劉寧波 丁 昊② 黃 勇 董云龍 王國慶 董 凱③

①(海軍航空大學(xué)信息融合研究所 煙臺 264001)

②(軍事科學(xué)院國防科技創(chuàng)新研究院 北京 100071)

③(中國電子科學(xué)研究院 北京 100041)

1 引言

海用雷達(dá)在對海上目標(biāo)探測過程中易受海雜波影響，高海況、復(fù)雜氣象條件下尤為嚴(yán)重。開展海雜波特性、海雜波抑制、海上目標(biāo)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(biāo)回波實(shí)測數(shù)據(jù)，海軍航空大學(xué)海上目標(biāo)探測課題組于2019年提出一項(xiàng)“雷達(dá)對海探測數(shù)據(jù)共享計劃”[6]，旨在利用X波段固態(tài)全相參雷達(dá)等多型雷達(dá)開展對海探測試驗(yàn)，獲取不同海況、分辨率、擦地角條件下海雜波數(shù)據(jù)和海上目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，并同步獲取海洋氣象水文數(shù)據(jù)、目標(biāo)位置與軌跡的真實(shí)數(shù)據(jù)，形成信息全記錄的雷達(dá)試驗(yàn)數(shù)據(jù)集。

2020年度主要開展了3個方面的多次試驗(yàn)，包括目標(biāo)雷達(dá)散射截面積(Radar Cross-Section,RCS)定標(biāo)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)、不同海況海雜波與目標(biāo)探測數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)、海上機(jī)動目標(biāo)檢測跟蹤數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)。下面針對每個方面的試驗(yàn)進(jìn)行介紹，并給出典型數(shù)據(jù)示例。

2 目標(biāo)RCS定標(biāo)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

目標(biāo)RCS定標(biāo)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，主要是在海上投放定標(biāo)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(biāo)體沿雷達(dá)徑向慢速往返運(yùn)動，在沿途部分位置點(diǎn)靜止(漂浮)，雷達(dá)工作模式固定不變，采集試驗(yàn)全程的雷達(dá)與配合傳感器數(shù)據(jù)。

如圖1所示，試驗(yàn)期間，雷達(dá)架設(shè)地點(diǎn)為煙臺養(yǎng)馬島試驗(yàn)點(diǎn)[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(yùn)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(dá)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(shè)定海上航線的部分位置點(diǎn)(見圖1所示航線中的黃色圓點(diǎn))處靜止(漂浮)，此時調(diào)整了雷達(dá)天線轉(zhuǎn)速，采集多種轉(zhuǎn)速條件下的雷達(dá)數(shù)據(jù)。試驗(yàn)期間海面狀態(tài)如圖2(f)所示，對應(yīng)的氣象水文數(shù)據(jù)如圖3所示，紅色原點(diǎn)與試驗(yàn)時段相對應(yīng)，每15 min更新一次，綜合判斷海況等級為1級。

圖2 試驗(yàn)場景Fig.2 Experimental scenario

圖3 浪(有效波高、浪向、周期、浪速)和風(fēng)(風(fēng)向、風(fēng)速)要素信息(紅色標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)試驗(yàn)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(yàn)雷達(dá)具體參數(shù)請見文獻(xiàn)[6]，此處不再贅述。試驗(yàn)期間，定標(biāo)體在較近距離時雷達(dá)工作于3 nm量程，脈沖重復(fù)頻率(Pulsed Repetitive Frequency,PRF)為3 kHz；定標(biāo)體在較遠(yuǎn)距離時雷達(dá)工作于6 nm量程，PRF為1.6 kHz。整個試驗(yàn)過程中，雷達(dá)主要工作于2 r/min的掃描速度，在目標(biāo)靜止(漂浮)時天線轉(zhuǎn)速有所調(diào)整。雷達(dá)工作模式調(diào)整與采集雷達(dá)數(shù)據(jù)對應(yīng)的情況，在與數(shù)據(jù)配套的數(shù)據(jù)記錄表中有詳細(xì)對照說明。由于雷達(dá)轉(zhuǎn)速較慢，單次掃描周期的數(shù)據(jù)量大，這里僅給出了目標(biāo)所在扇區(qū)的回波數(shù)據(jù)，示例數(shù)據(jù)如圖4所示。

