美國海軍基于戰術雷達的災害性天氣探測及顯示系統

馬永龍，謝紅勝

(1.海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局，湖北武漢 430030;2.中國船舶重工集團公司第七〇一研究所，湖北武漢 430064）

美國海軍基于戰術雷達的災害性天氣探測及顯示系統

馬永龍1，謝紅勝2

(1.海軍裝備部駐武漢地區軍事代表局，湖北武漢 430030;2.中國船舶重工集團公司第七〇一研究所，湖北武漢 430064）

介紹美國海軍艦艇基于戰術雷達的災害天氣探測及顯示系統。該系統通過附加的氣象雷達數據處理器和基于網頁的服務器，提供艦載SPS－48E等雷達的實時監測數據和圖像。系統由氣象數據接口轉換卡及氣象數據提取計算機構成。經過驗證，該系統與專用氣象雷達性能相當。

氣象雷達;災害性天氣探測及顯示;SPS－48E

0 引言

美國海軍各型具有航空能力的艦船，如航母和兩棲攻擊艦，其作戰能力都受到天氣狀況的影響。上至打擊任務，下至艦載機起降，都需要知道當前及未來的天氣條件，以避免事故的發生，并盡可能為部隊提供先發制人的機會。

災害性天氣探測及顯示 (HWDDC）系統是為艦艇提供實時氣象信息的重要工具，它通過附加的氣象雷達數據處理器和基于網頁的服務器，能提供艦載SPS－48E雷達的實時監測數據和圖像。災害性天氣探測及顯示系統首先提取SPS－48E雷達回波，將其轉化成氣象雷達可以讀取的氣象測量數據，然后利用簡單的網頁顯示技術，通過艦載網絡向用戶提供雷達顯示的圖像。災害性天氣探測及顯示系統樣機首先安裝在美國海軍兩棲攻擊艦“貝里琉”號上，并于2006年2月進行為期6個月的海上部署。第2套系統在2007年3月安裝在“尼米茲”號 (CVN 68）航母上，并在艦隊部署期為艦隊提供接近實時的氣象數據?；A工商業公司 (BCI）為災害性天氣探測及顯示系統開發了數據處理器和網絡服務器。ITT公司Gilfillan分部則開發了SPS－48E雷達與BCI處理器之間的數據接口。

1 災害性天氣探測及顯示系統

世界各地的機場周圍都有專用氣象雷達，飛行員和空中交通管制人員利用這些雷達數據規劃航線。但美國的水面艦艇在過去的幾十年中并沒有安裝和使用這種氣象雷達系統。不過，近年來通過一些“基于傳感器”的數據收集和演示試驗證實，大多數現代艦艇所使用的對空監視雷達，可以作為氣象雷達使用。

1.1 基于傳感器的氣象雷達監測

利用現有傳感器提供氣象雷達數據的好處包括:無需更換現有設備，能極大降低新系統開發、安裝和維護費用，并滿足相關附加機械結構和電子設備的使用要求。這種“基于現有傳感器”的數據收集概念，允許SPS－48E雷達在完成自身戰術任務的同時提供氣象數據，不僅適用于SPS－48E雷達，還適用于SPY－1等艦載戰術雷達。

基于傳感器數據收集概念的一個重要條件，是在搜集日常氣象數據的同時，不改變或阻礙戰術傳感器的正常工作。戰術雷達的任務是探測并追蹤空中和水面目標，這對船員及整個艦隊的安全至關重要。中斷一次搜索掃描或者改變運行參數，都會降低雷達探測和追蹤潛在敵對目標的能力，進而大大降低艦隊防御敵方武器的能力。

圖1 基于傳感器的平行數據處理概念Fig.1 Through-the-sensor parallel data processing concept

因此，基于傳感器的處理系統必須或至少要能在雷達的戰術配置條件下工作，并可以利用為戰術任務而設定的雷達掃描方式和參數 (如脈沖寬度，脈沖重復間隔時間等）來提供天氣信息。通過甄選目標雷達及數據處理方式，可以實現上述目標。

在收集到氣象數據后，需要以一種便于解讀的格式向艦上和艦下的用戶分配和提供氣象數據。美國只有少數艦船 (如航母）上有專業的氣象學家，大多數沒有氣象學家的艦船上的艦員也需要使用氣象雷達提供信息。因此，數據質量和信息的顯示方式非常重要，如果作戰人員不能快速有效地理解這些數據，該系統對于作戰人員的作用就會很小。

1.2 數據處理算法調整

為進行氣象監測并成功處理戰術雷達數據，需要對數據處理算法進行調整，以適應戰術雷達極高的掃描頻率。通常情況下，基于傳感器的掃描是快速掃描，比標準氣象雷達產生氣象測量數據的間隔時間更短。

