基于多基站雷達(dá)協(xié)同的船只監(jiān)控系統(tǒng)

張昊宇

摘 要：國(guó)內(nèi)的海事雷達(dá)可以對(duì)目標(biāo)船只進(jìn)行監(jiān)控和定位，但無(wú)法做到實(shí)時(shí)成像，因而無(wú)法對(duì)船只進(jìn)行識(shí)別和分類(lèi)。基于逆合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（ISAR）的多基站雷達(dá)監(jiān)控系統(tǒng)可以做到對(duì)目標(biāo)船只的全覆蓋成像監(jiān)控。本文提出了基于多基站ISAR技術(shù)的雷達(dá)系統(tǒng)用以監(jiān)控海面船只并公布了在某海域的對(duì)船成像結(jié)果。

關(guān)鍵詞：逆合成孔徑雷達(dá)；ISAR；多基站雷達(dá)協(xié)同成像

中圖分類(lèi)號(hào)：U665 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：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(yùn)輸，產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的重要交通要道。為海洋交通運(yùn)輸方面搶占先機(jī)，歐美等發(fā)達(dá)國(guó)家上個(gè)世紀(jì)都分別建立了海洋戰(zhàn)略。為了保障海上船只的安全，維持沿海地區(qū)穩(wěn)定，建立健全強(qiáng)大的海洋監(jiān)測(cè)體系勢(shì)在必行。AIS與GPS等系統(tǒng)的普及提高了相關(guān)部門(mén)對(duì)船只的監(jiān)控能力，然而這是一種“被動(dòng)式”的監(jiān)測(cè)方法。如果目標(biāo)船只主動(dòng)關(guān)閉了AIS與GPS等系統(tǒng)或船只來(lái)自敵對(duì)方，則這種被動(dòng)監(jiān)控手段將完全失靈。海事雷達(dá)是一種常用的“主動(dòng)式”目標(biāo)船只監(jiān)測(cè)技術(shù)。雷達(dá)發(fā)射并接收電磁波，通過(guò)對(duì)回波信號(hào)的分析獲取船只的位置，這種方法可以全天候全時(shí)段工作，但主要問(wèn)題是無(wú)法獲取目標(biāo)船只的形狀與大小，通過(guò)雷達(dá)信號(hào)分析只能確認(rèn)在該位置有船只存在而無(wú)法根據(jù)船只形狀予以自動(dòng)分類(lèi)鑒別。逆合成孔徑雷達(dá)技術(shù)（ISAR）通過(guò)對(duì)移動(dòng)目標(biāo)進(jìn)行成像，能夠?qū)０毒€的船只進(jìn)行全天候成像監(jiān)控，不受天氣和時(shí)間的影響。而采用多臺(tái)ISAR雷達(dá)配合成像可以從多角度獲取船只信息，從而對(duì)目標(biāo)船只進(jìn)行更為全面的監(jiān)控。本文提出利用多個(gè)ISAR雷達(dá)組成成像系統(tǒng)陣列，從多個(gè)角度同時(shí)監(jiān)控船只。

1 多基站雷達(dá)系統(tǒng)方案

1.1 總體方案

岸基ISAR 架設(shè)在海岸邊的固定位置，利用船只的移動(dòng)進(jìn)行成像，具有全天候、高精度，多船只多目標(biāo)全跟蹤能力。能夠獲得目標(biāo)船只的精確成像的前提是該目標(biāo)船只需要沿著雷達(dá)波束的照射方向（LOS走行問(wèn)題）進(jìn)行明顯的運(yùn)動(dòng)變化。然而在一些極端狀況下船只沿雷達(dá)波束方向進(jìn)行直線的航行，這種情況將導(dǎo)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(xiàn)象十分嚴(yán)重。目標(biāo)船只極有可能被航道上的其他船只遮擋導(dǎo)致雷達(dá)波束無(wú)法完全照射，這將導(dǎo)致目標(biāo)圖像缺失并造成目標(biāo)追蹤鑒別失敗。而采用多基站系統(tǒng)從多個(gè)方向?qū)δ繕?biāo)船只進(jìn)行協(xié)同成像則可以有效的解決上述問(wèn)題，如圖1所示，6臺(tái)ISAR雷達(dá)部署在海灣的不同位置，即可從不同角度對(duì)多條船只進(jìn)行監(jiān)控，避免了LOS走行問(wèn)題和遮蔽現(xiàn)象。