試驗(yàn)過程中，還同步獲取了漁船的自動定位系統(tǒng)(Automatic Identification System,AIS)數(shù)據(jù)(MMSI:413659899，見表1)，以及雷達(dá)視野內(nèi)其他非合作船只目標(biāo)的AIS數(shù)據(jù)。由于試驗(yàn)中所使用AIS設(shè)備自身原因，數(shù)據(jù)更新率為每次2～6 min，因此，AIS給出的位置信息與雷達(dá)給出的位置信息并不嚴(yán)格同步，在數(shù)據(jù)使用中可通過插值實(shí)現(xiàn)時空信息同步。

3 海雜波與目標(biāo)探測數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

海雜波與目標(biāo)探測數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，主要是采集不同海況等級條件下的海雜波數(shù)據(jù)、海上船只目標(biāo)數(shù)據(jù)。此試驗(yàn)以天線凝視觀測模式為主，采集不同方位下的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)。

圖4 典型數(shù)據(jù)示例Fig.4 Typical data examples

試驗(yàn)期間，雷達(dá)架設(shè)地點(diǎn)為煙臺第1海水浴場試驗(yàn)點(diǎn)，如圖5所示，架高約為80 m，在不同海況等級等環(huán)境下，調(diào)整雷達(dá)天線凝視的方位，凝視海面錨泊船只或航道浮標(biāo)，采集幾秒至幾分鐘時長不等的雷達(dá)凝視模式數(shù)據(jù)。采集數(shù)據(jù)時雷達(dá)工作量程為3 nm,6 nm，對應(yīng)的PRF分別為3.0 kHz,1.6 kHz。

表1 配試船只目標(biāo)AIS數(shù)據(jù)示例Tab.1 The sample AIS data of the experimental boat

采集數(shù)據(jù)列表如表2所示。前7組數(shù)據(jù)均為天線凝視模式數(shù)據(jù)，由于采集數(shù)據(jù)期間，風(fēng)速較大，雷達(dá)天線凝視方位隨風(fēng)有輕微偏移，具體偏移情況從雷達(dá)數(shù)據(jù)頭中的“方位”信息位中可以得到；第8組數(shù)據(jù)為天線掃描模式數(shù)據(jù)，其中方位143°～274°范圍內(nèi)為發(fā)射屏蔽區(qū)，此區(qū)域內(nèi)雷達(dá)發(fā)射靜默。此外，掃描模式數(shù)據(jù)還有配套的AIS數(shù)據(jù)，但由于試驗(yàn)時海況等級較高，所有船只均回港避風(fēng)，因此無運(yùn)動目標(biāo)，僅有錨泊的船只和航道浮標(biāo)兩類目標(biāo)。

典型的海雜波數(shù)據(jù)、海雜波+目標(biāo)數(shù)據(jù)如圖6(a)—圖6(d)所示，限于篇幅，這里僅給出兩組實(shí)測數(shù)據(jù)的時域原始回波與多普勒譜。

4 海上機(jī)動目標(biāo)檢測跟蹤數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)

海上機(jī)動目標(biāo)檢測跟蹤數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，主要是利用小型快艇作為配試目標(biāo)，沿預(yù)定航線運(yùn)動，并在某些特定位置點(diǎn)進(jìn)行機(jī)動，雷達(dá)工作于掃描模式，采集試驗(yàn)全程的雷達(dá)與配合傳感器數(shù)據(jù)。

試驗(yàn)期間，雷達(dá)架設(shè)地點(diǎn)為煙臺第1海水浴場試驗(yàn)點(diǎn)，架高約為80 m，如圖5所示。雷達(dá)工作于6 nm量程、24 r/min的掃描模式，PRF為1.6 kHz。試驗(yàn)時間為14:32—15:18，共采集1186個連續(xù)掃描周期數(shù)據(jù)，雷達(dá)工作模式調(diào)整與采集雷達(dá)數(shù)據(jù)對應(yīng)的情況，在與數(shù)據(jù)配套的數(shù)據(jù)記錄表中有詳細(xì)說明。典型試驗(yàn)數(shù)據(jù)示例如圖7所示，試驗(yàn)期間風(fēng)和浪要素數(shù)據(jù)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(biāo)探測試驗(yàn)場景Fig.5 Sea clutter and target detection experimental scenario

