地波超視距雷達頻率使用支撐數據庫設計＊

張高偉 袁湘輝 張云雷

（1.海軍工程大學動力工程學院 武漢 430033）（2.海軍工程大學電子工程學院 武漢 430033）

1 引言

地波超視距雷達利用短波波段的繞射特性，能夠突破地球曲率限制，是實現大范圍、遠距離的海上船只和低空目標監視監測的重要手段［1］。岸基高頻地波雷達具有許多不同于微波雷達的特點，如外部噪聲功率大、長積累時間、目標回波信號強度高度敏感于其使用的工作頻率及目標運動姿態等。用于探測海面和空中目標的高頻地波雷達設備的典型工作頻率范圍大概在3MHz～14MHz范圍，要想利用地波雷達對某一重點目標有效發現并實現連續穩定跟蹤，就必須選擇與目標散射特性和運動參數相匹配的工作頻率［2～3］。

目前對于不同類型的艦船、飛機目標而言，地波雷達頻率使用問題并沒有一個簡單的、可供直接使用的結論。其根本原因在于，艦船和飛機目標均處于地波雷達工作頻率的諧振區，RCS特性較復雜，且難以通過仿真精確獲得。此外，由于地波雙向傳播損耗隨工作頻率的增大而增大，導致信噪比隨工作頻率的升高而降低，而RCS隨工作頻率的變化又是振蕩起伏的，不同目標RCS特征不同，這兩種因素共同作用導致了頻率使用問題的復雜性［4～5］。

要想從根本上解決地波超視距雷達系統探測典型海上目標的頻率使用問題，只能通過收集實際觀測數據并加以處理來獲取其頻率的使用規律。針對上述問題，需要設計一個合適的數據庫軟件系統，來存貯必要的典型目標觀測數據，并實現對數據的統計分析。

2 地波超視距雷達目標檢測信噪比分析

對單基地高頻地波雷達而言，來自目標的接收功率可定義為［6］

其中Pr為接收峰值功率，Pt為發射峰值功率，Dt為發射天線方向性系數，Dr為接收天線方向性系數，γ為信號占空比，σ為目標RCS，λ為雷達波長，R為目標距離，Ls為系統損耗。假定基于下列標準條件：發射天線為赫茲電振子、垂直極化、天線緊貼海面，標準天線增益D0＝3，測試電磁波發射功率為P0＝1KW，自由空間特性阻抗Ω＝120π，標準條件下距離R處的場強值為E（R）。

對微波雷達而言，噪聲的主要來源是接收機熱噪聲。然而對于高頻地波雷達，外部噪聲才是主要的。于是，對目標回波進行多脈沖相參積累之后，雷達距離方程可以寫成信噪比的形式。下面討論兩種在實際中遇到的檢測情況：即海浪回波占優的情形和環境噪聲占優的情形。

1）環境噪聲占優的情形

在探測飛機與導彈目標時，因為在高頻段飛機、導彈等快速目標的多普勒頻率已超過海浪二階譜的分布區，在雷達接收機內部目標回波僅僅與環境噪聲進行對抗，因此Pa（f）?Ps（f），進而有Ni（f）＝Pa（f）＝kT0Fa，其中T0為噪聲溫度，Fa為噪聲系數。此時信噪比模型簡化為

2）海浪回波占優的情形

在探測船目標時，因為船的多普勒頻率較低，正好落入海浪回波的二階譜分量區域內。若信號功率足夠大，滿足Ps（f）?Pa（f），則有Ni（f）＝Ps（f），這時信雜比模型簡化為

其中ΔR為距離分辨率，θB為波束寬度，上式說明海雜波占優時，探測距離與發射功率無關，而與分辨能力ΔR成反比，與積分時間Ti成反比。

從以上分析可以看出，空中目標檢測受限于信噪比，海上目標檢測受限于信雜比，而通過實際仿真可知［4］，信噪比／信雜比和使用頻率的關系隨著不同目標和目標的不同姿態角而變化，為了合理選擇地波雷達的最優工作頻率，需要獲得地波雷達回波的實時信噪比（信雜比）和頻率的統計規律，據此設計了地波雷達目標頻率使用數據庫。

3 系統總體設計

3.1 系統需求分析

對于地波雷達目標頻率使用數據統計而言，其數據量大、工作繁瑣，如實時記錄，裝備自動記錄信息的管理，標準記錄的生成，規律統計等。大量數據需要填寫與整理，使得工作量很大，迫切需要先進的數據管理手段。如何從實際出發，根據現行的目標信息管理模式，建立規范，優質高效的數據管理系統很有必要。頻率使用數據庫軟件具有以下特點：

