X波段雷達(dá)對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)獲取

劉寧波 董云龍 王國(guó)慶 丁 昊 黃 勇 關(guān) 鍵 陳小龍 何 友

(海軍航空大學(xué)信息融合研究所 煙臺(tái) 264001)

1 引言

在復(fù)雜的海洋環(huán)境中，海用雷達(dá)在探測(cè)艦船、掠海飛行器、航道浮標(biāo)、漁船、小型游艇、浮冰等軍用和民用目標(biāo)時(shí)，不可避免地會(huì)受到海面散射回波即海雜波的影響。尤其在高分辨率雷達(dá)、高海況工作條件下，海雜波中頻繁出現(xiàn)尖峰現(xiàn)象，且整體能量較強(qiáng)，在時(shí)域中與目標(biāo)回波十分相似，而在頻域中又具有較寬的譜寬，易引起虛警，嚴(yán)重影響海上目標(biāo)檢測(cè)。因此，貼近實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)景，基于實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)開(kāi)展海雜波特性研究，并有針對(duì)性地研發(fā)海雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)，提升海用雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)能力，是一個(gè)探索性強(qiáng)且難度很大的瓶頸技術(shù)問(wèn)題，也是當(dāng)前研究的難點(diǎn)和熱點(diǎn)問(wèn)題[1–3]。

海雜波特性研究方法主要可歸納為兩類，一類是基于海面幾何模型和電磁散射理論開(kāi)展海雜波形成機(jī)理與散射計(jì)算方面的研究，另一類是從試驗(yàn)實(shí)測(cè)角度，獲取海面散射回波實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，修正現(xiàn)有理論或發(fā)展新理論。其中，從試驗(yàn)角度的研究方法是一種貼近實(shí)際環(huán)境且被廣泛采用的研究方法，其與從理論計(jì)算角度的研究方法相互補(bǔ)充、相互印證。試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的特性與雷達(dá)設(shè)備密切相關(guān)，因此，基于試驗(yàn)實(shí)測(cè)的研究方法可以將具有一定普適性的理論計(jì)算研究結(jié)果與特定裝備的特定使用場(chǎng)景結(jié)合起來(lái)，有針對(duì)性地進(jìn)行優(yōu)化完善，推進(jìn)海雜波特性研究成果的實(shí)際應(yīng)用，并可有力地支持MTI/MTD、變換域處理、檢測(cè)前跟蹤(Tracking Before Detection,TBD)、恒虛警(Constant False Alarm Rate,CFAR)處理等雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)研究[4,5]。這里提及的試驗(yàn)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，稱為“信息全記錄的海雜波測(cè)量數(shù)據(jù)”，即除了包含海雜波數(shù)據(jù)、目標(biāo)回波數(shù)據(jù)等雷達(dá)數(shù)據(jù)之外，還應(yīng)包括海洋環(huán)境數(shù)據(jù)(如浪高、浪向、風(fēng)速、風(fēng)向、溫度、相對(duì)濕度等)、目標(biāo)實(shí)時(shí)位置數(shù)據(jù)(尺寸或RCS、經(jīng)緯度或距離方位、航速、航向、實(shí)時(shí)運(yùn)動(dòng)狀態(tài)、運(yùn)動(dòng)軌跡等)、雷達(dá)工作參數(shù)(如雷達(dá)位置、架高、頻段、重頻、距離/方位分辨率)。這些信息應(yīng)規(guī)范詳細(xì)記錄并與雷達(dá)數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)，使得與數(shù)據(jù)相對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)場(chǎng)景可重演，確保雷達(dá)數(shù)據(jù)具有較高的應(yīng)用價(jià)值。

由公開(kāi)文獻(xiàn)可知，為支持海用雷達(dá)裝備研制和海上目標(biāo)探測(cè)能力提升，國(guó)內(nèi)外進(jìn)行了豐富多樣的雷達(dá)海雜波測(cè)量試驗(yàn)[6]。國(guó)外方面，比較典型的有美國(guó)海軍研究實(shí)驗(yàn)室的四頻率(P,L,C,X)機(jī)載雷達(dá)海雜波測(cè)量實(shí)驗(yàn)[7]、美國(guó)海軍與美國(guó)國(guó)防部高級(jí)研究計(jì)劃署的“山頂計(jì)劃”[8]、加拿大McMaster大學(xué)的X頻段IPIX雷達(dá)海雜波測(cè)量試驗(yàn)[9,10]、南非科學(xué)和工業(yè)研究理事會(huì)(Council for Scientific and Industrial Research,CSIR)的X頻段Fynmeet雷達(dá)海雜波測(cè)量試驗(yàn)[11,12]、西班牙南海岸Ka頻段雷達(dá)海雜波測(cè)量試驗(yàn)[13]、澳大利亞國(guó)防科技署(Defense Science and Technology Organization,DSTO)的L頻段多通道海雜波實(shí)驗(yàn)[14–16]等；國(guó)內(nèi)方面，多家雷達(dá)相關(guān)科研院所也開(kāi)展了多種條件下海雜波測(cè)量試驗(yàn)[6,17–30]，獲取了不同雷達(dá)平臺(tái)下大量海雜波數(shù)據(jù)，并在特性分析建模、多域特征提取等方面開(kāi)展了大量的研究工作[31–41]。但鑒于軍事及技術(shù)保密等原因，大多數(shù)雷達(dá)海雜波數(shù)據(jù)集均未公開(kāi)，僅有加拿大McMaster大學(xué)的X波段IPIX雷達(dá)海雜波測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)集、南非CSIR的X頻段Fynmeet雷達(dá)海雜波測(cè)量試驗(yàn)數(shù)據(jù)集可以公開(kāi)獲取。

