高頻地波雷達發(fā)展動向與分析＊

(海軍駐中南地區(qū)光電系統(tǒng)軍事代表室 武漢 430074)

1 引言

高頻地波雷達利用短波(3～30MHz)在導(dǎo)電海洋表面繞射傳播衰減小的特點,采用垂直極化天線輻射電波,能超視距探測海平面視線以下出現(xiàn)的艦船、飛機、冰山和導(dǎo)彈等運動目標(如圖1所示)。同時,高頻地波雷達利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機制,可以從雷達回波中提取風(fēng)場、浪場、流場等海況信息,實現(xiàn)對海洋環(huán)境的監(jiān)測。其具有：1)超視距。利用短波在導(dǎo)電海洋表面繞射傳播衰減小的特點,發(fā)射天線向海面發(fā)射高頻的無線電波,無線電波貼著導(dǎo)電的海水表面?zhèn)鞑タ梢缘竭_海平面視線以下。如果海面上海浪的波長正好是無線電波波長一半,那么這種海浪可以將無線電波很好地散射回來,利用目標反射沿海面?zhèn)鞑セ貋淼碾姴◤亩治龈鞣N信息;2)時效性高。作為一種遠程預(yù)警探測設(shè)備,雖然方位分辨率和距離分辨率較微波雷達差,但超視距探測能夠提供較長的預(yù)警時間。同時也可以通過軟件分析連續(xù)某段時間(可達20s～20min)內(nèi)采集的數(shù)據(jù),從而實時得到海面一定范圍內(nèi)面元上動力學(xué)參量的時間平均和空間平均。3)大范圍。地波雷達探測覆蓋面積可近似認為在以最遠探測距離為半徑,探測覆蓋張角所構(gòu)成的扇型區(qū)域內(nèi),通常為幾十到幾萬平方公里;4)全天候。受氣候環(huán)境影響比較小,特別是在臺風(fēng)期間仍可以工作;5)可靠性高。全數(shù)字化模塊設(shè)計,使系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性顯著增強,更支持無人值守工作,可大大降低使用維修成本。本文就高頻地波雷達的發(fā)展動向、發(fā)展分析等,作進一步的研究和探討。

圖1 高頻地波超視距雷達的工作原理

2 發(fā)展動向

1)加拿大設(shè)置在紐芬蘭島的HF-GWR以及公布的SWR-503雷達。由加拿大北方雷達系統(tǒng)有限公司在紐芬蘭島的Race角建造的HF-GWR系統(tǒng)原型,它是紐芬蘭紀念大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院與海洋資源工程中心的研究人員在經(jīng)過10年的研究以后,又用了26個月、耗資290萬加元建造的。雷達可覆蓋120°扇角內(nèi),20～400km范圍,以探測和跟蹤海面低速移動目標為主,也可以提供海況信息。HF-GWR是一個龐大而昂貴的系統(tǒng),建造在1.5km狹長的海岸上,發(fā)射天線為架設(shè)在高40m鐵塔上的對數(shù)周期天線,接收天線為40單元陣長880m的“風(fēng)箏”形線天線,陣元高7m,間距22m,發(fā)射功率16kw,用了10臺全數(shù)字接收機和12塊DSP,配備VAX小型計算機來控制雷達所有功能和數(shù)據(jù)處理,采用了線性調(diào)頻中斷連續(xù)波(FMICW)、基于參數(shù)譜估計方法的海流提取和海雜波中硬目標檢測。HF-GWR主要用在海岸警戒、漁業(yè)管理、海上交通管制、緝毒、打擊走私、冰情探測、國防以及對預(yù)測失靈船舶漂浮和監(jiān)測污染物的擴散[1]。

據(jù)雷聲網(wǎng)站2008年12月11日報道,雷聲公司獲得一項1600萬美元的VSE公司BAV分部的轉(zhuǎn)包合同,向羅馬尼亞提供兩臺高頻地波雷達(HFSWR)系統(tǒng)。雷聲加拿大公司 HFSWR系統(tǒng)為羅馬尼亞在黑海的海洋主權(quán)提供連續(xù)、全天候的保護。系統(tǒng)在國家200海里(370公里)專屬經(jīng)濟區(qū)范圍內(nèi)探測并監(jiān)控任何船只的活動。雷聲加拿大公司和加拿大國防研究與發(fā)展局(DRDC)合作開發(fā)了這項技術(shù),幫助其他國家加強海岸線安全,HFSWR將在雷聲加拿大公司滑鐵盧工程生產(chǎn)。

