基于多基站雷達協同的船只監控系統

張昊宇

摘 要：國內的海事雷達可以對目標船只進行監控和定位，但無法做到實時成像，因而無法對船只進行識別和分類。基于逆合成孔徑雷達技術（ISAR）的多基站雷達監控系統可以做到對目標船只的全覆蓋成像監控。本文提出了基于多基站ISAR技術的雷達系統用以監控海面船只并公布了在某海域的對船成像結果。

關鍵詞：逆合成孔徑雷達；ISAR；多基站雷達協同成像

中圖分類號：U665 文獻標識碼：A 文章編號：1006—7973（2018）3-0048-02

海洋占全球總面積的70%以上，是全球一體化條件下貨物運輸，產業轉移的重要交通要道。為海洋交通運輸方面搶占先機，歐美等發達國家上個世紀都分別建立了海洋戰略。為了保障海上船只的安全，維持沿海地區穩定，建立健全強大的海洋監測體系勢在必行。AIS與GPS等系統的普及提高了相關部門對船只的監控能力，然而這是一種“被動式”的監測方法。如果目標船只主動關閉了AIS與GPS等系統或船只來自敵對方，則這種被動監控手段將完全失靈。海事雷達是一種常用的“主動式”目標船只監測技術。雷達發射并接收電磁波，通過對回波信號的分析獲取船只的位置，這種方法可以全天候全時段工作，但主要問題是無法獲取目標船只的形狀與大小，通過雷達信號分析只能確認在該位置有船只存在而無法根據船只形狀予以自動分類鑒別。逆合成孔徑雷達技術（ISAR）通過對移動目標進行成像，能夠對海岸線的船只進行全天候成像監控，不受天氣和時間的影響。而采用多臺ISAR雷達配合成像可以從多角度獲取船只信息，從而對目標船只進行更為全面的監控。本文提出利用多個ISAR雷達組成成像系統陣列，從多個角度同時監控船只。

1 多基站雷達系統方案

1.1 總體方案

岸基ISAR 架設在海岸邊的固定位置，利用船只的移動進行成像，具有全天候、高精度，多船只多目標全跟蹤能力。能夠獲得目標船只的精確成像的前提是該目標船只需要沿著雷達波束的照射方向（LOS走行問題）進行明顯的運動變化。然而在一些極端狀況下船只沿雷達波束方向進行直線的航行，這種情況將導致成像效果極差甚至成像失敗。此外，在一些擁擠的航道或者港口，船只之間的遮蔽現象十分嚴重。目標船只極有可能被航道上的其他船只遮擋導致雷達波束無法完全照射，這將導致目標圖像缺失并造成目標追蹤鑒別失敗。而采用多基站系統從多個方向對目標船只進行協同成像則可以有效的解決上述問題，如圖1所示，6臺ISAR雷達部署在海灣的不同位置，即可從不同角度對多條船只進行監控，避免了LOS走行問題和遮蔽現象。

圖2描述了一套典型的多基站同步海岸雷達監測網安裝場景示意圖。R1 與 R2 為海岸預警雷達節點（MRN），使用固定（或旋轉天線），最大轉速可達40 rpm，方位角精度0.1°。該雷達基于FMCW（調頻連續波）技術，使用X-波段（9.6 GHz），可以在中等范圍內提供高距離分辨率的探測和跟蹤，MRN的目標檢測能力可達80公里，探測性能與船舶尺寸。 R3到R7是成像雷達節點（IRN），是基于FMCW（調頻連續波）技術基礎上的逆合成孔徑雷達，其允許具有小尺寸天線的固定雷達獲得移動目標的高分辨率圖像。使用X-波段（9.6 GHz），工作范圍高達10公里，用于自動目標識別成像目的。IRN具備四個垂直方向偏振的發射元，以用于干涉測量。通過干涉測量獲取目標三維信息。通過使用多個成像雷達可以避免陰影效應。每臺雷達可以單獨工作，也可以與其他雷達協同工作，既可以單站作業，也可以多基站作業，而且整個系統可以很方便的加入更多雷達從而擴大整體組網，從而加大覆蓋面積。另外，整套系統可以發現、探測、定位、追蹤目標物，并對目標物進行三維成像從而進一步自動識別目標物。

