雷達海雜波測量試驗回顧與展望

丁 昊 劉寧波 董云龍 陳小龍 關 鍵

(海軍航空大學 煙臺 264001)

1 引言

當雷達以對海模式探測海上艦船、掠海飛行器或巡航導彈等軍用目標，以及浮冰、航道浮標、小漁船或快艇等民用目標時，均會不可避免地受到復雜海面回波即海雜波的影響。如何有效抑制海雜波，最大限度地積累目標回波能量，從而削弱海雜波不利影響，改善海上目標探測性能，是一個探索性強且難度很大的瓶頸理論技術問題，也是雷達應用領域仍需進一步解決的重難點問題[1—3]。

削弱海雜波不利影響的基本前提是開展海雜波特性研究、充分掌握海雜波特性規律并合理有效利用海雜波特性；在此基礎上，建立合理的海雜波模型并研究與之匹配的雜波抑制和目標檢測方法則是進一步改進和創新海上目標探測技術的有效途徑[4]。海雜波特性研究是一個共性技術問題，是當前各國海上目標探測技術的研究熱點，同時也是一個基礎性問題，在特征描述上具有很大的難度，主要表現在以下3個方面[5]：(1)海雜波影響因素眾多，從大的方面看，包括雷達參數、海域、水文/氣象參數等，每種因素還可進一步細化，而海雜波正是這些復雜多變參數的非線性函數；(2)海雜波模型通常偏離高斯分布，呈現出非高斯、非線性和非平穩特性(即“三非”特性)，其中，非高斯主要與分辨率的不斷提高有關，非線性主要與海表面的動態模型密切相關，非平穩性主要由海表面狀態的時變特性引起；(3)在高分辨率、高海況和小擦地角等條件下，海雜波中出現海尖峰的概率明顯提高，它在時域表現出類似于目標回波的特性，在頻域也具有更大的多普勒譜展寬，很容易引起虛警。

開展海雜波特性認知研究的技術途徑主要有兩種[6]，一種是基于電磁散射理論和海表面模型開展物理機理方面的研究，另一種是通過開展試驗，獲取海面回波測量數據(含海雜波與目標)，并利用實測數據開展研究。其中，后者是一種貼近實際且被廣泛采用的研究方法，其可驗證海雜波散射機理研究成果，彌補機理研究的不足，同時可真實反映出不同因素影響下的海雜波特性變化規律以及海雜波與目標之間的復雜耦合關系，進而支撐多域多維特征提取和差異特征空間形成等方面的研究工作，直接服務于海雜波抑制和特征域的目標檢測方法。試驗測量數據除海雜波和目標回波外，還應采用波浪浮標、風速儀、GPS, AIS等多種輔助傳感器同步記錄海洋環境信息、目標信息等輔助參數和數據，其中，海洋環境信息重點包括風速/風向、浪高/浪向、溫度/濕度等，目標信息重點包括距離、經/緯度、運動速度/方向等。這些信息應規范化記錄并與回波數據同步入庫，若輔助數據記錄不完整、不規范，測量回波數據的應用價值將大打折扣。

在過去的數十年里，國內外相關研究機構在雷達海雜波測量試驗方面做了大量工作，所開展的試驗涉及多種類型、多種參數，包括平臺、波段、分辨率、極化、擦地角、海域等，其中，平臺包括岸基、艦載、機載、彈載、星載等多種類型，波段覆蓋了P, L, S, C, X, Ku和Ka等，擦地角最低時小于1°，最高可達80°，涵蓋了小擦地角和大擦地角，海況也覆蓋了典型的低、中、高海況。這些試驗數據是開展海上目標探測理論研究和工程應用研究的重要基礎和支撐。

本文首先以岸基試驗和機載試驗為主線對國外10余家研究單位開展的典型試驗情況進行了梳理和總結，緊接著回顧了基于造浪池開展的海雜波測量試驗，并簡要介紹了國內開展的海雜波測量試驗和煙臺的海上目標探測試驗中心建設情況，最后，展望了后續雷達海雜波測量試驗方面仍需進一步關注的幾個方向。本文綜述的目的之一是為同類型試驗的開展提供一些參考和借鑒，目的之二是在試驗條件尚不具備、試驗數據暫時無法獲取的情況下，通過參考近似條件下的試驗情況及得到的主要分析結論或大致的參數范圍，支撐相關研究內容的初步論證工作。

2 岸基雷達海雜波測量試驗

從公開文獻來看，國外較為典型的岸基雷達海雜波測量試驗有加拿大McMaster大學的IPIX雷達海雜波測量試驗[7]、南非科學和工業研究理事會(Council for Scientific and Industrial Research,CSIR)的海雜波測量試驗[8]、澳大利亞國防科技署(Defence Science and Technology Organization,DSTO)的多波段(L, S和X波段)雷達海雜波測量試驗[9—11]、美國海軍研究實驗室(Naval Research Laboratory, NRL)的X波段雷達海雜波測量試驗[12]、西班牙南海岸Ka波段高分辨率雷達海雜波測量試驗[13]等。除此之外，還包括美國海軍空戰中心的多波段(UHF, L, S, C, X和Ku波段)雷達小擦地角海雜波測量試驗[14,15]、英格蘭南海岸多波段(S, X和Ku波段)雷達海雜波測量試驗[16]、日本的X波段雷達海雜波測量試驗[17]、德國和法國聯合開展的MARLENE(Mediterranean RFC and Sea Clutter Environmental Experiment)多波段(C, X, Ku,Ka和W波段)雷達海雜波測量試驗[18]、倫敦大學(University College London, UCL)的S波段NetRAD單/雙基地雷達海雜波測量試驗[19—23]等。該部分主要對幾次典型的單、雙基地試驗情況進行梳理和匯總。

2.1 IPIX雷達海雜波測量試驗

該試驗在雷達海上目標探測技術方向廣為熟知，且試驗數據得到了廣泛應用。它由加拿大Mc-Master大學組織實施，測量的數據集由Haykin教授帶領的團隊負責管理和維護，是典型的岸基平臺小擦地角海雜波數據(擦地角均小于1°)。

IPIX數據有兩大集合[7,24]，一是1993年在加拿大新斯科舍省南部城市Dartmouth的測量數據。試驗時雷達從峭壁上俯視大西洋，雷達天線及觀測海域如圖1所示，緯度/經度為44°36.72′N/63°25.41′W，架設高度距平均海平面約30 m，試驗時采用的雷達參數如表1所示。在駐留模式下，數據采樣時長約為130 s。本次試驗公開了14組駐留模式數據，其中4組數據受到截斷效應的嚴重影響(編號分別為18#, 19#, 25#和283#)，因此可用數據共10組，每組包含14個距離單元。此外，另兩組數據分別名為“hi.dat”和“lo.dat”，它們為單個距離單元的數據，分別為典型的高海況和低海況海雜波。

圖1 IPIX雷達天線及觀測海域Fig.1 IPIX radar antenna and observed area

表1 IPIX雷達參數Tab.1 IPIX radar parameters

合作目標是直徑1 m的航天用密封球形救生器，目標表面包裹一層鋁箔，以有效增強其雷達回波信號。隨海浪的運動，該目標在左右漂移的同時上下起伏運動，因此其能量在距離上和多普勒譜上均有所擴展，在主目標單元，平均信雜比(Signal to Clutter Ratio, SCR)約0～6 dB。在試驗的不同時間，目標球放在了不同的位置，分別標識為TargA, TargB和TargC，對應的距離/方位分別為2660 m/128°, 5525 m/130°和2655 m/170°。

IPIX的另一數據集是1998年在加拿大安大略湖畔Grimsby的測量數據，試驗時雷達從岸上俯視安大略湖，緯度/經度為43°12′41.0′N/79°35′54.6′W，平臺高度為20 m。與1993年試驗相比，IPIX雷達的主要升級體現在量化位數上(從8位升級為10位)，以有效降低量化誤差。同時，增加了同一時間段、不同距離分辨率(3～60 m)條件下的海雜波測量試驗，以便于研究分辨率對海雜波特性的影響。試驗采用的合作目標是漂浮小船，目標位置、海浪參數等輔助信息并未在網上公布。