IPIX雷達(dá)數(shù)據(jù)集在海上目標(biāo)探測(cè)研究領(lǐng)域被熟知，其由加拿大McMaster大學(xué)Haykin教授科研團(tuán)隊(duì)[9,10]，于1993年和1998年，分別在加拿大新斯科舍省南部城市Dartmouth和安大略湖畔Grimsby開(kāi)展了2次海雜波測(cè)量和海上漂浮小目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)，是典型的岸基平臺(tái)小擦地角雷達(dá)數(shù)據(jù)。Fynmeet雷達(dá)數(shù)據(jù)集是CSIR為支持海上小目標(biāo)監(jiān)視系統(tǒng)研發(fā)，于2006年和2007年，分別在南非西南海岸線利用試驗(yàn)雷達(dá)開(kāi)展了2次為期19天的海雜波與目標(biāo)船回波數(shù)據(jù)測(cè)量試驗(yàn)，該數(shù)據(jù)集在參數(shù)多樣性和參數(shù)記錄方面較為完整[11,12]。這兩個(gè)公開(kāi)數(shù)據(jù)集是針對(duì)特定目標(biāo)和試驗(yàn)海域的，使用上具有一定的局限性，其可用于雜波抑制與目標(biāo)檢測(cè)方法的性能評(píng)估，但對(duì)于我國(guó)海域及特定目標(biāo)的檢測(cè)性能評(píng)估可能不準(zhǔn)確。并且鑒于未知原因，目前CSIR數(shù)據(jù)集在其官方網(wǎng)站上已無(wú)法下載。

從海雜波特性和海上目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研究需求出發(fā)，借鑒加拿大McMaster大學(xué)的IPIX雷達(dá)數(shù)據(jù)集和南非CSIR的Fynmeet雷達(dá)數(shù)據(jù)集在數(shù)據(jù)采集和記錄方面的成功經(jīng)驗(yàn)，海軍航空大學(xué)海上目標(biāo)探測(cè)課題組推出一項(xiàng)“雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)共享計(jì)劃”，旨在利用X波段固態(tài)全相參雷達(dá)分階段分批次開(kāi)展對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)，獲取多種條件下雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)和試驗(yàn)輔助數(shù)據(jù)，構(gòu)建形成可以用于支持海雜波特性認(rèn)知、海雜波抑制、海上目標(biāo)檢測(cè)跟蹤與分類識(shí)別技術(shù)研究的數(shù)據(jù)集，分批次公開(kāi)共享，為推進(jìn)我國(guó)海用雷達(dá)裝備技術(shù)進(jìn)步和探測(cè)性能提升貢獻(xiàn)力量。

2 岸基雷達(dá)海雜波測(cè)試方法

本試驗(yàn)利用岸基架設(shè)的X波段固態(tài)全相參雷達(dá)，獲取海面的電磁散射回波，測(cè)量海面散射系數(shù)[42–45]，用于研究海雜波隨分辨率、入射方向和散射方向、海面環(huán)境特征等變化的規(guī)律，及海雜波的統(tǒng)計(jì)特性、頻譜特性等。這里需特別說(shuō)明的是，雷達(dá)觀察對(duì)象并非僅針對(duì)海面(海雜波)，還包括航道浮標(biāo)、船只等海面目標(biāo)，即獲取的雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)包含兩大類，即純海雜波數(shù)據(jù)、海雜波+目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。