2)德國WERA地波雷達。由德國漢堡大學(xué)的物理海洋研究所開發(fā),德國Helzel公司制造,2000年10月WERA雷達的首次實驗在西班牙西海岸獲得成功,至今已經(jīng)向德國、美國、澳大利亞、英國、法國、意大利、葡萄牙、智利等國提供了30余個雷達站。僅2006年就安裝了16個雷達站。WERA地波雷達也是安裝于海邊的岸基型雷達,其接收陣列天線長約400m,最大發(fā)射功率50W,最遠探測距離可達200km,主要用于遠距離、大范圍表面海流、波浪和風(fēng)的監(jiān)測。整套系統(tǒng)包括兩個雷達場地,相距15到40km。單個的雷達場地僅能提供徑向的數(shù)據(jù),即海流相對于雷達站點的分量,為了得到真正的矢量圖譜,需要2個雷達場地的資料進行合成疊加。每個場地均有發(fā)射站和接收站,發(fā)射站由4根天線組成矩陣,接收站有2種：4根天線組成的矩陣僅能監(jiān)測海流;8到16跟天線組成的單排陣列可以監(jiān)測海流、波浪和風(fēng)向。系統(tǒng)采用寬頻調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)(FMCW),得到最佳的性噪比、高瞬時分辨率以及高質(zhì)量的海洋信息。構(gòu)造靈活,中遠程型與近距離型之間的轉(zhuǎn)換僅需更換一個小插件。而且天線陣列前海域沒有盲區(qū),每個發(fā)射天線功率為7w,對人安全,可安裝在公眾場合,對其他無線電設(shè)施不產(chǎn)生干擾。WERA雷達的時間分辨率為10分鐘(通過軟件可調(diào)控從20s到20min,一般10min),加上監(jiān)測范圍廣(10～200km),很高的空間分辨率(最小250m),使得德國WERA雷達成為海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境觀測預(yù)報系統(tǒng)(特別是海洋災(zāi)害應(yīng)急管理)的有效工具[2]。

3)高頻地波超視距雷達進行組網(wǎng)。用高頻地波超視距雷達進行組網(wǎng)在國際上已成為現(xiàn)實,在美國和歐洲的多個海洋環(huán)境監(jiān)測計劃中實施。圖2是美國加州政府于2004年批準建設(shè)實施的沿海高頻地波超視距雷達網(wǎng)絡(luò)工程示意圖,該工程一共包括57部近程和遠程高頻地波超視距雷達,雷達照射覆蓋區(qū)相互重疊,涵蓋美國西海岸數(shù)千公里的海岸區(qū)域,同時保證主要區(qū)域處在不少于4部雷達的監(jiān)測之中。該工程是正在規(guī)劃中更為宏大的全美海岸高頻地波超視距雷達監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(圖3)的一部分。高頻地波雷達組網(wǎng)的系統(tǒng)總體技術(shù),包括體系結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)方案、工作體制及主要技術(shù)指標分配等。通過理論分析與仿真建模,優(yōu)化高頻地波雷達組網(wǎng)方案,保證組網(wǎng)探測的靈活性、適用性和抗打擊能力。地波雷達組網(wǎng)的系統(tǒng)實現(xiàn)技術(shù),包括網(wǎng)內(nèi)各雷達站的同步和校正技術(shù)、網(wǎng)內(nèi)電磁兼容技術(shù)、信息最佳傳遞技術(shù)等。將區(qū)域內(nèi)多部地波雷達構(gòu)建成一個虛擬大雷達,動態(tài)組合并優(yōu)化配置區(qū)域內(nèi)的各種雷達資源,發(fā)揮組網(wǎng)系統(tǒng)的最佳性能。

