機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計與關(guān)鍵技術(shù)研究

蔣 千 吳 昊 王燕宇(中國電子科技集團(tuán)公司第三十八研究所 合肥 230088)(孔徑陣列與空間探測安徽省重點實驗室 合肥 230088)(海軍駐合肥地區(qū)軍事代表室 合肥 230088)

1 引言

由于機(jī)載平臺高度的優(yōu)勢，機(jī)載雷達(dá)提供了艦載或岸基地面雷達(dá)所不能的強(qiáng)有力的大范圍海面監(jiān)視能力[1]。隨著飛機(jī)平臺的發(fā)展，特別是長航時無人機(jī)平臺超越了有人機(jī)的續(xù)航能力、無人直升機(jī)系統(tǒng)可隨艦出海進(jìn)行前出對海探測，成為各國海軍維護(hù)海上主權(quán)的重要力量。機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)具備廣域搜索的能力，可在方位向360°大范圍覆蓋，并對重點海域和時敏目標(biāo)進(jìn)行持續(xù)跟蹤監(jiān)視，兼顧對海上目標(biāo)的搜索、監(jiān)視、分類，并具備對島礁、港口等陸地場景的高分辨率成像。

目前機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)已經(jīng)在民用和軍用方面得到了廣泛應(yīng)用。其中戰(zhàn)爭時期的軍事任務(wù)主要包括反艦、反潛超視距目標(biāo)指示、沿岸、島礁地面運(yùn)動目標(biāo)探測和靜止固定目標(biāo)合成孔徑成像測繪偵察任務(wù)、空中目標(biāo)探測等；和平時期的非軍事任務(wù)主要包括水面搜救、反走私、非法移民控制、經(jīng)濟(jì)區(qū)巡邏和海面污染源監(jiān)控等[1]。

本文針對機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)的應(yīng)用需求和系統(tǒng)特點，對系統(tǒng)設(shè)計中的雷達(dá)體制選擇、工作參數(shù)選擇和工作模式設(shè)計等進(jìn)行了論述，并對影響其關(guān)鍵性能的強(qiáng)海雜波中慢速目標(biāo)檢測、跟蹤和目標(biāo)識別問題以及解決問題的技術(shù)途徑進(jìn)行了分析和論證，可為機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計與實現(xiàn)提供依據(jù)和參考。

2 國外技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀及系統(tǒng)特點

2.1 機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)發(fā)展現(xiàn)狀

面對來自海上威脅和維護(hù)海洋權(quán)益的需要，國外對海監(jiān)視雷達(dá)的研究和產(chǎn)品研制起步較早，在上世紀(jì)60年代就有產(chǎn)品問世，如60年代到80年代末美國海軍陸續(xù)裝備的AN/APQ-137/137B/137V等海上搜索雷達(dá)，主要工作方式有導(dǎo)航、動目標(biāo)指示、目標(biāo)截獲與跟蹤、火力控制、合成孔徑雷達(dá)成像、氣象探測和地形規(guī)避等功能。1990年后，成熟的機(jī)載對海雷達(dá)大量涌現(xiàn)，其中有AN/APS-128(D),VARAN, ARl599, ORB3203, Seaspray5000/7000/7500E, MFAS(Multi-Function Active Sensor)和AESA Radar等，國外多型產(chǎn)品已得到廣泛應(yīng)用與驗證。經(jīng)過長時間的發(fā)展，已有多個國家的多個公司推出了成熟的產(chǎn)品，并形成了產(chǎn)品系列化、平臺多樣化的特點，隨著技術(shù)的發(fā)展、需求的提高，該類裝備仍處于不斷發(fā)展和完善之中[1,2]。

近年來，適裝于機(jī)載平臺的對海偵察監(jiān)視雷達(dá)得到了快速發(fā)展。成熟的機(jī)載多功海上監(jiān)視雷達(dá)主要集中在美國、歐洲一些發(fā)達(dá)國家等，主要有美國Raytheon公司的SeaVue“海妖”雷達(dá)(如圖1所示)[3]、法國Thales公司的Ocean Master雷達(dá)(如圖2所示)[4]、以色列埃爾塔公司研制的EL/M-2022A/H/U型雷達(dá)(如圖3所示)[5]、歐洲雷達(dá)制造商意大利芬梅卡尼卡公司子公司SELEX GALILEO公司的Seaspray系列AESA雷達(dá)(5000E、7500E等，如圖4所示)[6]、美國Raytheon公司為美國海軍MQ-4C廣域海上監(jiān)視無人機(jī)系統(tǒng)(BAMS UAS)研制的多功能有源傳感器(MFAS)，正式編號為AN/ZPY-3型多功能相控陣?yán)走_(dá)(如圖5所示)[7,8]等。其中MFAS雷達(dá)是第1種能夠從極遠(yuǎn)的距離對海洋及沿岸提供360°持續(xù)覆蓋的雷達(dá)系統(tǒng)，采用了二維有源電子掃描陣列(AESA)，具備空海模式和空地模式，可以遠(yuǎn)距探測、跟蹤和識別海上和沿岸的多批目標(biāo)。

2.2 機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)主要功能

圖1 美國Raytheon公司研制的SeaVue“海妖”雷達(dá)組成單元實物及工作效果圖Fig.1 Physical and operational results of SeaVue “Sea monster” radar component units developed by Raytheon company, USA

圖2 法國Thales公司研制的Ocean Master雷達(dá)組成單元實物圖Fig.2 Physical charts of Ocean Master Radar component units developed by Thales company of France

綜合研究國外機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)裝備和技術(shù)的發(fā)展，當(dāng)前國內(nèi)外機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)典型使命任務(wù)包括：海上巡邏、海上搜救、海上封鎖、專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)巡邏、反走私/非法移民控制、漁業(yè)保護(hù)、整合AIS功能等。主要功能有：

圖3 以色列埃爾塔公司研制的EL/M-2022A型雷達(dá)組成單元實物及工作效果圖Fig.3 EL/M-2022A radar component units developed by Elta company of Israel

