基于高頻地波雷達(dá)的艦船目標(biāo)探測系統(tǒng)

裘 苓，周靜海

（江西科技學(xué)院，江西 南昌 330003）

0 引言

作為一種超視距雷達(dá)，高頻地波雷達(dá)可以對海面上的環(huán)境以及移動(dòng)的目標(biāo)進(jìn)行大面積全天候的超視距實(shí)時(shí)監(jiān)控[1]。和其他雷達(dá)相比較，監(jiān)測面積大、成本低是高頻地波雷達(dá)的優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)高頻地波雷達(dá)可以彌補(bǔ)常規(guī)微波雷達(dá)的低空盲區(qū)缺點(diǎn)，能夠及時(shí)地探測到微波雷達(dá)無法探測到的目標(biāo)，實(shí)現(xiàn)海面預(yù)警。高頻地波雷達(dá)還可以彌補(bǔ)超視距雷達(dá)的近區(qū)盲點(diǎn)，無需依靠電離層[2]。隨著高頻地波雷達(dá)市場化技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展，高頻地波雷達(dá)的應(yīng)用也經(jīng)歷了由目標(biāo)探測到環(huán)境監(jiān)控，再到目標(biāo)探測的一個(gè)轉(zhuǎn)變過程，并且經(jīng)過近幾年的研究，國外對高頻地波雷達(dá)的研究已經(jīng)有了長足的進(jìn)步，其技術(shù)仍在飛快地發(fā)展[3]。由于我國在高頻地波雷達(dá)研究方面起步比較晚，因此在高頻地波雷達(dá)的技術(shù)上和國外相比存在一定的差距。

1 高頻地波雷達(dá)技術(shù)

1.1 高頻地波雷達(dá)探測機(jī)理

和傳統(tǒng)的微波雷達(dá)相比，高頻地波雷達(dá)的工作機(jī)制決定了外部的噪聲和干擾是其最主要的干擾源，并且會(huì)隨著高頻地波雷達(dá)探測的外部環(huán)境不同而變化[4]。高頻地波雷達(dá)受到的外部噪聲和干擾中既包含了海雜波、電離層等無源干擾，也包含了環(huán)境以及射頻等有源干擾，此外還會(huì)受到流星余跡和雷電共同構(gòu)成的沖擊干擾。

海雜波是由高頻地波雷達(dá)的發(fā)射信號和海浪發(fā)生諧振而產(chǎn)生的一種回波。在多普勒譜上，一階連續(xù)譜和高階譜共同構(gòu)成了高頻地波雷達(dá)的海雜波。其中一階布拉格峰和雷達(dá)發(fā)射頻率之間的關(guān)系，可以表示為：

因?yàn)楦哳l地波雷達(dá)的一般工作在長波段，這導(dǎo)致高頻地波雷達(dá)的天線尺寸比較大，為了降低陣地面積，因此通常使用均勻線陣，但是這會(huì)導(dǎo)致部分能量會(huì)向上發(fā)送到天空中，然后經(jīng)過電離層的反射，最終反饋給高頻地波雷達(dá)的接收機(jī)，產(chǎn)生電離層干擾。高頻地波雷達(dá)的電磁波發(fā)射到電離層上的折射指數(shù)可以表示為：

式中，fp為入射頻率。目標(biāo)測量的最大距離是高頻地波雷達(dá)最重要的性能，高頻地波雷達(dá)方程則可以反映這個(gè)問題，公式為：

式中：Sr為功率密度；Ar為有效面積。

結(jié)合高頻地波雷達(dá)的系統(tǒng)損耗Ls、雷達(dá)信號的占空比γ以及發(fā)射功率Pt，則回波功率的計(jì)算公式為：

1.2 高頻地波雷達(dá)目標(biāo)探測區(qū)域估計(jì)

垂直化的電磁波通常被高頻地波雷達(dá)用來進(jìn)行遠(yuǎn)程目標(biāo)探測，地球表面上垂直極化的電偶極子所產(chǎn)生的空間磁場強(qiáng)度公式為：