IPIX數據存儲格式為網絡通用數據格式(Net Common Data Format, NetCDF)，在載入原始數據時，共有3種可選的預處理類型，分別是Raw模式、Auto模式和Dartmouth模式。其中，Auto模式執行的預處理包含兩個步驟，一是去掉I/Q通道的均值和標準差，二是去掉相位失衡，預處理后每個距離單元的數據均具有相同的功率水平。在海雜波特性分析與建模、海雜波抑制及目標檢測等領域，IPIX數據得到了廣泛應用。在圖2中，給出了目標單元上典型的時頻域分析結果，其中，圖2(a)為短時傅里葉變換(Short-Time Fourier Transform, STFT)，圖2(b)為平滑偽WVD(Smoothed Pseudo WVD, SPWVD)。可以看出，海雜波短時譜較寬，其能量主要集中在低頻段范圍，而目標的譜線較窄，其能量集中在零頻附近，在時頻2維平面上表現為一條蛇形曲線。此外，海雜波短時譜表現出較為顯著的時變非平穩性，譜寬、中心頻率及譜的功率水平等特征均隨時間起伏變化。

IPIX數據也存在一些局限性，一是數據集僅覆蓋了幾組有限的環境條件、相對幾何位置和雷達參數，且相關的重要輔助信息記錄不夠全面，尤其是1998年數據。另一個限制是沒有測量機動船只等類型目標的回波數據，這也是研究人員在應用IPIX數據時通常需要疊加仿真目標回波的原因之一。

2.2 CSIR海雜波測量試驗

為協助南非軍方遏制走私、偷獵、海盜、非法移民和恐怖主義，自2003年以來，CSIR先后啟動了若干項目，以發展一個持續的、無處不在的監視系統。其中，小船目標檢測項目即為其中之一，其目的是通過開展海上探測試驗獲取實測數據，用于支撐該監視系統關鍵要素和所需功能的研發[8]。作為該項目的重要組成部分，在2006年和2007年，CSIR分別在南非西南海岸線利用試驗雷達開展了兩批次、累計持續時間達19天的海雜波與目標船回波數據測量試驗[25,26]。

圖2 目標單元的時頻域分析結果Fig.2 Time frequency domain analysis results of target bin

2006年試驗采用的試驗雷達為Fynmeet雷達，它是一個便攜式微波測量設備，性能參數在表2中給出。雷達架設在Overberg Test Range (OTB)的3號測量站，經/緯度為20°117.46E/34°3656.52S，架設高度距離平均海平面約67 m。局部風速和風向由兩個間距為1 km的氣象站分別記錄，而波浪參數由定向波浪浮標記錄。為了得到真實的RCS測量值，在試驗時采用直升機下方吊裝標準反射球的形式獲取校準系數，并對試驗系統進行校準，使測量值的標準偏差保持在1 dB左右。

2007年試驗時，采用X波段單脈沖體制試驗雷達，工作頻率為8.8 GHz, PRF可調，雷達架設在Cape鎮的信號山(Signal Hill)測量站，經/緯度為18°23′53.76′E/33°55′15.62′S。局部風速和風向分別在雷達位置、Robben島、開普敦港和Slangkop4處場地測量，局部海浪信息由放置于海底的波浪傳感器和定向波浪浮標測量，同時在Table灣 和Robben島周邊的8處場地進行了數值模擬。試驗系統的校準方法與2006年相同。

表2 Fynmeet雷達系統性能參數Tab.2 Fynmeet system and performance specifications

兩次試驗期間，雷達架設場地周邊環境分別如圖3和圖4所示，場地的地理位置信息和海洋環境參數在表3中進行了匯總。顯然，兩次試驗均屬于小擦地角條件下的測量試驗。

圖3 2006年試驗架設位置(OTB)Fig.3 Location of the deployment site in 2006 (OTB)

圖4 2007年試驗架設位置(信號山)Fig.4 Location of the deployment site in 2007 (Signal Hill)

測量數據涵蓋了多種參數組合，包括不同發射波形、方位角和距離范圍等，每當環境條件發生顯著變化時，就會重復這一組測量，完成一次測量的最短時間約為2 h。試驗期間，采用了多種類型的合作目標船只，部分船只圖片如圖5所示，其中，從左到右依次為5.7 m長的乘浪者號充氣橡皮艇(Waverider Rigid Inflatable Boat, RIB)、機動快艇和蒂莫西漁船。合作目標試驗累計開展9天，覆蓋低海況和高海況，船只的航行軌跡覆蓋了不同的距離范圍和方位角，并由GPS進行同步數據記錄。

表3 地理位置和環境參數匯總Tab.3 Summary of geometry and environment conditions

圖5 合作目標船Fig.5 Cooperative target ships

CSIR試驗共測量了大量海雜波與目標回波數據，以及雷達工作參數、海洋環境參數、GPS數據等輔助數據。CSIR數據集在數據量、數據覆蓋的參數集合和合作目標類型等多方面均可彌補IPIX數據的局限性，同時，CSIR詳細的試驗方案設計和試驗參數記錄也可為同類型試驗的開展提供很好的參考和借鑒。目前，包括CSIR團隊在內，國內外已有很多研究機構利用該數據支撐了相關理論研究工作。例如，比薩大學的M. Greco等人利用該數據研究了非高斯、非平穩海雜波對協方差矩陣估計和自適應CFAR檢測器性能的影響[24](非高斯分布模型的典型擬合結果如圖6所示，數據文件為TFC15_001，可以看出，非高斯模型中K分布和GK分布擬合結果相對更好)；西電陳帥、水鵬朗利用該數據[27]，證實了所提出的過采樣MTD檢測方法在檢測性能上的優勢；海軍航空大學陳小龍、關鍵等人利用該數據分析了海雜波和目標信號的稀疏特性，并驗證了基于短時稀疏時頻分布的目標檢測方法的有效性[28]。

圖6 典型幅度分布擬合結果Fig.6 Typical amplitude distribution fitting results

2.3 DSTO岸基海雜波測量試驗

DSTO在1998年—2013年期間，先后公開發布了15份海雜波方面的技術報告，其中共涉及5次、3個波段(L, S和X波段)的岸基和機載海雜波測量試驗，這些試驗及相關研究成果有效支撐了武器裝備的發展或升級計劃。在文獻[6]中，已經從海雜波特性分析與建模層面對DSTO報告的研究內容進行了簡要梳理匯總，包括均值散射系數、幅度分布特性、時/空相關性、多普勒譜特性等多個方面。本文進一步從測量試驗的角度對DSTO的主要工作進行梳理，其中，本部分主要關注3次岸基試驗，機載試驗情況在下一部分給出。

2.3.1 X波段Ingara雷達海雜波測量試驗

Ingara雷達是由DSTO研制的HH極化、相參體制多功能雷達，其主要功能是作為一個技術演示平臺，調查和演示以SAR為主導的監視系統在應用時所面臨的挑戰，應用場所是北澳大利亞海岸線上人口稀少的地區[9]。

Ingara雷達海雜波測量試驗在1993年11月開展，試驗地點在南澳大利亞Noarlunga港南部，雷達工作頻率為9.375 GHz。雷達架設在海面上方約30 m的懸崖頂上，大多數數據文件的測量時間保持在30 s量級，相鄰測量數據對應的方位角存在15°跳變，方位角覆蓋范圍為210°～345°。采樣率為50 MHz，量化位數為4位。試驗時還記錄了風速/風向、氣溫、海水溫度、相對濕度等輔助數據，而海浪參數(如浪高/浪向、涌浪周期等)未見記錄。

2.3.2 S波段雷達海雜波測量試驗

為支撐澳洲反艦導彈防御系統的升級項目，2006年11月，DSTO在距離Adelaide西南方約110 km的袋鼠島(Kangaroo Island)海域開展了S波段雷達海雜波測量試驗，試驗代號為KI2006[10]。