圖4 SELEX GALILEO公司研制的Seaspray 5000E海面搜索雷達(dá)實物與工作效果圖Fig.4 Physical and operational results of Seaspray 5000E marine surface search radar developed by SELEX GALILEO company

圖5 美國Raytheon公司研制的MFAS雷達(dá)AN/ZPY-3實物與工作效果圖Fig.5 Material and working effect diagrams of MAFS radar AN/ZPY-3 developed by Raytheon company, USA

(1) 對海搜索監(jiān)視(Maritime Moving Tagart Indictor, MMTI)：主要用于對海面目標(biāo)探測(廣域搜索監(jiān)視、敏感區(qū)域重點監(jiān)視)，以及對海上目標(biāo)進(jìn)行分類判性；

(2) 對地合成孔徑成像(SAR)：主要用對地面和靜止目標(biāo)連續(xù)成像以及從不同角度對某一目標(biāo)的持續(xù)成像觀察，滿足用戶對地偵察和測繪的需求，以及用于海面溢油探測的需求；

(3) 對地動目標(biāo)指示(Ground Moving Tagart Indictor, GMTI)：對地面運(yùn)動目標(biāo)(車輛、坦克等)檢測和跟蹤監(jiān)視；

(4) 對低空目標(biāo)探測(Air Moving Tagart Indictor, AMTI)：對低空運(yùn)動目標(biāo)(直升機(jī)等)檢測和跟蹤監(jiān)視；

(5) 輔助導(dǎo)航：綜合氣象探測和地形規(guī)避，提高飛機(jī)海上飛行的安全性。

2.3 機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)特點

綜合研究國外機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)裝備和技術(shù)的發(fā)展，機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)特點總結(jié)如下：

(1) 多功能集成，以對海面艦船目標(biāo)搜索監(jiān)視為主，集成了對低空目標(biāo)、地面慢速動目標(biāo)探測功能，集成對地面高分辨率成像功能，具備對航路前方氣象探測等輔助功能；

(2) 應(yīng)用范圍廣泛，除了海上搜索監(jiān)視外，還可用于溢油監(jiān)測、海冰探測，以及為飛行安全提供輔助導(dǎo)航；

(3) 技術(shù)體制采用日趨成熟的有源相控陣技術(shù)，強(qiáng)化數(shù)字信號產(chǎn)生及高性能數(shù)字信號處理技術(shù)應(yīng)用；

(4) 面向用戶需求，在多功能集成的技術(shù)上突出模塊化設(shè)計，簡化設(shè)備單元組成，具備多種標(biāo)準(zhǔn)外部接口，提高設(shè)備可靠性、可維性及綜合保障性能。

3 系統(tǒng)設(shè)計考慮的主要因素

機(jī)載雷達(dá)的安裝與飛機(jī)平臺氣動外形休戚相關(guān)，在保證不影響飛機(jī)飛行特性的前提下合理優(yōu)化天線的布局安裝設(shè)計，將直接影響雷達(dá)系統(tǒng)的設(shè)計。雷達(dá)與其他任務(wù)載荷以及武器裝備共同裝機(jī)時，其尺寸、重量和功耗等受到嚴(yán)格限制，因此，多功能的實現(xiàn)需要優(yōu)化雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計，綜合多種工作模式的雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計技術(shù)，在硬件設(shè)備共用的前提下優(yōu)化系統(tǒng)架構(gòu)、系統(tǒng)時序等設(shè)計，并通過仿真論證及試驗驗證，構(gòu)建滿足戰(zhàn)技指標(biāo)體系要求的機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)。

下文將重點介紹機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計中的幾個關(guān)鍵問題。

3.1 設(shè)計原則

從任務(wù)目標(biāo)和任務(wù)使命出發(fā)，詳細(xì)設(shè)計與實施過程中結(jié)合載機(jī)特點，統(tǒng)籌考慮雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計方案，在充分發(fā)揮飛機(jī)廣域海上監(jiān)視潛能的同時，確保雷達(dá)與飛機(jī)平臺機(jī)、電、熱適配性。同時堅持“適用、可靠、先進(jìn)、經(jīng)濟(jì)”原則，貫徹通用化、系列化、組合化要求，充分考慮技術(shù)的成熟度，提高設(shè)備可靠性，確?！肮苡谩⒑糜?、實用和耐用”。

3.2 工作頻段選擇

機(jī)載雷達(dá)一般工作于微波頻段，具體頻段選擇需綜合裝機(jī)限制、作戰(zhàn)任務(wù)、工作環(huán)境、探測對象、性能指標(biāo)等多種因素。

以對海面艦船目標(biāo)進(jìn)行搜索、跟蹤和目標(biāo)指示為主要任務(wù)的對海探測雷達(dá)系統(tǒng)，窄的方位波束寬度有利于區(qū)分艦船目標(biāo)。波束寬度與雷達(dá)波長成正比，因此，系統(tǒng)設(shè)計時需合理選擇工作頻段。此外還應(yīng)考慮電磁波傳播時的氣象損耗等。

機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計時，需考慮到探測區(qū)域未知氣象條件對作戰(zhàn)效能帶來的影響。電磁波在均勻雨中的衰減對2 GHz以上通常是重要的，當(dāng)雨滴比波長小時，衰減正比于頻率的2.3～2.8次冪。在此區(qū)間，衰減系數(shù)(dB/km)通常表達(dá)為

根據(jù)上述公式可以計算雨衰，相比S, C和X波段，在目標(biāo)探測區(qū)域同樣氣象條件下時，工作于Ku頻段雷達(dá)的探測距離將比工作于S, C和X波段時縮短，嚴(yán)重影響作戰(zhàn)效能。Ka等頻段電磁波的雨衰將更為嚴(yán)重。

