗(yàn)中均發(fā)現(xiàn)，在對波峰周期數(shù)據(jù)處理時，海浪存在明顯的雙峰特性，即存在風(fēng)浪、涌浪相互過渡的不穩(wěn)定期間。船載雷達(dá)測波儀和參考基準(zhǔn)儀器會出現(xiàn)交替將主波判定為風(fēng)浪或涌浪，導(dǎo)致此時波峰周期測量誤差增大數(shù)倍，該階段波峰峰向誤差也明顯增大。由于測量機(jī)理不同此情況無法避免，因此在數(shù)據(jù)處理時需要將此部分?jǐn)?shù)據(jù)剔除。

由于參考基準(zhǔn)測量儀器與船載雷達(dá)測波儀測量海浪的原理不同，因而上述兩型設(shè)備試驗(yàn)時均假設(shè)了二者誤差相互獨(dú)立。由于基準(zhǔn)儀器誤差與船載雷達(dá)測波儀誤差數(shù)量級相同，因此計(jì)算誤差時必須考慮基準(zhǔn)儀器的誤差，即測量誤差是兩個誤差之和。

2國內(nèi)相關(guān)情況

海浪的直接現(xiàn)場觀測方法和間接遙感探測方法的測量機(jī)理完全不同。對于間接遙感探測儀器，在民用領(lǐng)域國內(nèi)沒有鑒定的先例：對于直接測量海浪的儀器，在民用領(lǐng)域，我國國家海洋局標(biāo)準(zhǔn)計(jì)量中心具備對設(shè)備性能進(jìn)行試驗(yàn)鑒定的資質(zhì)和經(jīng)歷，中國海洋大學(xué)、山東科學(xué)院海洋儀器儀表研究所、中山市探海儀器公司均有定型產(chǎn)品。由于設(shè)備機(jī)理是空間單點(diǎn)測量，因此試驗(yàn)時可以選擇室內(nèi)水池，利用造波機(jī)生成不同波高、波向、波周期的海浪過程，采用經(jīng)鑒定的同類型方向浮標(biāo)作為基準(zhǔn)參考值，對測量偏差序列進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，并進(jìn)行技術(shù)指標(biāo)驗(yàn)證。

文獻(xiàn)[13]是地波雷達(dá)現(xiàn)場科研試驗(yàn)報告，由于其同屬于遙感探測設(shè)備，因此對本設(shè)備鑒定試驗(yàn)有一定的參考價值。SZFI-Ⅱ型波浪方向浮標(biāo)作為試驗(yàn)的基準(zhǔn)參考測量儀器。由于地波雷達(dá)和方向浮標(biāo)測量機(jī)理不同，兩種測量數(shù)據(jù)之間既存在空間域上的不同，也存在時間域上的不同，因此需要對誤差進(jìn)行綜合分析。

3船載雷達(dá)測波儀設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)建議

通過對國內(nèi)外船載雷達(dá)測波儀設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)的發(fā)展和方案的分析研究發(fā)現(xiàn)，基準(zhǔn)儀器誤差和雷達(dá)測波儀誤差通常在一個數(shù)量級上，此外在進(jìn)行外場實(shí)驗(yàn)時需要特殊的試驗(yàn)環(huán)境。針對這些問題，本文提出了國內(nèi)船載雷達(dá)測波儀設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)的主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)性能實(shí)驗(yàn)安排和數(shù)據(jù)處理及指標(biāo)評定方法。

3.1主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)（海浪監(jiān)測能力）性能實(shí)驗(yàn)安排

根據(jù)國外兩型主流船載雷達(dá)測波儀所通過的船級社認(rèn)證鑒定試驗(yàn)，均只進(jìn)行了海岸、石油平臺等陸上試驗(yàn)，因此本設(shè)備的主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)性能鑒定試驗(yàn)也建議選擇陸上進(jìn)行。