1.2 系統結構

本方案中采用了兩種雷達進行混合成像。其中MRN雷達用于預警，而IRN雷達用于成像。海岸預警雷達系統有兩部分組成：包含電子器件的機箱和天線系統。其中GPS包含于雷達機箱中。本項目中海岸預警雷達天線是由兩個水平極化的監視波導縫隙天線組成的旋轉系統，每個波導天線長度為12英尺，總重量約40千克，天線外有天線罩結構，以保護輻射元件免受昆蟲，灰塵和水的侵害。允許以0.1°的角度分辨率在方位角上進行全部空間覆蓋。方位上的天線孔徑角小于0.6°，并且其允許對雷達主要監視范圍內目標準確辨別和檢測。該配置滿足IALA V-128“船舶交通服務設備的操作和技術要求”的國際標準要求。雷達機箱中有RF模塊和雷達后端（AWG+ADC+CU+GPS）。其中RF模塊使用獨特的和專有的運動振動補償技術，防止振動引起的振蕩器相位噪聲的退化。由于采用高集成和高性能RF數字信號處理架構，并采用最先進的技術，因此該雷達可以提供高質量的數據。RF模塊和雷達后端（AWG + ADC +CU+GPS）靠近天線放置，以便容易將RF信號低損耗的直接傳輸到輻射元件。

預警雷達的總重量約180Kg，安裝在靠近水面的6米桅桿頂部，可以承受高達250km / h的風速。使用定位器/旋轉器提供方位角掃描，旋轉速度為0rpm-20rpm。IRN雷達的探測范圍是10m到5Km，整個雷達系統由兩部分組成：一個包含電子器件的機箱和天線系統。雷達機箱的尺寸為 400 x 400 x 800 mm， 重量約 25 Kg。其中GPS包含在機箱中。雷達安裝的GPS模塊為工作在10MHz 的 Global Positioning System Disciplined Oscillator （GPSDO），其內置高性能的GPS接收器，GPS系統的作用就是對所有的工作雷達進行時間和相位同步。天線系統是一個面積為500x500 mm，重量為3 Kg的面板。其中全極化模式成像雷達（IRN-P）的天線系統由兩個雙線性極化天線組成，用于交替發射兩個極化信號，并同時接收成像雷達極化模式（IRN-P）的兩個極化信號。干涉模式成像雷達（IRN-I）的天線系統由四個垂直極化輻射元件組成。雷達機箱包括RF模塊和雷達后端（AWG+ADC+CU+GPS）。其中RF模塊使用獨特的和專有的運動振動補償技術，可以防止振動引起的振蕩器相位噪聲的退化。由于采用高集成和高性能RF數字信號處理架構，該雷達可以提供高質量的數據。RF模塊和雷達后端（AWG+ADC+CU+GPS）靠近天線放置，以便容易將RF信號低損耗的直接傳輸到輻射元件。

2 對船成像結果

本系統中雷達傳感器網絡中所有雷達的工作模式如下：

模式 1： MRN和IRN都使用時分復用技術進行發送和接收。

模式 2： MRN發射，IRN接收。

模式 3： IRN發射，MRN接收。

模式 4： 僅MRN發射/接收。

模式 5： 僅IRN發射/接收。

在上面5個雷達工作模式中，就包含了單發單收、單發多收、多發單收、多發多收這幾種工作狀態。單收單收模式表示一個雷達發射一個雷達接收，單發多收表示一個雷達發射多個雷達接收，多發單收表示多個雷達發射一個雷達接收，多發多收表示多個雷達發射多個雷達接收。

圖3是該海岸預警雷達（MRN）采集的雷達數據的可視化結果。在同一區域，還安裝了一個成像雷達（IRN-P）。黑色箭頭指出了小目標。在雷達成像中， 還可以看到環境的其他特征， 如土地與島嶼（強紅色）， 在海中間的堤防（在距離海岸預警雷達約4000米的淡綠色直線）。圖3可用于各個部門進行海域大范圍監控預警，圖4是對圖3中的船只目標進行放大后的圖像。從圖中可以清晰地看出，目標是一艘大型油輪。

3 結論

本文公布基于多基站ISAR雷達聯合對船監測系統的海岸地區總體部署方案，預警雷達與成像雷達的技術參數以及在某海域的成像實測結果。基于多基站ISAR雷達系統可以從多個角度對船體進行觀測，提高了船只的識別率，這對于大范圍海上船只的監控管理提供了強大的技術支撐。

參考文獻：

[1] 干涉式逆合成孔徑雷達成像技術綜述[J]. 劉承蘭，高勛章，黎湘. 信號處理. 2011（05）

本文為基金項目：浙江海洋大學科研啟動經費資助，No.21045012815endprint