3.3 工作極化選擇

雷達(dá)極化方式的選擇主要與海雜波對目標(biāo)檢測的影響和目標(biāo)特性有關(guān)。隨著入射和觀察方位角的變化，散射場極化也不斷發(fā)生變化。因此對于雷達(dá)的極化選擇，重點關(guān)注海雜波的影響。

海雜波的特性復(fù)雜，至今仍缺少全面而準(zhǔn)確的結(jié)論。最早用來描述海雜波散射機(jī)理的是布拉格散射模型，對該模型完善后產(chǎn)生了調(diào)制布拉格模型。調(diào)制布拉格模型將散射機(jī)理分解為大尺度、慢變分量和小尺度、快變分量。前者對應(yīng)海面大尺度浪濤結(jié)構(gòu)，后者則對應(yīng)細(xì)小水面張力波。調(diào)制布拉格理論也被稱為復(fù)合表面理論，根據(jù)該理論，垂直(VV)極化回波比水平(HH)極化回波具有更大的幅度[10]。

由于早期雷達(dá)距離向分辨單元較大，在低海況下HH極化海雜波強(qiáng)度較VV極化要低，在高海況下兩種極化對應(yīng)的海雜波強(qiáng)度趨于一致，對海搜索雷達(dá)的極化選擇以HH極化為主。

隨著對海雜波研究的逐步深入，為降低海雜波整體散射強(qiáng)度，雷達(dá)信號帶寬的不斷增加，距離分辨單元相應(yīng)減小之后，海雜波除調(diào)制布拉格散射之外，海雜波的散射分解至海浪的細(xì)節(jié)部分，由浪碎后的粗糙海面引起的“白帽”散射及浪碎前陡峭波峰表面引起的鏡面反射也構(gòu)成了雷達(dá)后向散射功率中的5%～15%，在淺水區(qū)域甚至能達(dá)到40%～50%，該部分散射也是形成雷達(dá)回波中“海尖峰”的主要因素。理論分析及試驗數(shù)據(jù)表明，HH極化對于碎浪的反射比VV極化更加敏感[10]。

海浪隨風(fēng)速的增加而增高，在重力作用下，當(dāng)海浪失去平衡狀態(tài)時出現(xiàn)浪花，從而產(chǎn)生破碎波，而破碎波的雷達(dá)反射回波即為海尖峰。此時雷達(dá)回波強(qiáng)度會明顯增強(qiáng)，類似于目標(biāo)回波，其幅度概率密度曲線表現(xiàn)出重拖尾現(xiàn)象。實驗表明，海尖峰易出現(xiàn)在高分辨、低擦地角、高海況以及HH極化方式下，使得海雜波多普勒譜展寬，體現(xiàn)出明顯的時變和非平穩(wěn)特性[11]。

根據(jù)對海雜波數(shù)據(jù)的分析發(fā)現(xiàn)，HH極化具有較長的紋理分量相干長度，而VV極化通常較小，這是由于海面對不同極化的散射機(jī)理不一樣導(dǎo)致的。其次紋理分量相干長度隨著分辨率的提高而減小，這是因為隨著分辨率的提高，單個分辨單元內(nèi)海面大尺度結(jié)構(gòu)分量數(shù)量減小導(dǎo)致的。因海尖峰的存在，中低海況下X頻段海雜波HH極化的標(biāo)準(zhǔn)差平均值是VV極化的標(biāo)準(zhǔn)差平均值的4～7倍，而在高海況下兩種極化整體雜波強(qiáng)度趨于一致。此外，VV極化的功率譜密度相比HH極化具有更窄的帶寬，且衰減的更快。

綜合理論及實測數(shù)據(jù)的分析，機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)在極化方式選擇時應(yīng)結(jié)合雷達(dá)具體用途，因不同極化各自有其優(yōu)勢，因此應(yīng)在產(chǎn)品形態(tài)中進(jìn)行多樣性設(shè)計，在資源許可的前提下，進(jìn)行多極化設(shè)計，為復(fù)雜海況下極化分集探測小目標(biāo)[12,13]的探索提供技術(shù)支撐。

3.4 雷達(dá)體制選擇

機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)任務(wù)載荷裝入有人機(jī)、固定翼無人機(jī)或無人直升機(jī)等平臺，要解決當(dāng)前裝備對海探測中面臨的困境。雷達(dá)對海/陸、動/靜兼?zhèn)?，多功能高效能集成于一體，對復(fù)雜海況下海面目標(biāo)的廣域探測、精確跟蹤、準(zhǔn)確分類，常規(guī)機(jī)械掃描體制雷達(dá)已無法滿足探測需要。

現(xiàn)代雷達(dá)體制主要有機(jī)械掃描(Mechanical Scanning Antenna, MSA)、電掃描相控陣(Electrically Scanned Antenna, ESA)兩大類。對于瞬息萬變的戰(zhàn)場態(tài)勢提出的同時多功能的需求，常規(guī)體制的機(jī)械掃描雷達(dá)難以支撐，難以提供后續(xù)可擴(kuò)展的空間。

相控陣?yán)走_(dá)從發(fā)展階段來看又分為無源、有源相控陣，從維度上又分為一維相控陣和二維相控陣。有源相控陣體制有兩種實現(xiàn)方式，一是模擬有源相控陣體制，二是數(shù)字陣列體制。模擬有源相控陣體制與數(shù)字陣列體制如圖6所示。

20世紀(jì)60年代伊始，經(jīng)過長時間的技術(shù)發(fā)展，機(jī)載海面監(jiān)視雷達(dá)從最初的無源拋物面天線和磁控管發(fā)射機(jī)，逐漸發(fā)展至平板裂縫天線和行波管發(fā)射機(jī)，進(jìn)而發(fā)展至相控陣?yán)走_(dá)體制，從簡單波形逐漸發(fā)展至多維波形、寬帶/寬角掃描等。相控陣體制的雷達(dá)具有寬帶/寬角掃描和波束靈活調(diào)度等優(yōu)點，數(shù)字陣列體制雷達(dá)是相控陣?yán)走_(dá)的最新發(fā)展，相對于模擬相控陣?yán)走_(dá)，其體系構(gòu)架簡單、數(shù)字化程度高、處理方式靈活，優(yōu)點很多，優(yōu)勢明顯。優(yōu)點主要有：

