X波段雷達對海探測試驗與數據獲取

劉寧波 董云龍 王國慶 丁 昊 黃 勇 關 鍵 陳小龍 何 友

(海軍航空大學信息融合研究所 煙臺 264001)

1 引言

在復雜的海洋環境中，海用雷達在探測艦船、掠海飛行器、航道浮標、漁船、小型游艇、浮冰等軍用和民用目標時，不可避免地會受到海面散射回波即海雜波的影響。尤其在高分辨率雷達、高海況工作條件下，海雜波中頻繁出現尖峰現象，且整體能量較強，在時域中與目標回波十分相似，而在頻域中又具有較寬的譜寬，易引起虛警，嚴重影響海上目標檢測。因此，貼近實際應用場景，基于實測數據開展海雜波特性研究，并有針對性地研發海雜波抑制和目標檢測技術，提升海用雷達目標探測能力，是一個探索性強且難度很大的瓶頸技術問題，也是當前研究的難點和熱點問題[1–3]。

海雜波特性研究方法主要可歸納為兩類，一類是基于海面幾何模型和電磁散射理論開展海雜波形成機理與散射計算方面的研究，另一類是從試驗實測角度，獲取海面散射回波實測數據，修正現有理論或發展新理論。其中，從試驗角度的研究方法是一種貼近實際環境且被廣泛采用的研究方法，其與從理論計算角度的研究方法相互補充、相互印證。試驗實測數據的特性與雷達設備密切相關，因此，基于試驗實測的研究方法可以將具有一定普適性的理論計算研究結果與特定裝備的特定使用場景結合起來，有針對性地進行優化完善，推進海雜波特性研究成果的實際應用，并可有力地支持MTI/MTD、變換域處理、檢測前跟蹤(Tracking Before Detection,TBD)、恒虛警(Constant False Alarm Rate,CFAR)處理等雜波抑制和目標檢測技術研究[4,5]。這里提及的試驗實測數據，稱為“信息全記錄的海雜波測量數據”，即除了包含海雜波數據、目標回波數據等雷達數據之外，還應包括海洋環境數據(如浪高、浪向、風速、風向、溫度、相對濕度等)、目標實時位置數據(尺寸或RCS、經緯度或距離方位、航速、航向、實時運動狀態、運動軌跡等)、雷達工作參數(如雷達位置、架高、頻段、重頻、距離/方位分辨率)。這些信息應規范詳細記錄并與雷達數據關聯，使得與數據相對應的試驗場景可重演，確保雷達數據具有較高的應用價值。

由公開文獻可知，為支持海用雷達裝備研制和海上目標探測能力提升，國內外進行了豐富多樣的雷達海雜波測量試驗[6]。國外方面，比較典型的有美國海軍研究實驗室的四頻率(P,L,C,X)機載雷達海雜波測量實驗[7]、美國海軍與美國國防部高級研究計劃署的“山頂計劃”[8]、加拿大McMaster大學的X頻段IPIX雷達海雜波測量試驗[9,10]、南非科學和工業研究理事會(Council for Scientific and Industrial Research,CSIR)的X頻段Fynmeet雷達海雜波測量試驗[11,12]、西班牙南海岸Ka頻段雷達海雜波測量試驗[13]、澳大利亞國防科技署(Defense Science and Technology Organization,DSTO)的L頻段多通道海雜波實驗[14–16]等；國內方面，多家雷達相關科研院所也開展了多種條件下海雜波測量試驗[6,17–30]，獲取了不同雷達平臺下大量海雜波數據，并在特性分析建模、多域特征提取等方面開展了大量的研究工作[31–41]。但鑒于軍事及技術保密等原因，大多數雷達海雜波數據集均未公開，僅有加拿大McMaster大學的X波段IPIX雷達海雜波測量試驗數據集、南非CSIR的X頻段Fynmeet雷達海雜波測量試驗數據集可以公開獲取。