試驗雷達由DSTO設計和生產，主要采用商業化模塊組裝而成，并安裝在貨車上，雷達天線和各分系統如圖7所示。該雷達為全相參體制，脈寬、PRF、帶寬等參數均可調。在表4中，給出了試驗雷達的主要性能參數。

測量試驗共持續4天，在多種條件下，采集了超過100組有效數據。在試驗時，盡可能滿足以下3種條件：①海況盡可能高；②方位角盡可能多；③風向和風強度變化范圍盡可能多。試驗期間共選擇了4處不同的場地(在圖8中，用紅色方塊標注了其中的3處)，目的在于提供偏離正北方向約100°～200°范圍的方位角。試驗場地海拔高度介于50～90 m之間，其經/緯度、海拔高度、與波浪浮標的距離等信息都做了完整記錄。

圖7 S波段雷達天線及分系統Fig.7 S-band radar antenna and sub-systems

表4 S波段雷達主要性能參數Tab.4 Specifications of the S-band radar system

圖8 袋鼠島的3處試驗場地Fig.8 Locations of three sites on the Kangaroo Island

在每個試驗場地開展試驗時，均采用了一系列類似的配置參數，包括方位角(以5°或10°遞增)、極化(發射水平或垂直極化脈沖、接收兩種極化數據)等。90%以上的發射脈沖都采用了20 μs的脈寬、340 μs的PRF，以及5 MHz或10 MHz帶寬的線性調頻信號。接收機大多采用最大增益，導致采集數據在6 ～8 km距離范圍內經常出現飽和現象。采集時間范圍在1～120 s之間，受存儲空間的限制，大部分為15 s或30 s。除雷達參數外，試驗場地的氣象參數和波浪浮標參數也同步記錄，其中，風速通常介于5 ～10 m/s之間，浪高最高為3.5 m，對應的海況約為3～4級。

2.3.3 L波段XPAR雷達海雜波測量試驗

XPAR是由澳大利亞電子戰微波雷達分部和DSTO雷達分部聯合研制的L波段、16通道、VV極化純接收雷達陣列，以支持反艦導彈防御計劃(代號為SEA1448)。

2008年5月12日—2008年5月17日，在發射機協同配合下開展了首次海雜波測量試驗，試驗地點仍然在袋鼠島附近海域。在表5中，給出了XPAR和發射機的主要性能參數，在圖9中，給出了XPAR雷達外場試驗場景的圖片[11]。為保證測量數據的有效性，在每次試驗時都對接收陣列進行了校準。

試驗期間，記錄了試驗海域的天氣和海面信息。氣象參數由DSTO的便攜式氣象站提供，它放置在雷達附近，同時，也應用了Bureau Of Meteorology(BOM)氣象站(距離試驗場地約35 km)提供的記錄數據。海浪參數由部署在測試海域的定向浮標進行記錄。在表6中，分別給出了兩組典型數據對應的氣象和波浪參數。

表5 XPAR和發射機的主要性能參數Tab.5 Specifications of the XPAR and transmitter

圖9 L波段雷達系統(多通道)Fig.9 L-band radar system (Multi-channel)

表6 記錄的氣象和波浪參數Tab.6 Recorded weather and wave parameters

2.4 NRL海雜波測量試驗

1994年8月—1994年12月，NRL聯合海軍空戰中心(Naval Air Warfare Center, NAWC)的中國湖基地(China Lake, CL)、約翰霍普金斯大學應用物理實驗室(JHU/APL)和TI儀器，在夏威夷考艾島開展了多次海雜波測量試驗，該試驗是先進雷達潛望鏡探測與識別(Advanced Radar Periscope Detection and Discrimination, ARPDD)項目的重要組成部分，試驗時重點關注高PRF和小擦地角條件[12]。

試驗系統是NRL的增強版APS-137雷達，主要雷達參數如表7所示。由于改變極化方式需要調整饋電角，因此每次數據采集都采用單一極化，典型采樣時長介于1200 ～1500 s之間。

測量數據主要由3種主要的特征參數描述，第1種是擦地角。試驗場地之一位于Lihue機場，天線架設高度距離平均海平面約23 m，在VV/HH極化條件下，波門中心與雷達的直線距離分別為5.74 km和6.11 km，對應的擦地角分別為0.23°和0.22°。另一處試驗場地位于Makaha山脊，天線架設高度距離平均海平面約460 m，對應的最小和最大擦地角分別為0.83°和2.63°。第2種描述參數是相對幾何位置，由雷達波束方向和風向決定。總地來看，在Lihue機場，主要以逆風向和側風向為主，高PRF試驗期間，最小和最大的波束指向分別為37°和159°，而最小和最大風向分別為39°和99°(均為相對于正北的方向)。風速范圍為5～12.3 m/s，有效波高范圍為1.5～3.2 m，對應的海況覆蓋范圍為2～5級，其中，3～4級海況較為常見。在較高海況條件下，雷達觀測海域將會明顯出現白浪和波浪破碎現象。第3種描述參數是極化，受試驗系統限制，不能同時采集兩種極化的數據，但在試驗期間，在較短的時間間隔內(約6 h)對近似相同條件下的不同極化數據都進行了采集，以便于對比分析極化的影響。

表7 X波段雷達參數Tab.7 X-band radar parameters

文獻[12]在3種不同的時間/空間尺度上對測量數據進行了詳細分析，統計分析結果表明，海尖峰事件之間存在很大的差異性，且韋布爾分布的擬合效果相對較好，但是單一的海尖峰事件又與韋布爾分布有所偏離，且不同海尖峰之間具有細微的差異。在后續研究中，仍然有待探索對海尖峰數據擬合度較好的統計分布模型。

2.5 西班牙南海岸Ka波段雷達海雜波測量試驗

在西班牙國家科學技術研究委員會的支持下，馬德里理工大學相關研究人員于2006年在西班牙南海岸利用自研的Ka波段線性調頻連續波(Linear Frequency Modulated Continuous Wave, LFMCW)雷達，開展了高分辨率、小擦地角海雜波測量試驗[13]。該雷達架設在海上交通管制塔頂端，高度約為50 m，俯視直布羅陀海峽(如圖10所示)，該架設位置可以監視歐洲海岸線的一個關鍵地點，即歐洲和非洲北海岸的自然邊界。

LFMCW雷達為HH極化、全相參體制，工作頻率在28～30 GHz之間，最大帶寬為2 GHz,PRF最大為3 kHz，波束寬度為3°。雷達系統照片如圖11所示。該雷達具有兩大特色，一是采集量程和采集距離波門可通過調整系統參數進行設置，二是波形參數可現場配置。

在本次試驗中，分別在2種距離波門、3種距離分辨率和2種方位角條件下測量了海雜波數據，雷達天線均工作在駐留模式。試驗周期為3天，根據當地氣象站提供的信息，試驗期間的海況約為3～4級。表8給出了主要的雷達系統參數和試驗參數。需要注意的是，本次試驗記錄的海況等級是根據Beaufort風速等級推斷得到的。通常情況下，只有在已知持續時間(風吹過的時間長度)和風量(風吹過的海面范圍)的情況下，才能根據Beaufort風速等級給出可靠的浪高估計，而試驗記錄信息未描述上述參數，因此，試驗記錄的海況等級并不是嚴格意義上的Douglas海況。

2.6 UCL單/雙基地雷達海雜波測量試驗

該試驗由Hugh Griffiths團隊組織實施，采用的試驗雷達是由UCL研發的S波段多基地雷達系統NetRAD，其主要參數在表9給出，它具有1套發射機和3套接收機，其中，兩套接收機部署在遠離發射機的位置，根據節點配置可開展單基地、多基地海雜波測量試驗。接收機節點采用南非開普頓大學(University of Cape Town, UCT)研發的GPS馴服晶振(GPS Disciplined Oscillators, GPSDO)進行無線同步[19—23]。