船載雷達(dá)測波儀海浪監(jiān)測能力性能指標(biāo)驗(yàn)證試驗(yàn)包括：海浪有效波高、波峰周期、波峰峰向的測量誤差指標(biāo)試驗(yàn)驗(yàn)證。由于試驗(yàn)條件限制無法獲取足夠數(shù)量和范圍的試驗(yàn)樣本，因此不進(jìn)行測量范圍指標(biāo)測試。檢驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)主要參考WaMoS Ⅱ的官方文獻(xiàn)。

3.1.1陸上海洋觀測站試驗(yàn)

根據(jù)船載雷達(dá)測波儀的工作原理，設(shè)備正常工作要求在開闊海域，且本船周圍3 km范圍內(nèi)的海浪探測區(qū)域海浪特性穩(wěn)定，要求海況>4級，因此建議選擇在岸基海洋觀測站進(jìn)行陸上試驗(yàn)，采用值守方式等待大浪過程的出現(xiàn)。由于沿岸出現(xiàn)大浪的幾率很小，因此將對設(shè)備海況低端條件下的主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)進(jìn)行驗(yàn)證。

該項(xiàng)試驗(yàn)需要配套航海雷達(dá)（天線齒輪箱、收發(fā)機(jī)），需要選擇合適的試驗(yàn)地點(diǎn)和季節(jié)以獲取符合最低試驗(yàn)樣本條件的測量數(shù)據(jù)。海浪真值獲取方面，可在雷達(dá)觀測區(qū)域放置波浪方向浮標(biāo)進(jìn)行同步觀測：或在WAVEX確認(rèn)合格條件下，將雷達(dá)信號同步引入該設(shè)備獲取同步的波浪波峰周期、波峰峰向，并將其作為基準(zhǔn)值：海浪有效波高也可由具有海洋觀測資質(zhì)的專業(yè)人員對探測區(qū)域進(jìn)行同步觀測完成。

由于現(xiàn)場條件有限，建議參考WAVEX鑒定試驗(yàn)的做法。試驗(yàn)現(xiàn)場定時記錄雷達(dá)連續(xù)圖像序列，以文件方式存儲在上位機(jī)硬盤中，將被試設(shè)備圖像數(shù)據(jù)以及同一時間段參考基準(zhǔn)值測量結(jié)果（方向浮標(biāo)、WAVEX或人工觀測換算）同步記錄，后期在試驗(yàn)室條件下以離線方式獲取被試設(shè)備的海浪測量結(jié)果，按照規(guī)定的方法與基準(zhǔn)測量值一起進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，完成對技術(shù)指標(biāo)的評估。

試驗(yàn)時應(yīng)選擇海浪成長期之后的平穩(wěn)期，一般在海區(qū)的風(fēng)速、風(fēng)向穩(wěn)定6h之后即可認(rèn)為海浪已經(jīng)成熟。

3.1.2海上搭載本船符合性檢驗(yàn)

由于海上試驗(yàn)高海況下數(shù)據(jù)獲取無法保證，且代價高昂，試驗(yàn)時間無法控制，加上高海情條件下布放、回收浮標(biāo)困難，缺乏有效的海浪參考真值測量手段，因此參考國內(nèi)測量船的做法，待設(shè)備裝船后搭載完成符合性檢驗(yàn)，主要進(jìn)行功能性考核驗(yàn)證。

3.2數(shù)據(jù)處理及指標(biāo)評定方法

將被試設(shè)備測量結(jié)果和同一時間段人工測量結(jié)果按照規(guī)定的方法進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后，對技術(shù)指標(biāo)進(jìn)行評估。將船載雷達(dá)測波儀反演輸出的有效波高、波峰周期、波峰峰向結(jié)果，以及浮標(biāo)測量、人工觀測換算的結(jié)果進(jìn)行統(tǒng)計(jì)平均，采用與德國WaMoS Ⅱ一致的參數(shù)誤差試驗(yàn)方法，進(jìn)行統(tǒng)計(jì)分析后實(shí)現(xiàn)對技術(shù)指標(biāo)的初步評估。

