高頻地波雷達(dá)發(fā)展動向與分析＊

(海軍駐中南地區(qū)光電系統(tǒng)軍事代表室 武漢 430074)

1 引言

高頻地波雷達(dá)利用短波(3～30MHz)在導(dǎo)電海洋表面繞射傳播衰減小的特點(diǎn),采用垂直極化天線輻射電波,能超視距探測海平面視線以下出現(xiàn)的艦船、飛機(jī)、冰山和導(dǎo)彈等運(yùn)動目標(biāo)(如圖1所示)。同時,高頻地波雷達(dá)利用海洋表面對高頻電磁波的一階散射和二階散射機(jī)制,可以從雷達(dá)回波中提取風(fēng)場、浪場、流場等海況信息,實(shí)現(xiàn)對海洋環(huán)境的監(jiān)測。其具有：1)超視距。利用短波在導(dǎo)電海洋表面繞射傳播衰減小的特點(diǎn),發(fā)射天線向海面發(fā)射高頻的無線電波,無線電波貼著導(dǎo)電的海水表面?zhèn)鞑タ梢缘竭_(dá)海平面視線以下。如果海面上海浪的波長正好是無線電波波長一半,那么這種海浪可以將無線電波很好地散射回來,利用目標(biāo)反射沿海面?zhèn)鞑セ貋淼碾姴◤亩治龈鞣N信息;2)時效性高。作為一種遠(yuǎn)程預(yù)警探測設(shè)備,雖然方位分辨率和距離分辨率較微波雷達(dá)差,但超視距探測能夠提供較長的預(yù)警時間。同時也可以通過軟件分析連續(xù)某段時間(可達(dá)20s～20min)內(nèi)采集的數(shù)據(jù),從而實(shí)時得到海面一定范圍內(nèi)面元上動力學(xué)參量的時間平均和空間平均。3)大范圍。地波雷達(dá)探測覆蓋面積可近似認(rèn)為在以最遠(yuǎn)探測距離為半徑,探測覆蓋張角所構(gòu)成的扇型區(qū)域內(nèi),通常為幾十到幾萬平方公里;4)全天候。受氣候環(huán)境影響比較小,特別是在臺風(fēng)期間仍可以工作;5)可靠性高。全數(shù)字化模塊設(shè)計(jì),使系統(tǒng)抗干擾能力和可靠性顯著增強(qiáng),更支持無人值守工作,可大大降低使用維修成本。本文就高頻地波雷達(dá)的發(fā)展動向、發(fā)展分析等,作進(jìn)一步的研究和探討。

圖1 高頻地波超視距雷達(dá)的工作原理

2 發(fā)展動向

1)加拿大設(shè)置在紐芬蘭島的HF-GWR以及公布的SWR-503雷達(dá)。由加拿大北方雷達(dá)系統(tǒng)有限公司在紐芬蘭島的Race角建造的HF-GWR系統(tǒng)原型,它是紐芬蘭紀(jì)念大學(xué)工程與應(yīng)用科學(xué)學(xué)院與海洋資源工程中心的研究人員在經(jīng)過10年的研究以后,又用了26個月、耗資290萬加元建造的。雷達(dá)可覆蓋120°扇角內(nèi),20～400km范圍,以探測和跟蹤海面低速移動目標(biāo)為主,也可以提供海況信息。HF-GWR是一個龐大而昂貴的系統(tǒng),建造在1.5km狹長的海岸上,發(fā)射天線為架設(shè)在高40m鐵塔上的對數(shù)周期天線,接收天線為40單元陣長880m的“風(fēng)箏”形線天線,陣元高7m,間距22m,發(fā)射功率16kw,用了10臺全數(shù)字接收機(jī)和12塊DSP,配備VAX小型計(jì)算機(jī)來控制雷達(dá)所有功能和數(shù)據(jù)處理,采用了線性調(diào)頻中斷連續(xù)波(FMICW)、基于參數(shù)譜估計(jì)方法的海流提取和海雜波中硬目標(biāo)檢測。HF-GWR主要用在海岸警戒、漁業(yè)管理、海上交通管制、緝毒、打擊走私、冰情探測、國防以及對預(yù)測失靈船舶漂浮和監(jiān)測污染物的擴(kuò)散[1]。

據(jù)雷聲網(wǎng)站2008年12月11日報道,雷聲公司獲得一項(xiàng)1600萬美元的VSE公司BAV分部的轉(zhuǎn)包合同,向羅馬尼亞提供兩臺高頻地波雷達(dá)(HFSWR)系統(tǒng)。雷聲加拿大公司 HFSWR系統(tǒng)為羅馬尼亞在黑海的海洋主權(quán)提供連續(xù)、全天候的保護(hù)。系統(tǒng)在國家200海里(370公里)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)范圍內(nèi)探測并監(jiān)控任何船只的活動。雷聲加拿大公司和加拿大國防研究與發(fā)展局(DRDC)合作開發(fā)了這項(xiàng)技術(shù),幫助其他國家加強(qiáng)海岸線安全,HFSWR將在雷聲加拿大公司滑鐵盧工程生產(chǎn)。