(1) 波束控制靈活，具備靈活的多任務(wù)能力；

(2) 資源利用率高，雷達(dá)探測性能優(yōu)越；

(3) 空間自由度高，系統(tǒng)動態(tài)范圍大，抗干擾能力強(qiáng)；

(4) 體系架構(gòu)簡潔，擴(kuò)展升級能力強(qiáng)。

當(dāng)前，機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)一般采用兩種有源相控陣技術(shù)體制，分別是俯仰一維相掃+方位機(jī)掃，以及二維相掃+方位機(jī)掃。與一維相掃相比，采用二維相掃有明顯的功能優(yōu)勢，可有效提升雷達(dá)的作戰(zhàn)效能，主要表現(xiàn)在：具備扇區(qū)搜索時同時對多個目標(biāo)跟蹤能力，具備邊搜索邊跟蹤邊成像的能力，具備同時多目標(biāo)指示能力，扇區(qū)跟蹤時可實現(xiàn)遠(yuǎn)近結(jié)合和大小兼顧，對陸成像具有更大的成像幅寬以及有源相控陣?yán)走_(dá)故障進(jìn)一步柔性化，任務(wù)可靠性高。

3.5 天線尺寸設(shè)計

天線是相控陣?yán)走_(dá)最重要的單元，是雷達(dá)系統(tǒng)的對外接口，與雷達(dá)探測目標(biāo)的能力和效果有密切的關(guān)系。天線口徑大小決定了天線的許多其它參數(shù)，如天線增益、方向性圖，進(jìn)而影響到雷達(dá)系統(tǒng)的性能，如功率孔徑積、分辨率、SAR模式下的觀測帶寬、測角精度等。

為確保相控陣天線波束不出現(xiàn)柵瓣，天線線源的水平向間距須滿足

其中， λmin為天線的最小工作波長，為波束偏離陣面法向的最大掃描角，為輻射單元數(shù)目的倒數(shù)。以某型機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)為例，方位向掃描角度不同時，單元間距相應(yīng)變化，考慮風(fēng)冷條件單通道收發(fā)組件所能提供的平均功率，給出不同掃描角要求、方位向不同單元數(shù)時，對應(yīng)的功率增益積，如圖7所示。

在方位掃描±30°, ±45°和±60°時，可以計算出滿足功率增益積要求時的方位向單元數(shù)目，進(jìn)一步可將不同掃描方式下對應(yīng)的天線口徑、收發(fā)單元、方位波束寬度、收發(fā)組件功耗等有源天線參數(shù)列表比對權(quán)衡。此時方位向掃描范圍、方位向輻射單元間距和方位向天線口徑等即可確定了。

圖6 模擬/數(shù)字波束形成示意圖Fig.6 Analog/Digital beamforming diagrams

圖7 不同掃描角度范圍對應(yīng)的天線功率增益積Fig.7 Antenna power-gain product corresponding to different scanning angle ranges

3.6 作用距離計算

對海探測時，此時海雜波和視距限制是影響探測距離的主要因素，海雜波的影響一般情況下遠(yuǎn)大于系統(tǒng)噪聲。影響脈沖體制雷達(dá)檢測性能的主要因素是信號與雜波加噪聲的比值(信雜噪比SCNR)，下面結(jié)合相關(guān)參考文獻(xiàn)[14–16]給出雷達(dá)系統(tǒng)總體設(shè)計論證時對雷達(dá)作用距離的計算公式供參考。

根據(jù)脈沖雷達(dá)距離方程計算出信噪比(SNR)的表達(dá)式

可以看出，信噪比是隨著目標(biāo)距離變化的函數(shù)。其中上述方程中各參數(shù)的定義：Pt為發(fā)射峰值功率；為脈沖寬度；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；為目標(biāo)的雷達(dá)截面積；為系統(tǒng)損耗，CB為帶寬失配因子。

波束照射范圍內(nèi)雜噪比

其中，海雜波的雷達(dá)散射截面積

根據(jù)幾何關(guān)系，圖8(a)給出了飛機(jī)飛行高度5000 m時波束入射余角(擦海角)隨作用距離的變化關(guān)系以及根據(jù)式(3)—式(5)仿真給出對于海面大中型船只，3級海況下，雷達(dá)正常工作時天線轉(zhuǎn)速6 rad/min，信號處理對波束駐留時間內(nèi)積累的64個脈沖進(jìn)行非相參積累時，不同作用距離下雷達(dá)的信雜噪比。

由圖8(b)不同作用距離下回波信號的信雜噪比可知，由于近區(qū)雷達(dá)波束入射角大，其海雜波對雷達(dá)探測影響嚴(yán)重，使得信雜比明顯惡化，遠(yuǎn)區(qū)波束入射角小，海雜波影響相對較小，但隨著作用距離的增大，系統(tǒng)噪聲開始成為影響作用距離的主要因素，目標(biāo)回波信號強(qiáng)度與雜波信號強(qiáng)度下降比例相當(dāng)，且都遠(yuǎn)大于噪聲。同時，系統(tǒng)信雜噪比近區(qū)不受影響，遠(yuǎn)區(qū)下降較為明顯，這與原理性定性分析也相吻合。因此，雷達(dá)對海面遠(yuǎn)距離艦船目標(biāo)進(jìn)行探測時，海雜波對目標(biāo)檢測影響較小，而在近區(qū)探測時海雜波對目標(biāo)檢測影響較大，此時可采用捷變頻，以有效抑制海雜波。

圖8 不同作用距離時波束掠射角和信雜噪比變化關(guān)系Fig.8 Variation of beam grazing angle and SCNR at different ranges

