艦載警戒三坐標(biāo)雷達(dá)拓展氣象探測功能的應(yīng)用研究

陳　欣

（中國人民解放軍91404部隊，河北　秦皇島　066000）

艦載警戒三坐標(biāo)雷達(dá)拓展氣象探測功能的應(yīng)用研究

陳欣

（中國人民解放軍91404部隊，河北秦皇島066000）

艦載三坐標(biāo)雷達(dá)在搜索、跟蹤目標(biāo)的同時進(jìn)行氣象探測是一項全新的課題。文章在節(jié)約硬件成本開銷的前提下，實現(xiàn)了艦載三坐標(biāo)雷達(dá)警戒搜索功能和氣象探測功能的融合，闡述了三坐標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行氣象探測功能拓展的技術(shù)機(jī)理和警戒雷達(dá)在氣象探測功能方面的應(yīng)用優(yōu)勢。

警戒三坐標(biāo)雷達(dá)；氣象探測；功能拓展

新型艦載警戒搜索三坐標(biāo)雷達(dá)擔(dān)負(fù)著全艦警戒搜索和武器系統(tǒng)的目標(biāo)指示的任務(wù)，具有大空域覆蓋、高數(shù)據(jù)率、高精度的特點(diǎn)。其主要功能是對空對海搜索，能在復(fù)雜干擾環(huán)境下有效地檢測和跟蹤目標(biāo)，給出三坐標(biāo)目標(biāo)指示信息，測定目標(biāo)方位、距離、仰角三維參數(shù)。在艦船上，因受天線架設(shè)位置和艙室空間的限制，架設(shè)多部雷達(dá)的需求無法滿足。對警戒搜索三坐標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行氣象探測功能拓展，既解決了艦船內(nèi)艙室空間有限的問題，簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，又可以利用探測的氣象信息改善警戒雷達(dá)的雜波抑制性能［1］。

1　艦載氣象雷達(dá)的應(yīng)用

在海上，雷達(dá)工作的氣象環(huán)境更為復(fù)雜，所處的大氣環(huán)境中氣象回波在時間和空間上也均會有很大變化，警戒雷達(dá)的探測性能，如發(fā)現(xiàn)概率、探測范圍、目標(biāo)航跡很大程度上也受到云雨、海雜波等氣象雜波的影響。如果能更加準(zhǔn)確、實時地測量氣象及云雨雜波的連續(xù)變化，警戒雷達(dá)可以通過排除氣象雜波，提高目標(biāo)的探測準(zhǔn)確度。艦載警戒雷達(dá)拓展氣象探測功能可生成如下產(chǎn)品。

基本數(shù)據(jù)產(chǎn)品包括：基本反射率（R）、速度（V）、譜寬（W）和未濾波基本反射率因子（UnZ）。

物理量產(chǎn)品：垂直最大回波圖、回波頂高分布、回波底高分布、等高平面位置顯示、反射率垂直切割。

降水處理產(chǎn)品：雨強(qiáng)、任意小時雨量積累、垂直液態(tài)含水量。

風(fēng)暴產(chǎn)品：強(qiáng)回波移向移速。

風(fēng)場產(chǎn)品：速度方位顯示、方位渦度顯示、垂直風(fēng)廓線、組合切變、速度徑向散度。

通過這些氣象產(chǎn)品，警戒雷達(dá)可以大致測定大氣生成物的位置，預(yù)測并告警大范圍降雨、臺風(fēng)、冰雹、暴雪、颮線、龍卷風(fēng)、雷暴及暴雨等災(zāi)害性天氣的發(fā)生與嚴(yán)重程度，引導(dǎo)飛機(jī)起降以及應(yīng)用探測的氣象信息，可抑制由海浪和云雨雜波所引起的虛假目標(biāo)信息以及有效消除其產(chǎn)生的虛警。

2　警戒三坐標(biāo)雷達(dá)拓展氣象探測功能的技術(shù)機(jī)理

為滿足對氣象回波高度的探測要求，進(jìn)行氣象功能拓展的前提是針對可探測目標(biāo)回波距離、方位、仰角等三維及以上參數(shù)的雷達(dá)。以三坐標(biāo)雷達(dá)為例，利用警戒三坐標(biāo)雷達(dá)的目標(biāo)探測特點(diǎn)和整體效能，可利用雷達(dá)的一個掃描周期，有效使用雷達(dá)資源，把雷達(dá)的警戒探測功能和氣象探測功能實現(xiàn)兼容［2］。在實現(xiàn)邊搜索邊跟蹤工作方式和實現(xiàn)多批目標(biāo)跟蹤的同時，可以分配部分掃描周期、能量和通道對所處環(huán)境進(jìn)行氣象探測［3］。

實現(xiàn)這一目標(biāo)應(yīng)借助于警戒雷達(dá)的功能特性并結(jié)合氣象雷達(dá)的工作方式。整部雷達(dá)采用一部接收、發(fā)射系統(tǒng)，氣象探測功能拓展后，除原有的設(shè)備組成外，多加一部獨(dú)立處理氣象數(shù)據(jù)的信息處理系統(tǒng)。