2)德國WERA地波雷達(dá)。由德國漢堡大學(xué)的物理海洋研究所開發(fā),德國Helzel公司制造,2000年10月WERA雷達(dá)的首次實(shí)驗(yàn)在西班牙西海岸獲得成功,至今已經(jīng)向德國、美國、澳大利亞、英國、法國、意大利、葡萄牙、智利等國提供了30余個雷達(dá)站。僅2006年就安裝了16個雷達(dá)站。WERA地波雷達(dá)也是安裝于海邊的岸基型雷達(dá),其接收陣列天線長約400m,最大發(fā)射功率50W,最遠(yuǎn)探測距離可達(dá)200km,主要用于遠(yuǎn)距離、大范圍表面海流、波浪和風(fēng)的監(jiān)測。整套系統(tǒng)包括兩個雷達(dá)場地,相距15到40km。單個的雷達(dá)場地僅能提供徑向的數(shù)據(jù),即海流相對于雷達(dá)站點(diǎn)的分量,為了得到真正的矢量圖譜,需要2個雷達(dá)場地的資料進(jìn)行合成疊加。每個場地均有發(fā)射站和接收站,發(fā)射站由4根天線組成矩陣,接收站有2種：4根天線組成的矩陣僅能監(jiān)測海流;8到16跟天線組成的單排陣列可以監(jiān)測海流、波浪和風(fēng)向。系統(tǒng)采用寬頻調(diào)頻連續(xù)波技術(shù)(FMCW),得到最佳的性噪比、高瞬時分辨率以及高質(zhì)量的海洋信息。構(gòu)造靈活,中遠(yuǎn)程型與近距離型之間的轉(zhuǎn)換僅需更換一個小插件。而且天線陣列前海域沒有盲區(qū),每個發(fā)射天線功率為7w,對人安全,可安裝在公眾場合,對其他無線電設(shè)施不產(chǎn)生干擾。WERA雷達(dá)的時間分辨率為10分鐘(通過軟件可調(diào)控從20s到20min,一般10min),加上監(jiān)測范圍廣(10～200km),很高的空間分辨率(最小250m),使得德國WERA雷達(dá)成為海洋科學(xué)研究、海洋環(huán)境觀測預(yù)報系統(tǒng)(特別是海洋災(zāi)害應(yīng)急管理)的有效工具[2]。

3)高頻地波超視距雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)。用高頻地波超視距雷達(dá)進(jìn)行組網(wǎng)在國際上已成為現(xiàn)實(shí),在美國和歐洲的多個海洋環(huán)境監(jiān)測計(jì)劃中實(shí)施。圖2是美國加州政府于2004年批準(zhǔn)建設(shè)實(shí)施的沿海高頻地波超視距雷達(dá)網(wǎng)絡(luò)工程示意圖,該工程一共包括57部近程和遠(yuǎn)程高頻地波超視距雷達(dá),雷達(dá)照射覆蓋區(qū)相互重疊,涵蓋美國西海岸數(shù)千公里的海岸區(qū)域,同時保證主要區(qū)域處在不少于4部雷達(dá)的監(jiān)測之中。該工程是正在規(guī)劃中更為宏大的全美海岸高頻地波超視距雷達(dá)監(jiān)測網(wǎng)絡(luò)(圖3)的一部分。高頻地波雷達(dá)組網(wǎng)的系統(tǒng)總體技術(shù),包括體系結(jié)構(gòu)、組網(wǎng)方案、工作體制及主要技術(shù)指標(biāo)分配等。通過理論分析與仿真建模,優(yōu)化高頻地波雷達(dá)組網(wǎng)方案,保證組網(wǎng)探測的靈活性、適用性和抗打擊能力。地波雷達(dá)組網(wǎng)的系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)技術(shù),包括網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)站的同步和校正技術(shù)、網(wǎng)內(nèi)電磁兼容技術(shù)、信息最佳傳遞技術(shù)等。將區(qū)域內(nèi)多部地波雷達(dá)構(gòu)建成一個虛擬大雷達(dá),動態(tài)組合并優(yōu)化配置區(qū)域內(nèi)的各種雷達(dá)資源,發(fā)揮組網(wǎng)系統(tǒng)的最佳性能。