式中：k為空間波數(shù)，k=2π/λ；n為折射指數(shù)；R為空間點(diǎn)處的距離；Ur為矢量位。

通過式(8)可以實(shí)現(xiàn)光滑球體表面的高頻地波雷達(dá)的距離計(jì)算，但是高頻地波雷達(dá)的實(shí)際工作環(huán)境中，會(huì)存在海風(fēng)以及海浪等因素的影響，因此如果直接使用式(8)進(jìn)行解算，會(huì)帶來很大的誤差。引入海面粗糙度修正式(8)，使其更符合實(shí)際情況。海面風(fēng)浪高度可以使用二維傅里葉級數(shù)來表示，如下式：

式中：L為海浪區(qū)域的邊長；H(m,n) 為傅里葉系數(shù)。作為海浪的主要影響因素，風(fēng)力可以將海浪分成飽和海浪以及涌浪2 種，由于高頻地波雷達(dá)在探測目標(biāo)過程中需要一定時(shí)間的積累，因此海面粗糙程度在海風(fēng)的作用下能夠達(dá)到最大，通過解算，則可以獲得不同海風(fēng)下的海面平均高度，最終計(jì)算出地波雷達(dá)傳播的電磁強(qiáng)度值。地波衰減隨距離的變化曲線如圖1 所示，可以看出，隨著距離的增大，衰減越嚴(yán)重。

圖1 地波衰減隨距離的變化曲線Fig.1 Curve of ground wave attenuation with distance

2 船舶目標(biāo)探測算法

高頻地波雷達(dá)收到的回波信號中既包含了目標(biāo)船舶的信息，也包含了海雜波、電離層雜波等干擾信號。由于海雜波在R-D 譜圖中沿著距離方向上延伸，因此采用基于距離向的曲線擬合算法可以極大地避開海雜波對船舶目標(biāo)探測的影響[5]。隨著距離的不斷變大，高頻地波雷達(dá)收到的回波信號的強(qiáng)度先強(qiáng)后弱，并且在電離層達(dá)到最大強(qiáng)度[6]。由于在距離向上的高頻地波雷達(dá)信號的形式比較簡單，因此使用二次曲線擬合即可，高頻地波雷達(dá)信號在距離向上的擬合曲線函數(shù)為：

式中：系數(shù)a，b，c需要根據(jù)實(shí)際測量的數(shù)據(jù)得到。使用原始數(shù)值減去擬合數(shù)據(jù)獲得處理結(jié)果，如下式：

式中：g(x)為多普勒單元數(shù)據(jù)；f(x)為擬合后的數(shù)據(jù)，相減的結(jié)果如果大于0 則為目標(biāo)，如果小于0 則為雜波干擾信號。

在測試得到的高頻地波雷達(dá)回波信號中，電離層的雜波是基于多普勒方向上分布的，并且電離層雜波在距離上存在一定的擴(kuò)展[7]。在多普勒方向上繪制出某個(gè)距離單元格數(shù)據(jù)的幅值變化情況，則可以看出船舶目標(biāo)信號位于海雜波和地雜波之間。考慮到高頻地波雷達(dá)信號中存在大量的海雜波以及地雜波，這導(dǎo)致多普勒譜的結(jié)構(gòu)相對比較復(fù)雜，因此功率譜的擬合曲線需要使用三次函數(shù)才行，公式為：

根據(jù)不同的測試環(huán)境，式(13)中的系數(shù)a、b、c、d取值也會(huì)出現(xiàn)相應(yīng)的變化。本文選取多普勒向中第1 059 個(gè)單元，并對這一單元數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合，最終獲得擬合曲線，如圖2 所示。可以看出，距離向上的最大的幅值在60 km 左右。多普勒向曲線擬合結(jié)果如圖3 所示，可以看出，多普勒向上擬合曲線近似于一條直線。

圖2 距離向曲線擬合Fig.2 Distance curve fitting

圖3 多普勒向曲線擬合Fig.3 Doppler curve fitting

作為高頻地波雷達(dá)信號的經(jīng)典處理方法，恒虛警率技術(shù)可以為高頻地波雷達(dá)的信號檢測提供閾值。恒虛警算法以船舶目標(biāo)探測為目的，將高頻地波雷達(dá)的回波信號分割成噪聲和目標(biāo)兩類，可以表示為：

