林昭友

摘? ? 要：物探船為了能夠在白天、夜間、雨天、霧天等各種環(huán)境條件下作業(yè)時能及早發(fā)現(xiàn)前方的極小目標，以采取有效的避讓措施，保證科考作業(yè)的順利進行，有必要在船上安裝小目標雷達。

關鍵詞：極小目標;避開;雷達

中圖分類號：U665.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

Abstract： In order to discover the minimal target in front of the geophysical exploration vessel in navigating in the daytime， night， rainy day， foggy day and other environmental conditions as early as possible， then take effective measures to avoid collision， to ensure the smooth operation of the vessel and reduce unnecessary economic losses， it is necessary to install the small-target radar in the geophysical exploration vessel.

Key words： Minimal target; Avoidance; Radar

1? ? ?前言

物探船是一種海洋調查船，主要用于海洋地球物理勘探，包括海洋調查船、科學考察船、水文測量船、工程勘查船等。不同類型的物探船采用不同的物探方法，物探船中最主要的類型是地震船。

地震船通?？赏瑫r拖曳2～12條、每條長度可達8000 m的電纜。正常作業(yè)時，測線前方如出現(xiàn)漁船、漁網等障礙物時，要及時讓這些障礙物遠離測線范圍（可指揮護航船去驅離或清除）。如果不能讓其遠離測線，而迫使地震船要離開測線重新開始上線作業(yè)，則至少需要6個小時或更長時間，造成時間上的損失。如果遺漏了漁網等物體，使其纏繞到螺旋槳或者電纜上，輕則停船清理，重則損毀電纜導致測繪任務無法完成。如何及早發(fā)現(xiàn)海面上的漁船、漁網等小目標，確保生產作業(yè)順利完成，是擺在地震船面前的一道難題。

2? ? 小目標雷達的重要性

船用雷達是一種傳統(tǒng)的無線電導航設備，它通過發(fā)射電磁波和接收回波，對目標進行探測和測定目標信息。船用雷達在船舶近海定位、引導船舶進、出港、窄航道航行以及在避碰中發(fā)揮著重要作用。

物探船在沒有出現(xiàn)小目標雷達之前，搜索海上目標通常是依靠常規(guī)船用X-波段雷達和S-波段雷達。

對于高出海面1 m的航道標，X波段雷達散射截面積為1㎡，只要檢測距離達到2.0 n mile就算滿足規(guī)范要求。

普通導航雷達探測的是雷達散射橫截面面積（RCS）較大的目標;而地震船的作業(yè)區(qū)域則基本不在正常的航道或航線上，有時可能會位于漁區(qū)，而漁區(qū)除了有各種捕魚船外，漁船留下的漁網、魚位儀等更是星羅棋布，這些目標通常只是浮在水面或高出水面0.5 m左右。

當物探船處于作業(yè)工況時，為了保護物探設備的安全性，需要避開船舶航線上的小型障礙物，以免電纜、炮纜等遭受物理損傷，從而造成不必要的經濟損失。但是，傳統(tǒng)的導航雷達本身的重點是提前發(fā)現(xiàn)并避讓會影響航行安全的目標，無法完成近距離（0.1～2.0 nmile）、小體積（雷達散射截面≥0.1 m2、高度≥1 m）目標（如漁網、魚標等小目標）的探測。

小目標雷達能夠對海上目標，特別是極小目標（雷達散射截面≥0.1 m2，高度≥1 m）進行全自動近距離探測、跟蹤和識別。增加小目標雷達系統(tǒng)，不需要在羅經甲板增設雷達天線，即利用原有X波段導航雷達天線所收集到的原數(shù)據，通過新增加的一臺小目標雷達處理器（具有軟件算法和高達12bit（212）雷達視頻采樣卡）重新處理計算，以達到探測小目標的作用。

3? ? 小目標雷達的組成和工作原理

3.1? ?小目標雷達組成

主要有：顯示器、控制面板、主機、雷達接口單元、X-波段雷達天線、光電攝像頭、視頻轉換單元、軟件、視頻采集卡等。

3.2? ?工作原理

3.2.1雷達測距原理

Δt： 往返于天線與目標的時間;

C： 電磁波在空間傳播速度3×108 m/s;

R：雷達到目標距離R=1/2C×Δt? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? （1）

3.2.2雷達測向原理

借助于定向天線 進行掃描。

3.2.3 小目標雷達目標處理的特殊原理

小目標雷達探測小目標的特殊能力基于幾個方面：對視頻12 bit取樣的超高分辨;天線轉速;先進的回波圖像算法。

（1）12bit視頻電平取樣

對于一般的雷達視頻回波，電壓范圍為4Vp-p;12bit取樣意味著將4 V進行4 096等級取樣，等分為0.977 mV≈1mV。由圖1可知，如果是普通的導航雷達就會錯過這樣的微弱電平信號，進而丟失小目標，而只有對電平信號進行足夠高的分級取樣后才不會丟失目標。

（2）天線轉速

因轉速增加而增加的偵測頻率，使得跟蹤器的門限標準得以縮小，降低了因目標交錯、運動而引起的丟失目標的概率;，同時因為轉速增加而增加的偵測頻率，使得掃描平均和其它算法技術能夠進一步增強目標的信號、雜波比，因此高速旋轉的天線在目標檢測和跟蹤中起到重要的作用。