測(cè)量、記錄被測(cè)海面的回波功率，通過(guò)定標(biāo)建立被測(cè)海面的雷達(dá)散射系數(shù)與雷達(dá)視頻電壓測(cè)量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。在實(shí)際測(cè)量中，利用這種對(duì)應(yīng)關(guān)系，就可以由視頻電壓測(cè)量值確定被測(cè)海面的雷達(dá)散射系數(shù)，從而使得本試驗(yàn)數(shù)據(jù)與其他試驗(yàn)數(shù)據(jù)具備可對(duì)比性。本試驗(yàn)中主要采用外定標(biāo)法，即采用己知雷達(dá)散射截面的定標(biāo)體提供定標(biāo)電平，定標(biāo)方法如下[42]。

測(cè)出定標(biāo)體的接收機(jī)輸出功率Pr0(或Vr0)，同一狀態(tài)下再測(cè)出被測(cè)海面的接收機(jī)輸出功率Pr(或Vr)，則被測(cè)海面的散射系數(shù)σ0為

其中，σ0為被測(cè)海面的雷達(dá)散射系數(shù)，單位：dBm2/m2;σ表示雷達(dá)天線波束照射海面的雷達(dá)散射截面積，單位：m2;A表示雷達(dá)天線波束照射海面的面積，單位：m2;Pr被測(cè)海面的回波功率，單位：W;Pr0表示定標(biāo)體的回波功率，單位：W;Rr表示被測(cè)海面到天線的距離，單位：m;R0表示定標(biāo)體到天線的距離，單位：m;σ0表示定標(biāo)體的雷達(dá)散射截面積，單位：m2;Vr表示被測(cè)海面的回波電壓，單位：V;Vr0定標(biāo)體的回波電壓，單位：V。

定標(biāo)精度主要決定于定標(biāo)體雷達(dá)散射截面與海面散射截面的相對(duì)大小。定標(biāo)誤差表達(dá)式為

其中，σm表示定標(biāo)體的被測(cè)雷達(dá)散射截面，單位：m2;σ0表示定標(biāo)體的實(shí)際雷達(dá)散射截面，單位：m2;σb表示被測(cè)海面的雷達(dá)散射截面，單位：m2。要使誤差限制在±20%以內(nèi)(相當(dāng)于±1 dB)，必須控制σb/σ0≤10-2(相當(dāng)于–20 dB)。

定標(biāo)過(guò)程中，常用作定標(biāo)體的有矩形平板、角反射器、龍泊透鏡反射器、金屬球等，這些標(biāo)準(zhǔn)體的散射截面積可以通過(guò)理論計(jì)算得到，詳情請(qǐng)參見(jiàn)文獻(xiàn)[42]，本試驗(yàn)中擬主要采用金屬球作為定標(biāo)體，如圖1所示。在海面放置定標(biāo)體，需使定標(biāo)體整體高于海面一定高度，不能淹沒(méi)于水中，且需根據(jù)雷達(dá)架設(shè)位置和波束中心指向準(zhǔn)確計(jì)算定標(biāo)體放置地點(diǎn)，并通過(guò)多次測(cè)量求均值得到穩(wěn)定的定標(biāo)結(jié)果。

圖1 不銹鋼球定標(biāo)體Fig.1 Stainless steel ball calibration body

實(shí)際上，對(duì)于實(shí)測(cè)海雜波統(tǒng)計(jì)分布特性、相關(guān)特性、多普勒譜特性、雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)等研究需求而言，主要關(guān)心的是雷達(dá)回波的相對(duì)幅度。若需研究海面散射系數(shù)以及不用波段、不同雷達(dá)之間測(cè)量情況差異，則雷達(dá)必須經(jīng)過(guò)定標(biāo)。

3 試驗(yàn)雷達(dá)、場(chǎng)地與數(shù)據(jù)獲取

3.1 試驗(yàn)雷達(dá)介紹

本試驗(yàn)中所使用的雷達(dá)為X波段固態(tài)功放監(jiān)視/導(dǎo)航雷達(dá)，主要用于船舶導(dǎo)航和海岸監(jiān)視等場(chǎng)景，能清晰分辨多種量程下的各種目標(biāo)，具有高距離分辨率、高可靠性、距離探測(cè)盲區(qū)小等特點(diǎn)，如圖2所示。雷達(dá)采用固態(tài)功放組合脈沖發(fā)射體制(見(jiàn)圖3)，以提高距離分辨率，減小距離盲區(qū)，降低雷達(dá)輻射功率，發(fā)射時(shí)間為40 ns～100 μs，利用接收信號(hào)和發(fā)射信號(hào)的時(shí)差計(jì)算目標(biāo)距離，水平面內(nèi)360°全方位掃描。雷達(dá)技術(shù)參數(shù)如表1所示。

3.2 試驗(yàn)場(chǎng)地介紹

“雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)共享計(jì)劃”所規(guī)劃的對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)是一系列試驗(yàn)，包含岸基和機(jī)載平臺(tái)試驗(yàn)，在1～2年的時(shí)間內(nèi)分期進(jìn)行。