表2 海雜波與目標(biāo)回波數(shù)據(jù)列表Tab.2 List of sea clutter and target echo data

圖6 海雜波、目標(biāo)回波典型數(shù)據(jù)示例Fig.6 Typical sea clutter and target echo data

配試目標(biāo)為約10 m長小型快艇，如圖9所示，沿預(yù)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(shí)際航線與預(yù)定航線有偏差?？焱习惭b了AIS設(shè)備，具體位置信息可查閱AIS數(shù)據(jù)(MMSI:413659899)，如表3所示。此外，試驗(yàn)時還同步記錄了雷達(dá)視野內(nèi)非合作目標(biāo)的AIS信息，可用作參考。

圖8 浪(有效波高、浪向、周期、浪速)和風(fēng)(風(fēng)向、風(fēng)速)要素信息(紅色標(biāo)點(diǎn)對應(yīng)試驗(yàn)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(biāo)Fig.9 Experimental target

圖10 設(shè)定航線Fig.10 Set trajectory

5 總結(jié)

“雷達(dá)對海探測數(shù)據(jù)共享計劃”2020年度完成了雷達(dá)目標(biāo)RCS定標(biāo)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)、不同海況海雜波與目標(biāo)探測數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)、海上機(jī)動目標(biāo)檢測跟蹤數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)3個方面的多次試驗(yàn)，獲取了不同海況、目標(biāo)以及雷達(dá)工作模式下的海雜波與目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，并同步獲取了風(fēng)和浪要素數(shù)據(jù)、目標(biāo)AIS數(shù)據(jù)、可見光/紅外數(shù)據(jù)等配合傳感器數(shù)據(jù)。同時在試驗(yàn)過程中也發(fā)現(xiàn)了一些問題，例如目標(biāo)AIS信息更新率過慢，導(dǎo)致將目標(biāo)AIS數(shù)據(jù)作為真值數(shù)據(jù)使用時，與雷達(dá)數(shù)據(jù)存在嚴(yán)重的數(shù)據(jù)時空不匹配；可見光/紅外設(shè)備數(shù)據(jù)在惡劣天氣下獲取圖像不清晰或難以獲取遠(yuǎn)距離目標(biāo)圖像；現(xiàn)有雷達(dá)在高海況、惡劣天氣下天線凝視方位不穩(wěn)定等問題，后續(xù)還需不斷解決。

表3 配試船只目標(biāo)AIS數(shù)據(jù)示例Tab.3 The sample AIS data for experimental boat

附錄

X波段雷達(dá)對海探測實(shí)測數(shù)據(jù)的公開共享將依托雷達(dá)學(xué)報官方網(wǎng)站進(jìn)行，試驗(yàn)數(shù)據(jù)于每次試驗(yàn)后上傳至“數(shù)據(jù)/雷達(dá)對海探測數(shù)據(jù)”頁面中(如附圖1所示)，具體網(wǎng)址為http://radars.ie.ac.cn/web/data/getData?dataType=DatasetofRadarDetecting-Sea，數(shù)據(jù)將根據(jù)對海探測試驗(yàn)進(jìn)度定期更新。

2020年度對海探測實(shí)測數(shù)據(jù)量巨大，因此截取具有代表性的試驗(yàn)段數(shù)據(jù)分3期發(fā)布，數(shù)據(jù)發(fā)布信息表如附表1所示。

第1期主要發(fā)布海雜波與目標(biāo)凝視模式探測數(shù)據(jù)，分為兩組，包括純海雜波數(shù)據(jù)、海雜波+目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量約17 GB；第2期主要發(fā)布雷達(dá)目標(biāo)RCS定標(biāo)試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供下載的數(shù)據(jù)為截取的配試船拖不銹鋼球向雷達(dá)運(yùn)動階段的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量大于20 GB；第3期主要發(fā)布海上機(jī)動目標(biāo)檢測跟蹤試驗(yàn)數(shù)據(jù)，提供下載的數(shù)據(jù)是截取的配試快艇沿圖10所示航線中右上方第1個圓運(yùn)動的數(shù)據(jù)，數(shù)據(jù)量不低于40 GB。

附圖 1 雷達(dá)對海探測數(shù)據(jù)發(fā)布地址App.Fig.1 Release address of sea-detecting radar data

附表 1 2020年度數(shù)據(jù)發(fā)布信息表App.Tab.1 Annual data release information table of 2020