1）對目標信息的錄入、導入、匹配、編輯與修改，自動化程度高，應用方便；

2）對目標信息參數進行精細化設計，避免了相同數據的重復錄入，有效提高了管理工作的效率；

3）統計結果的圖形化輸出，使得用戶對數據的感知更加清晰與明確，交互性更強；

4）采用功能強大、易于擴展、廣泛應用的VFP開發平臺，為根據新的應用要求開發新的功能與模塊創造了極大的可能性；

5）主要應用于單機環境，避免了信息擁堵，處理信息效率很高；同時系統管理嚴格，保密性強，防止信息泄露。

為提高所采集數據的準確性，特約定頻率使用規律數據采集的前提條件為：

1）目標未受電離層干擾；

2）目標為合作目標，或者有其他手段（如AIS系統）保證目標的類型和屬性已知。

在對目標進行觀測時，每間隔一個積累周期采集一個點，主要數據包括：（1）文件導入數據：日期時間、目標批號、工作頻率、目標距離、目標方位、目標徑向速度、目標航向，這些數據由裝備自動記錄，并導入數據庫；（2）人工實時記錄數據：日期時間、目標批號、目標頻譜幅度、雜波譜基底均值、目標類型、目標具體屬性。

目標類型、目標具體屬性、目標批號的變化均不頻繁，因此不會額外增加工作量。只有“日期時間”，“目標頻譜幅度”，“雜波譜基底均值”三項需人工實時填入。

目標類型和目標具體屬性，在某一次重點目標的觀測中保持不變，因此在錄入時只需錄入一次。而目標批號的變化也是不頻繁的，無需作頻繁改動。因此，在實時錄入時，只需根據裝備顯示的時間錄入“時”、“分”和“秒”，確認批號是否正確，再根據頻譜圖顯示的目標頻譜幅度和雜波譜基底幅度實時錄入即可。

目標徑向速度可用于參考目標頻譜的展寬程度。日期時間、目標的距離和方位，可以在必要時查詢目標所處海域的海況等級。目標頻譜幅度和雜波譜基底均值用于計算目標的信雜比。

3.2 系統功能設計

系統的主要功能應包括：對時、數據維護、數據查詢、統計輸出、權限管理、數據備份等功能，下面主要針對其中的關鍵功能數據維護進行闡述。

數據維護主要包括數據初始化、實時錄入、文件導入、數據匹配修正和頻率使用數據錄入功能。

·數據初始化：對目標類型表、目標具體屬性表，根據部隊對目標的掌握情況，由操作員手工錄入或修改數據。

·實時錄入：提供實時錄入界面，由操作員根據界面要求和裝備界面的觀測情況，錄入相應數據到“實時錄入表”中。

·文件導入：導入裝備自動記錄的目標信息數據文件，提取相應的數據，并填入“文件導入”表中。

·數據匹配修正：數據匹配功能是將兩個基表“實時錄入表”和“文件導入表”中的記錄進行匹配處理，根據日期時間和目標批號形成具有唯一性的標準記錄，并填入“標準記錄表”中。記錄修正功能是對于“實時錄入表”中尚未匹配的記錄，可以將其與“文件導入表”中的相近記錄進行比對，由操作員對“實時錄入表”中的相應數據項進行修正。修正后的數據可以再次進行數據匹配，直到將“實時錄入表”中的所有數據都匹配完成。

·頻率使用：錄入統計輸出的各類目標最佳工作頻率區間數據，供以后參考使用。

4 系統結構與子系統設計

系統主要包含用戶管理子系統、數據維護子系統、數據查詢子系統、統計輸出子系統和數據安全子系統五個部分。其中用戶管理子系統用于實現系統登錄、賬戶建立、密碼修改等功能，主要包括用戶登錄、賬號管理和密碼設置三個模塊；數據維護子系統是數據存儲與處理的主要系統，實現了目標各種數據的管理，包括目標分類、實時錄入、文件導入、匹配修正和頻率使用五個模塊；數據查詢子系統主要包括實時錄入表查詢、文件導入表查詢、標準記錄表查詢、目標類型表查詢、目標屬性表查詢、目標型號表查詢、頻率使用規律表查詢和權限管理表查詢八個模塊；統計輸出子系統用于操作員錄入最佳工作頻率區間到頻率使用規律表以及數據的報表顯示和打印，主要包括規律統計模塊和報表打印模塊；數據安全子系統包括數據備份和數據恢復兩個模塊。系統的總體結構如圖1所示。

圖1 系統的總體結構

數據維護子系統是數據存儲與處理的主要系統，是數據管理系統的核心，其各個模塊的主要功能設計如下：

1）目標分類模塊：提供目標分類錄入界面，主要根據部隊對目標的掌握情況，實現由操作員手工對目標類型、屬性、型號數據進行分類錄入，并將錄入數據顯示在表格中，提高錄入結果的可視性。數據錄入后不允許刪除，如某一代碼不再使用，可以將有效標志一項修改為無效，其余各項不允許修改。目標類型代碼具有唯一性，由程序自動生成。其界面設計如圖2所示。