4)近日OSMAR071型高頻地波雷達(dá)在國家海洋局海洋儀器設(shè)備招標(biāo)采購中一舉中標(biāo)成功。OSMAR071型高頻地波雷達(dá)可精確測量覆蓋海域的海流流速與流向、浪高和浪周期、海面風(fēng)向和風(fēng)速等海洋動力學(xué)參數(shù)(具體性能指標(biāo)表1所示)。是在引進(jìn)武漢大學(xué)OSMAR系列技術(shù)基礎(chǔ)之上,利用空間譜估計(jì)技術(shù)MUSIC算法、數(shù)字波束形成技術(shù)(DBF),采用全數(shù)字化設(shè)計(jì)的調(diào)頻中斷連續(xù)波(FMICW)體制的高頻地波相干脈沖多普勒雷達(dá)。與傳統(tǒng)的海洋測量儀器相比,它能實(shí)時、大面積地獲取近90000km2的流、浪、風(fēng)相關(guān)參數(shù),對海洋軍事活動、海洋災(zāi)害預(yù)報、海洋科研、海洋工程、海港碼頭管理、海上救生有著重要的現(xiàn)實(shí)作用與意義。與同類產(chǎn)品相比,具有回波信號強(qiáng)、二階譜豐富、信噪比高、覆蓋面積廣、環(huán)境適應(yīng)性好的優(yōu)點(diǎn),其性能已達(dá)到國際先進(jìn)水平[3]。

表1 OSMAR071型標(biāo)準(zhǔn)陣列式高頻地波雷達(dá)總體性能指標(biāo)

3 發(fā)展分析

高頻地波雷達(dá)的發(fā)展趨勢：一是發(fā)展更精確的風(fēng)浪參數(shù)反演理論和技術(shù);二是天線小型化;三是雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù);四是雷達(dá)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。

1)發(fā)展更精確的風(fēng)、浪參數(shù)反演理論和技術(shù)。雖然地波雷達(dá)在探測風(fēng)、浪方面已取得突破,但距離業(yè)務(wù)化運(yùn)行的應(yīng)用要求還有一定的距離。而地波雷達(dá)風(fēng)、浪反演的主要困難在于提取海浪和風(fēng)場參數(shù)所依據(jù)的回波信號容易受噪聲和干擾的影響。通過雷達(dá)實(shí)時選頻系統(tǒng)選擇干凈頻率、應(yīng)用噪聲抑制和抗干擾技術(shù)可以在一定程度上緩解這一問題。采用多頻率雷達(dá)也是解決該問題的一種嘗試,但多頻率雷達(dá)系統(tǒng)復(fù)雜,覆蓋距離受最高工作頻率的限制,應(yīng)用上面臨更多的實(shí)際因素的制約。另一方面,反演風(fēng)、浪參數(shù)在理論上是一個非線性積分方程的反演問題,目前只能通過對方程進(jìn)行線性化近似和離散化處理才能求解,這一過程加上噪聲和干擾的影響,限制了風(fēng)、浪探測精度。因此在風(fēng)、浪反演理論、機(jī)制和技術(shù)方面還需要進(jìn)行更深入的探索研究。

2)天線小型化、機(jī)動化。由于軍用地波雷達(dá)的站址必須選擇在沿海岸平坦地段,再加上占地面積較大,使雷達(dá)的陣地完全暴露。因而,容易被敵方利用各種手段偵察定位,從而使用各種精確制導(dǎo)武器進(jìn)行攻擊。為了提高地波雷達(dá)的抗毀性,可以考慮天線的小型化、機(jī)動化設(shè)計(jì),但需要進(jìn)行超方向天線技術(shù)、超分辨算法研究。1998年美國的Codar Ocean Sensors有限公司研制了一種緊湊型的高頻雷達(dá)天線,利用了超方向性天線技術(shù),天線陣面做的很小,長度僅有30m,而其方向性系數(shù)指標(biāo)接近于陣長為1.2km的等幅加權(quán)普通陣列天線。高頻地波超視距雷達(dá)天線的小型化、機(jī)動化不僅能夠提高地波雷達(dá)的抗毀性,而且具有極大的經(jīng)濟(jì)性,并且為艦載地波超視距雷達(dá)的天線設(shè)計(jì)打牢基礎(chǔ)[4]。

