X波段雷達對海探測試驗與數據獲取年度進展

劉寧波 丁 昊② 黃 勇 董云龍 王國慶 董 凱③

①(海軍航空大學信息融合研究所 煙臺 264001)

②(軍事科學院國防科技創新研究院 北京 100071)

③(中國電子科學研究院 北京 100041)

1 引言

海用雷達在對海上目標探測過程中易受海雜波影響，高海況、復雜氣象條件下尤為嚴重。開展海雜波特性、海雜波抑制、海上目標檢測跟蹤與識別方法研究[1–5]，需要多種條件下的海雜波和海上目標回波實測數據，海軍航空大學海上目標探測課題組于2019年提出一項“雷達對海探測數據共享計劃”[6]，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、分辨率、擦地角條件下海雜波數據和海上目標回波數據，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，形成信息全記錄的雷達試驗數據集。

2020年度主要開展了3個方面的多次試驗，包括目標雷達散射截面積(Radar Cross-Section,RCS)定標數據采集試驗、不同海況海雜波與目標探測數據采集試驗、海上機動目標檢測跟蹤數據采集試驗。下面針對每個方面的試驗進行介紹，并給出典型數據示例。

2 目標RCS定標數據采集試驗

目標RCS定標數據采集試驗，主要是在海上投放定標體(不銹鋼球，RCS為0.25 m2)，使其漂浮于海面以上，用船只拖拽定標體沿雷達徑向慢速往返運動，在沿途部分位置點靜止(漂浮)，雷達工作模式固定不變，采集試驗全程的雷達與配合傳感器數據。

如圖1所示，試驗期間，雷達架設地點為煙臺養馬島試驗點[6]，架高約為30 m。如圖2所示，漁船用尼龍繩拖拽不銹鋼球沿圖1中所示的航線慢速運動。不銹鋼球放置在4個泡沫塑料浮子上，使其完全浮于海面以上，如圖2(d)所示，漁船與不銹鋼球沿雷達徑向的間距為100 m以上，且二者在方位上也錯開一定的角度。漁船在設定海上航線的部分位置點(見圖1所示航線中的黃色圓點)處靜止(漂浮)，此時調整了雷達天線轉速，采集多種轉速條件下的雷達數據。試驗期間海面狀態如圖2(f)所示，對應的氣象水文數據如圖3所示，紅色原點與試驗時段相對應，每15 min更新一次，綜合判斷海況等級為1級。

圖2 試驗場景Fig.2 Experimental scenario

圖3 浪(有效波高、浪向、周期、浪速)和風(風向、風速)要素信息(紅色標點對應試驗時段)Fig.3 Wave (effective wave height,direction,period,speed) and wind (direction,speed) information(The red punctuation marks correspond to the experimental period)

X波段試驗雷達具體參數請見文獻[6]，此處不再贅述。試驗期間，定標體在較近距離時雷達工作于3 nm量程，脈沖重復頻率(Pulsed Repetitive Frequency,PRF)為3 kHz；定標體在較遠距離時雷達工作于6 nm量程，PRF為1.6 kHz。整個試驗過程中，雷達主要工作于2 r/min的掃描速度，在目標靜止(漂浮)時天線轉速有所調整。雷達工作模式調整與采集雷達數據對應的情況，在與數據配套的數據記錄表中有詳細對照說明。由于雷達轉速較慢，單次掃描周期的數據量大，這里僅給出了目標所在扇區的回波數據，示例數據如圖4所示。

試驗過程中，還同步獲取了漁船的自動定位系統(Automatic Identification System,AIS)數據(MMSI:413659899，見表1)，以及雷達視野內其他非合作船只目標的AIS數據。由于試驗中所使用AIS設備自身原因，數據更新率為每次2～6 min，因此，AIS給出的位置信息與雷達給出的位置信息并不嚴格同步，在數據使用中可通過插值實現時空信息同步。

3 海雜波與目標探測數據采集試驗

海雜波與目標探測數據采集試驗，主要是采集不同海況等級條件下的海雜波數據、海上船只目標數據。此試驗以天線凝視觀測模式為主，采集不同方位下的雷達回波數據。

圖4 典型數據示例Fig.4 Typical data examples

試驗期間，雷達架設地點為煙臺第1海水浴場試驗點，如圖5所示，架高約為80 m，在不同海況等級等環境下，調整雷達天線凝視的方位，凝視海面錨泊船只或航道浮標，采集幾秒至幾分鐘時長不等的雷達凝視模式數據。采集數據時雷達工作量程為3 nm,6 nm，對應的PRF分別為3.0 kHz,1.6 kHz。