圖10 架設位置和觀測方位角Fig.10 Location of the deployment site and azimuth angles

圖11 LFMCW雷達系統Fig.11 LFMCW radar system

表8 LFMCW雷達參數和試驗參數Tab.8 LFMCW radar and experimental parameters

表9 NetRAD系統參數Tab.9 NetRAD system parameters

利用該試驗系統，UCL和UCT科研團隊先后在2010年10月和2011年6月聯合開展了兩次海雜波測量試驗，試驗期間的海洋環境信息均由試驗場地附近的氣象站提供。

2010年試驗時，采用了兩個接收機節點，同時采集了單基地和雙基地條件下的海雜波數據，其中，單基地節點和雙基地節點的接收機架設高度分別為12 m和10 m，通過調整天線波束指向使其在不同雙基地距離上交匯。試驗共測量了5種不同雙基地角條件下的數據，分別是15°, 30°, 60°, 90°和120°，極化方式為同極化(HH和VV極化)和交叉極化(HV極化)，擦地角范圍為0.8°～2.3°。在低海況試驗時，基線長度為416 m，風速約為3.1 m/s，海況約為2級；在高海況時，基線長度為1827 m，風速約為10.18～12.3 m/s，海況約為4～5級[20]。利用該數據，重點對海雜波的均值散射系數、幅度分布和多普勒譜特性進行了分析，并闡明了雙基地雷達系統在抑制海尖峰方面的優勢。

2011年試驗時，參數集合更加多樣化，包括雙基地幾何配置參數、海況、極化等，其中，最顯著的特點在于本次試驗同時采用了3個接收機節點，這就可以同時采集同極化和交叉極化條件下的雙基地海雜波數據，以便于比較不同極化條件下海雜波特性的差異。每次測量時，雙基地角在60°～120°之間，按照5°～15°步進的形式得到7組數據，如此重復3次，共得到了21組測量數據，這就允許對不同雙基地角條件下海雜波特性的差異進行更加精細化的分析。擦地角范圍為0.7°～1.12°。試驗期間，風速約為8～9 m/s，浪高約為2 m，海況約為4級，這些參數在試驗期間基本保持不變[23]。本次試驗數據更加有助于理解海雜波隨多種因素影響而表現出的差異性，以便于設計和應用更加有效的雙基地雷達系統和目標檢測方法，以有效改善海上低可觀測目標(如漁船或潛望鏡等)的檢測性能。

3 機載雷達海雜波測量試驗

在機載條件下，受照射面積差異、平臺運動、平臺高度等多種因素的影響，海雜波特性及模型與岸基固定平臺相比有很大差異，開展試驗、獲取試驗數據的難度也明顯變大，且機載平臺無法以波束駐留模式對同一片海域進行長時間觀測，因此數據時長有限，在處理分析時為保證統計準確性通常需要對不同方位角、不同距離單元的數據聯合處理。公開文獻中記錄的機載雷達海雜波測量試驗同樣有很多，其中，試驗過程記錄較為完整的幾次試驗分別是：美國NRL的機載四頻率(分別為UHF, L,C和X波段)雷達海雜波測量試驗[3,29]、美國山頂計劃和多通道機載雷達測量(Multi-Channel Airborne Radar Measurements, MCARM)計劃[30—32]、加拿大利頓系統有限公司(Litton Systems Canada Limited, LSCL, 現為Northrop Grumman公司的子公司)的X波段雷達海雜波測量試驗[33,34]、DSTO的X波段雷達海雜波測量試驗[35,36]、加拿大國防研究與發展部(Defence Research and Development Canada, DRDC)的X波段寬帶試驗機載雷達(X-band Wideband Experimental Airborne Radar,XWEAR)海雜波測量試驗[37,38]、德國弗勞恩霍夫高頻物理與雷達技術研究所(Fraunhofer Institute for High Frequency Physics and Radar Techniques,FHR)的相控陣多功能成像雷達(Phased-Array Multifunctional Imaging Radar, PAMIR)海雜波測量試驗[39—41]。

3.1 NRL的機載四頻率雷達海雜波測量

在20世紀60年代后期，NRL開展了機載四頻率雷達(4FR雷達)海雜波測量試驗，首次在如此寬的雷達頻率范圍內采集了機載雷達海雜波數據，該數據在歷史上也是獨一無二的。在試驗中，采用UHF波段(428 MHz)、L波段(1228 MHz)、C波段(4455 MHz)和X波段(8910 MHz)雷達，分別在HH/VV極化條件下，對順風、逆風和側風的海雜波進行了測量。雷達系統用標準金屬球做了校準，用測量船只記錄了觀測海域的風速和浪高。試驗數據覆蓋的風速范圍為2.57～25.7 m/s，擦地角為5°～90°[29]。利用該數據，研究人員系統梳理了海雜波與擦地角、頻率、極化和風速/風向等因素的依賴關系，并與Masuko等機載測量結果進行了對比分析。

4FR雷達海雜波測量試驗的詳細試驗過程及參數在技術報告[29]中均有記錄，在《雷達手冊》中，對主要的分析結論和圖表進行了歸納梳理[3]。圖12給出了平均風速(約7.72 m/s)條件下，較為典型的海雜波特性一般趨勢曲線，其中，L, C和X波段數據的功率水平變化不超出± 5 dB。可以看出，交叉極化對海雜波具有明顯的抑制作用；隨擦地角(即入射余角)的增加，海雜波功率水平明顯增大，80°擦地角比10°時高出30 dB以上；在擦地角小于60°時，VV極化海雜波功率水平高于HH極化，最大差異接近8 dB。更多分析結論和趨勢曲線可查閱上述兩篇文獻，這里不再贅述。

圖12 海雜波特性一般趨勢曲線Fig.12 General trend curves of sea clutter property

3.2 美國山頂計劃

20世紀90年代，美國海軍與國防部高級研究計劃署(Defense Advanced Research Projects Agency, DARPA)簽署協議，由DARPA牽頭實施了山頂計劃(MountainTop Program)，以研究下一代機載預警(Airborne Early Warning, AEW)雷達所需的先進信號處理及其它相關技術。1993年前后，先后在新墨西哥州白沙導彈靶場(White Sands Missile Range, WSMR)，以及夏威夷太平洋試驗區(Pacific Missile Range Facility, PMRF)的幾個山頂開展了數據采集試驗，其中，海雜波數據是測量數據集的一部分[30]。

該試驗并非真正意義上的機載海雜波測量，但是卻提供了一個由固定平臺轉機載平臺海雜波的有效途徑，其核心技術是逆相位中心偏置天線(Inverse Displaced Phase Center Array, IDPCA)的應用。利用IDPCA，可以在固定平臺上產生出與機載平臺具有相同時空特性的雜波數據。試驗時收發天線分離，發射天線采用專門設計的IDPCA，用于模仿從飛行平臺上發射波束，它由16個子陣構成等效線陣，線陣軸線與水平面平行，發射信號頻率為450 MHz。工作時每個子陣沿線陣軸線方向交替發射，由此接收到的回波就具備了運動平臺的特征。接收天線由RSTER(Radar Surveillance Technology Experimental Radar)負責，它是一部UHF波段雷達，最初設計為空域搜索雷達，由DARPA在1992年12月份購買以支持山頂計劃，雷達天線由14個等效陣元組成，寬5 m，高10 m, HH極化，每個陣列都有獨立的相位調整器、發射器和接收器，每個相干處理間隔(Coherent Processing Interval,CPI)有16個脈沖。RSTER系統參數如表10所示。RSTER還同時負責接收回波的信號處理。

在1993年早期的試驗中，RSTER部署在WSMR的North Oscura Peak(NOP), NOP位于WSMR的東南角，高出海平面約2438 m，高出沙漠平面約1066 m。該場地可以提供360°的視野，視線方向的地貌特征包括沙漠、無遮擋和樹木茂密的小山、山峰和城郊區域等。

1994年10月開展的試驗中，RSTER部署在PMRF的Makaha山脊上，高出海平面約457 m，并且與Niihau島(一個臨島)以及下方的海域之間在視野上無遮擋。該場地非常適合研究海上AEW雷達的相關問題，包括海面艦艇、掠海飛行的無人機等一系列海上目標的檢測問題。