3.7 系統(tǒng)組成

機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)包括機(jī)載雷達(dá)設(shè)備和顯控/信息處理軟件兩部分，如圖9所示。機(jī)載雷達(dá)裝入飛機(jī)平臺，作為機(jī)載任務(wù)設(shè)備在數(shù)據(jù)傳輸分系統(tǒng)等支撐下執(zhí)行偵察任務(wù)；顯控/處理軟件裝入任務(wù)控制站，對機(jī)載雷達(dá)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)測與控制，并接收通過數(shù)據(jù)傳輸分析圖實時發(fā)送的偵察數(shù)據(jù)，并形成初步的態(tài)勢顯示，并將處理后的偵察信息發(fā)送至后端進(jìn)行情報處理。

機(jī)載雷達(dá)由天線、低功率射頻、伺服轉(zhuǎn)臺、信號處理、數(shù)據(jù)處理、任務(wù)管理等組成。由飛機(jī)供電，由機(jī)載組合導(dǎo)航設(shè)備提供飛行狀態(tài)的姿態(tài)、速度與位置等信息，通過機(jī)載飛控機(jī)提供狀態(tài)的下傳與控制指令，通過信息傳輸?shù)臋C(jī)載數(shù)據(jù)終端實現(xiàn)偵察數(shù)據(jù)的實時傳輸。

顯控/處理軟件裝于飛機(jī)系統(tǒng)任務(wù)處理平臺(飛機(jī)或地面上)，基于網(wǎng)絡(luò)化實現(xiàn)數(shù)據(jù)交聯(lián)，通過網(wǎng)絡(luò)實現(xiàn)雷達(dá)監(jiān)測與控制，對雷達(dá)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，并通過網(wǎng)絡(luò)將偵察信息發(fā)送至情報處理站。

圖9 機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)系統(tǒng)組成示意圖Fig.9 Composition diagram of airborne multifunctional marine surveillance radar system

4 關(guān)鍵技術(shù)問題及其技術(shù)途徑

機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)的海上作戰(zhàn)環(huán)境復(fù)雜多變，探測目標(biāo)多樣化[11]，面臨著強(qiáng)海雜波中的海面慢速目標(biāo)檢測與跟蹤和海面目標(biāo)多特征分類識別等技術(shù)難點。

4.1 復(fù)雜海況強(qiáng)海雜波中的海面慢速目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)

機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)面對不同海域、不同海況、不同視角下對海面目標(biāo)的搜索、檢測與跟蹤，而海雜波復(fù)雜多變的特性將影響雷達(dá)的探測性能。因此，強(qiáng)海雜波中的海面慢速目標(biāo)檢測與跟蹤技術(shù)是機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)面臨的一個難點。

海雜波的分布特性是動態(tài)和時變的，與雷達(dá)系統(tǒng)參數(shù)、入射余角和海情等因素相關(guān)，并且海面目標(biāo)具有多種的RCS分布和運(yùn)動特性，這不但嚴(yán)重影響雷達(dá)在強(qiáng)海雜波背景下的目標(biāo)檢測，對雷達(dá)系統(tǒng)數(shù)據(jù)處理技術(shù)中航跡起始、數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)以及目標(biāo)狀態(tài)估計等一系列技術(shù)提出了更高的要求。對于機(jī)載雷達(dá)，載機(jī)飛行高度不同，則雷達(dá)對海面目標(biāo)探測視向角不同，不同視向角對應(yīng)的海雜波也是完全不一樣，影響雷達(dá)對不同距離目標(biāo)探測性能。

系統(tǒng)設(shè)計時主要從空域、頻域等方面降低海雜波強(qiáng)度和相關(guān)性出發(fā)進(jìn)行設(shè)計。通過增加發(fā)射信號的帶寬，減小距離單元的空間尺度，降低單個距離單元內(nèi)的回波強(qiáng)度；通過脈組捷變頻等頻率分集等方式降低海雜波的相關(guān)性。

通過對多次飛行試驗錄取的大量回波數(shù)據(jù)進(jìn)行海雜波特性分析，給出了不同距離段雷達(dá)回波的幅度分布與統(tǒng)計模型的擬合程度，如圖10(a)所示，結(jié)果表明機(jī)載X波段雷達(dá)海雜波幅度分布與Weibull分布模型最接近。K分布適合海雜波變化劇烈的情況，Rayleigh分布適合海雜波分布均勻的情況。此外，每個距離單元的海雜波的時間相關(guān)特性基本一致，通過時間相關(guān)函數(shù)曲線可以給出近區(qū)某個距離單元的時間相關(guān)函數(shù)，如圖10(b)所示，可以看出海雜波的時間相關(guān)函數(shù)具有一個快速的下降期，其后跟隨1個較長的衰減過程，統(tǒng)計了強(qiáng)雜波區(qū)的去相關(guān)時間的概率密度，得到去相關(guān)時間約為13.7 ms，如圖11所示，與國內(nèi)外相關(guān)文獻(xiàn)[17–20]的研究結(jié)論吻合。

圖10 海雜波分布特性分析Fig.10 Distribution characteristics of sea clutter

圖11 海雜波區(qū)的去相關(guān)時間統(tǒng)計Fig.11 Decorrelated time statistics in sea clutter area

為了降低空域的海雜波強(qiáng)度，從方位、距離兩維降低距離單元的空間尺寸。在滿足裝機(jī)要求(波束寬度難以縮窄)和數(shù)據(jù)率限制條件下，增加雷達(dá)發(fā)射信號的頻帶寬度，進(jìn)而減小距離單元的空間尺度，降低單個距離單元內(nèi)的回波強(qiáng)度。