3.2.1以絕對誤差方式給出的指標(biāo)判定方法

設(shè)置為被試設(shè)備輸出的某海浪參數(shù)觀測量統(tǒng)計(jì)序列，其中i=1，…，N表示用于計(jì)算的時間序列（最小時間間隔為20 min）：Vi為同步人工觀測的海浪參數(shù)真值（由于人工觀測每天只進(jìn)行4次數(shù)據(jù)采集，因此需要根據(jù)船載雷達(dá)測波儀輸出時間對該數(shù)據(jù)進(jìn)行線性插值）；其中偏差序列為

為保證統(tǒng)計(jì)意義的可信性，要求N>30，且至少包含了3次不同的海浪周期。需要注意的是計(jì)算出。后，需要去除觀測野值（該次測量誤差>3后，再進(jìn)行一次計(jì)算。

由于人工觀測和反演輸出為獨(dú)立進(jìn)行，因此可認(rèn)為誤差相互獨(dú)立，上述計(jì)算的偏差中包含了人工觀測的真值誤差和本設(shè)備的測量誤差，總均方差為

根據(jù)對文獻(xiàn)中人工觀測和浮標(biāo)測量誤差數(shù)據(jù)的分析，可近似認(rèn)為人工觀測的真值誤差和本設(shè)備的測量誤差相當(dāng)，即：

3.2.2以相對誤差方式給出的指標(biāo)判定方法

實(shí)驗(yàn)時間段內(nèi)需要保證觀測的y；序列的最大相對偏差≤10%，以保證測量結(jié)果的可用性。按上述方法計(jì)算出a測量值，Y的均值為Y，則相對誤差為測量值=a測量值Y。則接受判據(jù)：S測量值≤給定的誤差指標(biāo)。

4試驗(yàn)效果分析

建議的試驗(yàn)方案考核的船載雷達(dá)測波儀主要技戰(zhàn)術(shù)指標(biāo)包括海浪有效波高、波峰周期、波峰峰向的測量誤差指標(biāo)，綜合分析是能夠滿足鑒定試驗(yàn)要求的。

由于試驗(yàn)條件限制無法獲取足夠數(shù)量和范圍的試驗(yàn)樣本，因此測量范圍指標(biāo)無法進(jìn)行高端測試。但由于船載雷達(dá)測波儀的數(shù)據(jù)源是海浪的雷達(dá)回波圖像，理論分析和已開展的科研試驗(yàn)均表明，海浪有效波高越大，海浪的雷達(dá)回波圖象越清晰，信噪比越大，因此對海浪監(jiān)測性能指標(biāo)的考核影響較小。

4.1試驗(yàn)基本情況

2005-2012年，本課題組承擔(dān)了國防重點(diǎn)型號科研項(xiàng)目艦載x波段航海雷達(dá)反演海浪技術(shù)，研究領(lǐng)域覆蓋雷達(dá)遙感海浪、海流、海面風(fēng)場、降水強(qiáng)度等，期間分別在山東龍口、福建平潭等地開展了為期4年的海上定平臺數(shù)據(jù)采集和性能驗(yàn)證試驗(yàn)，并利用試驗(yàn)艦在東海、南海等地開展了為期2年的動平臺海上科研試驗(yàn)，積累了x波段航海雷達(dá)在不同海況條件下的大量實(shí)測數(shù)據(jù)。

