船載雷達測波儀的設計鑒定試驗方法研究

鄧萬紅 盧志忠 衛延波

摘要：目前國內對船載雷達測波儀的性能評價和研究較少.而且基準儀器誤差和雷達測波儀誤差通常在一個數量級，所以討論其設計鑒定方法具有重要作用。該文通過分析國外同類產品的設計鑒定方法以及外場試驗開展數據采集的環境要求.提出國內船載雷達測波儀設計鑒定試驗的主要技戰術指標性能實驗安排和數據處理及指標評定方法，并利用設計的鑒定試驗來驗證該方法的有效性。試驗結果表明：試驗方案考核的船載雷達測波儀的主要技戰術指標能夠滿足鑒定試驗要求，可以為國內船載雷達測波儀設計鑒定試驗提供指導和建議。

關鍵詞：數據分析；航海雷達圖像；船載雷達測波儀；海浪參數

0引言

船載雷達測波儀是一種船載非接觸海浪遙測設備，它利用雷達波入射海面時布拉格散射被重力波調制的原理，從標準的x波段航海雷達中采集海雜波回波視頻圖像信號并進行數字化處理，可以直接生成海浪的方向譜信息，并由此得出海浪參數。船載雷達測波儀主要包括以下3項功能：1）計算并輸出海浪有效波高、波峰周期、波峰峰向等信息；2）顯示當前波浪參數、歷史數據曲線以及雷達極坐標原始圖像等信息：3）記錄雷達原始圖像和海浪實測數據等信息。該設備屬全新研制，首次在艦船上形成裝備。

根據船載雷達測波儀的工作原理及其工作條件限制，船載雷達測波儀不能在大型水池等試驗室環境下工作，因此海浪參數探測性能試驗必須在相對開闊的實際海域并在實際的海浪條件下進行。海浪監測方法可分為直接的現場觀測（如波浪方向浮標）與間接的遙感探測兩種方式，本設備屬于后一種監測方式。經調研，目前國內與本設備同類的產品均處在研制階段，還沒有一家產品進行過鑒定，因此只能夠借鑒國外的同類產品。

通過對國內外船載雷達測波儀的工作原理和功能開展分析，為后續提出該設備的主要技戰術指標（海浪監測能力）和鑒定試驗的數據分析奠定基礎。本文根據國外同類產品的設計鑒定方法和船載雷達測波儀對外場試驗的環境要求，提出了國內船載雷達測波儀設計鑒定試驗的主要技戰術指標性能實驗安排和評定方法，并通過長時間的實測試驗對其主要技戰術指標進行了考核，考核的誤差指標滿足鑒定試驗要求。

1國外同類產品設計鑒定試驗情況

由于試驗所需時間長、不確定性大，而且也沒有船級社認可的具有資質的試驗單位可供選擇，國外設備性能試驗承試單位均是由設備生產廠家編寫試驗大綱、組織開展性能試驗、編寫試驗報告，與必要的詳細技術文件、用戶手冊等文檔資料一同提交船級社，由船級社根據文件資料進行認證。

1.1 WaMoSⅡ認證及試驗情況

文獻[6]為WaMoS Ⅱ的DNV認證證書。作為DNV認證的主要依據，文獻[7]為WaMoS Ⅱ官方網站公布的技術指標對比試驗報告，該報告詳細記錄了性能試驗方法、試驗過程、性能指標試驗數據分析及試驗結論。

試驗時WaMoS獲取的海浪參數為0.7 kmx0.7km范圍內的空間平均值以及20min范圍內的時間平均值，采用同步獲取的波浪方向浮標及激光測浪雷達測量的單點、與WaMoS對應測量時間段相同的20min范圍內的平均數據作為比對真值，假設二者是相互獨立的隨機過程，采用標準的誤差統計方法對試驗數據進行處理。