式中：s(t)為船舶目標(biāo)信號；n(t)為噪聲信號。探測概率和虛警率的計(jì)算方法如下：

由于高頻地波雷達(dá)需要進(jìn)行雜波功率估算，因此需要構(gòu)建雜波幅度的估算模型，高頻地波雷達(dá)信號的多普勒向功率幅度的概率密度函數(shù)可以用式(17)來表示。多普勒向噪聲功率曲線如圖4 所示，可以看出，最小幅度為150 dB。

圖4 多普勒向噪聲功率曲線Fig.4 Doppler noise power curve

3 船舶目標(biāo)識別系統(tǒng)

高頻地波雷達(dá)目標(biāo)識別系統(tǒng)主要包含發(fā)射和接收2 個(gè)獨(dú)立的基站。發(fā)射機(jī)以及發(fā)射天線構(gòu)成了高頻地波雷達(dá)的發(fā)射站，接收機(jī)、中央主機(jī)以及信號處理機(jī)組成了高頻地波雷達(dá)的接收站。高頻地波雷達(dá)的系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖5 所示。

圖5 基于高頻地波雷達(dá)的船舶目標(biāo)識別系統(tǒng)Fig.5 Ship target recognition system based on high frequency ground wave radar

以數(shù)字波束和脈沖壓縮為基礎(chǔ)，構(gòu)建包括雜波抑制、恒虛警檢測等功能的高頻地波雷達(dá)船舶目標(biāo)識別系統(tǒng)。高頻地波雷達(dá)目標(biāo)識別系統(tǒng)經(jīng)過對雷達(dá)信號回波的解調(diào)、抽取以及FFT 變換之后，可以得到每個(gè)通道中的距離譜信息，即高頻地波雷達(dá)的基數(shù)據(jù)。為了降低解算難度，積累脈沖個(gè)數(shù)采用2 的整數(shù)倍，高頻地波雷達(dá)的船舶探測參數(shù)如表1 所示。

表1 高頻地波雷達(dá)的船舶探測參數(shù)Tab.1 Ship detection parameters of high-frequency ground wave radar

通過脈沖壓縮的方法可以獲得距離維度信息，具體操作為：將通道維以及慢時(shí)間維固定住，然后對所有的通道維和慢時(shí)間維進(jìn)行脈沖壓縮處理，則可以得到距離譜，如圖6 所示。可以看出，幅值變化范圍為-12～2 dB。以脈沖壓縮為基礎(chǔ)，進(jìn)行數(shù)字波束處理，則可以得到方位維信息。具體操作為，將快時(shí)間和慢時(shí)間維固定住，然后對通道維執(zhí)行數(shù)字波束處理，則可以獲得方位譜信息，如圖7 所示。可以看出，幅值最低值為-13 dB。

圖6 距離譜Fig.6 distance spectrum

圖7 方位譜Fig.7 Azimuth spectrum

4 結(jié)語

作為超視距雷達(dá)的一種，高頻地波雷達(dá)被廣泛的應(yīng)用于民用和軍事領(lǐng)域。在軍事方面主要用在遠(yuǎn)距離目標(biāo)監(jiān)控以及預(yù)警，能夠在強(qiáng)干擾環(huán)境下對高速運(yùn)行的目標(biāo)進(jìn)行探測。由于高頻地波雷達(dá)工作在高頻段，因此對隱身目標(biāo)也存在探測能力。在民用領(lǐng)域，高頻地波雷達(dá)主要用于海面上的洋流、海風(fēng)以及海浪等參數(shù)的監(jiān)測，同時(shí)可以提供海洋的氣象預(yù)警報(bào)告。高頻地波雷達(dá)憑借其在海面上饒射衰減比較小的特點(diǎn)，可以用來對海面上的船舶目標(biāo)進(jìn)行大面積、遠(yuǎn)距離、全天候的監(jiān)控，并且高頻地波雷達(dá)的性價(jià)比高。因此只需要比較低的成本，即可實(shí)現(xiàn)對海面上船舶目標(biāo)的宏觀監(jiān)測。