岸基試驗(yàn)場(chǎng)地位于山東煙臺(tái)沿海區(qū)域的海上目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)場(chǎng)，涉及3處不同海拔高度的試驗(yàn)地點(diǎn)，具備觀察同一海域的地理?xiàng)l件，且各有特色，相互補(bǔ)充。

試驗(yàn)點(diǎn)1位于煙臺(tái)的養(yǎng)馬島，試驗(yàn)場(chǎng)地距離海邊的直線距離約50 m，海拔高度約30 m，雷達(dá)對(duì)海視野范圍約180°，可測(cè)得明顯海雜波數(shù)據(jù)的擦地角范圍約為0.3°～15°，海面目標(biāo)類型較為豐富，以中小型船只目標(biāo)居多，具體如圖4所示。

圖2 X波段固態(tài)功放監(jiān)視/導(dǎo)航雷達(dá)Fig.2 X band solid-state power amplifier surveillance/navigation radar

圖3 組合脈沖發(fā)射的3種模式Fig.3 Three modes of combined pulse emission

試驗(yàn)點(diǎn)2位于煙臺(tái)牟平區(qū)一座小山的面海一側(cè)，試驗(yàn)場(chǎng)地距離海邊的直線距離約500 m，海拔高度范圍為60～120 m，雷達(dá)對(duì)海視野范圍約180°，可測(cè)得明顯海雜波數(shù)據(jù)的擦地角范圍約為0.3°～6°，海面目標(biāo)主要為近岸活動(dòng)的小漁船，遠(yuǎn)距離處海面目標(biāo)少，適合開(kāi)展合作目標(biāo)試驗(yàn)，具體如圖5所示。

試驗(yàn)點(diǎn)3位于煙臺(tái)芝罘區(qū)的岱王山，試驗(yàn)場(chǎng)地距離海邊的直線距離約2200 m，海拔高度約400 m，雷達(dá)對(duì)海視野范圍大于180°，可測(cè)得明顯海雜波數(shù)據(jù)的擦地角范圍約為1.2°～7°，海面目標(biāo)類型最為豐富，大/中/小型船只眾多，視野最為開(kāi)闊，具體如圖6所示。

表1 X波段試驗(yàn)雷達(dá)參數(shù)Tab.1 X-band experimental radar parameters

圖4 對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)1俯瞰圖Fig.4 Aerial view of experimental site 1 for sea detection

機(jī)載平臺(tái)試驗(yàn)主要利用可在煙臺(tái)空域執(zhí)飛的4槳葉貝爾407GXi直升機(jī)(如圖7所示)掛載試驗(yàn)型雷達(dá)，開(kāi)展對(duì)海上目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)，直升機(jī)飛行高度范圍為500～4000 m，載重可達(dá)300 kg，單次飛行時(shí)間一般不超過(guò)2 h，最大航程675 km，最大巡航速度250 km/h。

圖5 對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)2俯瞰圖Fig.5 Aerial view of experimental site 2 for sea detection

圖6 對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)點(diǎn)3俯瞰圖Fig.6 Aerial view of experimental site 3 for sea detection

圖7 直升機(jī)載試驗(yàn)平臺(tái)Fig.7 Helicopter experimental platform

2019年9月至10月期間開(kāi)展的試驗(yàn)為第1期試驗(yàn)，本期試驗(yàn)主要在緊靠海邊的試驗(yàn)點(diǎn)1開(kāi)展試驗(yàn)，采集不同條件下雷達(dá)回波數(shù)據(jù)，含海雜波數(shù)據(jù)和海面船只目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。第2期和第3期試驗(yàn)將考慮海拔高度較高的試驗(yàn)點(diǎn)2、試驗(yàn)點(diǎn)3和機(jī)載試驗(yàn)平臺(tái)。由于第1期試驗(yàn)所使用的雷達(dá)是岸基/船載使用的雷達(dá)，無(wú)法機(jī)載平臺(tái)安裝，所以第1期試驗(yàn)不涉及機(jī)載試驗(yàn)，在后續(xù)試驗(yàn)中會(huì)涉及。

3.3 雷達(dá)數(shù)據(jù)采集

數(shù)據(jù)采集使用課題組自研的HD-LD-CJ-10型便攜式雷達(dá)采集設(shè)備，如圖8所示。該采集設(shè)備由一臺(tái)2U便攜式加固工控機(jī)、采集板卡和上位機(jī)軟件組成，采集板可實(shí)現(xiàn)14 bit量化，具備105 MSPS的峰值采樣能力和80 MB/S的連續(xù)不間斷存儲(chǔ)能力，具有3路TTL電平信號(hào)、2收2發(fā)RS232信號(hào)、4收RS422信號(hào)接口，可用于接入試驗(yàn)輔助設(shè)備數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)自定義波門采樣，并可按預(yù)先設(shè)定文件大小自動(dòng)分割二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件，還可通過(guò)串行接口、網(wǎng)絡(luò)接口記錄AIS、雷達(dá)輸出點(diǎn)/航跡等數(shù)據(jù)。