1.2 WAVEX認證及試驗情況

文獻[8]為WAVEX的DNV認證證書。作為DNV認證的主要依據，文獻[9]為WAVEX官方提供的技術手冊公布的技術指標對比試驗報告，該報告詳細記錄了性能試驗方法、試驗過程、性能指標試驗數據分析及試驗結論。性能試驗的3個主要波浪參數為有效波高、波峰周期和波峰（能量）峰向，采用均方差對數據進行統計分析。

1.3試驗存在的問題

根據認證證書和相關試驗報告等文獻，國外商業用的船載雷達測波儀所通過的性能鑒定為船級社認證，均只進行了海岸、石油平臺等陸上試驗，分析其原因主要是海上試驗采用搭載方式，在高海況下數據獲取無法得到保證，且海上試驗代價高昂，試驗時間無法控制，加上高海情條件下布放、回收浮標困難，缺乏有效的海浪參考真值測量手段。相比而言，海岸、石油平臺等陸上試驗選擇在固定地點進行，采用值守方式等待大浪過程的出現，由于試驗成本較低且能夠長期進行，因此性能指標考核驗證在該條件下完成。

另外上述兩家國外設備的性能試驗中均發現，在對波峰周期數據處理時，海浪存在明顯的雙峰特性，即存在風浪、涌浪相互過渡的不穩定期間。船載雷達測波儀和參考基準儀器會出現交替將主波判定為風浪或涌浪，導致此時波峰周期測量誤差增大數倍，該階段波峰峰向誤差也明顯增大。由于測量機理不同此情況無法避免，因此在數據處理時需要將此部分數據剔除。

由于參考基準測量儀器與船載雷達測波儀測量海浪的原理不同，因而上述兩型設備試驗時均假設了二者誤差相互獨立。由于基準儀器誤差與船載雷達測波儀誤差數量級相同，因此計算誤差時必須考慮基準儀器的誤差，即測量誤差是兩個誤差之和。

2國內相關情況

海浪的直接現場觀測方法和間接遙感探測方法的測量機理完全不同。對于間接遙感探測儀器，在民用領域國內沒有鑒定的先例：對于直接測量海浪的儀器，在民用領域，我國國家海洋局標準計量中心具備對設備性能進行試驗鑒定的資質和經歷，中國海洋大學、山東科學院海洋儀器儀表研究所、中山市探海儀器公司均有定型產品。由于設備機理是空間單點測量，因此試驗時可以選擇室內水池，利用造波機生成不同波高、波向、波周期的海浪過程，采用經鑒定的同類型方向浮標作為基準參考值，對測量偏差序列進行統計處理，并進行技術指標驗證。

文獻[13]是地波雷達現場科研試驗報告，由于其同屬于遙感探測設備，因此對本設備鑒定試驗有一定的參考價值。SZFI-Ⅱ型波浪方向浮標作為試驗的基準參考測量儀器。由于地波雷達和方向浮標測量機理不同，兩種測量數據之間既存在空間域上的不同，也存在時間域上的不同，因此需要對誤差進行綜合分析。

3船載雷達測波儀設計鑒定試驗建議

通過對國內外船載雷達測波儀設計鑒定試驗的發展和方案的分析研究發現，基準儀器誤差和雷達測波儀誤差通常在一個數量級上，此外在進行外場實驗時需要特殊的試驗環境。針對這些問題，本文提出了國內船載雷達測波儀設計鑒定試驗的主要技戰術指標性能實驗安排和數據處理及指標評定方法。

3.1主要技戰術指標（海浪監測能力）性能實驗安排

根據國外兩型主流船載雷達測波儀所通過的船級社認證鑒定試驗，均只進行了海岸、石油平臺等陸上試驗，因此本設備的主要技戰術指標性能鑒定試驗也建議選擇陸上進行。

船載雷達測波儀海浪監測能力性能指標驗證試驗包括：海浪有效波高、波峰周期、波峰峰向的測量誤差指標試驗驗證。由于試驗條件限制無法獲取足夠數量和范圍的試驗樣本，因此不進行測量范圍指標測試。檢驗標準主要參考WaMoS Ⅱ的官方文獻。