表1 配試船只目標AIS數據示例Tab.1 The sample AIS data of the experimental boat

采集數據列表如表2所示。前7組數據均為天線凝視模式數據，由于采集數據期間，風速較大，雷達天線凝視方位隨風有輕微偏移，具體偏移情況從雷達數據頭中的“方位”信息位中可以得到；第8組數據為天線掃描模式數據，其中方位143°～274°范圍內為發射屏蔽區，此區域內雷達發射靜默。此外，掃描模式數據還有配套的AIS數據，但由于試驗時海況等級較高，所有船只均回港避風，因此無運動目標，僅有錨泊的船只和航道浮標兩類目標。

典型的海雜波數據、海雜波+目標數據如圖6(a)—圖6(d)所示，限于篇幅，這里僅給出兩組實測數據的時域原始回波與多普勒譜。

4 海上機動目標檢測跟蹤數據采集試驗

海上機動目標檢測跟蹤數據采集試驗，主要是利用小型快艇作為配試目標，沿預定航線運動，并在某些特定位置點進行機動，雷達工作于掃描模式，采集試驗全程的雷達與配合傳感器數據。

試驗期間，雷達架設地點為煙臺第1海水浴場試驗點，架高約為80 m，如圖5所示。雷達工作于6 nm量程、24 r/min的掃描模式，PRF為1.6 kHz。試驗時間為14:32—15:18，共采集1186個連續掃描周期數據，雷達工作模式調整與采集雷達數據對應的情況，在與數據配套的數據記錄表中有詳細說明。典型試驗數據示例如圖7所示，試驗期間風和浪要素數據如圖8所示，有效波高為1 m左右，綜合判斷海況等級為3級。

圖5 海雜波與目標探測試驗場景Fig.5 Sea clutter and target detection experimental scenario

表2 海雜波與目標回波數據列表Tab.2 List of sea clutter and target echo data

圖6 海雜波、目標回波典型數據示例Fig.6 Typical sea clutter and target echo data

配試目標為約10 m長小型快艇，如圖9所示，沿預定航線行駛，示意圖如圖10所示，受海上航道來往船只影響，小快艇的實際航線與預定航線有偏差。快艇上安裝了AIS設備，具體位置信息可查閱AIS數據(MMSI:413659899)，如表3所示。此外，試驗時還同步記錄了雷達視野內非合作目標的AIS信息，可用作參考。

圖8 浪(有效波高、浪向、周期、浪速)和風(風向、風速)要素信息(紅色標點對應試驗時段)Fig.8 Wave (effective wave height,direction,period,speed) and wind (direction,speed) information(The red punctuation marks correspond to the experimental period)

圖9 配試目標Fig.9 Experimental target

圖10 設定航線Fig.10 Set trajectory

5 總結

“雷達對海探測數據共享計劃”2020年度完成了雷達目標RCS定標數據采集試驗、不同海況海雜波與目標探測數據采集試驗、海上機動目標檢測跟蹤數據采集試驗3個方面的多次試驗，獲取了不同海況、目標以及雷達工作模式下的海雜波與目標回波數據，并同步獲取了風和浪要素數據、目標AIS數據、可見光/紅外數據等配合傳感器數據。同時在試驗過程中也發現了一些問題，例如目標AIS信息更新率過慢，導致將目標AIS數據作為真值數據使用時，與雷達數據存在嚴重的數據時空不匹配；可見光/紅外設備數據在惡劣天氣下獲取圖像不清晰或難以獲取遠距離目標圖像；現有雷達在高海況、惡劣天氣下天線凝視方位不穩定等問題，后續還需不斷解決。

表3 配試船只目標AIS數據示例Tab.3 The sample AIS data for experimental boat

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/web/data/getData?dataType=DatasetofRadarDetecting-Sea，數據將根據對海探測試驗進度定期更新。

2020年度對海探測實測數據量巨大，因此截取具有代表性的試驗段數據分3期發布，數據發布信息表如附表1所示。

第1期主要發布海雜波與目標凝視模式探測數據，分為兩組，包括純海雜波數據、海雜波+目標回波數據，數據量約17 GB；第2期主要發布雷達目標RCS定標試驗數據，提供下載的數據為截取的配試船拖不銹鋼球向雷達運動階段的數據，數據量大于20 GB；第3期主要發布海上機動目標檢測跟蹤試驗數據，提供下載的數據是截取的配試快艇沿圖10所示航線中右上方第1個圓運動的數據，數據量不低于40 GB。

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 2020年度數據發布信息表App.Tab.1 Annual data release information table of 2020