IPIX雷達數據集在海上目標探測研究領域被熟知，其由加拿大McMaster大學Haykin教授科研團隊[9,10]，于1993年和1998年，分別在加拿大新斯科舍省南部城市Dartmouth和安大略湖畔Grimsby開展了2次海雜波測量和海上漂浮小目標探測試驗，是典型的岸基平臺小擦地角雷達數據。Fynmeet雷達數據集是CSIR為支持海上小目標監視系統研發，于2006年和2007年，分別在南非西南海岸線利用試驗雷達開展了2次為期19天的海雜波與目標船回波數據測量試驗，該數據集在參數多樣性和參數記錄方面較為完整[11,12]。這兩個公開數據集是針對特定目標和試驗海域的，使用上具有一定的局限性，其可用于雜波抑制與目標檢測方法的性能評估，但對于我國海域及特定目標的檢測性能評估可能不準確。并且鑒于未知原因，目前CSIR數據集在其官方網站上已無法下載。

從海雜波特性和海上目標探測技術研究需求出發，借鑒加拿大McMaster大學的IPIX雷達數據集和南非CSIR的Fynmeet雷達數據集在數據采集和記錄方面的成功經驗，海軍航空大學海上目標探測課題組推出一項“雷達對海探測數據共享計劃”，旨在利用X波段固態全相參雷達分階段分批次開展對海探測試驗，獲取多種條件下雷達實測數據和試驗輔助數據，構建形成可以用于支持海雜波特性認知、海雜波抑制、海上目標檢測跟蹤與分類識別技術研究的數據集，分批次公開共享，為推進我國海用雷達裝備技術進步和探測性能提升貢獻力量。

2 岸基雷達海雜波測試方法

本試驗利用岸基架設的X波段固態全相參雷達，獲取海面的電磁散射回波，測量海面散射系數[42–45]，用于研究海雜波隨分辨率、入射方向和散射方向、海面環境特征等變化的規律，及海雜波的統計特性、頻譜特性等。這里需特別說明的是，雷達觀察對象并非僅針對海面(海雜波)，還包括航道浮標、船只等海面目標，即獲取的雷達實測數據包含兩大類，即純海雜波數據、海雜波+目標回波數據。

測量、記錄被測海面的回波功率，通過定標建立被測海面的雷達散射系數與雷達視頻電壓測量值的對應關系。在實際測量中，利用這種對應關系，就可以由視頻電壓測量值確定被測海面的雷達散射系數，從而使得本試驗數據與其他試驗數據具備可對比性。本試驗中主要采用外定標法，即采用己知雷達散射截面的定標體提供定標電平，定標方法如下[42]。

測出定標體的接收機輸出功率Pr0(或Vr0)，同一狀態下再測出被測海面的接收機輸出功率Pr(或Vr)，則被測海面的散射系數σ0為

其中，σ0為被測海面的雷達散射系數，單位：dBm2/m2;σ表示雷達天線波束照射海面的雷達散射截面積，單位：m2;A表示雷達天線波束照射海面的面積，單位：m2;Pr被測海面的回波功率，單位：W;Pr0表示定標體的回波功率，單位：W;Rr表示被測海面到天線的距離，單位：m;R0表示定標體到天線的距離，單位：m;σ0表示定標體的雷達散射截面積，單位：m2;Vr表示被測海面的回波電壓，單位：V;Vr0定標體的回波電壓，單位：V。

定標精度主要決定于定標體雷達散射截面與海面散射截面的相對大小。定標誤差表達式為

其中，σm表示定標體的被測雷達散射截面，單位：m2;σ0表示定標體的實際雷達散射截面，單位：m2;σb表示被測海面的雷達散射截面，單位：m2。要使誤差限制在±20%以內(相當于±1 dB)，必須控制σb/σ0≤10-2(相當于–20 dB)。

定標過程中，常用作定標體的有矩形平板、角反射器、龍泊透鏡反射器、金屬球等，這些標準體的散射截面積可以通過理論計算得到，詳情請參見文獻[42]，本試驗中擬主要采用金屬球作為定標體，如圖1所示。在海面放置定標體，需使定標體整體高于海面一定高度，不能淹沒于水中，且需根據雷達架設位置和波束中心指向準確計算定標體放置地點，并通過多次測量求均值得到穩定的定標結果。

