關 鍵 劉寧波* 王國慶* 丁 昊 董云龍 黃 勇 田凱祥 張夢雨(海軍航空大學 煙臺 264001)(煙臺大學 煙臺 264005)

1 引言

海上航行安全、海上執(zhí)法、海上軍事行動等對海上目標的穩(wěn)健可靠探測提出了很高的要求，但海上船只目標種類繁多，分布于廣闊海域，重要航路上的船只目標密集分布，客輪、貨船和軍用船只等多種類型船只混雜在一起，準確檢測識別難度大。雷達作為海上目標探測的一種重要手段，關注的是目標及所處環(huán)境的電磁散射特性，包括雷達散射截面積，以及后向散射系數(shù)、近場電磁散射特性、寬帶特性、目標噪聲、極化散射特性等[1]?，F(xiàn)有海上目標散射特性研究主要以電磁散射計算為主，并逐步從目標自身特性過渡到目標與海面環(huán)境擾動反饋作用下的特性，為海上目標檢測識別研究提供了有力的理論支持。

由于海上目標繁雜多樣，目標特性在雷達對海上目標檢測中應用不充分[1]。現(xiàn)有雷達對海上目標檢測主要依賴于海雜波特性以及目標對海雜波特性影響，即目標散射回波能量或者通過相參/非相參積累的目標回波能量，需高出背景雜波能量一定水平，此時目標存在使海雜波特性發(fā)生顯著變化，通過量化這種變化實現(xiàn)目標檢測[2,3]。既然雷達對海上目標檢測依賴于海面與目標的物理差異，那么檢測不僅可以從背景雜波角度切入，還可以從目標特性角度切入，特征化表征海面與目標的物理差異，形成基于特征或特征組合的目標檢測方法[4,5]。這一研究方向需要大量海上目標實測數(shù)據(jù)的支持，目標屬性、位置、姿態(tài)等信息應具有準確標注，且在涵蓋目標電磁散射特性的基礎上，還應涵蓋目標的光學、聲學、磁場等多種物理場特性[1]，這里稱之為“海上目標特性數(shù)據(jù)”，這對海上目標探測試驗和典型海上目標數(shù)據(jù)常態(tài)化獲取提出了很高的要求，尤其是在海上目標非合作條件下，獲取目標多維數(shù)據(jù)、實現(xiàn)目標準確標注、高效管理并自動構建格式規(guī)范的數(shù)據(jù)集、建立多域特征/特征組合模型，是海上目標數(shù)據(jù)獲取與使用面臨的難點問題。

針對雷達海上目標探測技術研發(fā)和驗證對實測數(shù)據(jù)的迫切需求，海軍航空大學海上目標探測課題組提出一項“雷達對海探測數(shù)據(jù)共享計劃(Sea-Detecting Radar Data-Sharing Program,SDRDSP)”[6,7]，旨在利用X波段固態(tài)全相參雷達等多型雷達開展海上目標探測試驗，獲取不同海況、分辨率、擦地角條件下海雜波數(shù)據(jù)和海上目標回波數(shù)據(jù)，并同步獲取海洋氣象水文數(shù)據(jù)、目標位置與軌跡的真實數(shù)據(jù)，形成信息全記錄的雷達試驗數(shù)據(jù)集。截至2022年12月，“雷達對海探測數(shù)據(jù)共享計劃”已發(fā)布雷達對海探測數(shù)據(jù)5期13組，包括雷達天線凝視和掃描兩種模式下的海雜波與目標回波數(shù)據(jù)，配套的目標記錄信息主要為目標位置信息，如表1所示。

表1 已共享的雷達對海探測數(shù)據(jù)Tab.1 Shared sea-detecting radar data

為更好地支持海上目標檢測識別技術進步，課題組升級“雷達對海探測數(shù)據(jù)共享計劃(SDRDSP)”，構造“海上目標特性數(shù)據(jù)集”，通過海上目標雷達觀測數(shù)據(jù)獲取、海上目標多源觀測切片數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)集構建與使用共3個步驟初步構建海上目標特性數(shù)據(jù)的獲取、整編與使用的框架流程，解決目標多維數(shù)據(jù)獲取、標注、管理和建模等核心問題，并在常態(tài)化運行過程中持續(xù)豐富目標數(shù)據(jù)集。本文內容屬于第1步驟，即以航道浮標、不同RCS球形散射器、錨泊船只等海上目標為觀測對象，構建海上目標雙極化多海況散射特性數(shù)據(jù)集，且數(shù)據(jù)均為凝視長時觀測獲取，以更好地支持海上目標特性研究。