拓展氣象探測功能的警戒雷達(dá)采用兩種工作方式：兼容方式和氣象探測專用方式。在兼容工作方式下，雷達(dá)主要資源用于搜索和跟蹤目標(biāo)，留下一部分能量和通道測試氣象信息。在氣象探測專用工作方式下，雷達(dá)不進(jìn)行目標(biāo)的搜索和跟蹤，所有能量用于測試氣象信息。掃描策略由雷達(dá)實時控制，進(jìn)行方位可變掃描像素值（Pixels Per Inch，PPI）和體掃模式選擇。

選擇兼容氣象探測模式探測環(huán)境特性，雷達(dá)實時控制生成氣象探測指令，利用警戒雷達(dá)的快速探測和捕捉目標(biāo)能力，在滿足探測飛行目標(biāo)的掃描時間和能量前提下，進(jìn)行資源調(diào)度，間隔一段時間利用一個掃描周期快速完成全空域的掃描和搜索，生成大量的氣象探測回波數(shù)據(jù)，通過一個外掛的大容量硬盤記錄氣象數(shù)據(jù)。氣象回波數(shù)據(jù)通過專用氣象通道進(jìn)入氣象信號處理系統(tǒng)，進(jìn)行多種模式的信號處理，生成氣象測量值，即各種譜信息（回波強(qiáng)度、速度、譜寬）。再對信號處理機(jī)提取的氣象數(shù)據(jù)進(jìn)行二次處理，可得到氣象的二次產(chǎn)品。通過顯示與控制分系統(tǒng)，顯示氣象產(chǎn)品。氣象信號處理系統(tǒng)如圖1所示。

圖1　氣象信號處理系統(tǒng)

氣象工作方式與工作模式設(shè)置相對應(yīng)，分區(qū)探測或分遠(yuǎn)、近不同范圍探測。氣象探測時間為

式中：KφKθ為雷達(dá)在作用范圍內(nèi)所需的波束數(shù)目；N，Tr分別為波束駐留數(shù)目及時間。不同的氣象探測工作方式和作用范圍，其探測所需的時間和探測周期也不同。

如采用兼容模式，同時進(jìn)行目標(biāo)跟蹤，則氣象探測間隔時間twi為

式中：tt為跟蹤時間。

采用兼容模式氣象探測時，搜索和跟蹤目標(biāo)的時間及數(shù)量，會影響氣象探測的數(shù)據(jù)率［5］。基于任務(wù)優(yōu)先級調(diào)度的自適應(yīng)策略，可根據(jù)任務(wù)的優(yōu)先級，設(shè)置重點(diǎn)跟蹤目標(biāo)，綜合分析，進(jìn)行多任務(wù)權(quán)重的計算與雷達(dá)資源調(diào)度，在滿足目標(biāo)跟蹤和空域搜索的前提下，對氣象探測任務(wù)掃描周期及能量進(jìn)行合理分配。兼容模式下雷達(dá)資源調(diào)度流程如圖2所示。

3　警戒三坐標(biāo)雷達(dá)拓展氣象探測功能的應(yīng)用特點(diǎn)

3.1節(jié)約硬件成本

警戒搜索雷達(dá)一般使用固態(tài)發(fā)射機(jī)，相對氣象雷達(dá)，其硬件基礎(chǔ)更高，發(fā)射機(jī)工作更穩(wěn)定。在警戒雷達(dá)的硬件基礎(chǔ)上進(jìn)行氣象功能拓展，可有效使用雷達(dá)硬件資源，只需多加一組通道和一個專用氣象數(shù)據(jù)處理機(jī)柜就可實現(xiàn)，在很大程度上節(jié)約了硬件成本。除此之外，其高可靠性、長時間全氣候工作的特點(diǎn)也滿足天氣雷達(dá)的需求。

3.2縮短氣象探測的預(yù)報時間

艦載警戒雷達(dá)硬件性能好，可靠性高，在空間與時間上對海上氣象探測的性能更佳，實時性更強(qiáng)。一般的多普勒天氣雷達(dá)完成一個體掃時間至少需要12min，這對于一個災(zāi)害性氣象形成發(fā)現(xiàn)、發(fā)展過程的探測以及引導(dǎo)飛機(jī)起降是遠(yuǎn)遠(yuǎn)達(dá)不到要求的。對某些新體制的警戒三坐標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行氣象探測功能拓展，利用其高空間分辨率和空間定位精度，可大大提高氣象回波的發(fā)現(xiàn)時間，并且可以對多個區(qū)域同時觀測，從而大大地提高了對所處區(qū)域天氣狀態(tài)的探測能力和數(shù)據(jù)率，縮短探測時間。