山頂計劃采集的數據主要用來支持空時自適應處理(Space-Time Adaptive Processing, STAP)的評估和單/多基地散射特性分析和建模研究。采集的部分數據保存在CREST(Common Research Environment for STAP)的主機中，位于Maui高性能計算中心(Maui High Performance Computing Center, MHPCC)，并由Rome實驗室提供數據維護方面的技術支持。CREST數據庫的訪問網址為http://www.crest.mhpcc.edu，在國內，由于IP地址權限問題，暫無法訪問該鏈接。

表10 RSTER系統參數Tab.10 RSTER system parameters

3.3 美國MCARM計劃

1995—1996年，美國空軍研究實驗室(Air Force Research Lab, AFRL)及Northrop Grumman公司合作開展了L波段MCARM計劃。該計劃采用有源孔徑和多中頻接收機采集多通道雜波數據，載機為英國航空航天公司(British Aerospace Corporation,BAC)的1-11飛機。試驗采集的雜波數據除海雜波、陸海交界雜波之外，還包括陸地、城區等典型地物雜波，這些數據為機載雷達信號處理(尤其是STAP技術)研究提供了有力的數據支撐[31,32]。

表11給出了MCARM計劃采用的雷達參數，其PRF可調，其中，單基地試驗時可選參數為0.5 kHz(低PRF)、2 kHz(中PRF)和7 kHz(高PRF)，雙基地試驗時為0.313 kHz和23 kHz，雷達天線包含16列8行共128個單元，正側面天線陣安裝在飛機前部左側的雷達罩內。該雷達共有24路接收通道，其中2路分別接收和波束與方位差波束信號，其余22路接收22個子陣的信號，所有通道數據在試驗時都進行了采集。在1996年試驗時，還驗證了實時實現的STAP處理技術。

表11 MCARM計劃的雷達參數Tab.11 Radar parameters of the MCARM program

3.4 LSCL機載海雜波測量試驗

為支撐機載X波段海用監視雷達的目標檢測算法改進升級計劃，加拿大LSCL在1993年利用APS-504(V)5機載X波段雷達開展了多個飛行架次的機載海雜波測量試驗，記錄了大量高分辨率海雜波數據[33,34]。該雷達主要執行海上巡邏和搜索任務，已成功用于漁業巡邏、海冰和冰山探測、搜索救援、毒品攔截和其它特殊任務。

在文獻[33,34]中，對3個架次的測量試驗做了較為全面的描述，并對高分辨率海雜波的統計特性、時/空相關性(包括距離向和方位向)及其影響因素進行了分析，以支撐脈沖積累和掃描間積累處理方法的研究和優化。每個飛行架次持續約2～3 h，總的數據時長約5.6 h，飛行區域為紐芬蘭島附近的北大西洋上空。由于該區域沒有放置測波設備和氣象浮標，因此波浪信息缺失，風速/風向信息由近岸氣象部門提供，并由機載導航系統計算得到風矢量。3個架次期間的Beaufort風速等級分別為3級、6級和4級，如果是充分發展的海面，對應的海況等級將分別是2級、5級和3級(實際上未被證實)。在所有的飛行中都存在低空的云，因此采集數據中包含了一些云雨雜波，然而，大多數數據在采集時都刻意避開了這些區域。

3個架次的飛行共采集了超過500組有效數據，每組包括約8000個樣本點，量化位數為8位。發射脈寬為32 ns，采樣率為70 MHz，采樣點之間的距離間隔為2.14 m，大多數數據的PRF約為1250 Hz。一個波束內的脈沖數根據雷達工作模式而變化，對于將近70%的數據，脈沖數是15個或更多(最多21個)，其余小于10個。在所有架次的測量試驗中，雷達都沒有開啟靈敏度時間控制(Sensitivity Time Control, STC)功能，且幾乎67%的數據都是在頻率捷變模式下采集的。雜噪比(Clutter to Noise Ratio, CNR)高于10 dB的數據組數占比約30%，最高時可達33 dB。試驗時還專門采集了逆風、側風和順風條件下的數據，占比約為20%。擦地角平均為1.56°，其中，80%為2.1°或更小。表12給出了該試驗的主要參數。

通過上述數據的統計分析，研究人員發現，對數正態分布能擬合所有風向時的海雜波數據，韋布爾和K分布分別更適合側風和逆風的情況。就時間相關性而言，海雜波和海尖峰的平均相關時間分別為8 ms和14 ms(或者更長)，對于功率水平較高且尖銳的海雜波，采用頻率捷變后可以顯著降低脈沖之間的相關性，但是不能完全去除。

表12 LSCL試驗的主要參數Tab.12 Main parameters of the LSCL experiment

3.5 DSTO機載海雜波測量試驗

在1999年、2004年和2006年，DSTO分別開展了3次X波段機載雷達海雜波測量試驗，并在編號為DSTO-TR-1236(2001年發布)[35]、DSTO-TR-1818(2006年發布)[36]的技術報告中和文獻[42,43]詳細記錄了試驗過程和數據分析結果，其中，后兩次試驗采集數據為中等以上擦地角海雜波(試驗代碼為SCT04)，這類數據的特性分析結果在公開文獻中較為罕見。下面重點圍繞試驗情況進行簡要總結。

3.5.1 1999年試驗情況

本次試驗的背景是澳大利亞軍方的P-3C裝備升級計劃(AIR5276計劃)，即，將已有的機載AN/APS-115雷達升級為以色列研制的Elta EL/M 2022A(V)3海上監視雷達，該新型雷達可大幅度提高P-3C的目標檢測和跟蹤性能，并采用高分辨率距離像和SAR成像兩種模式使其兼具目標分類能力。為了對該雷達在澳大利亞周邊海域的工作性能進行系統全面的評估，DSTO啟動了代號為ESRL 38/97的海雜波測量計劃，主要目的是采用與Elta EL/M 2022A(V)3雷達系統反潛作戰模式具有近似參數的雷達系統采集海雜波數據，形成數據庫，并依據數據分析結果選擇合理的海雜波模型，以支撐新雷達的性能預測和評估工作[35]。

該試驗于1999年2月在澳大利亞北部地區的海岸線附近開展，共持續3天，試驗雷達為Ingara機載雷達，VV極化，載機平臺為租用軍方的Beech King Air 350飛機。與1993年的岸基試驗相比，Ingara雷達在性能上有了大幅升級，如采樣頻率和采樣位數分別升級到了100 MHz和8位。試驗期間雷達工作在凝視模式，即天線方位角與載機飛行路徑之間的夾角保持固定(本次試驗固定在90°)。在表13中，對主要的試驗參數進行了匯總，試驗海域沒有放置波浪浮標，所記錄的海洋環境參數是由Savage漁船和飛機觀測結果估計得到的。

本次試驗共飛行8個架次，采集了9組數據，對應不同的飛行軌跡和觀測方位角(如圖13所示)，其目的在于從不同的角度觀察海面的涌浪并記錄不同視角下的海雜波數據，以研究二者的相互依賴關系。載機飛行高度均為182 m左右，每組數據的采集脈沖數都達到90000個以上，可以保證統計分析結果的準確性，脈壓后的距離采樣點均為3297個。試驗數據經預處理后，分別從幅度分布、相關性、多普勒譜等方面進行了較為系統性的統計分析。

3.5.2 2004年和2006年試驗情況

2004年試驗重點關注大擦地角條件下的海雜波特性及建模問題，擦地角范圍為45°～80°，由于散射機理存在差異，因此小擦地角海雜波特性分析結論和模型在該條件下未必適用。

本次試驗的目的是為澳大利亞政府的“空中7000”(Air 7000)多任務海上高空長航時(High-Altitude Long Endurance, HALE)無人機(Unmanned Aerial Vehicle, UAV)采購計劃提供支持，即利用試驗測量得到的海面回波數據，研究大擦地角海雜波和目標特征，從而更好地評估雷達性能，以降低裝備采購決策中的風險[36]。試驗雷達同樣采用Ingara系統，典型試驗參數在表14中給出。