圖8 HD-LD-CJ-10型便攜式采集設(shè)備Fig.8 HD-LD-CJ-10 portable acquisition equipment

采集雷達(dá)信號(hào)時(shí)，根據(jù)觸發(fā)信號(hào)進(jìn)行波門采樣。采集數(shù)據(jù)文件命名格式為20191008085830_staring/scanning(y/m/d/h/min/s/天線工作模式)，天線工作模式包括staring(天線凝視某一方位)和scanning(天線圓周掃描)兩種。所采數(shù)據(jù)的基本格式如圖9所示，每個(gè)數(shù)據(jù)文件均由多個(gè)“脈沖組合”的回波數(shù)據(jù)依次排列組成(不同的雷達(dá)工作模式對(duì)應(yīng)不同的脈沖組合，每個(gè)脈沖組合包含的發(fā)射脈沖數(shù)為1～3個(gè))。每個(gè)脈沖組合的回波數(shù)據(jù)均由“數(shù)據(jù)頭+回波數(shù)據(jù)”組成，數(shù)據(jù)頭包含標(biāo)志位、信息頭長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)版本、脈沖重復(fù)周期、頻率和計(jì)數(shù)、采樣頻率、數(shù)據(jù)來(lái)源與觸發(fā)方式、方位碼、數(shù)據(jù)丟失標(biāo)志、波門開(kāi)始時(shí)間和波門對(duì)應(yīng)采樣深度、UTC時(shí)間、雷達(dá)位置、雷達(dá)正北角、雷達(dá)工作模式、數(shù)據(jù)校驗(yàn)位等，回波數(shù)據(jù)長(zhǎng)度可通過(guò)采集波門大小和采樣深度計(jì)算，同時(shí)在數(shù)據(jù)頭中也會(huì)明確一個(gè)脈沖組合中每個(gè)脈沖回波的采樣點(diǎn)數(shù)。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)更為詳細(xì)的說(shuō)明，請(qǐng)見(jiàn)附錄。

圖9 雷達(dá)采集數(shù)據(jù)格式Fig.9 Format of radar acquisition data

雷達(dá)對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)與數(shù)據(jù)采集的流程為：雷達(dá)架設(shè)于預(yù)設(shè)試驗(yàn)地點(diǎn)，每次開(kāi)始試驗(yàn)前，通過(guò)風(fēng)速/風(fēng)向/浪高/浪向/天氣現(xiàn)象預(yù)報(bào)和實(shí)時(shí)信息初步確定海況等級(jí)以及雷達(dá)凝視天線指向，雷達(dá)開(kāi)機(jī)分別工作于天線駐留模式和圓周掃描模式，啟動(dòng)數(shù)據(jù)采集器記錄數(shù)據(jù)，并同步記錄AIS設(shè)備數(shù)據(jù)，其中駐留模式數(shù)據(jù)需持續(xù)2 min以上，圓周掃描模式數(shù)據(jù)需持續(xù)5 min以上，達(dá)到要求后停止采集，填寫數(shù)據(jù)采集記錄表，記錄試驗(yàn)過(guò)程信息。按此流程重復(fù)5次以上，保證每次試驗(yàn)可獲取不低于10組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，并在現(xiàn)場(chǎng)通過(guò)采集器回放分析，檢驗(yàn)數(shù)據(jù)有效性。

“雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)共享計(jì)劃”第1期公開(kāi)的數(shù)據(jù)，采用Matlab中的MAT數(shù)據(jù)格式，數(shù)據(jù)頭信息和回波數(shù)據(jù)均可直接載入以便于使用數(shù)據(jù)。在后續(xù)幾期試驗(yàn)中，隨著數(shù)據(jù)類型和數(shù)據(jù)量的增加，為提高對(duì)不同類型雷達(dá)數(shù)據(jù)的兼容性，數(shù)據(jù)格式將采用國(guó)際通用數(shù)據(jù)格式，如NetCDF,HDF5等，并將配套專門的雷達(dá)數(shù)據(jù)管理與解析軟件，實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)數(shù)據(jù)的規(guī)范化管理。

3.4 試驗(yàn)輔助數(shù)據(jù)