2 海上目標散射特性數(shù)據(jù)長時采集試驗

為支持海上目標特性數(shù)據(jù)采集，課題組升級了已有的X波段試驗雷達[6,7]和相應的數(shù)據(jù)采集設備，提升雷達不同極化方式和高海況下凝視探測能力，擴展了目標特性數(shù)據(jù)采集試驗點，具備多視角測量同一目標數(shù)據(jù)的能力，增加了氣象水文輔助數(shù)據(jù)獲取源，提高數(shù)據(jù)時間/空間分辨率。在此基礎上，2022年11月12日至15日開展了HH與VV極化雷達多海況(覆蓋2—5級海況)長時連續(xù)觀測海上目標試驗，試驗時兩部雷達架設于同一位置，架設高度錯開約1.5 m (HH極化雷達在下，VV極化雷達在上)，二者同時工作，采集目標特性數(shù)據(jù)(雷達中頻回波數(shù)據(jù))，根據(jù)數(shù)據(jù)協(xié)議解析數(shù)據(jù)，并完成正交解調、脈沖壓縮(僅對LFM發(fā)射波形做此處理)、數(shù)據(jù)截取與目標位置標注等預處理，構建形成海上目標雙極化多海況散射特性數(shù)據(jù)集。

2.1 HH與VV極化X波段試驗雷達

本試驗中所使用雷達為兩部定制型X波段固態(tài)功放試驗雷達，如圖1所示，兩部雷達的極化方式分別為HH極化和VV極化，HH極化雷達的天線長度約為2.0 m，VV極化雷達的天線長度約為2.5 m。相比于原有用于對海探測試驗的X波段雷達[1]，發(fā)射功率由50 W提升至100 W，極化方式由HH極化升級為HH和VV極化，天線工作模式增加了固定指向模式(凝視觀測模式)，可通過雷達終端控制天線指向任意方位，在5級海況條件下天線凝視方向穩(wěn)定、指向精準，雷達詳細技術參數(shù)如表2所示，組合脈沖的3種模式示意如圖2所示，根據(jù)雷達工作量程的不同，雷達自動選定不同的發(fā)射波形組合模式。本文提及的數(shù)據(jù)，采集時雷達工作于圖2所示的模式2，即只發(fā)射T1單頻信號(脈寬為150 ns)和T2 LFM信號(脈寬為8 μs)，T1波形距離分辨率為22.5 m，T2波形信號帶寬為25 MHz，距離分辨率為6 m。采集數(shù)據(jù)時，兩部試驗雷達架設于同一位置，高度錯開，凝視觀測海上固定區(qū)域和指定目標，支持海雜波特性分析、抑制和目標檢測技術研究。

表2 X波段試驗雷達參數(shù)Tab.2 Parameters of X-band experimental radars

圖1 兩部X波段固態(tài)全相參雷達Fig.1 Two X-band solid-state fully coherent radars

圖2 組合脈沖發(fā)射的3種模式Fig.2 Three modes of combined pulse emission

2.2 雷達中/視頻數(shù)據(jù)采集設備

數(shù)據(jù)采集使用課題組自研的HD-LD-CJ-22型便攜式雷達中/視頻數(shù)據(jù)采集設備，如圖3所示。該采集設備由采集模塊和上位機軟件組成，升級后，采集模塊具備4個采集通道，支持2部相參雷達同步采集，每個通道可實現(xiàn)14 bit量化，具備120 MSPS的峰值采樣能力和80 MB/S的連續(xù)不間斷存儲能力，具有3路TTL電平信號、2收2發(fā)RS232信號、4收RS422信號接口，可用于接入試驗輔助設備數(shù)據(jù)。上位機軟件可實現(xiàn)全量程和自定義波門采樣，二進制數(shù)據(jù)文件可按預設文件大小自動分割與存儲，采集數(shù)據(jù)文件命名格式為20221220153023_stare/cirscan/secscan(年/月/日/小時/分鐘/秒/天線工作模式)，天線工作模式包括stare(天線凝視某一方位)、cirscan(天線圓周掃描)和secscan(天線扇形掃描)3種。采集設備還可通過串口與網絡接口記錄AIS、雷達輸出點/航跡等數(shù)據(jù)。