例如，現在許多戰術雷達如SPY－1雷達，采用全方位相控陣方式;另一些如SPS－48E雷達，配有機械旋轉雷達天線，通過旋轉來實現方位角的覆蓋，并通過快速掃描模式來覆蓋仰角范圍。不管是哪種情況，相控陣的靈敏性 (全方位或者僅俯仰方向）都需要雷達自身具有快速掃描功能，從而在更短時間內提供完整的氣象圖像。此外，SPS－48E雷達不足以獨自提供快速氣象掃描功能。因此，必須收集足夠數量的樣本才能給出精確的氣象測量數據。加上采用范圍平均，可以在快速的氣象掃描情況下引入更多的氣象樣本數據，從而使得雷達能夠在較短時間內提供高質量的氣象測量數據。

1.3 災害性天氣探測及顯示系統描述

雖然SPS－48E雷達是一種三坐標監視雷達，目的是探測并追蹤敵方飛行器及導彈，但它的運行特點非常適合氣象探測。SPS－48E雷達運行于S波段，通過機械系統控制進行方位角的掃描，通過發射頻率控制進行俯仰方向的掃描。高功率發射器、相對較短的脈沖長度以及合理的天線波束寬度，綜合起來可以實現與許多專用氣象雷達 (如WSR－88D氣象雷達）相當的性能。再通過一個與戰術目標探測過程獨立的數據處理程序來處理雷達收集到的數據，就可以提取到通常會被雷達作為雜波忽略的高保真氣象信息。

災害性天氣探測及顯示 (HWDDC）系統由氣象數據接口轉換卡 (WDIC）和氣象數據提取計算機 (WEC）2個子系統構成。氣象數據接口轉換卡可以在SPS－48E雷達內實現完全無干擾的數據挖掘過程，并提取未經處理的雷達回波。通過氣象數據提取計算機不僅可以獲得未經處理的雷達回波，還能夠獲得SPS－48E雷達設備提供的用于處理雷達回波的相關信息，包括波束的方位角和仰角、發射機功率水平以及艦船的位置、航向及航速等。返回的數據以2種雷達模式呈現:單脈沖傳輸模式和移動目標指示 (MTI）模式，類似于一種脈沖多普勒陣列。

氣象信息提取計算機子系統接收氣象數據接口轉換卡捕捉的雷達數據，并將數據轉換成譜矩估值，同時提供基于網頁的用戶顯示。SPS－48E雷達單脈沖回波被轉換成反射回波估值，其覆蓋范圍超過277 km。移動目標指示脈沖陣列則通過一種脈沖對算法進行處理，并給出反射回波、平均輻射速度以及頻譜寬度的估值。由于在波形中采用了相對較短的脈沖間隔時間，因而戰術移動目標指示模式的范圍也被限制在約56 km的長度。

氣象數據提取計算機綜合一些傳統氣象雷達數據處理的特點，并充分利用戰術雷達掃描模式所需的新型算法。此外，為提高數據質量，氣象數據提取計算機還內嵌雜波編輯、范圍/速度展開以及表面雜波過濾等功能。然而，由于SPS－48E雷達戰術移動目標指示模式下的波形及掃描參數的限制，無法使用如WSR－88D氣象雷達中的傳統雜波濾波器。考慮到實際工作中雷達平臺移動，且“地面”雜波大多數是由海面波浪回波構成，因而在設計氣象數據提取計算機的處理算法時，需要采用不同的表面雜波過濾方法。

災害性天氣探測及顯示處理器中使用的雜波過濾方法，與之前某些戰術雷達中使用的方法相似。目前已開發的自適應移動目標指示算法也都是基于濾波操作，具體來說就是將輸入數據序列與一個作為濾波器的矩陣序列相乘。這些技術有的在戰術雷達中已經得到了運用。采用矩陣濾波器的好處在于濾波操作不會引起數據損失，也不像傳統有限脈沖響應 (FIR）或無限脈沖響應 (IIR）方式，需要在雜波濾波器的輸出端產生與輸入端相同數量的脈沖信號。

災害性天氣探測及顯示處理器吸收了自適應移動目標指示處理器的工作優點，采取一種類似矩陣相乘的方法進行濾波。最初的濾波操作采用了一個常濾波系數，但人們希望隨著災害性天氣探測及顯示處理器不斷積累海上工作經驗，促使這項工作能夠更自主化。

氣象數據提取計算機的一項新功能是能夠將獨立的雷達回波重新組合成完整的數據冊。SPS－48E雷達的掃描頻率是4 s，也就是說雷達每隔4 s就能完成對其整個覆蓋區域的掃描。而傳統的氣象雷達，如WSR－88D，則要花費幾分鐘時間才能完成一次完整掃描。因此，為了提高災害性天氣探測及顯示數據的精度，系統會收集一些連續的SPS－48E雷達掃描結果，并將它們組合成一個固定位置的單一參考冊。這就需要在處理過程中，對數據進行持續不斷的船體運動補償，這種做法不僅僅是將每次掃描的回波按照一個空間固定位置進行排列，而是根據船體大致的速度和頻譜寬度，消除因船體運動而對結果造成的影響。

