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[导读]高频地波雷达是一种超视距雷达,利用垂直极化高频电磁波沿海面(地表面)绕射传播特性,高频地波雷达能够探测海平面视线一下的目标,因此也被称为高频超视距雷达,工作频段为高频段(3~30MHz)。高频地波雷达不仅具备测量精度高、监测面积大、资源消耗较少的优点,同时由于高频地波雷达架设在岸边,系统工作基本上不受自然环境的影响,因此是一种能够全天候对海洋进行实时监测的有效手段。高频地波雷达不仅可以用于运动目标的探测,同时,利用布拉格反射机理,还可以从雷达回波谱中提取风浪流等海况信息。因此,在民用方面,高频地波雷达在监测我国专属经济区、维护国家权益、保护海洋环境等方面发挥着重要的作用。此外,高频地波雷达对于探测隐形目标具有潜在的效能(高频地波雷达的工作频率使目标隐形失效),而且能够有效对抗反辐射导弹,生存能力比较强,因此在军事方面也有着重要用途和巨大潜力。

高频地波雷达是一种超视距雷达,利用垂直极化高频电磁波沿海面(地表面)绕射传播特性,高频地波雷达能够探测海平面视线一下的目标,因此也被称为高频超视距雷达,工作频段为高频段(3~30MHz)。高频地波雷达不仅具备测量精度高、监测面积大、资源消耗较少的优点,同时由于高频地波雷达架设在岸边,系统工作基本上不受自然环境的影响,因此是一种能够全天候对海洋进行实时监测的有效手段。高频地波雷达不仅可以用于运动目标的探测,同时,利用布拉格反射机理,还可以从雷达回波谱中提取风浪流等海况信息。因此,在民用方面,高频地波雷达在监测我国专属经济区、维护国家权益、保护海洋环境等方面发挥着重要的作用。此外,高频地波雷达对于探测隐形目标具有潜在的效能(高频地波雷达的工作频率使目标隐形失效),而且能够有效对抗反辐射导弹,生存能力比较强,因此在军事方面也有着重要用途和巨大潜力。

 

图1–1高频地波雷达应用示意图

相比于岸基雷达,船载高频地波雷达不仅包含了其大部分功能,还具有更好的灵活性,探测范围也更广,因而有着更好的发展潜力。 然而,船载平台的运动会造成海杂波和目标点的展宽和偏移。相比于岸基雷达而言,船载雷达系统的阵列更加小型化,且阵列摆放位置需要适应船舱位置,使得RD谱图更加嘈杂,大大降低了信噪比;不规则阵列的摆放更是也对目标方位角的估计造成困难;这些因素都严重影响了目标参数估计的精确度,因而需要对船载高频地波雷达的目标检测方法进行研究。

国内外研究现状

超视距雷达最早应用于美、苏冷战时期。美、苏双方以探测对方的军事动态为目的部署了数量不少的超视距雷达。1968年~1972年,工作于美国NOAA的Barrick提出了海面对无线电波的一阶散射和二阶散射的形成机制,形成了Bragg散射的理论体系,为超视距雷达的快速发展奠定了基础[17]。目前,国内外机构对岸基高频地波雷达的研究渐趋成熟。

随着岸基高频地波雷达的发展,将地波雷达放置于移动平台上进行探测是必然的发展趋势。

上个世纪70年代起,国内外相继展开运动平台实验。1972年,Tyler等人在行驶的车上安装信号接收设备,检测罗兰A的发射信号,获取了有一阶Bragg展宽的频谱信号。1986年Barrick等人将HFSWR安装在石油装载平台上,对周边海域进行,以此进行海浪谱的研究和分析[20]。1988年,Gurgel等人在挪威大陆架开展了地波雷达岸基联合船载的海洋表面流监测实验。

于国家层面上,英国和美国军方都对船载地波雷达有过相关研究。

英国人最早对高频地波雷达技术产生了兴趣。1982年,英国海军与马可尼公司合作,进行船载地波雷达平台改造。后来在地中海地区对改造的巡洋舰舰载雷达进行了一系列试验,该次试验较为成功,对大型舰船、低空飞机、巡航导弹表现出很好的探测性能。四级海况下,该舰载雷达的探测距离约100 km、测距精度±2 km、测角精度±5°。

美国海军1990年才开始了对船载地波雷达系统的研究。美国海军在圣克莱门特岛开展了第一次试验,Lockheed Sanders子公司演示了他们的雷达系统对于远距离、高度位于10米以上目标的探测能力。在这次试验中,雷达系统未能提供精确的目标跟踪信息,但能达到约1 km的距离分辨率及1~2度的方位精度,这满足了早期预警需求(具有30秒的附加预警时间)。1995年,为了提高舰载雷达的性能,美国海军同加拿大雷声公司合作开发舰载雷达发射天线,进行了大量试验。1996年1月桑得斯公司开始研制船载地波雷达系统样机,并计划1998年2月开始雷达系统的组装与试验。但后续进展目前还未见进一步报道[26]。