3.3改善預(yù)警和預(yù)報能力

艦載警戒雷達(dá)具有多種工作狀態(tài)、多目標(biāo)、多功能及自適應(yīng)工作方式，對于瞬息變化的氣象目標(biāo)更容易達(dá)到探測要求。對多個氣象目標(biāo)，特別是對精細(xì)目標(biāo)可以實現(xiàn)同時探測、跟蹤。由于艦載警戒雷達(dá)這種對精細(xì)目標(biāo)變化趨勢的探測性能，拓展氣象探測時可以進(jìn)一步提高預(yù)警能力。

3.4全壽命周期成本低

艦載警戒雷達(dá)一次性成本較大，但模塊成本價格已逐步降低，模塊部件更換，特別是大功率部件，比傳統(tǒng)的多普勒天氣雷達(dá)部件的成本要低得多。因為共用一部天線、接收機(jī)和發(fā)射機(jī)，在雷達(dá)生命周期內(nèi)，進(jìn)行功能拓展的警戒雷達(dá)長期維護(hù)的成本將明顯比兩部雷達(dá)要低許多［6］。

3.5增強(qiáng)雷達(dá)雜波抑制能力

現(xiàn)代化雷達(dá)的共同點(diǎn)是對環(huán)境要求比較嚴(yán)格，作用效能的發(fā)揮受戰(zhàn)場環(huán)境的影響十分顯著。警戒雷達(dá)拓展氣象探測功能后，可以利用實時探測的氣象信息和推算的相應(yīng)大氣運(yùn)動狀態(tài)，調(diào)整雷達(dá)系統(tǒng)狀態(tài)，改善探測目標(biāo)的性能。根據(jù)探測的氣象信息繪制氣象區(qū)域圖，針對氣象區(qū)域圖相應(yīng)位置的雜波分布特征，包括空間位置、密度分布、幅度和多普勒信息，有效抑制相應(yīng)位置由海浪和云雨雜波所引起的虛假目標(biāo)信息，消除其產(chǎn)生的虛警，提高雷達(dá)探測性能。

4　應(yīng)用效果

運(yùn)用警戒三坐標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行氣象探測和觀測，不僅能測定基本氣象信息，如降雨量、降雨率和降水特性，還能對低空風(fēng)切變、湍流等氣象現(xiàn)象的降水動態(tài)特性進(jìn)行分析，可實現(xiàn)很高的探測精度，獲得更多的氣象信息產(chǎn)品。如圖3所示，警戒三坐標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行氣象功能拓展后探測的部分氣象信息產(chǎn)品。

圖2　兼容模式下雷達(dá)資源調(diào)度

圖3　氣象信息產(chǎn)品

5　結(jié)語

對艦載三坐標(biāo)雷達(dá)進(jìn)行氣象探測功能的拓展，在不增加二次雷達(dá)硬成本開銷的前提下，實現(xiàn)搜索、跟蹤目標(biāo)的同時實時地監(jiān)視氣象變化，既簡化了機(jī)械結(jié)構(gòu)的復(fù)雜度，又可以對所處區(qū)域的天氣狀態(tài)作快速探測，預(yù)報更準(zhǔn)確，預(yù)警時間也大幅提高。利用探測的氣象信息有效抑制由海浪和云雨雜波所引起的虛假目標(biāo)信息，有效消除其產(chǎn)生的虛警，提高警戒雷達(dá)探測性能，大大提高艦艇作戰(zhàn)能力。為海上及瀕海等復(fù)雜作戰(zhàn)環(huán)境下水面艦艇武器設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展拓展研究空間。

［1］張越.相控陣技術(shù)在天氣雷達(dá)中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2003（12）：23-25.

［2］鄭志寬，何強(qiáng)，韓壯志.一種相控陣?yán)走_(dá)新型搜索波形研究［J］.電光與控制，2014（8）：87-90.

［3］王凱，嚴(yán)勇.艦載相控陣?yán)走_(dá)在氣象探測中的應(yīng)用［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2009（6）：5-7.

［4］葉舟，尤祖光，姜偉，等.多功能相控陣?yán)走_(dá)目標(biāo)監(jiān)視與氣象探測兼容模式設(shè)計［J］.上海航天，2014（5）：22-26.

［5］江旭敏.相控陣?yán)走_(dá)多任務(wù)調(diào)度管理［J］.電子科技，2008（6）：76-78.

［6］蔣慶全.民用機(jī)載氣象雷達(dá)發(fā)展評述［J］.中國電子科學(xué)研究院學(xué)報，2004（4）：39-46.

Research on application of the expansion of shipborne surveillance 3D radar for meteorological sounding

Chen Xin
（PLA of 91404， Qinhuangdao 066000， China）

Employment of shipborne 3D radar tometeorological sounding along with search and track is a new task.Under the premise of saving the cost of hardware， this paper realized the fusion of shipborne 3D radar warning， search and the weather detection functions. It describes the technical mechanism of shipborne 3D radar to expand the function of the meteorological sounding and application advantages of surveillance radar in meteorological detection function.

surveillance 3D radar； meteorological sounding； function extend

陳欣（1982— ），女，內(nèi)蒙古扎蘭屯，本科，工程師；研究方向：雷達(dá)技術(shù)應(yīng)用。