圖1 不銹鋼球定標體Fig.1 Stainless steel ball calibration body

實際上，對于實測海雜波統計分布特性、相關特性、多普勒譜特性、雜波抑制和目標檢測等研究需求而言，主要關心的是雷達回波的相對幅度。若需研究海面散射系數以及不用波段、不同雷達之間測量情況差異，則雷達必須經過定標。

3 試驗雷達、場地與數據獲取

3.1 試驗雷達介紹

本試驗中所使用的雷達為X波段固態功放監視/導航雷達，主要用于船舶導航和海岸監視等場景，能清晰分辨多種量程下的各種目標，具有高距離分辨率、高可靠性、距離探測盲區小等特點，如圖2所示。雷達采用固態功放組合脈沖發射體制(見圖3)，以提高距離分辨率，減小距離盲區，降低雷達輻射功率，發射時間為40 ns～100 μs，利用接收信號和發射信號的時差計算目標距離，水平面內360°全方位掃描。雷達技術參數如表1所示。

3.2 試驗場地介紹

“雷達對海探測數據共享計劃”所規劃的對海探測試驗是一系列試驗，包含岸基和機載平臺試驗，在1～2年的時間內分期進行。

岸基試驗場地位于山東煙臺沿海區域的海上目標探測試驗場，涉及3處不同海拔高度的試驗地點，具備觀察同一海域的地理條件，且各有特色，相互補充。

試驗點1位于煙臺的養馬島，試驗場地距離海邊的直線距離約50 m，海拔高度約30 m，雷達對海視野范圍約180°，可測得明顯海雜波數據的擦地角范圍約為0.3°～15°，海面目標類型較為豐富，以中小型船只目標居多，具體如圖4所示。

圖2 X波段固態功放監視/導航雷達Fig.2 X band solid-state power amplifier surveillance/navigation radar

圖3 組合脈沖發射的3種模式Fig.3 Three modes of combined pulse emission

試驗點2位于煙臺牟平區一座小山的面海一側，試驗場地距離海邊的直線距離約500 m，海拔高度范圍為60～120 m，雷達對海視野范圍約180°，可測得明顯海雜波數據的擦地角范圍約為0.3°～6°，海面目標主要為近岸活動的小漁船，遠距離處海面目標少，適合開展合作目標試驗，具體如圖5所示。

試驗點3位于煙臺芝罘區的岱王山，試驗場地距離海邊的直線距離約2200 m，海拔高度約400 m，雷達對海視野范圍大于180°，可測得明顯海雜波數據的擦地角范圍約為1.2°～7°，海面目標類型最為豐富，大/中/小型船只眾多，視野最為開闊，具體如圖6所示。

表1 X波段試驗雷達參數Tab.1 X-band experimental radar parameters

圖4 對海探測試驗點1俯瞰圖Fig.4 Aerial view of experimental site 1 for sea detection

機載平臺試驗主要利用可在煙臺空域執飛的4槳葉貝爾407GXi直升機(如圖7所示)掛載試驗型雷達，開展對海上目標探測試驗，直升機飛行高度范圍為500～4000 m，載重可達300 kg，單次飛行時間一般不超過2 h，最大航程675 km，最大巡航速度250 km/h。

圖5 對海探測試驗點2俯瞰圖Fig.5 Aerial view of experimental site 2 for sea detection

圖6 對海探測試驗點3俯瞰圖Fig.6 Aerial view of experimental site 3 for sea detection

圖7 直升機載試驗平臺Fig.7 Helicopter experimental platform

2019年9月至10月期間開展的試驗為第1期試驗，本期試驗主要在緊靠海邊的試驗點1開展試驗，采集不同條件下雷達回波數據，含海雜波數據和海面船只目標回波數據。第2期和第3期試驗將考慮海拔高度較高的試驗點2、試驗點3和機載試驗平臺。由于第1期試驗所使用的雷達是岸基/船載使用的雷達，無法機載平臺安裝，所以第1期試驗不涉及機載試驗，在后續試驗中會涉及。