圖3 HD-LD-CJ-22型雷達數(shù)據(jù)采集設備與顯控軟件Fig.3 HD-LD-CJ-22 radar data acquisition and control software

2.3 試驗場地擴展

為便于海上目標特性數(shù)據(jù)獲取，將現(xiàn)有試驗場地拓展為2個試驗點位，如圖4所示，在現(xiàn)有煙臺第一海水浴場旁固定試驗點(試驗點1)基礎上，充分發(fā)揮芝罘灣得天獨厚的地理優(yōu)勢，新建芝罘島試驗場(試驗點2)，在地理位置上與試驗點1的觀測角度互補，提升了多雷達多角度同時觀測同一場景同一目標的試驗能力。同時，海上目標包括客輪、油輪、貨輪、集裝箱船、海上養(yǎng)殖平臺、海警船、救援船等中大型目標，以及近岸漁船、小型快艇、航道浮標等，海面上目標類型豐富，為雷達目標特性數(shù)據(jù)采集提供了便利的條件。

圖4 環(huán)芝罘島試驗場俯瞰圖Fig.4 Overview of the Zhifu island test site

試驗點1 位于煙臺第一海水浴場旁，試驗場地距離海邊的直線距離約200 m，架高約為80 m，雷達對海視野范圍約180°，可測得明顯海雜波數(shù)據(jù)的擦地角范圍為0.3°～6.0°。

試驗點2 位于煙臺芝罘島北島東頭，試驗場地距離海邊的直線距離約50 m，海拔約25 m，雷達對海視野范圍大于180°，可測得明顯海雜波數(shù)據(jù)的擦地角范圍為0.3°～15.0°。

2.4 試驗輔助數(shù)據(jù)

在海上目標特性數(shù)據(jù)采集試驗過程中，海洋環(huán)境數(shù)據(jù)的同步記錄十分重要，一方面形成“信息全記錄的海上目標特性數(shù)據(jù)”可以重演海洋環(huán)境基本信息；另一方面，可以推進海上目標特性、目標特性分析和目標檢測等技術研究的精細化。2022年11月12日至15日開展試驗期間，數(shù)據(jù)連續(xù)采集超過70 h，海況等級由4級升至5級，又降至2級，配試目標和氣象水文數(shù)據(jù)詳情如下。

(1) 配試目標(航道浮標)信息

燈浮標1，距離雷達架設點2.97 n mile，方位為10.7°，狀態(tài)為錨定漂浮。形狀特征為紅色柱形，罐形頂標，鋼材質，浮體直徑為2.4 m，海面以上高度約4.1 m，如圖5(a)所示。

燈浮標2，距離雷達架設點3.19 n mile，方位為10.7°，狀態(tài)為錨定漂浮。形狀特征為綠色柱形，錐形頂標，鋼材質，浮體直徑為2.4 m，海面以上高度約4.1 m，如圖5(b)所示。

圖5 航道浮標Fig.5 Channel buoy

試驗期間，兩雷達一直凝視航道浮標所在方位，但由于航道浮標為錨定漂浮狀態(tài)，在高海況下其隨浪起伏明顯，且在浪向影響下位置可能會有小距離偏移，使得在雷達上觀測航道浮標時，回波起伏明顯。

(2) 氣象水文信息

雷達對海探測試驗需記錄風、浪等海洋環(huán)境要素信息，風要素的信息主要包括風速、風向等；浪要素信息主要包括浪高、浪向、波速、浪周期等。本次試驗獲取的氣象水文數(shù)據(jù)，包括試驗期間通過海洋預報APP人工實時記錄的數(shù)據(jù)和NetCDF數(shù)據(jù)(.nc數(shù)據(jù))[6]。