對于較強(qiáng)海況或近區(qū)的目標(biāo)探測，中小型目標(biāo)會被海雜波所淹沒，通過頻率分集的方式可降低海雜波的相關(guān)性。雷達(dá)工作于捷變頻時，利用目標(biāo)和海雜波在統(tǒng)計特性上的不同抑制海雜波，當(dāng)雜波相關(guān)時間內(nèi)的各發(fā)射脈沖之間的跳頻間隔大于某個“臨界頻率”時，頻率捷變可以使脈沖間的雜波去相關(guān)。去相關(guān)之后的海雜波統(tǒng)計特性與噪聲相似，此時再通過非相參積累處理提高回波的信雜比。頻率捷變能夠顯著提高海雜波背景下的非相干積累得益，尤其在強(qiáng)海雜波情況下，頻率捷變帶來的效果更加明顯，頻率捷變非相參處理原理如圖12所示。此外，信號處理算法采用掃描間積累方式、時頻分析、長時間相參積累以及高分辨稀疏表示等其他精細(xì)化處理方法[21,22]可以提高強(qiáng)雜波中目標(biāo)檢測性能。

好的檢測性能轉(zhuǎn)化為最終探測能力還要依賴于數(shù)據(jù)處理的目標(biāo)起批建航和航跡跟蹤算法。針對機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)對海面船只航線上或島礁附近的密集群目標(biāo)或艦艇編隊構(gòu)成的密集群目標(biāo)的情況，提出了基于在線知識輔助(Knowledge-Aid, KA)的海面目標(biāo)分級檢測方法，實現(xiàn)對海面大中小目標(biāo)分級檢測。對每個波位沿距離單元檢測兩次，先進(jìn)行第1次沿距離滑動的檢測，再用檢測的結(jié)果來重新選擇參考距離單元進(jìn)行第2次檢測。采用該方法對某機(jī)載雷達(dá)對海飛行的回波數(shù)據(jù)的第1個掃描周期的第30波位分析，虛警概率0.0001，參考單元數(shù)目25，保護(hù)單元數(shù)目：左右各2個，分析結(jié)果如圖13所示，可以看出，通過雙重分級檢測方法，在密集群目標(biāo)處增加了6個目標(biāo)。

圖12 頻率捷變非相參處理原理框圖Fig.12 Principle block diagram of frequency agility non-coherent processing

圖13 某機(jī)載海上監(jiān)視雷達(dá)回波單重檢測和雙重檢測結(jié)果Fig.13 Single detection and double detection of echo of an airborne marine surveillance radar

圖14給出了某機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)飛行試驗對海面目標(biāo)探測和跟蹤結(jié)果，跟蹤效果連續(xù)穩(wěn)定，與AIS吻合。

圖14 對海面目標(biāo)檢測跟蹤結(jié)果Fig.14 Detection and tracking results of surface targets

4.2 基于HRR/ISAR的海面目標(biāo)多特征分類識別技術(shù)

海面目標(biāo)數(shù)量龐大，在大量目標(biāo)中分辨出有用目標(biāo)至關(guān)重要，因而期望機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)具備一定的海面目標(biāo)特征分類/識別能力。

海面目標(biāo)分類識別包括群目標(biāo)分辨、目標(biāo)分類和目標(biāo)信號級識別。目前，信號級識別仍存在非常大的困難，因而主要側(cè)重于前2個層面，其主要實現(xiàn)途徑包括基于一維高分辨距離像(High-Resolution Range Profile, HRRP/HRR)和二維逆合成孔徑雷達(dá)(Inverse Synthetic Aperture Radar, ISAR)圖像的目標(biāo)識別技術(shù)等。

機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)采用HRR可獲取艦船目標(biāo)的距離向強(qiáng)度分布，但由于目標(biāo)的起伏與噪聲閃爍，難以提供直觀的目標(biāo)分類信息。ISAR成像可利用艦船的滾轉(zhuǎn)所產(chǎn)生的相對多普勒偏移，獲得艦船目標(biāo)的距離-多普勒域的二維散射強(qiáng)度圖像，提供了較為直觀的目標(biāo)分類識別途徑。但由于飛機(jī)、艦船目標(biāo)均處于運(yùn)動狀態(tài)下，且艦船的運(yùn)動狀態(tài)完全未知，因此在機(jī)載運(yùn)動平臺上，對運(yùn)動姿態(tài)不確定的艦船目標(biāo)進(jìn)行高分辨率ISAR成像存在較大的困難，主要難點在于成像數(shù)據(jù)積累期間對飛機(jī)運(yùn)動偏差的精確補(bǔ)償，以及對艦船目標(biāo)數(shù)據(jù)的參數(shù)估計與快速成像。

4.2.1 基于一維距離像的海面目標(biāo)分類識別

對高分辨雷達(dá)的目標(biāo)回波進(jìn)行頻譜分析獲得一維距離像。一維距離像以散射點為模型描述目標(biāo)的散射中心在徑向的投影。當(dāng)目標(biāo)運(yùn)動引起目標(biāo)視角變化時，各散射點的相對位置必然發(fā)生變化，從而引起距離像隨視角的變化而變化。引起距離像變化的原因有兩個，一是距離走動，二是閃爍現(xiàn)象。

(1) 艦船目標(biāo)一維距離像回波特性

艦船目標(biāo)的寬帶距離像一般由散射中心模型進(jìn)行解釋，即目標(biāo)的距離像中每個距離單元的幅度和相位由位于該距離單元內(nèi)的多個散射點相互干涉形成。對于艦船目標(biāo)，其自身的艦橋和上層建筑等散射強(qiáng)度較大，且上層建筑具有一定的散布性，因而大型艦船的寬帶距離像中具有較多的尖峰。

目標(biāo)散射點個數(shù)、散射點相對強(qiáng)度以及相位均隨姿態(tài)角的變化而變化，表現(xiàn)為一維距離像距離分辨單元回波幅值的“閃爍”和距離像形狀的改變，即所謂的距離像的姿態(tài)敏感性。艦船目標(biāo)相對雷達(dá)的姿態(tài)角取值范圍較大，同一目標(biāo)在不同姿態(tài)角下的距離像的形狀和統(tǒng)計特征差異較大。一維距離像能夠反映目標(biāo)外形及大小。