（3）先進的回波圖像算法

最多高達128 幅掃描（Scan）的連續(xù)回波圖像對比。對于普通雷達，由于內存和處理器的限制，以及算法上圖像相關性，一般只能做到16個Scan的連續(xù)圖像進行對比;而小目標雷達的連續(xù)掃描回波平均，最大程度上減少了同頻干擾和海面雜波，確保了小目標回波的準確性。多幅連續(xù)回波圖像相關性處理后得到的圖像示意圖，如圖2所示。

當然，船舶一直處于運動之中，為了補償因船舶移動而造成的圖像問題（如圖3），需要更準確位置（如差分GPS）、更快的位置及船首向的更新率、更高的天線轉速。

3.3? ?小目標雷達識別小目標的過程

小目標雷達收到X波段雷達的首向、方位、視頻、羅經、AIS、GPS、風速風向等同步信號，對收到的信號進行計算，利用遠高于導航雷達的視頻采集卡（12bit）和專用處理軟件，能捕捉導航雷達無法發(fā)現(xiàn)的小目標（如：漁網、小漁船、海上漂浮雜物、落水人員等）并顯示在屏幕上;配備的Flir紅外攝像頭，可根據小目標雷達的手動操作來轉向捕捉選定目標，也可以自動輪流且持續(xù)跟蹤多個目標;攝像頭配備的雙軸陀螺穩(wěn)定系統(tǒng)，確保即便船舶在顛簸時目標也出現(xiàn)在圖像中，同時預留了網絡接口，可以將視頻通過網絡分享出去。

4? ? 系統(tǒng)優(yōu)點和局限性

4.1? 系統(tǒng)優(yōu)點

（1）具有更高的采樣。同樣的視頻回波，小目標雷達采用2的12次方（即4 096位）電壓采樣;而普通雷達采用2的5、6次方（即32、64位）電壓采樣。采樣提升帶來了處理視頻數(shù)據的指數(shù)級的提升;

（2）具有特有的處理軟件。針對小目標專門優(yōu)化的Seaview軟件;

（3）小目標雷達在2級海況下（浪高0.5 m），可以在0.1～2.0 nmile的范圍內，探測到雷達反射面積（RCS）為0.1 m2或者高度為1 m的目標;

（4）通過雷達引導，采用紅外熱像等綜合光電技術，實現(xiàn)在霧天、晴天、星光、低照度等多種氣象條件下對特定目標的識別。室外攝像頭防水等級達到IPx6、水平360°連續(xù)無死角旋轉、+/-90°俯仰傾斜、帶雙軸陀螺穩(wěn)定，以確保圖像不因船舶自身的晃動而抖動，熱成像小船偵測距離≮2 nm;能夠以圖片或視頻方式記錄屏幕，并能以適當方式將記錄下來的文件從設備中導出并能用普通電腦進行查看，作為證據記錄;

（5）小目標雷達可以將目標回波分為4096級，而以256級灰度來表示回波的強弱。普通雷達無法對視頻信號做到4 096級的分辨率，所以顯示的回波強弱也沒有太多分級（一般用4級黃色來表示回波強弱）。而人眼對于灰色的強弱最為敏感，所以小目標雷達以256級（人眼分辨上限）來輔助操作者識別和分辨回波，在同樣距離下可以探測更小的目標;同樣的目標，比普通雷達探測距離更遠。

4.2? 系統(tǒng)局限性

小目標雷達是通過原有X波段導航雷達天線收集原數(shù)據的，所以它的局限性會受到X波段導航雷達天線的高度、天線的長度、脈沖長度和脈沖重復周期的影響，從而影響雷達的探測距離、測量精度、回波采樣和海浪抗干憂能力等。

5? ? 實踐效果

（1）提高作業(yè)效率。在工作過程中，特別是夜間、霧天、雨天或其他惡劣天氣，值班駕駛員能夠根據雷達顯示器上目標回波情況，準確、快速判斷出小目標的性質、類型、大小、數(shù)量，迅速調動護航船進行清除障礙物或轉向，確?？瓶荚O備和船舶安全，使科考任務順利進行。圖4圓圈內的目標是小目標雷達0.5 nmile檔捕捉到的水面小目標漂浮物，右側小框是小目標雷達通過紅外攝像頭顯示的該漂浮物附近水面實況;

（2）能夠跟蹤和識別水面科考設備的動態(tài)：如頭標、尾標、擴展器、維修水下設備的工作艇等動態(tài)，為科考工作順利進行保駕護航;

（3）有效減少經濟損失。可以避開漁網、魚標、漂浮的小物體等障礙物，避免電纜等水下設備損傷。

6? ? 結束語

小目標雷達通過光電攝像頭可以在顯示器上顯示出小目標的真實形狀，好像用眼睛看物體一樣明了，提醒值班駕駛員快速地作出反應，采取有效的避讓或清理措施，避免發(fā)生拖帶電纜、水下設備或螺旋槳等受損情況，造成不必要的損失，大大提高了經濟效益，受到船東和駕駛員的一致好評。今后，它將在物探船中得到廣泛的推廣應用。

參考文獻

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[4]劉德新，王志明.航海學（航海地文、天文和儀器）[M].北京：人民交通出版社， 2012.