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[導讀]高頻地波雷達是一種超視距雷達,利用垂直極化高頻電磁波沿海面(地表面)繞射傳播特性,高頻地波雷達能夠探測海平面視線一下的目標,因此也被稱為高頻超視距雷達,工作頻段為高頻段(3~30MHz)。高頻地波雷達不僅具備測量精度高、監測面積大、資源消耗較少的優點,同時由於高頻地波雷達架設在岸邊,系統工作基本上不受自然環境的影響,因此是一種能夠全天候對海洋進行實時監測的有效手段。高頻地波雷達不僅可以用於運動目標的探測,同時,利用布拉格反射機理,還可以從雷達回波譜中提取風浪流等海況信息。因此,在民用方面,高頻地波雷達在監測我國專屬經濟區、維護國家權益、保護海洋環境等方面發揮着重要的作用。此外,高頻地波雷達對於探測隱形目標具有潛在的效能(高頻地波雷達的工作頻率使目標隱形失效),而且能夠有效對抗反輻射導彈,生存能力比較強,因此在軍事方面也有着重要用途和巨大潛力。

高頻地波雷達是一種超視距雷達,利用垂直極化高頻電磁波沿海面(地表面)繞射傳播特性,高頻地波雷達能夠探測海平面視線一下的目標,因此也被稱為高頻超視距雷達,工作頻段為高頻段(3~30MHz)。高頻地波雷達不僅具備測量精度高、監測面積大、資源消耗較少的優點,同時由於高頻地波雷達架設在岸邊,系統工作基本上不受自然環境的影響,因此是一種能夠全天候對海洋進行實時監測的有效手段。高頻地波雷達不僅可以用於運動目標的探測,同時,利用布拉格反射機理,還可以從雷達回波譜中提取風浪流等海況信息。因此,在民用方面,高頻地波雷達在監測我國專屬經濟區、維護國家權益、保護海洋環境等方面發揮着重要的作用。此外,高頻地波雷達對於探測隱形目標具有潛在的效能(高頻地波雷達的工作頻率使目標隱形失效),而且能夠有效對抗反輻射導彈,生存能力比較強,因此在軍事方面也有着重要用途和巨大潛力。

 

圖1–1高頻地波雷達應用示意圖

相比於岸基雷達,船載高頻地波雷達不僅包含了其大部分功能,還具有更好的靈活性,探測範圍也更廣,因而有着更好的發展潛力。 然而,船載平台的運動會造成海雜波和目標點的展寬和偏移。相比於岸基雷達而言,船載雷達系統的陣列更加小型化,且陣列擺放位置需要適應船艙位置,使得RD譜圖更加嘈雜,大大降低了信噪比;不規則陣列的擺放更是也對目標方位角的估計造成困難;這些因素都嚴重影響了目標參數估計的精確度,因而需要對船載高頻地波雷達的目標檢測方法進行研究。

國內外研究現狀

超視距雷達最早應用於美、蘇冷戰時期。美、蘇雙方以探測對方的軍事動態為目的部署了數量不少的超視距雷達。1968年~1972年,工作於美國NOAA的Barrick提出了海面對無線電波的一階散射和二階散射的形成機制,形成了Bragg散射的理論體系,為超視距雷達的快速發展奠定了基礎[17]。目前,國內外機構對岸基高頻地波雷達的研究漸趨成熟。

隨着岸基高頻地波雷達的發展,將地波雷達放置於移動平台上進行探測是必然的發展趨勢。

上個世紀70年代起,國內外相繼展開運動平台實驗。1972年,Tyler等人在行駛的車上安裝信號接收設備,檢測羅蘭A的發射信號,獲取了有一階Bragg展寬的頻譜信號。1986年Barrick等人將HFSWR安裝在石油裝載平台上,對周邊海域進行,以此進行海浪譜的研究和分析[20]。1988年,Gurgel等人在挪威大陸架開展了地波雷達岸基聯合船載的海洋表面流監測實驗。

於國家層面上,英國和美國軍方都對船載地波雷達有過相關研究。

英國人最早對高頻地波雷達技術產生了興趣。1982年,英國海軍與馬可尼公司合作,進行船載地波雷達平台改造。後來在地中海地區對改造的巡洋艦艦載雷達進行了一系列試驗,該次試驗較為成功,對大型艦船、低空飛機、巡航導彈表現出很好的探測性能。四級海況下,該艦載雷達的探測距離約100 km、測距精度±2 km、測角精度±5°。

美國海軍1990年才開始了對船載地波雷達系統的研究。美國海軍在聖克萊門特島開展了第一次試驗,Lockheed Sanders子公司演示了他們的雷達系統對於遠距離、高度位於10米以上目標的探測能力。在這次試驗中,雷達系統未能提供精確的目標跟蹤信息,但能達到約1 km的距離分辨率及1~2度的方位精度,這滿足了早期預警需求(具有30秒的附加預警時間)。1995年,為了提高艦載雷達的性能,美國海軍同加拿大雷聲公司合作開發艦載雷達發射天線,進行了大量試驗。1996年1月桑得斯公司開始研製船載地波雷達系統樣機,並計劃1998年2月開始雷達系統的組裝與試驗。但後續進展目前還未見進一步報道[26]。