圖15給出了某型艦船目標(biāo)的高分辨距離像，占據(jù)了若干距離單元，且有多個散射點尖峰。特定目標(biāo)的距離像可由距離像的長度、尖峰個數(shù)、尖峰位置和相對幅度、距離像的熵以及中心矩進(jìn)行表征，上述特征的組合可構(gòu)造目標(biāo)的特征向量，作為SVM、最近鄰等分類器的輸入進(jìn)行目標(biāo)屬性的判別[23]。

(2) 艦船目標(biāo)HRR目標(biāo)分類識別方法

首先進(jìn)行預(yù)處理以獲得滿足信噪比等識別需求的特征信號，然后提取能夠反映其長度及散射點分布的特征以供分類處理，進(jìn)一步地，通過特征優(yōu)選對所獲取的特征進(jìn)行解耦與優(yōu)化，獲得特征向量，并通過模式分類的方法完成對目標(biāo)類別的區(qū)分。

圖15 某型艦船的高分辨一維距離像Fig.15 High resolution one-dimensional range profile of a ship

針對距離像變化的因素，采用包絡(luò)對齊進(jìn)行距離對準(zhǔn)以使不同脈沖所成的距離像的相關(guān)性達(dá)到最大，通過非相干平均去噪提高回波的信噪比。在獲得有效的一維距離像后，一方面可通過進(jìn)行模板匹配獲得初步判決，另一方面通過對一維距離像提取散射中心相關(guān)特征進(jìn)行分類器的判決，最后通過綜合判決獲得目標(biāo)的類別判決。一維距離像分類識別的流程見圖16。

圖16 一維距離像識別流程Fig.16 One-dimensional range profile recognition process

4.2.2 基于ISAR的海面目標(biāo)分類識別

雷達(dá)在海面動目標(biāo)指示模式下，檢測到海上大型動目標(biāo)，在發(fā)現(xiàn)目標(biāo)后，切換到寬帶ISAR模式，發(fā)射寬帶信號，波束對著目標(biāo)進(jìn)行觀測，通過MMTI提供的目標(biāo)的位置參數(shù)，設(shè)置寬帶ISAR的回波采集窗口，對海上動目標(biāo)進(jìn)行ISAR成像，形成目標(biāo)不同狀態(tài)下的二維灰度圖像，具體工作流程如圖17所示[24]。

圖18和圖19給出了某機(jī)載監(jiān)視雷達(dá)對海面運(yùn)動艦船目標(biāo)ISAR成像的試驗結(jié)果，獲取了多批次的目標(biāo)數(shù)據(jù)及成像結(jié)果，可以看出目標(biāo)的輪廓等信息。通過對圖像的判讀，提取目標(biāo)的大小、形狀以及強(qiáng)散射點的分布等特征，經(jīng)過綜合后可實現(xiàn)目標(biāo)型號的初步識別。

在ISAR圖像中根據(jù)艦船目標(biāo)的大小(艦船的長、寬)、長寬比、艦船面的設(shè)施反射圖像的數(shù)量、位置、樣式、反射波是否均勻等區(qū)分艦船種類。高分辨率ISAR圖像下，艦船分類的影響因素主要來自3個方面。第1方面為ISAR成像因素，包括ISAR圖像的分辨率，入射角，艦船目標(biāo)旁瓣等。第2方面為海況因素，海況的好壞，直接關(guān)系到艦船能否在SAR圖像中檢測出來，以及特征提取的正確與否。低海況時，海面背景比較均勻，利用各種方法進(jìn)行艦船檢測能得到較佳結(jié)果，但在高海況下，建模能力稍弱的檢測器會出現(xiàn)不少漏檢和虛警，降低檢測精度，從而降低了分類的精度。另一方面，高海況情況下艦船像素集提取存在困難，為解譯工作增加難度。第3個因素為艦船自身因素，包括艦船的材質(zhì)、大小、位置等[25]。

圖17 ISAR模式工作流程示意框圖Fig.17 Schematic block diagram of ISAR mode work flow chart

圖18 某機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)對海上某船ISAR成像結(jié)果Fig.18 ISAR imaging results of an airborne multifunctional marine surveillance radar for a ship at sea

根據(jù)上面對艦船分類識別影響因素的分析，設(shè)計高分辨率ISAR海洋艦船目標(biāo)分類識別算法流程如圖20所示。

(1) 艦船切片預(yù)處理

艦船切片預(yù)處理是艦船切片特征提取的前提，是特征提取精度準(zhǔn)確性的關(guān)鍵所在。因此，艦船切片預(yù)處理對于高分辨率ISAR圖像下艦船分類工作具有重要意義。高分辨率ISAR圖像下，艦船切片預(yù)處理[25]，包括ISAR圖像定標(biāo)、去旁瓣處理、閾值分割、主軸方向提取和最小外接矩形提取等5個主要步驟。

(2) 艦船切片特征提取

常用的包括以下5類特征：

(a) 尺度和形狀特征，包括長度、寬度、長寬比、面積、周長、形狀復(fù)雜度和質(zhì)心等[26,27]；

(b) 散射強(qiáng)度特征，包括散射均值、方差和最大值等[28,29]；

(c) 紋理特征，包括孔洞比例[30]、分形數(shù)[31,32]和密度等[33]；

(d) 矩估計特征，通常采用Hu矩估計等[34]；

圖19 某機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)對散貨船ISAR成像結(jié)果Fig.19 ISAR imaging results of an airborne maritime surveillance radar on bulk carrier

圖20 艦船目標(biāo)分類流程圖Fig.20 Flow chart of ship target classification

(e) 其他特征，如SURF(Speeded Up Robust Features)特征[35]、RCS密度編碼(RCS density encoding)[36]等。