3)雷達(dá)組網(wǎng)技術(shù)。雷達(dá)組網(wǎng)是指通過對多部不同體制、不同頻段、不同模式、不同極化方式的雷達(dá)適當(dāng)布站,借助通信手段鏈接成網(wǎng),并由中心站統(tǒng)一調(diào)配而形成一個有機(jī)整體。網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)的信息(原始信號、點(diǎn)跡、航跡、海況等)匯集至中心站綜合處理,形成雷達(dá)網(wǎng)覆蓋范圍內(nèi)的情報信息,并按照實(shí)際情況(如戰(zhàn)場態(tài)勢、自然災(zāi)害等)的變化自適應(yīng)地調(diào)整網(wǎng)內(nèi)各雷達(dá)的工作狀態(tài),發(fā)揮各個雷達(dá)的優(yōu)勢。雷達(dá)組網(wǎng)的一般意義為：(1)實(shí)現(xiàn)系統(tǒng)內(nèi)的情報資源共享,完成對每個雷達(dá)站的實(shí)時指揮控制,增加了實(shí)際運(yùn)行的可靠性;(2)對目標(biāo)探測而言可充分利用隱身目標(biāo)的側(cè)向、上、下反射的隱身缺口(其雷達(dá)反射截面隨視角的變化可達(dá)20～30dB),因此可用來探測低空飛行目標(biāo)及其它隱身目標(biāo),實(shí)現(xiàn)反隱身的目的;(3)組網(wǎng)后的雷達(dá)系統(tǒng)具有較大的作用范圍,工作方式靈活,抗干擾性能強(qiáng),加上雷達(dá)之間空間位置的分離,不同頻段雷達(dá)組網(wǎng)可實(shí)現(xiàn)頻率互補(bǔ),在完成邊海防任務(wù)上具有很大的優(yōu)勢;(4)雷達(dá)組網(wǎng)后,可以獲得更高精度的雷達(dá)數(shù)據(jù)及時域、頻域、空域的各種信息,為首長的決策指揮提供有效手段;(5)雷達(dá)組網(wǎng)后,使各自相互獨(dú)立的雷達(dá)通過組網(wǎng)而使其整個系統(tǒng)構(gòu)成一有機(jī)整體,從而使網(wǎng)內(nèi)雷達(dá)工作方式靈活多變。雷達(dá)組網(wǎng)可基于MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output,即多輸入多輸出)概念,針對單基雷達(dá)、雙/多基雷達(dá)、固定式雷達(dá)、機(jī)動式雷達(dá)混合組網(wǎng)方案開展研究。通過網(wǎng)絡(luò)優(yōu)勢和機(jī)動優(yōu)勢充分彌補(bǔ)單部雷達(dá)在探測性能上的不足,同時也提高了整個系統(tǒng)的生存能力。

4)雷達(dá)數(shù)據(jù)標(biāo)準(zhǔn)化、規(guī)范化。海態(tài)探測用高頻地波雷達(dá)輸出的是時間上連續(xù)的大面積流場、風(fēng)場和浪場的分布,時間分辨率一般為十分鐘到一個小時,所提供的信息在時間、空間和采樣方式所對應(yīng)的物理含義上與其它測量方式(如浮標(biāo)、船測、航空測量以及衛(wèi)星遙感等)存在很大的不同。目前其它測量手段的數(shù)據(jù)經(jīng)過多年的應(yīng)用,都有明確的使用規(guī)范和應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn),而地波雷達(dá)這一方面的工作還處于研究探索之中,國內(nèi)外海洋學(xué)家在地波雷達(dá)數(shù)據(jù)質(zhì)量控制以及將雷達(dá)數(shù)據(jù)與海洋動力學(xué)模型進(jìn)行同化方面已積累了一定的經(jīng)驗(yàn),但距離制訂明確的應(yīng)用規(guī)范還存在較大距離[5]。

4 結(jié)語

高頻地波雷達(dá)作為一種超視距、大范圍、全天候警戒探測系統(tǒng),在海洋環(huán)境和超視距目標(biāo)探測中有著重要的應(yīng)用前景。相信隨著抗干擾技術(shù)的發(fā)展、理論算法的突破以及工程化實(shí)現(xiàn),地波雷達(dá)將在海洋領(lǐng)域里發(fā)揮著不可替代的作用。

[1]楊子杰,吳世才,等.高頻地波雷達(dá)總體方案及工程實(shí)施中的幾個主要問題[J].武漢大學(xué)學(xué)報,2001,47(5)：513～518

[2]Klaus-Werner Gurgel,Heinz-Hennann Essen,Thomas Schlick.HF Surface Wave Radar for Oceanoraphy—A Review of Activities in Germany[J].Radar,2003：700～705

[3]OSM AR071系列高頻地波雷達(dá)[EB/OL].http：//whuhf.w2221.vhostgo.com/News-View.asp?NewsID=8,2009

[4]毛滔,夏衛(wèi)民,等.高頻地波超視距雷達(dá)特點(diǎn)及應(yīng)用研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2009,31(3)：7～ 10

[5]Wyatt L.R.,Green J.J.The availability and accuracy of HF radar wave measurements[J].Geoscience and Remote Sensing Symposium,IGARSS'02,2002,24-28(6)：515～ 517