4)近日OSMAR071型高頻地波雷達在國家海洋局海洋儀器設(shè)備招標采購中一舉中標成功。OSMAR071型高頻地波雷達可精確測量覆蓋海域的海流流速與流向、浪高和浪周期、海面風(fēng)向和風(fēng)速等海洋動力學(xué)參數(shù)(具體性能指標表1所示)。是在引進武漢大學(xué)OSMAR系列技術(shù)基礎(chǔ)之上,利用空間譜估計技術(shù)MUSIC算法、數(shù)字波束形成技術(shù)(DBF),采用全數(shù)字化設(shè)計的調(diào)頻中斷連續(xù)波(FMICW)體制的高頻地波相干脈沖多普勒雷達。與傳統(tǒng)的海洋測量儀器相比,它能實時、大面積地獲取近90000km2的流、浪、風(fēng)相關(guān)參數(shù),對海洋軍事活動、海洋災(zāi)害預(yù)報、海洋科研、海洋工程、海港碼頭管理、海上救生有著重要的現(xiàn)實作用與意義。與同類產(chǎn)品相比,具有回波信號強、二階譜豐富、信噪比高、覆蓋面積廣、環(huán)境適應(yīng)性好的優(yōu)點,其性能已達到國際先進水平[3]。

表1 OSMAR071型標準陣列式高頻地波雷達總體性能指標

3 發(fā)展分析

高頻地波雷達的發(fā)展趨勢：一是發(fā)展更精確的風(fēng)浪參數(shù)反演理論和技術(shù);二是天線小型化;三是雷達組網(wǎng)技術(shù);四是雷達數(shù)據(jù)標準化、規(guī)范化。

1)發(fā)展更精確的風(fēng)、浪參數(shù)反演理論和技術(shù)。雖然地波雷達在探測風(fēng)、浪方面已取得突破,但距離業(yè)務(wù)化運行的應(yīng)用要求還有一定的距離。而地波雷達風(fēng)、浪反演的主要困難在于提取海浪和風(fēng)場參數(shù)所依據(jù)的回波信號容易受噪聲和干擾的影響。通過雷達實時選頻系統(tǒng)選擇干凈頻率、應(yīng)用噪聲抑制和抗干擾技術(shù)可以在一定程度上緩解這一問題。采用多頻率雷達也是解決該問題的一種嘗試,但多頻率雷達系統(tǒng)復(fù)雜,覆蓋距離受最高工作頻率的限制,應(yīng)用上面臨更多的實際因素的制約。另一方面,反演風(fēng)、浪參數(shù)在理論上是一個非線性積分方程的反演問題,目前只能通過對方程進行線性化近似和離散化處理才能求解,這一過程加上噪聲和干擾的影響,限制了風(fēng)、浪探測精度。因此在風(fēng)、浪反演理論、機制和技術(shù)方面還需要進行更深入的探索研究。

2)天線小型化、機動化。由于軍用地波雷達的站址必須選擇在沿海岸平坦地段,再加上占地面積較大,使雷達的陣地完全暴露。因而,容易被敵方利用各種手段偵察定位,從而使用各種精確制導(dǎo)武器進行攻擊。為了提高地波雷達的抗毀性,可以考慮天線的小型化、機動化設(shè)計,但需要進行超方向天線技術(shù)、超分辨算法研究。1998年美國的Codar Ocean Sensors有限公司研制了一種緊湊型的高頻雷達天線,利用了超方向性天線技術(shù),天線陣面做的很小,長度僅有30m,而其方向性系數(shù)指標接近于陣長為1.2km的等幅加權(quán)普通陣列天線。高頻地波超視距雷達天線的小型化、機動化不僅能夠提高地波雷達的抗毀性,而且具有極大的經(jīng)濟性,并且為艦載地波超視距雷達的天線設(shè)計打牢基礎(chǔ)[4]。