圖2描述了一套典型的多基站同步海岸雷達(dá)監(jiān)測(cè)網(wǎng)安裝場(chǎng)景示意圖。R1 與 R2 為海岸預(yù)警雷達(dá)節(jié)點(diǎn)（MRN），使用固定（或旋轉(zhuǎn)天線），最大轉(zhuǎn)速可達(dá)40 rpm，方位角精度0.1°。該雷達(dá)基于FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）技術(shù)，使用X-波段（9.6 GHz），可以在中等范圍內(nèi)提供高距離分辨率的探測(cè)和跟蹤，MRN的目標(biāo)檢測(cè)能力可達(dá)80公里，探測(cè)性能與船舶尺寸。 R3到R7是成像雷達(dá)節(jié)點(diǎn)（IRN），是基于FMCW（調(diào)頻連續(xù)波）技術(shù)基礎(chǔ)上的逆合成孔徑雷達(dá)，其允許具有小尺寸天線的固定雷達(dá)獲得移動(dòng)目標(biāo)的高分辨率圖像。使用X-波段（9.6 GHz），工作范圍高達(dá)10公里，用于自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別成像目的。IRN具備四個(gè)垂直方向偏振的發(fā)射元，以用于干涉測(cè)量。通過(guò)干涉測(cè)量獲取目標(biāo)三維信息。通過(guò)使用多個(gè)成像雷達(dá)可以避免陰影效應(yīng)。每臺(tái)雷達(dá)可以單獨(dú)工作，也可以與其他雷達(dá)協(xié)同工作，既可以單站作業(yè)，也可以多基站作業(yè)，而且整個(gè)系統(tǒng)可以很方便的加入更多雷達(dá)從而擴(kuò)大整體組網(wǎng)，從而加大覆蓋面積。另外，整套系統(tǒng)可以發(fā)現(xiàn)、探測(cè)、定位、追蹤目標(biāo)物，并對(duì)目標(biāo)物進(jìn)行三維成像從而進(jìn)一步自動(dòng)識(shí)別目標(biāo)物。

1.2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

本方案中采用了兩種雷達(dá)進(jìn)行混合成像。其中MRN雷達(dá)用于預(yù)警，而IRN雷達(dá)用于成像。海岸預(yù)警雷達(dá)系統(tǒng)有兩部分組成：包含電子器件的機(jī)箱和天線系統(tǒng)。其中GPS包含于雷達(dá)機(jī)箱中。本項(xiàng)目中海岸預(yù)警雷達(dá)天線是由兩個(gè)水平極化的監(jiān)視波導(dǎo)縫隙天線組成的旋轉(zhuǎn)系統(tǒng)，每個(gè)波導(dǎo)天線長(zhǎng)度為12英尺，總重量約40千克，天線外有天線罩結(jié)構(gòu)，以保護(hù)輻射元件免受昆蟲(chóng)，灰塵和水的侵害。允許以0.1°的角度分辨率在方位角上進(jìn)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(duì)雷達(dá)主要監(jiān)視范圍內(nèi)目標(biāo)準(zhǔn)確辨別和檢測(cè)。該配置滿足IALA V-128“船舶交通服務(wù)設(shè)備的操作和技術(shù)要求”的國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)要求。雷達(dá)機(jī)箱中有RF模塊和雷達(dá)后端（AWG+ADC+CU+GPS）。其中RF模塊使用獨(dú)特的和專(zhuān)有的運(yùn)動(dòng)振動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，防止振動(dòng)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(shù)字信號(hào)處理架構(gòu)，并采用最先進(jìn)的技術(shù)，因此該雷達(dá)可以提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。RF模塊和雷達(dá)后端（AWG + ADC +CU+GPS）靠近天線放置，以便容易將RF信號(hào)低損耗的直接傳輸?shù)捷椛湓?/p>