3.3 雷達數據采集

數據采集使用課題組自研的HD-LD-CJ-10型便攜式雷達采集設備，如圖8所示。該采集設備由一臺2U便攜式加固工控機、采集板卡和上位機軟件組成，采集板可實現14 bit量化，具備105 MSPS的峰值采樣能力和80 MB/S的連續不間斷存儲能力，具有3路TTL電平信號、2收2發RS232信號、4收RS422信號接口，可用于接入試驗輔助設備數據。上位機軟件可實現自定義波門采樣，并可按預先設定文件大小自動分割二進制數據文件，還可通過串行接口、網絡接口記錄AIS、雷達輸出點/航跡等數據。

圖8 HD-LD-CJ-10型便攜式采集設備Fig.8 HD-LD-CJ-10 portable acquisition equipment

采集雷達信號時，根據觸發信號進行波門采樣。采集數據文件命名格式為20191008085830_staring/scanning(y/m/d/h/min/s/天線工作模式)，天線工作模式包括staring(天線凝視某一方位)和scanning(天線圓周掃描)兩種。所采數據的基本格式如圖9所示，每個數據文件均由多個“脈沖組合”的回波數據依次排列組成(不同的雷達工作模式對應不同的脈沖組合，每個脈沖組合包含的發射脈沖數為1～3個)。每個脈沖組合的回波數據均由“數據頭+回波數據”組成，數據頭包含標志位、信息頭長度、數據版本、脈沖重復周期、頻率和計數、采樣頻率、數據來源與觸發方式、方位碼、數據丟失標志、波門開始時間和波門對應采樣深度、UTC時間、雷達位置、雷達正北角、雷達工作模式、數據校驗位等，回波數據長度可通過采集波門大小和采樣深度計算，同時在數據頭中也會明確一個脈沖組合中每個脈沖回波的采樣點數。實測數據更為詳細的說明，請見附錄。

圖9 雷達采集數據格式Fig.9 Format of radar acquisition data

雷達對海探測試驗與數據采集的流程為：雷達架設于預設試驗地點，每次開始試驗前，通過風速/風向/浪高/浪向/天氣現象預報和實時信息初步確定海況等級以及雷達凝視天線指向，雷達開機分別工作于天線駐留模式和圓周掃描模式，啟動數據采集器記錄數據，并同步記錄AIS設備數據，其中駐留模式數據需持續2 min以上，圓周掃描模式數據需持續5 min以上，達到要求后停止采集，填寫數據采集記錄表，記錄試驗過程信息。按此流程重復5次以上，保證每次試驗可獲取不低于10組實測數據，并在現場通過采集器回放分析，檢驗數據有效性。

“雷達對海探測數據共享計劃”第1期公開的數據，采用Matlab中的MAT數據格式，數據頭信息和回波數據均可直接載入以便于使用數據。在后續幾期試驗中，隨著數據類型和數據量的增加，為提高對不同類型雷達數據的兼容性，數據格式將采用國際通用數據格式，如NetCDF,HDF5等，并將配套專門的雷達數據管理與解析軟件，實現對雷達數據的規范化管理。

3.4 試驗輔助數據

雷達海雜波測試，十分重要的一個方面就是海洋環境數據的同步記錄，一方面，形成“信息全記錄的海雜波測量數據”可以在回放雷達數據的同時，重演當時的海洋環境基本信息；另一方面，可以推進海雜波特性、海雜波抑制和目標檢測等技術研究的精細化。由于岸基雷達觀測海域范圍受視距限制，空間尺度范圍相對較小，而同時通過海洋氣象臺站、衛星遙感等途徑，海洋環境數據(如浪高浪向等)一般在較大空間尺度范圍內預報或實時修正，限定到雷達觀察的海域，其對應的海洋環境數據一般需通過建模和再分析等手段給出，因此會有一定的誤差。當然，海洋環境數也可以通過海洋信息浮標來測量，其測量值較為準確，但其只能對雷達觀察海域中的某一點進行測量，難以反映整個觀察海域中其它區域的情況。因此，本試驗中將二者相結合，雷達視野范圍內的海洋環境數據主要通過海洋環境再分析數據給出，同時在雷達觀察區域內分時在某幾點上放置海洋信息浮標，對海洋環境數據進行修正，二者相結合給出較為準確的結果，輔助雷達對海探測試驗。