3.1.1陸上海洋觀測站試驗

根據船載雷達測波儀的工作原理，設備正常工作要求在開闊海域，且本船周圍3 km范圍內的海浪探測區域海浪特性穩定，要求海況>4級，因此建議選擇在岸基海洋觀測站進行陸上試驗，采用值守方式等待大浪過程的出現。由于沿岸出現大浪的幾率很小，因此將對設備海況低端條件下的主要技戰術指標進行驗證。

該項試驗需要配套航海雷達（天線齒輪箱、收發機），需要選擇合適的試驗地點和季節以獲取符合最低試驗樣本條件的測量數據。海浪真值獲取方面，可在雷達觀測區域放置波浪方向浮標進行同步觀測：或在WAVEX確認合格條件下，將雷達信號同步引入該設備獲取同步的波浪波峰周期、波峰峰向，并將其作為基準值：海浪有效波高也可由具有海洋觀測資質的專業人員對探測區域進行同步觀測完成。

由于現場條件有限，建議參考WAVEX鑒定試驗的做法。試驗現場定時記錄雷達連續圖像序列，以文件方式存儲在上位機硬盤中，將被試設備圖像數據以及同一時間段參考基準值測量結果（方向浮標、WAVEX或人工觀測換算）同步記錄，后期在試驗室條件下以離線方式獲取被試設備的海浪測量結果，按照規定的方法與基準測量值一起進行統計分析后，完成對技術指標的評估。

試驗時應選擇海浪成長期之后的平穩期，一般在海區的風速、風向穩定6h之后即可認為海浪已經成熟。

3.1.2海上搭載本船符合性檢驗

由于海上試驗高海況下數據獲取無法保證，且代價高昂，試驗時間無法控制，加上高海情條件下布放、回收浮標困難，缺乏有效的海浪參考真值測量手段，因此參考國內測量船的做法，待設備裝船后搭載完成符合性檢驗，主要進行功能性考核驗證。

3.2數據處理及指標評定方法

將被試設備測量結果和同一時間段人工測量結果按照規定的方法進行統計分析后，對技術指標進行評估。將船載雷達測波儀反演輸出的有效波高、波峰周期、波峰峰向結果，以及浮標測量、人工觀測換算的結果進行統計平均，采用與德國WaMoS Ⅱ一致的參數誤差試驗方法，進行統計分析后實現對技術指標的初步評估。

3.2.1以絕對誤差方式給出的指標判定方法

設置為被試設備輸出的某海浪參數觀測量統計序列，其中i=1，…，N表示用于計算的時間序列（最小時間間隔為20 min）：Vi為同步人工觀測的海浪參數真值（由于人工觀測每天只進行4次數據采集，因此需要根據船載雷達測波儀輸出時間對該數據進行線性插值）；其中偏差序列為

為保證統計意義的可信性，要求N>30，且至少包含了3次不同的海浪周期。需要注意的是計算出。后，需要去除觀測野值（該次測量誤差>3后，再進行一次計算。

由于人工觀測和反演輸出為獨立進行，因此可認為誤差相互獨立，上述計算的偏差中包含了人工觀測的真值誤差和本設備的測量誤差，總均方差為

根據對文獻中人工觀測和浮標測量誤差數據的分析，可近似認為人工觀測的真值誤差和本設備的測量誤差相當，即：

3.2.2以相對誤差方式給出的指標判定方法

實驗時間段內需要保證觀測的y；序列的最大相對偏差≤10%，以保證測量結果的可用性。按上述方法計算出a測量值，Y的均值為Y，則相對誤差為測量值=a測量值Y。則接受判據：S測量值≤給定的誤差指標。

4試驗效果分析

建議的試驗方案考核的船載雷達測波儀主要技戰術指標包括海浪有效波高、波峰周期、波峰峰向的測量誤差指標，綜合分析是能夠滿足鑒定試驗要求的。

由于試驗條件限制無法獲取足夠數量和范圍的試驗樣本，因此測量范圍指標無法進行高端測試。但由于船載雷達測波儀的數據源是海浪的雷達回波圖像，理論分析和已開展的科研試驗均表明，海浪有效波高越大，海浪的雷達回波圖象越清晰，信噪比越大，因此對海浪監測性能指標的考核影響較小。