以上特征是一般情況下ISAR圖像中自動目標(biāo)識別(Automatic Target Recognition, ATR)常用的特征，但針對艦船目標(biāo)而言，同一艘艦船在不同的成像時間、海浪情況和不同的圖像中，均存在一定差異。針對以上問題，提出以下結(jié)構(gòu)特征作為艦船類型判別的依據(jù)，包括核密度估計值、左右比、極值比、正負(fù)像素、積分主軸與中軸比、自相關(guān)周期、主軸位置和船舶左中右積分比例等[34–37]。

(3) 艦船的分類模型

現(xiàn)常用的分類模型主要包括[38,39]層次閾值法、最小距離法(minimum distance classifier)、最鄰近法(nearest neighbor algorithm)、最大似然法(Maximum Likelihood, ML)、貝葉斯神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)法(Bayesian neural network)、支持向量機(jī)(Support Vector Machine, SVM)和基于深度學(xué)習(xí)卷積神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)(Con-volutional Neural Network, CNN)的分類方法[40]等。

通過實驗分析發(fā)現(xiàn)，上述方法分類方法各有優(yōu)缺點。特征分析法綜合分析比較了所有的船舶切片模型，適用于高分辨率ISAR圖像的船舶分類識別工程應(yīng)用。最小距離法和最鄰近法具有較為直接的數(shù)學(xué)表達(dá)和較為簡單的理解過程，實現(xiàn)難度小，穩(wěn)定性較好。支持向量機(jī)法是近年來的研究熱點與難點，能夠綜合分析樣本量少，特征維度高的分類問題，具有較高的分類精度和穩(wěn)定性，在4種方法中，取得最高的分類精度。

綜上所述，ISAR圖像艦船識別通過預(yù)處理提高圖像的信噪比等以滿足識別需求。ISAR圖像艦船目標(biāo)識別先通過圖像檢測的方法將目標(biāo)檢測出來，再進(jìn)一步通過特征提取與優(yōu)選、分類識別與數(shù)據(jù)庫的建設(shè)完成對軍船、民船、航母、驅(qū)護(hù)艦的分類識別。

5 未來發(fā)展趨勢

雖然國內(nèi)外機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)已有長足的發(fā)展，但是針對海洋背景的復(fù)雜性和特殊性問題的不斷探究，以及海面小目標(biāo)檢測迫切需求[1]，使得該類產(chǎn)品在未來仍有很大發(fā)展空間。未來機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)的發(fā)展趨勢和要求主要有：

(1) 多功能、多任務(wù)

機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)為海軍的反艦、反潛、登島和登陸作戰(zhàn)任務(wù)提供信息保障，不僅能提供目標(biāo)位置、速度等常規(guī)的信息，而且要提供目標(biāo)的特征，能對目標(biāo)實施分類甚至識別，為精確打擊提供指示信息，提高機(jī)載、艦載、岸基等武器作戰(zhàn)效能，因此，未來機(jī)載多功能對海監(jiān)視雷達(dá)需要具備搜索、跟蹤、定位、高分辨成像、目標(biāo)分類/識別、引導(dǎo)、評估等同時多功能和多任務(wù)能力。

(2) 復(fù)雜環(huán)境的作戰(zhàn)能力

機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)的探測目標(biāo)有海面艦船、潛艇潛望鏡和通氣孔、低空飛行目標(biāo)(如低空直升機(jī)、掠海飛行的巡航彈等)，島嶼、海岸線行駛車輛等目標(biāo)，需要探測目標(biāo)的RCS和速度范圍跨度大，需要比單一功能雷達(dá)更大的動態(tài)范圍。此外，雷達(dá)面臨“四抗”的威脅，要對抗各種有源、無源干擾，要在復(fù)雜電磁環(huán)境中保持探測性能，還需要對抗海雜波、地雜波、氣象雜波等環(huán)境雜波。

(3) 信息協(xié)同交互能力

體系對抗將是現(xiàn)代海軍作戰(zhàn)的主要特征，協(xié)同作戰(zhàn)能力(Cooperative Engagement Capability,CEC)在未來海戰(zhàn)中將越來越重要，信息協(xié)同交互能力是實現(xiàn)協(xié)同作戰(zhàn)的基礎(chǔ)和重要保障，包括支持CEC、各作戰(zhàn)單元之間的高速數(shù)據(jù)鏈路、聯(lián)合數(shù)據(jù)處理、分發(fā)和共享能力都顯得不足。

(4) 海上環(huán)境適應(yīng)能力

機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)面臨海上高溫、高濕、強(qiáng)鹽霧和霉菌環(huán)境影響，對雷達(dá)“三防”設(shè)計和工藝提出了高要求；海面異常傳播效應(yīng)干擾了電磁波的正常傳播，影響雷達(dá)的監(jiān)視性能。海上使用環(huán)境要求機(jī)載多功能海上監(jiān)視雷達(dá)必須有很高的可用度，包括可靠性、維修性和保障性等。

(5) 可靠高效的檢測算法和目標(biāo)分類識別能力

通過高海況復(fù)雜環(huán)境下的高性能海面目標(biāo)檢測方法，提高機(jī)載對海監(jiān)視雷達(dá)的探測性能；不止停留在目標(biāo)有無的判斷層面，通過裝備敵我識別設(shè)備對配合目標(biāo)進(jìn)行屬性判別以及通過HRR和ISAR等方法對于非合作目標(biāo)進(jìn)行屬性判別，提升雷達(dá)對目標(biāo)分類識別的能力，是各廠商追求的賣點和未來發(fā)展方向。

(6) 雷達(dá)認(rèn)知/智能化

利用人工智能技術(shù)，機(jī)載對海探測雷達(dá)能夠連續(xù)不斷感知、學(xué)習(xí)和適應(yīng)戰(zhàn)場環(huán)境，自主分析處理并作出正確的反應(yīng)。此外，從基于射頻微系統(tǒng)的數(shù)字陣列系統(tǒng)，到多功能共形，再到未來智能蒙皮化，機(jī)載多功能對海探測雷達(dá)系統(tǒng)的總體系統(tǒng)架構(gòu)和軟硬件技術(shù)形態(tài)將發(fā)生深刻變化[41]。