3)雷達組網(wǎng)技術(shù)。雷達組網(wǎng)是指通過對多部不同體制、不同頻段、不同模式、不同極化方式的雷達適當布站,借助通信手段鏈接成網(wǎng),并由中心站統(tǒng)一調(diào)配而形成一個有機整體。網(wǎng)內(nèi)各雷達的信息(原始信號、點跡、航跡、海況等)匯集至中心站綜合處理,形成雷達網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的情報信息,并按照實際情況(如戰(zhàn)場態(tài)勢、自然災(zāi)害等)的變化自適應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)內(nèi)各雷達的工作狀態(tài),發(fā)揮各個雷達的優(yōu)勢。雷達組網(wǎng)的一般意義為：(1)實現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的情報資源共享,完成對每個雷達站的實時指揮控制,增加了實際運行的可靠性;(2)對目標探測而言可充分利用隱身目標的側(cè)向、上、下反射的隱身缺口(其雷達反射截面隨視角的變化可達20～30dB),因此可用來探測低空飛行目標及其它隱身目標,實現(xiàn)反隱身的目的;(3)組網(wǎng)后的雷達系統(tǒng)具有較大的作用范圍,工作方式靈活,抗干擾性能強,加上雷達之間空間位置的分離,不同頻段雷達組網(wǎng)可實現(xiàn)頻率互補,在完成邊海防任務(wù)上具有很大的優(yōu)勢;(4)雷達組網(wǎng)后,可以獲得更高精度的雷達數(shù)據(jù)及時域、頻域、空域的各種信息,為首長的決策指揮提供有效手段;(5)雷達組網(wǎng)后,使各自相互獨立的雷達通過組網(wǎng)而使其整個系統(tǒng)構(gòu)成一有機整體,從而使網(wǎng)內(nèi)雷達工作方式靈活多變。雷達組網(wǎng)可基于MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output,即多輸入多輸出)概念,針對單基雷達、雙/多基雷達、固定式雷達、機動式雷達混合組網(wǎng)方案開展研究。通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢和機動優(yōu)勢充分彌補單部雷達在探測性能上的不足,同時也提高了整個系統(tǒng)的生存能力。

4)雷達數(shù)據(jù)標準化、規(guī)范化。海態(tài)探測用高頻地波雷達輸出的是時間上連續(xù)的大面積流場、風(fēng)場和浪場的分布,時間分辨率一般為十分鐘到一個小時,所提供的信息在時間、空間和采樣方式所對應(yīng)的物理含義上與其它測量方式(如浮標、船測、航空測量以及衛(wèi)星遙感等)存在很大的不同。目前其它測量手段的數(shù)據(jù)經(jīng)過多年的應(yīng)用,都有明確的使用規(guī)范和應(yīng)用標準,而地波雷達這一方面的工作還處于研究探索之中,國內(nèi)外海洋學(xué)家在地波雷達數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及將雷達數(shù)據(jù)與海洋動力學(xué)模型進行同化方面已積累了一定的經(jīng)驗,但距離制訂明確的應(yīng)用規(guī)范還存在較大距離[5]。

4 結(jié)語

高頻地波雷達作為一種超視距、大范圍、全天候警戒探測系統(tǒng),在海洋環(huán)境和超視距目標探測中有著重要的應(yīng)用前景。相信隨著抗干擾技術(shù)的發(fā)展、理論算法的突破以及工程化實現(xiàn),地波雷達將在海洋領(lǐng)域里發(fā)揮著不可替代的作用。

[1]楊子杰,吳世才,等.高頻地波雷達總體方案及工程實施中的幾個主要問題[J].武漢大學(xué)學(xué)報,2001,47(5)：513～518

[2]Klaus-Werner Gurgel,Heinz-Hennann Essen,Thomas Schlick.HF Surface Wave Radar for Oceanoraphy—A Review of Activities in Germany[J].Radar,2003：700～705

[3]OSM AR071系列高頻地波雷達[EB/OL].http：//whuhf.w2221.vhostgo.com/News-View.asp?NewsID=8,2009

[4]毛滔,夏衛(wèi)民,等.高頻地波超視距雷達特點及應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代雷達,2009,31(3)：7～ 10

[5]Wyatt L.R.,Green J.J.The availability and accuracy of HF radar wave measurements[J].Geoscience and Remote Sensing Symposium,IGARSS'02,2002,24-28(6)：515～ 517