4.1試驗基本情況

2005-2012年，本課題組承擔了國防重點型號科研項目艦載x波段航海雷達反演海浪技術，研究領域覆蓋雷達遙感海浪、海流、海面風場、降水強度等，期間分別在山東龍口、福建平潭等地開展了為期4年的海上定平臺數據采集和性能驗證試驗，并利用試驗艦在東海、南海等地開展了為期2年的動平臺海上科研試驗，積累了x波段航海雷達在不同海況條件下的大量實測數據。

2010年10月起在國家海洋局福建海洋環境監測站進行試驗。2010年10月5日，船載雷達測波儀參試人員及設備進場，開始進行設備的安裝調試工作，其間10月22日至10月27日，受鯰魚熱帶風暴和寒流影響，出現了兩次3 m以上的波浪過程。2010年12月3日，SZF型波浪浮標完成了檢定工作，檢定結果為有效波高誤差<0.33 m，符合設備誤差要求；12月6日，浮標布放到E119.851°、N25.453°位置（相對雷達方位146.7°、距離850 m，雷達位置為E119.847°、N25.459°），和被試設備、WaMoS、WAVEX在同一測量區域，試驗正式開始。12月15日至16日，受冷空氣影響，海上出現了2.0～3.5m的大浪。浮標、WaMoS、被試設備和WAVEX都進行了正常測量記錄，浮標1h測量1次，被試設備20min輸出1次平均結果，WaMoS、WAVEX滾動輸出20min內的平均結果。12月24日至26日，受冷空氣影響，海面出現了2.0～3.5 m的波浪，進行了被試設備波浪參數誤差考核。2011年1月6日至7日上午，受冷空氣影響，海面出現了2.0-2.5 m的波浪，進行了被試設備波浪參數誤差考核。2011年1月8日至10日凌晨，受冷空氣影響，海面出現2.0-3.0m的波浪，進行了被試設備波浪參數誤差考核。2011年1月10日至13日，按照設計鑒定試驗大綱和標準規定的數據處理方法，對本次試驗期間獲取的4次大海浪過程中被試設備的測量結果進行了誤差統計分析，對船載雷達測波儀海浪參數測量誤差指標進行了考核。

4.2試驗基本結論

本次試驗從2010年10月5日開始至2011年1月14日結束，歷時4個月。按大綱要求基本完成了陸上試驗項目，誤差考核結果如表1所示。

利用本次試驗記錄的實測雷達原始圖像文件作為實測數據，完成了被試設備海浪測量結果的計算。設計鑒定試驗期間反演的有效波高、波峰周期和波峰峰向分別如圖1～圖3所示。其中紫色曲線為本課題組研制設備的反演結果，藍色曲線為參考設備的輸出結果。從圖1中可以看出，除設計鑒定試驗期間的短時間段內反演的有效波高與真值偏差較大外，其余大部分時間段內反演的有效波高與真值很接近。從圖2可以看出，在整個試驗期間設計鑒定試驗期間反演的波峰周期與真值波動趨勢一致。從圖3中可以看出，設計鑒定試驗期間反演的波峰峰向與真值相一致，試驗后期反演的波峰峰向波動小相對穩定。

4.3存在問題及建議

依據指標規定，有效波高測量指標考核范圍為2.0～6.0m，但由于試驗地點海岸地理和自然條件限制，該海區乃至中國沿岸出現大于3.0m大浪的幾率很小，因此本次陸上試驗實際有效波高考核范圍為2.0～3.5 m，采用試驗期間記錄的雷達原始圖像實測數據對有效波高進行測試的范圍為3.5～5.0 m。

5結束語

本文分析了國外船載雷達測波儀的設計鑒定情況和方法，同時提出了國內船載雷達測波儀的設計鑒定試驗方法和要求。通過大量的實測雷達數據實驗表明，該方法在陸基環境條件下能夠取得很好的試驗效果。