国内哈尔滨工业大学最早展开单基地船载高频地波雷达的研究。他们在岸基地波雷达的研究基础上,进一步优化了其系统的适应性与稳定性,并将其布设在军舰上[27][28],成功地研制出一套船载HFSWR系统。随后又借此开展了船载HFSWR对海上和空中目标的探测实验,进而取得了大量珍贵的实验数据;哈尔滨工业大学的谢俊好等人对船载HFSWR回波信号处理方法、目标检测和船载HFSWR的海浪谱展宽机理等方面进行了较为深入的理论分析和实验研究,并取得了丰硕的科研成果。

武汉大学参与了十二五重大海洋专项“浮标式高频地波雷达系统研制”,在浮标平台上安装高频地波雷达,利用其超视距探测的特点,扩展了浮标的海洋探测能力,与十二五“分布式组网高频超视距雷达技术”一起共同构成高频地波雷达近、中、远海洋探测网络。

2000年,西安电子科技大学的刘春波等对岸舰联合多基地的HFSWR进行了基础理论研究。西安电子科技大学的陈伯孝等人也开展了对舰载综合脉冲孔径高频地波雷达的研究,该系统利用正交波形实现了接收阵元孔径的等效扩展[36]。

 

图1–2 Marconi 公司的舰载 HFSWR 示意图

船载HFSWR的回波分析和目标检测

移动平台地波雷达回波谱分析与仿真方面,最早可追溯到1972年地波雷达海杂波散射截面的研究。1972 年,Barrick 利用边界扰动理论,推导出海浪回波的一阶谱以及深水区的海杂波一阶雷达散射截面的数学模型,奠定了地波雷达的发展基础。20 世纪 80 年代以来,船舶运动模型的研究工作大量展开,日本的Hamamoto等人提出了以6–DOF来划分船舶运动形态的方法,六自由度运动分别为横摇、纵摇、艏摇、横荡、纵荡与垂荡等几种。于是,国内外学者们逐步开展了6–DOF的平台运动对HFSWR海浪回波特性影响的相关研究。

2001年,谢俊好等人又发现船载平台的前向运动将导致一阶海杂波频谱展宽。2005年,Wang等对运动平台在航行过程中出现的6–DOF进行了理论分析和仿真实验。2008年,walsh等人在海杂波散射截面积理论的基础上,根据电场理论求解出了浮动平台地波雷达海杂波散射截面积方程。2012年,Khoury等对在不同运动状态下的船载HFSWR海浪回波信号和目标进行了理论分析[43]。

2010年~2012年, Walsh和Gill等对浮动平台HFSWR展开了研究,利用电磁波散射理论推导了关于浮动平台HFSWR海浪回波的一阶、二阶散射截面积方程[44][45]。2010至2012年间,Walsh等人推导了安装在带有摇摆运动的浮动平台上的天线的一阶和二阶高频雷达横截面。

而在2017年~2018年间,谢俊好的团队,分别结合浮动平台的水平震荡(横荡、纵荡运动)运动,运动纵摇、横摇运动进而推广到6–DOF运动和前向运动分析了海面的一阶和二阶高频地波雷达海杂波散射截面积。在他们的仿真中表明,水平振荡运动以及纵摇横摇运动都会对多普勒频谱具有额外的调制效果,在多普勒频谱中会出现其他峰值。

船载地波雷达海杂波抑制与目标检测方面。1999年,针对目标落入展宽海杂波的问题,高兴斌利用合成孔径原理,分析了船载高频地波雷达海杂波展宽谱的性能,在此基础上,论证了通过空间滤波方法,实现留存目标的同时消除海杂波的可行性。

针对船载地波雷达海杂波展宽问题,徐兴安开展了浮标式地波雷达信号建模、海面回波谱建模和仿真、瞬态干扰抑制及运动补偿等几方面的研究。瞬态干扰方面,徐兴安提出了一种基于S变换的瞬态干扰检测方法,然后分析了浮标6–DOF运动对雷达回波信号的影响并进行了相应的补偿。

2006年,国磊为检测海上目标的方位信息,采用特征结构类算法来实现空间方位分辨中的Constrained MUSIC算法,此方法充分利用了海浪的方位先验信息来构造投影算子约束噪声子空间的估计,大大提高了目标分辨率和估计精度。 

2012年,孙明磊、谢俊好等人提出了基于导向矢量的斜投影的目标检测方法,并仿真验证了该方法的可靠性。仿真和实验表明,杂波可以通过斜投影的方法进行压缩。其他研究者对基于正交和斜投影的方法做了不同程度的改进。

2012年,谢俊好提出了时域级联空域正交加权的目标检测方案,采用空时自适应处理(STAP)算法对地波雷达海杂波进行抑制。对于正交加权处理可能出现的目标波束主瓣分裂的问题,提出了对两个分裂波瓣使用比幅测向的方法,并得到了较好的结果。

2016年,冀振元提出了JDL自适应算法,来对舰载地波雷达的海杂波进行抑制,并通过实验与仿真验证了该方法的可靠性。

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