預(yù)警雷達(dá)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(dá)250km / h的風(fēng)速。使用定位器/旋轉(zhuǎn)器提供方位角掃描，旋轉(zhuǎn)速度為0rpm-20rpm。IRN雷達(dá)的探測(cè)范圍是10m到5Km，整個(gè)雷達(dá)系統(tǒng)由兩部分組成：一個(gè)包含電子器件的機(jī)箱和天線系統(tǒng)。雷達(dá)機(jī)箱的尺寸為 400 x 400 x 800 mm， 重量約 25 Kg。其中GPS包含在機(jī)箱中。雷達(dá)安裝的GPS模塊為工作在10MHz 的 Global Positioning System Disciplined Oscillator （GPSDO），其內(nèi)置高性能的GPS接收器，GPS系統(tǒng)的作用就是對(duì)所有的工作雷達(dá)進(jìn)行時(shí)間和相位同步。天線系統(tǒng)是一個(gè)面積為500x500 mm，重量為3 Kg的面板。其中全極化模式成像雷達(dá)（IRN-P）的天線系統(tǒng)由兩個(gè)雙線性極化天線組成，用于交替發(fā)射兩個(gè)極化信號(hào)，并同時(shí)接收成像雷達(dá)極化模式（IRN-P）的兩個(gè)極化信號(hào)。干涉模式成像雷達(dá)（IRN-I）的天線系統(tǒng)由四個(gè)垂直極化輻射元件組成。雷達(dá)機(jī)箱包括RF模塊和雷達(dá)后端（AWG+ADC+CU+GPS）。其中RF模塊使用獨(dú)特的和專(zhuān)有的運(yùn)動(dòng)振動(dòng)補(bǔ)償技術(shù)，可以防止振動(dòng)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(shù)字信號(hào)處理架構(gòu)，該雷達(dá)可以提供高質(zhì)量的數(shù)據(jù)。RF模塊和雷達(dá)后端（AWG+ADC+CU+GPS）靠近天線放置，以便容易將RF信號(hào)低損耗的直接傳輸?shù)捷椛湓?/p>

2 對(duì)船成像結(jié)果

本系統(tǒng)中雷達(dá)傳感器網(wǎng)絡(luò)中所有雷達(dá)的工作模式如下：

模式 1： MRN和IRN都使用時(shí)分復(fù)用技術(shù)進(jìn)行發(fā)送和接收。

模式 2： MRN發(fā)射，IRN接收。

模式 3： IRN發(fā)射，MRN接收。

模式 4： 僅MRN發(fā)射/接收。

模式 5： 僅IRN發(fā)射/接收。

在上面5個(gè)雷達(dá)工作模式中，就包含了單發(fā)單收、單發(fā)多收、多發(fā)單收、多發(fā)多收這幾種工作狀態(tài)。單收單收模式表示一個(gè)雷達(dá)發(fā)射一個(gè)雷達(dá)接收，單發(fā)多收表示一個(gè)雷達(dá)發(fā)射多個(gè)雷達(dá)接收，多發(fā)單收表示多個(gè)雷達(dá)發(fā)射一個(gè)雷達(dá)接收，多發(fā)多收表示多個(gè)雷達(dá)發(fā)射多個(gè)雷達(dá)接收。

圖3是該海岸預(yù)警雷達(dá)（MRN）采集的雷達(dá)數(shù)據(jù)的可視化結(jié)果。在同一區(qū)域，還安裝了一個(gè)成像雷達(dá)（IRN-P）。黑色箭頭指出了小目標(biāo)。在雷達(dá)成像中， 還可以看到環(huán)境的其他特征， 如土地與島嶼（強(qiáng)紅色）， 在海中間的堤防（在距離海岸預(yù)警雷達(dá)約4000米的淡綠色直線）。圖3可用于各個(gè)部門(mén)進(jìn)行海域大范圍監(jiān)控預(yù)警，圖4是對(duì)圖3中的船只目標(biāo)進(jìn)行放大后的圖像。從圖中可以清晰地看出，目標(biāo)是一艘大型油輪。

3 結(jié)論

本文公布基于多基站ISAR雷達(dá)聯(lián)合對(duì)船監(jiān)測(cè)系統(tǒng)的海岸地區(qū)總體部署方案，預(yù)警雷達(dá)與成像雷達(dá)的技術(shù)參數(shù)以及在某海域的成像實(shí)測(cè)結(jié)果。基于多基站ISAR雷達(dá)系統(tǒng)可以從多個(gè)角度對(duì)船體進(jìn)行觀測(cè)，提高了船只的識(shí)別率，這對(duì)于大范圍海上船只的監(jiān)控管理提供了強(qiáng)大的技術(shù)支撐。

參考文獻(xiàn)：

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

本文為基金項(xiàng)目：浙江海洋大學(xué)科研啟動(dòng)經(jīng)費(fèi)資助，No.21045012815endprint