表13 雷達系統參數和海洋環境參數Tab.13 Radar system and environmental parameters

圖13 采集海雜波時的飛行軌跡Fig.13 Flight tracks for collection of sea clutter

表14 典型試驗參數Tab.14 Typical experimental parameters

試驗地點是澳大利亞林肯港(Port Lincoln)以南約100 km處的海域，該位置位于澳大利亞大陸架邊緣。試驗共持續18天，采集了不同海洋參數條件下的海雜波數據。試驗期間的風浪信息由部署在試驗海域附近的波浪浮標、澳大利亞皇家海軍海洋學和氣象學理事會、當地氣象局共同提供。

2006年，在澳大利亞達爾文(Darwin)附近北部的開闊海域開展了第2次機載試驗，試驗實施方案與2004年類似，但是這次的擦地角范圍為29°～38°，屬于中等擦地角條件下的海雜波測量試驗[42,43]。兩次試驗時，Ingara雷達均工作在聚束模式，飛機以逆時針方向繞指定的感興趣點飛行，雷達波束始終指向該點。雷達平臺每天至少圍繞同一海域飛行6個完整的批次，以覆蓋感興趣的中等擦地角范圍。

在隨后發布的多篇技術報告和發表的公開論文中[44—47]，從多個方面對該數據進行了系統性分析，包括幅度分布特性(重點關注的是拖尾建模)、距離/方位向的空間相關性、極化特性、海尖峰特性和多普勒譜特性等，得到了適用于中等以上擦地角海雜波的特性分析結論，建立了統計分布模型、短時多普勒譜模型等理論模型，并給出了典型的模型參數取值。在需要類似參數條件下的海雜波特性規律且尚不具備試驗條件的情況下，可參考借鑒相關研究結論。

3.6 DRDC和FHR機載海雜波測量試驗

在2008年和2009年，加拿大DRDC和德國FHR分別利用XWEAR和PAMIR兩型試驗雷達開展了中等擦地角(7°～28°)條件下的海雜波測量，以便于為HALE和中高空長航時(Middle-Altitude Long Endurance, MALE) UAV平臺的雷達海上目標檢測方法研究提供支撐[37]。

XWEAR主要用于支撐SAR, ISAR, GMTI雷達和海上監視雷達的關鍵技術研究。該雷達采用專為AN/APS-506海上監視雷達設計的數字掃描轉換器，并針對SAR和GMTI控制模式進行了修改，天線伺服和電源也來自AN/APS-506雷達。該試驗雷達的數據采集模式非常靈活，天線轉速、掃描扇區、PRF、距離分辨率等參數均可進行設置[38]。PAMIR是由FHR設計并研制的試驗型機載雷達系統，可為多項技術的研發提供平臺，如SAR, GMTI信號處理技術等，它還可以與AER II系統聯合應用開展機載雙基地SAR成像試驗。該雷達具備多種操作模式，如斜視條帶SAR、聚束SAR、干涉SAR、掃描MTI和ISAR等[39]。

2008年試驗于2008年10月份在加拿大哈利法克斯(Halifax)東海岸開展，雷達系統采用XWEAR，數據采集時雷達工作在聚束模式，波束中心指向固定的地理位置(44°30′N, 63°25′W)。飛機圍繞不同的高度，以100 m/s的速度沿著半徑為15 km的圓形軌跡飛行。試驗輔助數據(如風速/風向、有效波高、波浪周期等)從加拿大漁業和海洋檔案館波浪浮標(編號為44258)中獲取并記錄，典型的有效波高范圍為1.97～2.21 m，對應4級海況。2009年試驗于2009年12月份在德國Helgoland和Wilhelmshaven之間的北海開展，雷達系統采用PAMIR，工作在掃描MTI條帶模式，并以側視方式測量海雜波數據。載機分別沿兩條平行且方向相反的路徑飛行，對應逆風和順風兩種情況。海洋環境參數由測風裝置、波浪浮標和當地氣象部門提供，海況中等，涌浪高度約為0.9～1.5 m。兩次試驗期間的參數在表15中給出。

在圖14中，以瀑布圖的形式給出了XWEAR測量數據在不同擦地角條件下的多普勒譜估計結果，圖14(a)—圖14(c)依次是7°, 15°和28°擦地角，其中，綠線和藍線分別對應順浪和逆浪方向，在相同擦地角和方位角時相鄰曲線之間的時間間隔約為1 s。虛線是平均多普勒譜，實線是8點平滑后的結果，黑色實線是多普勒譜的歸一化協方差。從圖中可明顯看出擦地角和浪向對多普勒譜的影響，主要體現在譜形狀、平滑度、中心頻率等多個方面，在文獻[37]中，結合不同擦地角條件下海雜波形成的物理機理對分析結果進行了詳細解釋。

4 造浪池海雜波測量試驗

除外場岸基或機載試驗外，利用造浪池開展海雜波測量試驗是另一種重要的海雜波數據獲取手段。盡管計算機模擬出的水面環境難以真實還原實際的復雜海洋環境，但是由于可控因素較多、可重復性強，因此便于開展系統性的定量分析，在探索不同波浪類型的后向散射機理及其回波特性、海雜波特性隨不同外界因素的變化趨勢等方面的研究中具有一定的優勢。

表15 兩型機載雷達系統試驗參數Tab.15 Experimental parameters of two airborne radar systems

圖14 不同擦地角條件下的多普勒譜Fig.14 Doppler spectrum at different grazing angles

在造浪池海雜波測量方面，較有代表性的是美國加利福尼亞大學圣塔芭芭拉分校(University of California, Santa Barbara, UCSB)海洋工程實驗室(Ocean Engineering Laboratory, OEL)開展的試驗，又稱UCSB試驗[48—53]。該試驗采用的造浪池長53.3 m，寬4.26 m，深2.13 m，并配有風洞。風洞延伸30.5 m長，其截面為矩形，與造浪池寬度相同，頂端距水平面1.5 m。風洞開口端距離雷達17 m，測試段距離雷達約40 m。風洞產生的風力可控，最大風速可達12 m/s，可產生的風浪波長在0.1～0.75 m之間。造浪設備除風洞外，還可采用計算機控制的機械式波浪發生器，它可以產生出更大尺度的波浪或碎浪，波長介于0.6～4 m之間。在造浪池末端配有升降平臺，可供雷達系統架設安裝，通過控制升降平臺的高度，可以測量不同擦地角條件下的海雜波數據。

利用該造浪池已開展了多次海雜波測量試驗，配套采用的雷達系統包括PCR(Pulse-Chirped Radar)、FMCW雷達和英國的MIDAS(Mobile Instrumented Data Acquisition System)等。PCR是X波段試驗雷達，在8.5～9.6 GHz頻段范圍內，有32個工作頻點，全極化，距離分辨率為13.6 cm。FMCW是C波段試驗雷達，HH/VV雙極化，試驗時雷達工作頻率和帶寬典型值分別為6 GHz和4 GHz，對應的距離分辨率為3.75 cm。與雷達同步的水面實時影像由高速攝像設備獲取。MIDAS雷達為脈沖多普勒體制，帶寬為500 MHz，距離分辨率為30 cm，工作頻率可在3～94 GHz之間設置，HH/VV雙極化。在試驗時，通過調整升降平臺的高度來改變擦地角，共測量了10種不同擦地角條件下的數據，覆蓋3°～24°。FMCW和MIDAS雷達系統的試驗參數在表16中給出。