雷達(dá)海雜波測(cè)試，十分重要的一個(gè)方面就是海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的同步記錄，一方面，形成“信息全記錄的海雜波測(cè)量數(shù)據(jù)”可以在回放雷達(dá)數(shù)據(jù)的同時(shí)，重演當(dāng)時(shí)的海洋環(huán)境基本信息；另一方面，可以推進(jìn)海雜波特性、海雜波抑制和目標(biāo)檢測(cè)等技術(shù)研究的精細(xì)化。由于岸基雷達(dá)觀測(cè)海域范圍受視距限制，空間尺度范圍相對(duì)較小，而同時(shí)通過(guò)海洋氣象臺(tái)站、衛(wèi)星遙感等途徑，海洋環(huán)境數(shù)據(jù)(如浪高浪向等)一般在較大空間尺度范圍內(nèi)預(yù)報(bào)或?qū)崟r(shí)修正，限定到雷達(dá)觀察的海域，其對(duì)應(yīng)的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)一般需通過(guò)建模和再分析等手段給出，因此會(huì)有一定的誤差。當(dāng)然，海洋環(huán)境數(shù)也可以通過(guò)海洋信息浮標(biāo)來(lái)測(cè)量，其測(cè)量值較為準(zhǔn)確，但其只能對(duì)雷達(dá)觀察海域中的某一點(diǎn)進(jìn)行測(cè)量，難以反映整個(gè)觀察海域中其它區(qū)域的情況。因此，本試驗(yàn)中將二者相結(jié)合，雷達(dá)視野范圍內(nèi)的海洋環(huán)境數(shù)據(jù)主要通過(guò)海洋環(huán)境再分析數(shù)據(jù)給出，同時(shí)在雷達(dá)觀察區(qū)域內(nèi)分時(shí)在某幾點(diǎn)上放置海洋信息浮標(biāo)，對(duì)海洋環(huán)境數(shù)據(jù)進(jìn)行修正，二者相結(jié)合給出較為準(zhǔn)確的結(jié)果，輔助雷達(dá)對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)。

雷達(dá)對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)主要需記錄風(fēng)和浪等海洋環(huán)境要素信息，風(fēng)要素的信息主要包括風(fēng)力等級(jí)、風(fēng)速、風(fēng)向；浪要素信息主要包括浪高、浪向、波速、浪周期、溫度等，此外，還有試驗(yàn)期間的天氣現(xiàn)象、溫度、相對(duì)濕度等。

風(fēng)要素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源，是以全球氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)再分析資料(Climate Forecast System Reanalysis,CFSR)為背景場(chǎng)，利用天氣預(yù)報(bào)模式(Weather Research and Forecasting,WRF)中尺度模式及其3維變分同化(3-Dimensional VARiational,3DVAR)數(shù)據(jù)同化技術(shù)，同化了陸地、海洋及高空的各種常規(guī)和非常規(guī)氣象觀測(cè)資料，實(shí)現(xiàn)各種觀測(cè)資料與再分析資料的動(dòng)力融合。在此基礎(chǔ)上，還利用中央氣象臺(tái)歷史臺(tái)風(fēng)實(shí)況最佳路徑資料，采用弱約束變分方法對(duì)動(dòng)力融合的再分析風(fēng)場(chǎng)進(jìn)行調(diào)整，進(jìn)一步提高數(shù)據(jù)精度。海面風(fēng)場(chǎng)再分析資料集可覆蓋西北太平洋區(qū)域(10°S～50°N,95°E～150°E)，在每次試驗(yàn)中將根據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)經(jīng)緯度抽取雷達(dá)觀察海域的數(shù)據(jù)，用于輔助試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。風(fēng)要素?cái)?shù)據(jù)的空間分辨率為0.1°(經(jīng)緯度)，時(shí)間分辨率不低于1 h，經(jīng)緯度格點(diǎn)風(fēng)速誤差在±1.5 m/s以內(nèi)。

浪要素?cái)?shù)據(jù)來(lái)源，是以全球氣候預(yù)測(cè)系統(tǒng)再分析資料(CFSR)為驅(qū)動(dòng)場(chǎng)，基于國(guó)家海洋環(huán)境預(yù)報(bào)中心優(yōu)化后的第3代近岸海浪數(shù)值模式SWAN及最優(yōu)插值同化技術(shù)，同化衛(wèi)星高度計(jì)沿軌海浪有效波高資料，采用嵌套方法建立海浪再分析系統(tǒng)，形成覆蓋西北太平洋區(qū)域(0°～50°N,100°E～160°E)高分辨率的海浪再分析資料集。與風(fēng)要素?cái)?shù)據(jù)獲取方法相同，在每次試驗(yàn)中將根據(jù)試驗(yàn)地點(diǎn)經(jīng)緯度抽取雷達(dá)觀察海域的數(shù)據(jù)，用于輔助試驗(yàn)數(shù)據(jù)分析。浪風(fēng)要素?cái)?shù)據(jù)的空間分辨率為0.1°(經(jīng)緯度)，時(shí)間分辨率不低于1 h，經(jīng)緯度格點(diǎn)浪高誤差在0.3 m以內(nèi)。示例數(shù)據(jù)如圖10(a)–圖10(d)所示，其中圖10(a)和圖10(c)中的“BUOY WS/ BUOY SWH”表示通過(guò)在海面布設(shè)浮標(biāo)得到的風(fēng)速/有效波高現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試數(shù)據(jù)，“MODEL WS/ MODEL SWH”表示通過(guò)經(jīng)緯度格點(diǎn)數(shù)據(jù)和數(shù)據(jù)建模得到的風(fēng)速/有效波高再分析數(shù)據(jù)。