2022年11月12日至15日試驗期間，海況等級是由低到高、再由高到低的演變過程。數(shù)據(jù)開始記錄時，浪高為1.8 m中浪，4級海況；數(shù)據(jù)記錄結束時，浪高為0.4 m輕浪，2級海況，于2022年11月13日出現(xiàn)最高風速16.7 m/s，最高浪高2.8 m，大浪，5級海況，上述記錄數(shù)據(jù)來自海洋預報APP，數(shù)值每3小時更新一次，其海浪與海風要素的數(shù)據(jù)源為美國全球預報系統(tǒng)。

更為詳細的風、浪要素信息，通過NetCDF數(shù)據(jù)文件解析得到[6]，如圖6所示，其時間分辨率為15 min。

圖6 試驗海域氣象水文數(shù)據(jù)(NC數(shù)據(jù))Fig.6 Meteorological and hydrological data of the test sea area (NC data)

2.5 海上目標散射特性數(shù)據(jù)集示例

海上目標散射特性數(shù)據(jù)集，涵蓋了2～5級連續(xù)變化的海況，且為HH與VV兩種極化雷達同時觀測海上同一目標，相比于IPIX雷達數(shù)據(jù)[8]和CSIR雷達數(shù)據(jù)[9]，對海面和目標的觀測時間長且持續(xù)，能夠反映二者在不同極化下特性的連續(xù)變化特點和異同。為便于發(fā)布共享，從2022年11月12日14:00至15日08:00，每間隔1小時截取1組HH與VV極化數(shù)據(jù)，共計142組數(shù)據(jù)(HH與VV極化數(shù)據(jù)各71組，每組數(shù)據(jù)持續(xù)時間為65.536 s)，構成海上目標(2個航道浮標，詳見圖5)雙極化多海況散射特性數(shù)據(jù)集，數(shù)據(jù)集概況如表3所示。

表3 海上目標散射特性數(shù)據(jù)集概況表Tab.3 Summary table of sea target scattering characteristics dataset

本節(jié)從中選取HH和VV極化雷達各4組示例測量數(shù)據(jù)，如表4所示，對應的海況等級分別是2～5級，并給出時域原始回波數(shù)據(jù)和目標所在距離單元的時頻譜圖。圖7給出了HH極化下2～5級海況雷達回波原始數(shù)據(jù)圖和目標單元時頻譜圖，圖8給出了VV極化下2～5級海況雷達回波原始數(shù)據(jù)圖和目標單元時頻譜圖，計算時，取目標所在距離單元的采樣點序列，長度為217點，數(shù)據(jù)分段長度為1024點，相鄰數(shù)據(jù)段之間重疊64點，采用短時傅里葉變換，加切比雪夫窗，得到時頻譜。限于篇幅，這里并未將目標回波所占據(jù)距離單元的數(shù)據(jù)全部展示。

3 實測數(shù)據(jù)特性分析

3.1 幅度分布特性分析

本節(jié)主要分析表4所示數(shù)據(jù)中海雜波幅度的統(tǒng)計分布特性。海雜波作為海上目標檢測的背景，其幅度分布特性直接影響目標CFAR檢測方法的應用。圖9給出了2～5級海況下HH和VV極化海雜波數(shù)據(jù)的經驗概率密度函數(shù)(Probability Density Function,PDF)，以及K分布和對數(shù)正態(tài)分布對經驗PDF的擬合結果。繪制圖9所示的經驗PDF曲線時，表4中每一組數(shù)據(jù)均取T2脈沖數(shù)據(jù)的第20采樣點，對應的雷達探測距離為4302.5 m，雷達架高按80 m計，則擦地角約為1.07°，參與統(tǒng)計的數(shù)據(jù)長度為217，由圖9可以看出，在兩種極化條件下，隨著海況等級升高，海雜波幅度分布的“拖尾”越來越重，在4～5級海況時，“拖尾”尤為明顯。圖9還給出了兩種常見的拖尾分布模型——K分布和對數(shù)正態(tài)分布的擬合效果，直觀觀察可發(fā)現(xiàn)，海況等級高時，“拖尾”部分的擬合效果越好，海況等級低時擬合效果相對較差。這是因為，所取數(shù)據(jù)對應的距離處，在低海況下海雜波能量弱，“拖尾”現(xiàn)象不明顯。此外還發(fā)現(xiàn)，無論HH還是VV極化條件下，K分布模型對拖尾部分的擬合效果優(yōu)于對數(shù)正態(tài)分布，對海上目標散射特性數(shù)據(jù)集中其他數(shù)據(jù)分析也可以得到類似的結論。