國內哈爾濱工業大學最早展開單基地船載高頻地波雷達的研究。他們在岸基地波雷達的研究基礎上,進一步優化了其系統的適應性與穩定性,並將其佈設在軍艦上[27][28],成功地研製出一套船載HFSWR系統。隨後又藉此開展了船載HFSWR對海上和空中目標的探測實驗,進而取得了大量珍貴的實驗數據;哈爾濱工業大學的謝俊好等人對船載HFSWR回波信號處理方法、目標檢測和船載HFSWR的海浪譜展寬機理等方面進行了較為深入的理論分析和實驗研究,並取得了豐碩的科研成果。

武漢大學參與了十二五重大海洋專項“浮標式高頻地波雷達系統研製”,在浮標平台上安裝高頻地波雷達,利用其超視距探測的特點,擴展了浮標的海洋探測能力,與十二五“分佈式組網高頻超視距雷達技術”一起共同構成高頻地波雷達近、中、遠海洋探測網絡。

2000年,西安電子科技大學的劉春波等對岸艦聯合多基地的HFSWR進行了基礎理論研究。西安電子科技大學的陳伯孝等人也開展了對艦載綜合脈衝孔徑高頻地波雷達的研究,該系統利用正交波形實現了接收陣元孔徑的等效擴展[36]。

 

圖1–2 Marconi 公司的艦載 HFSWR 示意圖

船載HFSWR的回波分析和目標檢測

移動平台地波雷達回波譜分析與仿真方面,最早可追溯到1972年地波雷達海雜波散射截面的研究。1972 年,Barrick 利用邊界擾動理論,推導出海浪回波的一階譜以及深水區的海雜波一階雷達散射截面的數學模型,奠定了地波雷達的發展基礎。20 世紀 80 年代以來,船舶運動模型的研究工作大量展開,日本的Hamamoto等人提出了以6–DOF來劃分船舶運動形態的方法,六自由度運動分別為橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩與垂蕩等幾種。於是,國內外學者們逐步開展了6–DOF的平台運動對HFSWR海浪回波特性影響的相關研究。

2001年,謝俊好等人又發現船載平台的前向運動將導致一階海雜波頻譜展寬。2005年,Wang等對運動平台在航行過程中出現的6–DOF進行了理論分析和仿真實驗。2008年,walsh等人在海雜波散射截面積理論的基礎上,根據電場理論求解出了浮動平台地波雷達海雜波散射截面積方程。2012年,Khoury等對在不同運動狀態下的船載HFSWR海浪回波信號和目標進行了理論分析[43]。

2010年~2012年, Walsh和Gill等對浮動平台HFSWR展開了研究,利用電磁波散射理論推導了關於浮動平台HFSWR海浪回波的一階、二階散射截面積方程[44][45]。2010至2012年間,Walsh等人推導了安裝在帶有搖擺運動的浮動平台上的天線的一階和二階高頻雷達橫截面。

而在2017年∼2018年間,謝俊好的團隊,分別結合浮動平台的水平震盪(橫蕩、縱蕩運動)運動,運動縱搖、橫搖運動進而推廣到6–DOF運動和前向運動分析了海面的一階和二階高頻地波雷達海雜波散射截面積。在他們的仿真中表明,水平振盪運動以及縱搖橫搖運動都會對多普勒頻譜具有額外的調製效果,在多普勒頻譜中會出現其他峯值。

船載地波雷達海雜波抑制與目標檢測方面。1999年,針對目標落入展寬海雜波的問題,高興斌利用合成孔徑原理,分析了船載高頻地波雷達海雜波展寬譜的性能,在此基礎上,論證了通過空間濾波方法,實現留存目標的同時消除海雜波的可行性。

針對船載地波雷達海雜波展寬問題,徐興安開展了浮標式地波雷達信號建模、海面回波譜建模和仿真、瞬態干擾抑制及運動補償等幾方面的研究。瞬態干擾方面,徐興安提出了一種基於S變換的瞬態干擾檢測方法,然後分析了浮標6–DOF運動對雷達回波信號的影響並進行了相應的補償。

2006年,國磊為檢測海上目標的方位信息,採用特徵結構類算法來實現空間方位分辨中的Constrained MUSIC算法,此方法充分利用了海浪的方位先驗信息來構造投影算子約束噪聲子空間的估計,大大提高了目標分辨率和估計精度。 

2012年,孫明磊、謝俊好等人提出了基於導向矢量的斜投影的目標檢測方法,並仿真驗證了該方法的可靠性。仿真和實驗表明,雜波可以通過斜投影的方法進行壓縮。其他研究者對基於正交和斜投影的方法做了不同程度的改進。

2012年,謝俊好提出了時域級聯空域正交加權的目標檢測方案,採用空時自適應處理(STAP)算法對地波雷達海雜波進行抑制。對於正交加權處理可能出現的目標波束主瓣分裂的問題,提出了對兩個分裂波瓣使用比幅測向的方法,並得到了較好的結果。

2016年,冀振元提出了JDL自適應算法,來對艦載地波雷達的海雜波進行抑制,並通過實驗與仿真驗證了該方法的可靠性。

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