在獲取上述數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，在試驗(yàn)實(shí)施過(guò)程中，還將采用海洋氣象水文信息浮標(biāo)對(duì)特定位置點(diǎn)處風(fēng)和浪再分析數(shù)據(jù)進(jìn)行修正。海洋氣象水文信息浮標(biāo)可實(shí)現(xiàn)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)波浪潮汐等進(jìn)行定點(diǎn)實(shí)時(shí)觀測(cè)，具有測(cè)量精度高、布放維護(hù)簡(jiǎn)單等優(yōu)勢(shì)，如圖11所示，測(cè)量參數(shù)包括浪高、浪周期、浪向、風(fēng)速、風(fēng)向、氣溫、氣壓、浮標(biāo)位置坐標(biāo)。

雷達(dá)對(duì)海上目標(biāo)探測(cè)的試驗(yàn)，除需給出上述海洋環(huán)境信息之外，還需要同步獲取海上目標(biāo)的真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡。對(duì)于中大型船只，可以通過(guò)船舶自動(dòng)識(shí)別系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)報(bào)文數(shù)據(jù)獲取目標(biāo)的位置、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)和尺寸信息；對(duì)于小型船只，則須開(kāi)展配合試驗(yàn)(加裝AIS設(shè)備或GPS/北斗定位設(shè)備)才能獲取其真實(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡。此外，對(duì)于海面非配合的目標(biāo)(如作業(yè)的小型漁船、小型游艇等)，則主要通過(guò)雷達(dá)顯控終端觀察和人工記錄方式進(jìn)行粗略標(biāo)記(記錄位置和時(shí)間)，此類目標(biāo)無(wú)法提供準(zhǔn)確的位置信息作為真值使用。

4 典型數(shù)據(jù)展示與分析

圖10 試驗(yàn)海域氣象水文數(shù)據(jù)Fig.10 Meteorological and hydrological datas of the experimental sea area

圖11 海洋氣象水文信息浮標(biāo)Fig.11 Marine meteorological and hydrological information buoy

為說(shuō)明數(shù)據(jù)有效性，本節(jié)從數(shù)據(jù)集中抽取一組典型海面測(cè)量數(shù)據(jù)，給出時(shí)域、頻域處理結(jié)果。數(shù)據(jù)文件名為20191008085830_staring.mat，2019年10月8日8時(shí)58分30秒開(kāi)始采集。數(shù)據(jù)采集時(shí)，雷達(dá)天線凝視海面某一方位，脈沖發(fā)射模式為圖3中的模式2，即雷達(dá)每個(gè)觸發(fā)相繼發(fā)射2個(gè)不同的脈沖，其中第1個(gè)脈沖為單載頻信號(hào)，發(fā)射脈寬40 ns，第2個(gè)脈沖為線性調(diào)頻(Linear Frequency Modulation,LFM)信號(hào)，帶寬25 MHz，脈沖重復(fù)頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)為3 kHz，距離向采樣率為60 MHz。本組數(shù)據(jù)目的是測(cè)量海雜波，觀察時(shí)海面無(wú)合作目標(biāo)，海面有效波高1.8～2.0 m，查詢海況等級(jí)表[1,46]可知，屬4級(jí)海況。圖12(a)和圖12(b)分別給出了單載頻脈沖回波數(shù)據(jù)和LFM脈沖回波數(shù)據(jù)的時(shí)域2維平面圖，該組數(shù)據(jù)共包含4096個(gè)脈沖，數(shù)據(jù)時(shí)長(zhǎng)約為1.36 s，第1個(gè)脈沖的距離向回波采樣點(diǎn)數(shù)為1436，第2個(gè)脈沖的距離向回波采樣點(diǎn)數(shù)為6678，圖中僅展示了雜波較強(qiáng)區(qū)域的數(shù)據(jù)，并未將所有距離單元的數(shù)據(jù)全部展示。圖12(c)和圖12(d)給出了圖12(a)和圖12(b)中3個(gè)距離單元回波序列的波形圖，可知雜波能量隨距離增加逐步降低。圖12(e)和圖12(f)分別給出了單載頻脈沖回波數(shù)據(jù)和LFM脈沖回波數(shù)據(jù)的距離-頻率2維平面圖，圖12(g)和圖12(h)分別給出了多個(gè)距離單元的多普勒譜，可以發(fā)現(xiàn)多普勒譜中心為正值，表明海浪向雷達(dá)視線方向運(yùn)動(dòng)，單載頻脈沖回波的距離-頻率2維圖中，某一些采樣點(diǎn)處的雜波多普勒譜幅度很弱，這種現(xiàn)象與海浪起伏有關(guān)，并與單載頻脈沖回波數(shù)據(jù)在數(shù)字解調(diào)后并未進(jìn)行距離維匹配濾波也有關(guān)，若進(jìn)行距離維匹配濾波處理，則多普勒譜必然會(huì)在距離維上展寬，從而覆蓋所有的距離單元，結(jié)果會(huì)與LFM脈沖回波的距離-頻率2維圖類似。