圖9 海雜波單元幅度分布擬合結果Fig.9 Amplitude distribution fitting results of sea clutter bins

表4 2－5級海況HH與VV極化雷達示例數(shù)據(jù)Tab.4 Sample data of HH and VV polarized radars in level 2－5 sea states

3.2 時間與空間相關性分析

本節(jié)時間相關性分析包括海雜波單元和目標單元的時間相關性，空間相關性主要是指距離維(徑向)空間相關性。時間相關性分析可反映海雜波與目標單元的強相關時間差異，支持目標檢測中相參積累時間的合理設定；空間相關性分析可反映雷達回波的空間強相關距離，其對于目標CFAR檢測中參考單元設定具有指導作用。這里提及的強相關時間和強相關距離，均采用1/e作為門限，即時間自相關系數(shù)大于1/e時所對應的相關時間為強相關時間；空間自相關系數(shù)大于1/e時所對應的相關距離為強相關距離。對于時間/空間自相關系數(shù)曲線與1/e有多個交點(即存在多值解)的情況，則取最小值解作為強相關時間/距離。

圖10給出了HH和VV極化條件下2～5級海況海雜波和目標單元的自相關系數(shù)曲線，對比可知，4,5級海況下海雜波的強相關時間在幾毫秒量級，VV極化下強相關時間與HH極化相當，2,3級海況下HH極化海雜波相鄰距離單元的相關性很弱，而VV極化下海雜波的強相關時間也在幾毫秒量級，VV極化下強相關時間長于HH極化，這是因為在2,3級海況下所選距離單元處HH極化海雜波能量弱，雜噪比約為3 dB，其時間相關性類似于白噪聲的時間相關性，而此距離處VV極化海雜波能量要強于HH極化，雜噪比約為12 dB，從而呈現(xiàn)一定的時間相關性。4,5級海況下目標單元的強相關時間在幾毫秒量級，2,3級海況下目標單元的強相關時間在幾十毫秒量級，且VV極化下強相關時間略長于HH極化。這是因為4,5級海況下目標(航道浮標)隨浪起伏嚴重，且目標所在分辨單元內雜波能量也比較強，受此影響，目標單元與海雜波單元的強相關時間十分接近，而在2,3級海況下，海雜波能量弱，且目標起伏較為平緩，此時目標在幾十毫秒的時間尺度內呈現(xiàn)強相關性。

圖10 海雜波與目標單元時間相關性Fig.10 Time correlation of sea clutter and target bin

圖11給出了HH和VV極化條件下2～5級海況海雜波的距離維空間相關系數(shù)曲線，觀察可知，海雜波的空間強相關距離為12 m左右，HH與VV極化下無明顯差異，不同海況等級下也十分接近。考慮到發(fā)射脈沖為T2時，雷達的距離分辨率為6 m，因此，當間隔距離超過2個距離分辨單元時，距離維空間相關性很弱。這里需說明的是，圖11中存在相鄰采樣點空間相關性很強的情況，這主要是因為距離向采樣有冗余，一個距離單元中采集了多個采樣點，其本質上描述的是同一個距離單元的回波。