表16 造浪池試驗雷達系統主要參數Tab.16 Main radar system parameters of wave tank experiment

除UCSB試驗以外，東京大學工業科學學院(Institute of Industrial Science, IIS)在2005年利用其海洋工程造浪池也開展了海雜波測量試驗[48]。該造浪池長50 m，寬10 m，其波浪產生器擁有32個獨立控制的柱塞，可以用來制造多向波，但是在試驗時實際只用了1個。造浪池未配置風洞，只能利用風機在較短的距離內吹向水面使其變得粗糙。雷達架設在靠近風機的區域，照射區域的中心距離風機10 m，距離波浪產生器18 m。在試驗時同時采用1個波線陣列和2個攝像機同步記錄了波浪的高程數據和波浪影像。試驗采用的雷達類型為連續波散射計，散射計安裝在轉臺上，在方位和俯仰方向都可以轉動。IIS雷達系統的主要試驗參數如表16所示。在無風或有風條件下，一共產生了41種不同類型的波浪，包括規則波(Regular waves)、孤子波(Solitons)、聚焦波(Focussing waves)和本杰明型(Benjamin-Fier)破碎波等。該試驗數據有效支撐了海雜波多普勒譜特性及其隨擦地角、方位角之間依賴性的研究。

5 國內開展的海雜波測量試驗

從公開文獻來看，國內眾多研究所、高校等單位在海雜波測量、特性研究與建模、海雜波抑制和目標檢測等方面具有豐厚的技術積累，并且在基礎理論、關鍵技術、工程應用3個方面取得了一大批先進的創新成果，為有效補齊雷達裝備短板、提升海上目標探測性能奠定了堅實的基礎。這些單位包括中國電科第22所、第38所、第14所等研究所，以及西安電子科技大學、電子科技大學、哈爾濱工業大學、哈爾濱工程大學、南京理工大學、北京理工大學、大連海事大學、國防科技大學、空軍預警學院、海軍航空大學等高校。

在研究時除采用國外的IPIX數據和CSIR數據以外，在我國周邊海域開展了多次海雜波測量試驗并測量了典型條件下的海雜波和目標回波數據。幾次典型的試驗和數據應用基本情況如下。

南京電子研究所趙海云等人[54]利用某X波段雷達海雜波測量試驗獲取的數據，分析了海雜波的幅度分布特性、相關性和譜特性，并計算了混沌特征量，驗證了海雜波的可預測性。

空軍預警學院劉志高等人[55]利用某S波段兩坐標雷達開展海雜波測量試驗，分析了海雜波的幅度分布特性。該雷達架設高度為82 m，天線仰角為1.2°，線極化，試驗期間天氣晴朗，風速較低。

哈爾濱工業大學電子工程技術研究所利用自研的高頻地波艦載OTH雷達，在我國黃海海域開展了海雜波和艦船目標回波測量試驗。雷達工作頻率為3～7 MHz，發射功率為1.5 kW，陣元數為10，接收天線陣列口徑為100 m，積累時間為100 s。利用測量數據，提出了艦載雷達海雜波的理論與數學統計模型，并對海雜波相關性做了統計分析[56]。

北京理工大學周超等人利用課題組自研的Ku波段試驗雷達開展了海雜波測量試驗。雷達架設高度約90 m，波束駐留，觀測約4 km外的海面，擦地角約1.3°，信號帶寬為100 MHz，方位/俯仰波束寬度分別為5°/7°，風速約2～3級。利用該數據對海雜波統計特性進行了分析，并提出了一種降低虛警率的工程處理方法[57]。

國防科技大學楊俊嶺等人利用某C波段雷達海雜波測量試驗獲取的數據，對海尖峰統計特性進行了分析和建模，主要試驗參數如表17所示。研究結果表明，二項分布和泊松分布均可以在低虛警概率下較好描述海尖峰的統計特性[58]。

表17 C波段雷達主要試驗參數Tab.17 Main parameters of the C-band radar experiment

西電雷達信號處理重點實驗室于近幾年利用X波段試驗雷達，在連云港海域開展了海雜波和合作目標回波測量試驗。雷達工作頻率為9 GHz, PRF為1 kHz，帶寬為75 MHz，距離分辨率為2 m，方位/俯仰波束寬度分別為2.5°/4°，在每個波束內共發射3個非相參脈沖。雷達架設高度為100 m，觀測海域與雷達的距離介于6.5～9.5 km之間，均為小擦地角情況。合作目標船包括長度為20 m的漁船和長度為5 m的小木船，漁船拖著木船運動，對于2 m分辨率的雷達而言，它們均是距離擴展目標。許述文等人[59]利用該數據，研究了重拖尾海雜波中雷達目標的非相參檢測方法。

除上述試驗外，中國電科第22所電波環境特性及模化技術重點實驗室、海軍航空大學(原海軍航空工程學院)海上目標探測課題組也開展了較為系統性的海雜波測量試驗和相關研究工作，下面分別進行簡要介紹。

5.1 中國電科第22所的海雜波測量試驗

中國電科第22所是國內較早開展海雜波測量試驗的科研單位之一。較早的一次試驗記錄是1998年6月，利用矢量網絡分析儀，在青島近海海域開展了多波段(S, C, X和Ku波段)海雜波測量試驗，并同步測量了海水的介電常數，記錄了海面和環境的實況參數，包括海況、浪向、波高、波周期、風速等，并對測量數據進行了統計分析，包括海雜波的多普勒譜、幅度分布、均值散射系數的變化等[60]。

近年來，隨著試驗條件的不斷完善，22所先后開展了P, L和S波段岸基雷達海雜波測量試驗，在不同分辨率、不同海況等多種條件下獲取了海雜波測量數據，并圍繞均值散射系數、幅度分布特性、時間相關性等內容開展了研究[61—67]。以L波段雷達海雜波測量試驗為例，在文獻[64]中，對本次試驗做了較為詳細的說明。雷達架設于青島市海拔100 m的岸基平臺上，面向方位201°觀測黃海海域，觀測的擦地角范圍為1.5°～6.5°，試驗時同步記錄了有效波高、風速、風向和波向，如圖15所示，可以看出，最大波高為1.6 m，最大風速為11.1 m/s，最高海況達4～5級。基于該數據提出了兩分量高斯模型，在描述海雜波幅度均值散射系數隨風速的變化關系上優于國外已有模型，表明在L波段，新模型更加適合我國黃海海域，可為雷達系統設計和雷達海雜波預測提供技術支撐。

5.2 海軍航空大學的海雜波測量試驗

海軍航空大學海上目標探測課題組從“十五”開始開展海雜波特性、海上目標檢測與跟蹤技術研究，歷經10余年的條件建設和技術積累，在海雜波采集、分析、建模與抑制，海上目標特性分析、建模與特征提取，海上目標檢測、跟蹤與識別，對海雷達探測新機理、新方法，雷達海上目標探測試驗與評估分析等方面取得了一定的成果[68—80]。

圖15 試驗時的海洋環境參數Fig.15 Sea environmental parameters during experiment

課題組利用瀕海的有利條件，建設了海上目標探測實驗室。實驗室位于山東煙臺，緊靠大海，地理位置優越，周邊區域的海面和空中航道密集，水面船只和空中目標眾多。實驗室擁有多型試驗雷達，以及AIS、ADS-B、氣象儀、羅經、GPS、激光測距儀、波浪浮標、多型標準反射體、帆船、橡皮艇等試驗輔助設施，具備長期、系統開展雷達海上目標探測試驗的能力。為配合數據采集需要，課題組研發了多套高速數據采集系統，搭建了數據庫服務器，開發了配套的數據庫管理軟件，制定了雷達數據采集和入庫規范，所記錄的信息包括海雜波數據、目標數據、天氣狀況信息、海面狀況信息、AIS數據、紅外數據等。目前，已采集并入庫管理的雷達海雜波和目標回波數據覆蓋不同平臺、海況(低、中、高海況)、波段、極化、擦地角(最低小于1°，最大可達70°)、目標類型(包括多型海面目標和低空飛行目標)，有效數據量達20 TB以上。

利用實驗室提供的有利條件，課題組近些年在海上目標探測技術方向積累了多項關鍵技術，包括：非高斯、非平穩、非線性條件下的海雜波特性認知新方法，復雜非均勻背景下的CFAR檢測技術，分數階傅里葉域處理技術，分形處理技術，多目標檢測前跟蹤技術，工程應用技術等。目前主攻方向為雷達精細化信號處理和智能化處理方面的理論研究和工程應用轉化工作。