圖12 典型測(cè)量數(shù)據(jù)展示結(jié)果Fig.12 The results of typical measurements

通過(guò)多組數(shù)據(jù)分析發(fā)現(xiàn)，在雷達(dá)架高80 m左右，在3～4級(jí)海況條件下，雷達(dá)發(fā)射單載頻脈沖時(shí)可以測(cè)量得到明顯海雜波的距離不低于3 km，發(fā)射LFM脈沖時(shí)可以測(cè)量得到明顯海雜波的距離不低于8 km。在低海況條件下，這一距離會(huì)有所減小，在高海況條件下，這一距離會(huì)有所增加。

5 總結(jié)

雷達(dá)對(duì)海上目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研發(fā)需雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)支持，鑒于軍事及技術(shù)保密等原因，大多數(shù)雷達(dá)海雜波數(shù)據(jù)集均未公開(kāi)，前期已公開(kāi)的雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)目前已難以獲取。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出一項(xiàng)“雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)共享計(jì)劃”，旨在利用X波段固態(tài)全相參雷達(dá)等多型雷達(dá)開(kāi)展對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)，獲取不同海況等級(jí)、分辨率、擦地角條件下目標(biāo)和海雜波數(shù)據(jù)，并同步獲取海洋氣象水文數(shù)據(jù)、目標(biāo)位置與軌跡的真實(shí)數(shù)據(jù)，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化管理，以此推進(jìn)數(shù)據(jù)集的公開(kāi)共享，為雷達(dá)對(duì)海探測(cè)領(lǐng)域關(guān)鍵技術(shù)攻關(guān)提供數(shù)據(jù)支持。

附錄

X波段雷達(dá)對(duì)海探測(cè)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的公開(kāi)共享將依托雷達(dá)學(xué)報(bào)官方網(wǎng)站進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)于每次試驗(yàn)后上傳至“數(shù)據(jù)/雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)”頁(yè)面中(如附圖1所示)，具體網(wǎng)址為http：//radars.ie.ac.cn/news/datasetofradardetectingsea.htm，數(shù)據(jù)將根據(jù)對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)進(jìn)度定期更新。

第1期試驗(yàn)以海雜波數(shù)據(jù)采集為主，兼顧海面目標(biāo)(非合作目標(biāo))探測(cè)數(shù)據(jù)采集。由于試驗(yàn)采集數(shù)據(jù)量較大，不便于列出每一個(gè)數(shù)據(jù)文件，下面按海況等級(jí)給出每一類數(shù)據(jù)的概況，便于研發(fā)人員挑選與使用數(shù)據(jù)。

附圖1 雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)發(fā)布地址App.Fig.1 Release address of sea-detecting radar data

附表1 雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)(第1期)概況表App.Tab.1 Summary table of sea-detecting radar data (the first phase)

每組數(shù)據(jù)的每個(gè)脈沖回波均包含數(shù)據(jù)頭，數(shù)據(jù)頭包含標(biāo)志位、信息頭長(zhǎng)度、數(shù)據(jù)版本、脈沖重復(fù)周期、頻率和計(jì)數(shù)、采樣頻率、數(shù)據(jù)來(lái)源與觸發(fā)方式、方位碼、數(shù)據(jù)丟失標(biāo)志、波門開(kāi)始時(shí)間和波門對(duì)應(yīng)采樣深度、UTC時(shí)間、雷達(dá)位置、雷達(dá)正北角、雷達(dá)工作模式、數(shù)據(jù)校驗(yàn)位等信息，在載入數(shù)據(jù)時(shí)，數(shù)據(jù)頭包含的每位數(shù)據(jù)及對(duì)應(yīng)的含義可一一對(duì)應(yīng)呈現(xiàn)，以便于使用。