雷達對海探測試驗主要需記錄風和浪等海洋環境要素信息，風要素的信息主要包括風力等級、風速、風向；浪要素信息主要包括浪高、浪向、波速、浪周期、溫度等，此外，還有試驗期間的天氣現象、溫度、相對濕度等。

風要素數據來源，是以全球氣候預測系統再分析資料(Climate Forecast System Reanalysis,CFSR)為背景場，利用天氣預報模式(Weather Research and Forecasting,WRF)中尺度模式及其3維變分同化(3-Dimensional VARiational,3DVAR)數據同化技術，同化了陸地、海洋及高空的各種常規和非常規氣象觀測資料，實現各種觀測資料與再分析資料的動力融合。在此基礎上，還利用中央氣象臺歷史臺風實況最佳路徑資料，采用弱約束變分方法對動力融合的再分析風場進行調整，進一步提高數據精度。海面風場再分析資料集可覆蓋西北太平洋區域(10°S～50°N,95°E～150°E)，在每次試驗中將根據試驗地點經緯度抽取雷達觀察海域的數據，用于輔助試驗數據分析。風要素數據的空間分辨率為0.1°(經緯度)，時間分辨率不低于1 h，經緯度格點風速誤差在±1.5 m/s以內。

浪要素數據來源，是以全球氣候預測系統再分析資料(CFSR)為驅動場，基于國家海洋環境預報中心優化后的第3代近岸海浪數值模式SWAN及最優插值同化技術，同化衛星高度計沿軌海浪有效波高資料，采用嵌套方法建立海浪再分析系統，形成覆蓋西北太平洋區域(0°～50°N,100°E～160°E)高分辨率的海浪再分析資料集。與風要素數據獲取方法相同，在每次試驗中將根據試驗地點經緯度抽取雷達觀察海域的數據，用于輔助試驗數據分析。浪風要素數據的空間分辨率為0.1°(經緯度)，時間分辨率不低于1 h，經緯度格點浪高誤差在0.3 m以內。示例數據如圖10(a)–圖10(d)所示，其中圖10(a)和圖10(c)中的“BUOY WS/ BUOY SWH”表示通過在海面布設浮標得到的風速/有效波高現場測試數據，“MODEL WS/ MODEL SWH”表示通過經緯度格點數據和數據建模得到的風速/有效波高再分析數據。

在獲取上述數據的基礎上，在試驗實施過程中，還將采用海洋氣象水文信息浮標對特定位置點處風和浪再分析數據進行修正。海洋氣象水文信息浮標可實現對現場波浪潮汐等進行定點實時觀測，具有測量精度高、布放維護簡單等優勢，如圖11所示，測量參數包括浪高、浪周期、浪向、風速、風向、氣溫、氣壓、浮標位置坐標。

雷達對海上目標探測的試驗，除需給出上述海洋環境信息之外，還需要同步獲取海上目標的真實運動軌跡。對于中大型船只，可以通過船舶自動識別系統(Automatic Identification System,AIS)報文數據獲取目標的位置、運動狀態和尺寸信息；對于小型船只，則須開展配合試驗(加裝AIS設備或GPS/北斗定位設備)才能獲取其真實運動軌跡。此外，對于海面非配合的目標(如作業的小型漁船、小型游艇等)，則主要通過雷達顯控終端觀察和人工記錄方式進行粗略標記(記錄位置和時間)，此類目標無法提供準確的位置信息作為真值使用。

4 典型數據展示與分析

圖10 試驗海域氣象水文數據Fig.10 Meteorological and hydrological datas of the experimental sea area