圖11 距離維空間相關性Fig.11 Spatial correlation of distance dimension

3.3 多普勒譜特性分析

圖12(a)和圖12(b)給出了HH與VV極化條件下2～5級海況目標單元(浮標1)數(shù)據(jù)的時頻譜圖，圖12(a)中2～5級海況下所選取的采樣點數(shù)分別為508,506,498,507，圖12(b)中2～5級海況下所選取的采樣點數(shù)分別為508,506,503,507。時頻譜計算采用短時傅里葉變換加切比雪夫窗得到，數(shù)據(jù)分段長度為1024點，相鄰數(shù)據(jù)段之間重疊64點。由時頻譜圖可知，由于目標為漂浮目標，其多普勒頻率主要在零附近波動，在2,3級海況下隨時間起伏較為平緩，在4,5級海況下隨時間起伏劇烈。此外，通過4,5級海況時頻譜也可以看出，目標距離單元回波是目標回波與海雜波耦合的結果，海雜波多普勒譜能量主要集中于低頻帶范圍內，且具有時變非平穩(wěn)特性，VV極化海雜波能量高于HH極化；目標多普勒譜能量較為集中，展寬較小，在海面擾動作用下，多普勒譜隨時間起伏變化，海況等級越高，起伏越明顯，在時頻平面上呈一條蛇形曲線。進一步，圖12(c)和圖12(d)給出了2級海況下目標單元時頻譜的局部放大圖，圖中黑色橢圓標記的區(qū)域為目標回波多普勒旁瓣，其主要在零多普勒頻率附近出現(xiàn)強散射點時出現(xiàn)，且HH極化比VV極化更明顯，考慮航道浮標的形狀特點分析其原因，應是與目標在海面起伏時在相應時刻出現(xiàn)類似于角反射器的強散射結構有關，且在HH極化下其散射回波能量更強。

圖12 目標單元(浮標1)時頻譜Fig.12 Time spectrum of target bins (buoy 1)

4 結語

海洋環(huán)境復雜多變，海上目標繁雜多樣，海上目標準確可靠地檢測識別，需要豐富的目標與環(huán)境數(shù)據(jù)作為支撐。為逐步解決海上目標散射特性數(shù)據(jù)不足的問題，海軍航空大學海上目標探測研究團隊依托“雷達對海探測數(shù)據(jù)共享計劃”建設海上目標特性數(shù)據(jù)集，按海上目標雷達觀測數(shù)據(jù)獲取、海上目標多源觀測切片數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)集構建與使用3個步驟，初步形成海上目標電磁散射特性數(shù)據(jù)集，為后續(xù)海上目標類型持續(xù)豐富奠定基礎。本文對應3個步驟中的第1步驟，通過擴展雷達目標觀測的物理維度、提升雷達及輔助數(shù)據(jù)采集能力，支持獲取不同極化方式、海況等級下的海上目標及環(huán)境數(shù)據(jù)，并分析其幅度分布特性、時間與空間相關特性、多普勒譜特性，為海上目標電磁散射特性數(shù)據(jù)使用提供參考。

致謝海上目標散射特性數(shù)據(jù)集在整理與預處理過程中得到了煙臺大學研究生劉言、郭慶梅、楊詩曼、韓喆璇、于樂凱和謝政的大力支持，在此表示感謝。

附錄

海上目標散射特性數(shù)據(jù)集繼續(xù)依托雷達學報官方網站進行公開共享，142組實測數(shù)據(jù)(HH極化和VV極化數(shù)據(jù)各71組)及相應的試驗數(shù)據(jù)報告，已上傳至雷達學報官網“數(shù)據(jù)/雷達對海探測數(shù)據(jù)”板塊中(如附圖1所示)，具體網址為http://radars.ie.ac.cn/web/data/getData?dataType=DatasetofRadarDetectingSea。

附圖 S1 雷達對海探測數(shù)據(jù)2022年第1期——海上目標散射特性數(shù)據(jù)集App.Fig.S1 Sea-detecting radar data 2022 phase 1－－Sea target scattering feature dataset

海上目標種類多、數(shù)量多，數(shù)據(jù)積累需要長期堅持。海軍航空大學海上目標探測課題組將長期系統(tǒng)開展海上目標數(shù)據(jù)采集試驗，以持續(xù)增加海上目標的種類和數(shù)量，并定期在“數(shù)據(jù)/雷達對海探測數(shù)據(jù)”板塊中更新。