災害性天氣探測及顯示系統是完全自動化的，不需要人員對其進行配置或操作。一旦接通電源，氣象數據提取計算機處理器就會自動進入到運行模式并開始收集數據，同時通過氣象數據接口轉換卡獲取雷達數據流并進行處理。每隔60 s，氣象數據提取計算機就會給出一個完整的譜矩數據，并可在系統硬盤內保留幾個小時。氣象數據提取計算機最后的輸出結果是一個完整的譜矩表，它采用通用格式填寫，并隨綜合反射率及速度方位顯示系統等數據一同以下一代雷達格式輸出。

1.4 氣象數據提取計算機處理平臺

氣象數據提取計算機平臺使用商業成品硬件和開源軟件。硬件由多臺機架式服務器構成，運行Linux操作系統。處理器架構采用多通道并行處理器，以保證數據處理的實時性。氣象數據提取計算機原型機 (稱作WEC V0）由2臺機架式服務器組成，每臺服務器中安裝有2個3.8 GHz的英特爾至強 (Intel Xeon）處理器。

新版氣象數據提取計算機系統將大幅提升處理性能，每個服務器的CPU都將采用4核3.0 GHz處理器。數據依照信息傳遞接口數據傳輸協議，通過標準的千兆網絡接口完成在處理中心的交換。氣象數據提取計算機利用前面板串行數據接口，通過光纖與SPS－48E雷達內部數據挖掘系統連接，這也使得氣象數據提取計算機可以安放在艦上光纖所及的任何位置。

氣象數據提取計算機服務器提供的網頁顯示和界面服務可以通過海軍艦載機密局域網(SIPRNET）訪問，同時在艦下還可以通過衛星連接到其他艦船以及陸基機密局域網內的客戶端。除此之外，視頻轉換器可以提供實時的視頻顯示，供海軍氣象和海洋相關 (METOC）操作員進行選擇。同時，通過艦載閉路電視系統 (稱作23－TV），用戶也可以在沒有機密局域網終端的地方查看雷達的實時顯示。

為了防止系統因斷電而崩潰，系統硬件中包含1個持續供電系統 (UPS），可以保證系統在斷電后正常工作15 min。并且該時間到達前，災害性天氣探測及顯示系統會自動關閉，以防止系統因非正常關閉而崩潰或對文件系統造成損壞。日志文件系統的使用也能起到保護作用。

圖2 災害性天氣探測及顯示系統框圖Fig.2 HWDDC system block diagram

2 海上測試結果

災害性天氣探測及顯示系統樣機于2006年2月在位于弗吉尼亞州的海軍SPS－48E雷達測試基地進行了陸基系統測試。在測試期間，譜矩輸出結果與WSR－88D氣象雷達結果進行了對比，結果表明，災害性天氣探測及顯示系統的輸出結果與氣象雷達的結果差別甚小。圖3顯示的是在陸基測試過程中的綜合反射率圖像，圖4顯示的是“貝里琉”號離開夏威夷后的綜合反射率圖像。需要注意的是，在這項測試中并沒有用到表面雜波過濾和點雜波編輯功能。

圖3 綜合反射率PPIFig.3 Composite reflectivity PPI

圖4 綜合反射率PPIFig.4 Composite reflectivity PPI

2006年2月，在美國海軍“貝里琉”號(LHA5）兩棲攻擊艦安裝了該樣機，之后進行了為期6個月的操作部署。在離港后的前20天中，災害性天氣探測及顯示系統為海軍和海軍陸戰隊繼續執行“入侵者”號攻擊機和直升機的飛行任務提供保障，而這些任務在通常情況下會因天氣惡劣而被取消。前3周共遇到了3次下述機會:開始時天氣不能滿足飛行任務，后來天氣放晴，因而可以繼續實施飛行計劃。災害性天氣探測及顯示系統此時為海軍和海軍陸戰隊節省了大量寶貴的時間和資源 (災害性天氣探測及顯示系統可以提前預判），同時也提升了執行任務的安全性和效率。

［1］MAESE T J，MELODY S，KATZ M O，et al.Dual-use Shipborne Phased Array Radar Technology and Tactical Environmental Sensing［C］.Proceedings of the 2001 IEEE Radar Conf-erence，2001.

［2］ARMSTRONG BC.A Comparison of conventional，adaptive and hybrid doppler processing techniques［C］.Proceedings of the 1992 South African Symposium on Communications and Signal Processing，1992:127 －134.

Hazardousweather detection and display system based on tactical radar for US navy ships

MA Yong-long1，XIE Hong-sheng2
(1.Deputy Office of Department of Equipment of Navy，Wuhan 430030，China;2.The 701 Research Institute of CSIC，Wuhan 430064，China）

Hazardous weather detection and display system is described.The system based on the existed shipboard radar is an adjunct weather radar processor and web-display server that provides realtime weather radar data and imagery from the navy’s SPS －48E radar system aboard these aviation platform ships.The HWDDC system is composed of two subsystems，the weather data interface card and the weather extractor computer.This comparison experiment showed a very close qualitativematch between the output of the HWDDC system and the dedicated weather radar.

weather radar;HWDDC;SPS－48E

U661.43

A

1672－7649(2014）04－0147－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.032

2014－03－31

馬永龍(1974－），男，工程師，研究方向為軍用電子信息工程。