6 海上目標探測試驗中心建設情況

目前，國內很多單位在開展對海探測試驗時，大多以選擇臨時場地為主，存在試驗人員保障難、輔助設施不配套、雷達設備安全保障不到位等問題。因此，迫切需要建設海上目標探測試驗中心，以提供貼近實際的海面環境、保障有力的試驗地點、合適的架設平臺、齊備的試驗輔助設施，以開展多種條件下的試驗并獲取豐富的實測數據。試驗中心建設是開展海上目標及環境特性基礎研究的需要，開展多種手段探測和識別技術研究的需要，開展試驗驗證和工程轉化的需要，也是開展對海探測雷達性能評估研究的需要。

立足于上述需求，充分利用軍民融合政策優勢，采取聯合共建方式，依托煙臺養馬島靠山面海的優越地理環境，按照3個階段規劃在山東煙臺完成試驗中心建設。

(1) 建設試驗中心固定試驗點，形成岸基雷達試驗保障能力。

第1階段目標是以某一地理條件優越的地點建設海上目標探測試驗中心，可開展各類岸基雷達對海和對低空探測的試驗任務。

該階段目標目前已完成，試驗中心位于養馬島某地，該場地座山面海，遠離市區，地理環境優越，面臨海上航道，海上目標類型豐富，且便于雷達設備和試驗人員保障。在養馬島這一固定地點的基礎上，充分發揮芝罘灣海域得天獨厚的地理優勢，以現有試驗條件建設為基礎，新建芝罘島東口試驗場、煙臺山塔頂平臺、東炮臺試驗平臺，以上擴建或新建的為固定式試驗平臺；在崆峒島、養馬島、漁人碼頭建設流動式試驗場地。

(2) 建設試驗中心海上移動試驗點，形成船載雷達試驗保障能力。

第2階段目標是建設試驗中心的船載試驗點，可開展各類船載雷達對海和對空探測的試驗任務，一方面具備穩定可調度的船只，可架設各類型船載雷達并供電，可在較為復雜海況下開展對海對空探測試驗，另一方面具備穩定可調度的配試目標(如海上船只、無人機等)，形成較為完備的船載平臺海上目標探測試驗保障能力。

(3) 建設試驗中心空基試驗點，形成機載與星載雷達試驗保障能力。

第3階段目標是建立試驗中心的機載試驗點，可開展各類機載與星載雷達對海和對空探測的試驗任務。對于小型或微型雷達，可提供無人機載平臺架設雷達，配合完成試驗任務；對于中大型雷達，可協調周邊非軍用飛機(或自行購置小型載人飛機等)及海面上空航線，配合完成試驗任務，形成較強的空基平臺海上目標探測試驗保障能力。

7 試驗展望

海雜波特性研究是一項重要的基礎性研究工作，研究結果直接關乎雷達對海模式下的系統參數如何選擇、海雜波抑制和目標檢測方法如何設計等核心問題，而開展海雜波測量試驗，并獲取不同參數影響下的測量數據，是有效支撐該研究的重要前提。從國內外的試驗情況來看，盡管這項工作已經持續開展了數十年，但是一些基礎問題仍然難以回答，例如已有特性分析結果或模型能否適用于新的海域、新的平臺等，因此海雜波測量試驗仍在繼續并且是雷達研制各環節的重要工作之一。通過對國內外試驗情況的綜合對比，并結合海雜波抑制和目標檢測方法對海雜波特性及模型的需求，總結梳理出后續海雜波測量試驗方面仍需進一步重點關注的方向，主要有以下幾個方面。

(1) 系統性、持續性的海雜波測量試驗仍需進一步開展，并加強試驗輔助信息的同步記錄。

海雜波是多種因素影響下的復雜函數，通過零星開展試驗得到的數據分析結果通常具有很大的局限性，通過仿真手段進行研究更是毫無價值。同時，海雜波理論模型也有很多，僅僅是公開文獻中涉及到的均值散射系數模型、統計分布模型、多普勒譜模型和相關性模型4種類型，總數就不下30種，這些模型怎么選、怎么用，都還沒有得到很好的解決。因此，無論是從理論研究還是工程應用方面的需求考慮，均需有針對性地開展長期、系統、持續、深入的研究，例如不同平臺、不同波段、不同分辨率、不同擦地角、不同海域、不同海況等條件下的海雜波測量試驗及特性研究。通過海量測量數據的分析處理，才能形成有價值的特性分析結論或特性變化趨勢，比如不同雷達參數和海洋環境參數等條件下的海雜波特性變化規律、不同海域和海況條件下適用的海雜波模型及模型參數取值范圍、不同擦地角條件下海雜波特性的定性或定量變化規律、海雜波特征參數(如譜寬、中心頻率、相關時間等)與典型影響因素之間的經驗或半經驗關系模型等。在試驗時，還需采用多種輔助設備同步記錄試驗周邊海域的風速/風向、浪高/浪向等海洋環境參數，以及GPS, AIS, ADS-B等設備提供的海面和空中目標信息。這種系統性、持續性的海雜波測量試驗是開展海雜波特性基礎研究的必經之路，也只有借助試驗數據的不斷積累、不斷完善、不斷總結，才有望在未來數年或數十年時間里取得海雜波特性基礎研究方面的重大突破。

(2) 任務背景牽引的海雜波測量試驗及數據分析仍需強化。

在這方面工作中DSTO開展的試驗較有代表性，例如，岸基S波段雷達海雜波測量試驗是為了支撐澳洲反艦導彈防御系統的升級項目，岸基L波段XPAR雷達海雜波測量試驗是為了支持代號為SEA1448的反艦導彈防御計劃，1999年的機載X波段雷達海雜波測量試驗是為了支持澳軍方的P-3C裝備升級計劃，2004年的機載試驗則是為澳大利亞政府的“空中7000”(Air 7000)多任務海上HALE UAV采購計劃提供支持。

與海雜波基礎特性研究所需開展的試驗不同，這種試驗通常具有明確的任務背景，這就意味著，試驗平臺或試驗雷達系統參數相對固定或者僅在一定的范圍內變動，例如波段、帶寬、分辨率、極化等，而可變因素主要以部分雷達參數、海洋環境參數和相對幾何位置參數為主。盡管該部分國外已做了大量工作，但出于各種原因，通常在文獻中僅對試驗基本情況和少量數據的分析結果進行公開，對國內相關領域的應用而言遠不能滿足需求，且國外數據在雷達系數參數、海域、海洋環境參數等方面與國內的差異性明顯，特性分析結果或參數取值范圍是否適用也具有很大的爭議。因此，有必要結合國內的雷達研制、升級等具體任務背景，采用平臺和系統參數近似的試驗雷達系統深化海雜波測量試驗及數據分析工作，從而為制定雷達系統設計方案、研制目標檢測方法、優化選擇雷達參數等工作提供理論依據和模型基礎。

(3) 面向智能雷達應用的海雜波和目標回波數據集亟需構建。

近年來，深度學習理論在雷達領域得到了廣泛的應用，它是一種高效的智能化信號處理方法，并有望助推雷達進入智能化時代。然而，深度學習方法應用的前提是訓練數據集的支撐，目前，在SAR圖像識別領域已有公開可用的數據集，即MASTER數據，而在海雜波數據方面尚屬空白。在文獻[78]中，對深度學習方法在海上微動目標檢測與分類的應用上做了探索研究，其采用部分IPIX實測海雜波數據疊加仿真目標的形式構建了簡易的且規模較小的數據集，證實了該方法的優越性能。在后續的深化研究中，亟需結合海雜波測量試驗構建開放、共享的數據集，以規范化的形式記錄多樣化(包括多種波段、海況、目標類型等)的原始回波數據及輔助的標記信息，以支撐深度學習方法在海雜波抑制、目標檢測與識別等方面的研究，并最終實現該成果從理論向實用的轉化。