2010年10月起在國家海洋局福建海洋環(huán)境監(jiān)測站進(jìn)行試驗(yàn)。2010年10月5日，船載雷達(dá)測波儀參試人員及設(shè)備進(jìn)場，開始進(jìn)行設(shè)備的安裝調(diào)試工作，其間10月22日至10月27日，受鯰魚熱帶風(fēng)暴和寒流影響，出現(xiàn)了兩次3 m以上的波浪過程。2010年12月3日，SZF型波浪浮標(biāo)完成了檢定工作，檢定結(jié)果為有效波高誤差<0.33 m，符合設(shè)備誤差要求；12月6日，浮標(biāo)布放到E119.851°、N25.453°位置（相對雷達(dá)方位146.7°、距離850 m，雷達(dá)位置為E119.847°、N25.459°），和被試設(shè)備、WaMoS、WAVEX在同一測量區(qū)域，試驗(yàn)正式開始。12月15日至16日，受冷空氣影響，海上出現(xiàn)了2.0～3.5m的大浪。浮標(biāo)、WaMoS、被試設(shè)備和WAVEX都進(jìn)行了正常測量記錄，浮標(biāo)1h測量1次，被試設(shè)備20min輸出1次平均結(jié)果，WaMoS、WAVEX滾動輸出20min內(nèi)的平均結(jié)果。12月24日至26日，受冷空氣影響，海面出現(xiàn)了2.0～3.5 m的波浪，進(jìn)行了被試設(shè)備波浪參數(shù)誤差考核。2011年1月6日至7日上午，受冷空氣影響，海面出現(xiàn)了2.0-2.5 m的波浪，進(jìn)行了被試設(shè)備波浪參數(shù)誤差考核。2011年1月8日至10日凌晨，受冷空氣影響，海面出現(xiàn)2.0-3.0m的波浪，進(jìn)行了被試設(shè)備波浪參數(shù)誤差考核。2011年1月10日至13日，按照設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)大綱和標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的數(shù)據(jù)處理方法，對本次試驗(yàn)期間獲取的4次大海浪過程中被試設(shè)備的測量結(jié)果進(jìn)行了誤差統(tǒng)計(jì)分析，對船載雷達(dá)測波儀海浪參數(shù)測量誤差指標(biāo)進(jìn)行了考核。

4.2試驗(yàn)基本結(jié)論

本次試驗(yàn)從2010年10月5日開始至2011年1月14日結(jié)束，歷時4個月。按大綱要求基本完成了陸上試驗(yàn)項(xiàng)目，誤差考核結(jié)果如表1所示。

利用本次試驗(yàn)記錄的實(shí)測雷達(dá)原始圖像文件作為實(shí)測數(shù)據(jù)，完成了被試設(shè)備海浪測量結(jié)果的計(jì)算。設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)期間反演的有效波高、波峰周期和波峰峰向分別如圖1～圖3所示。其中紫色曲線為本課題組研制設(shè)備的反演結(jié)果，藍(lán)色曲線為參考設(shè)備的輸出結(jié)果。從圖1中可以看出，除設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)期間的短時間段內(nèi)反演的有效波高與真值偏差較大外，其余大部分時間段內(nèi)反演的有效波高與真值很接近。從圖2可以看出，在整個試驗(yàn)期間設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)期間反演的波峰周期與真值波動趨勢一致。從圖3中可以看出，設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)期間反演的波峰峰向與真值相一致，試驗(yàn)后期反演的波峰峰向波動小相對穩(wěn)定。

4.3存在問題及建議

依據(jù)指標(biāo)規(guī)定，有效波高測量指標(biāo)考核范圍為2.0～6.0m，但由于試驗(yàn)地點(diǎn)海岸地理和自然條件限制，該海區(qū)乃至中國沿岸出現(xiàn)大于3.0m大浪的幾率很小，因此本次陸上試驗(yàn)實(shí)際有效波高考核范圍為2.0～3.5 m，采用試驗(yàn)期間記錄的雷達(dá)原始圖像實(shí)測數(shù)據(jù)對有效波高進(jìn)行測試的范圍為3.5～5.0 m。

5結(jié)束語

本文分析了國外船載雷達(dá)測波儀的設(shè)計(jì)鑒定情況和方法，同時提出了國內(nèi)船載雷達(dá)測波儀的設(shè)計(jì)鑒定試驗(yàn)方法和要求。通過大量的實(shí)測雷達(dá)數(shù)據(jù)實(shí)驗(yàn)表明，該方法在陸基環(huán)境條件下能夠取得很好的試驗(yàn)效果。