圖2 目標分類表界面設計

2）實時錄入模塊：提供實時錄入界面，由操作員根據界面要求和裝備界面的觀測情況，填入文本框中，點擊錄入按鈕添加相應數據到“實時錄入表”中，并將錄入數據顯示在表格中，可供操作員查看。在表中可對除日期時間和目標批號外的各字段很方便地進行修改，可實現對存儲數據的簡單查找，對由于錯誤錄入的記錄選擇后點擊刪除按鈕可進行刪除操作。

3）文件導入模塊：提供文件導入界面，由操作員在裝備自動記錄的目標信息數據文件中提取相應的數據，填入“文件導入”表中。并將錄入數據顯示在表格中供操作員查看，數據導入后均不能進行修改，保證了目標信息數據的可靠性，可實現對存儲數據的簡單查找，對錯誤錄入的數據可以進行刪除。

4）匹配修正模塊：提供匹配修正界面，由操作員對“實時錄入表”和“文件導入表”中的記錄進行匹配處理，根據日期時間和目標批號形成具有唯一性的標準記錄，并填入“標準記錄表”中。在界面中將實時錄入表和文件導入表顯示在同一個表單上，方便了操作員的匹配操作。對于“實時錄入表”中尚未匹配的記錄，可以將其與“文件導入表”中的相近記錄進行比對，由操作員對“實時錄入表”中的相應數據項進行修正。修正后的數據可以再次進行數據匹配，直到將“實時錄入表”中的所有數據都匹配完成。匹配結果顯示在第二個頁面的表格中可很方便地供操作員查看，可實現對存儲數據的簡單查找，對錯誤的匹配也可進行刪除。

5）頻率使用模塊：提供頻率使用規律錄入界面，通過觀察統計圖，可以看出對于某一類型目標，不論其距離或姿態角如何，總能找到使其信雜比達到相對最佳值的工作頻率區間，借助上述圖形來找出工作頻率的使用規律。然后，由操作員根據界面要求錄入數據，錄入的數據顯示在表格中，可以對數據進行修改，對錯誤的記錄也可進行刪除。

5 系統實現與結果分析

頻率使用支撐數據庫軟件的實現界面如圖3所示，登錄進行系統后操作員首先將目標頻譜幅度、目標雜波基底、目標批號和日期時間實時錄入到數據庫中，同時由雷達可自動記錄目標的其它信息；然后，將雷達自動記錄的目標信息導入數據庫中，并與實時錄入的數據進行匹配，形成符合統計分析要求的數據記錄；最后，通過數據的統計分析，得出不同類型目標在不同距離上的信雜比與工作頻率之間的關系。以圖形方式顯示統計分析結果，操作員可以根據圖形確定探測不同類型目標的最佳工作頻率區間，并將其記錄到相應的頻率使用規律表格中。

圖3 地波雷達頻率使用數據庫軟件主界面

下面通過仿真模擬數據來展示系統對數據的統計分析結果，圖4顯示的是某型空中目標在100km距離上，地波雷達采用不同工作頻率統計得出的目標回波強度變化，從中可以明顯看出地波雷達對該目標的最佳工作頻率在5MHz附近。

圖4 某空中目標信噪比與工作頻率的關系

圖5顯示的是地波雷達對某型艦船目標的模擬數據，數據對應著艦船目標處于90°正橫狀態，從圖中的曲線可以很容易得出地波雷達此時的最佳工作頻率約為4MHz。

圖5 某艦船目標檢測信雜比與工作頻率的關系

從圖4和圖5的結果可以看出，地波雷達對海、空目標的探測性能與其工作頻率有著密切的關系，如果地波雷達選擇在最佳的工作頻率上，可以將目標回波信噪比（信雜比）提高數十分貝，這對地波雷達遠距離探測和目標的穩定、連續跟蹤具有重要意義。

6 結語

國內外的地波超視距雷達無論是用來海上目標檢測還是海態遙感，都已完成了雷達系統的研制，但是在實際使用中對目標的跟蹤難以連續，其中頻率的選擇對于目標的檢測和跟蹤有重要影響。地波超視距雷達頻率的使用規律研究對于雷達裝備的日常操作訓練，以及當目標點跡跟蹤出現中斷時，及時、準確地調整工作頻率使目標點跡恢復，保證對重點目標的連續觀察掌握，具有重要的理論指導作用。

本文針對地波超視距雷達的頻率使用規律研究，設計和開發了相應的支撐數據庫系統，該系統通過記錄地波雷達對海上目標的實時探測數據，并進行統計分析，通過數據庫積累的方式利用雷達裝備的實測數據給出系統在不同工作環境下對不同類型目標的最佳雷達工作頻率，對于提高地波雷達對重點目標的發現能力，實現超視距預警具有非常重要的作用。下一步結合該數據庫系統，實際采集地波雷達的觀測數據，對地波超視距雷達目標檢測中的頻率使用規律進行分析歸納。

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