圖11 海洋氣象水文信息浮標Fig.11 Marine meteorological and hydrological information buoy

為說明數據有效性，本節從數據集中抽取一組典型海面測量數據，給出時域、頻域處理結果。數據文件名為20191008085830_staring.mat，2019年10月8日8時58分30秒開始采集。數據采集時，雷達天線凝視海面某一方位，脈沖發射模式為圖3中的模式2，即雷達每個觸發相繼發射2個不同的脈沖，其中第1個脈沖為單載頻信號，發射脈寬40 ns，第2個脈沖為線性調頻(Linear Frequency Modulation,LFM)信號，帶寬25 MHz，脈沖重復頻率(Pulse Repetition Frequency,PRF)為3 kHz，距離向采樣率為60 MHz。本組數據目的是測量海雜波，觀察時海面無合作目標，海面有效波高1.8～2.0 m，查詢海況等級表[1,46]可知，屬4級海況。圖12(a)和圖12(b)分別給出了單載頻脈沖回波數據和LFM脈沖回波數據的時域2維平面圖，該組數據共包含4096個脈沖，數據時長約為1.36 s，第1個脈沖的距離向回波采樣點數為1436，第2個脈沖的距離向回波采樣點數為6678，圖中僅展示了雜波較強區域的數據，并未將所有距離單元的數據全部展示。圖12(c)和圖12(d)給出了圖12(a)和圖12(b)中3個距離單元回波序列的波形圖，可知雜波能量隨距離增加逐步降低。圖12(e)和圖12(f)分別給出了單載頻脈沖回波數據和LFM脈沖回波數據的距離-頻率2維平面圖，圖12(g)和圖12(h)分別給出了多個距離單元的多普勒譜，可以發現多普勒譜中心為正值，表明海浪向雷達視線方向運動，單載頻脈沖回波的距離-頻率2維圖中，某一些采樣點處的雜波多普勒譜幅度很弱，這種現象與海浪起伏有關，并與單載頻脈沖回波數據在數字解調后并未進行距離維匹配濾波也有關，若進行距離維匹配濾波處理，則多普勒譜必然會在距離維上展寬，從而覆蓋所有的距離單元，結果會與LFM脈沖回波的距離-頻率2維圖類似。

圖12 典型測量數據展示結果Fig.12 The results of typical measurements

通過多組數據分析發現，在雷達架高80 m左右，在3～4級海況條件下，雷達發射單載頻脈沖時可以測量得到明顯海雜波的距離不低于3 km，發射LFM脈沖時可以測量得到明顯海雜波的距離不低于8 km。在低海況條件下，這一距離會有所減小，在高海況條件下，這一距離會有所增加。

5 總結

雷達對海上目標探測技術研發需雷達實測數據支持，鑒于軍事及技術保密等原因，大多數雷達海雜波數據集均未公開，前期已公開的雷達對海探測數據目前已難以獲取。針對這一問題，本文提出一項“雷達對海探測數據共享計劃”，旨在利用X波段固態全相參雷達等多型雷達開展對海探測試驗，獲取不同海況等級、分辨率、擦地角條件下目標和海雜波數據，并同步獲取海洋氣象水文數據、目標位置與軌跡的真實數據，實現雷達實測數據的標準化、規范化管理，以此推進數據集的公開共享，為雷達對海探測領域關鍵技術攻關提供數據支持。

附錄

X波段雷達對海探測實測數據的公開共享將依托雷達學報官方網站進行，試驗數據于每次試驗后上傳至“數據/雷達對海探測數據”頁面中(如附圖1所示)，具體網址為http：//radars.ie.ac.cn/news/datasetofradardetectingsea.htm，數據將根據對海探測試驗進度定期更新。

第1期試驗以海雜波數據采集為主，兼顧海面目標(非合作目標)探測數據采集。由于試驗采集數據量較大，不便于列出每一個數據文件，下面按海況等級給出每一類數據的概況，便于研發人員挑選與使用數據。

附圖1 雷達對海探測數據發布地址App.Fig.1 Release address of sea-detecting radar data

附表1 雷達對海探測數據(第1期)概況表App.Tab.1 Summary table of sea-detecting radar data (the first phase)

每組數據的每個脈沖回波均包含數據頭，數據頭包含標志位、信息頭長度、數據版本、脈沖重復周期、頻率和計數、采樣頻率、數據來源與觸發方式、方位碼、數據丟失標志、波門開始時間和波門對應采樣深度、UTC時間、雷達位置、雷達正北角、雷達工作模式、數據校驗位等信息，在載入數據時，數據頭包含的每位數據及對應的含義可一一對應呈現，以便于使用。