物探船小目標(biāo)雷達(dá)的應(yīng)用

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(shí)能及早發(fā)現(xiàn)前方的極小目標(biāo)，以采取有效的避讓措施，保證科考作業(yè)的順利進(jìn)行，有必要在船上安裝小目標(biāo)雷達(dá)。

關(guān)鍵詞：極小目標(biāo);避開;雷達(dá)

中圖分類號：U665.2? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻(xiàn)標(biāo)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(diào)查船，主要用于海洋地球物理勘探，包括海洋調(diào)查船、科學(xué)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(shí)拖曳2～12條、每條長度可達(dá)8000 m的電纜。正常作業(yè)時(shí)，測線前方如出現(xiàn)漁船、漁網(wǎng)等障礙物時(shí)，要及時(shí)讓這些障礙物遠(yuǎn)離測線范圍（可指揮護(hù)航船去驅(qū)離或清除）。如果不能讓其遠(yuǎn)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(gè)小時(shí)或更長時(shí)間，造成時(shí)間上的損失。如果遺漏了漁網(wǎng)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(dǎo)致測繪任務(wù)無法完成。如何及早發(fā)現(xiàn)海面上的漁船、漁網(wǎng)等小目標(biāo)，確保生產(chǎn)作業(yè)順利完成，是擺在地震船面前的一道難題。

2? ? 小目標(biāo)雷達(dá)的重要性

船用雷達(dá)是一種傳統(tǒng)的無線電導(dǎo)航設(shè)備，它通過發(fā)射電磁波和接收回波，對目標(biāo)進(jìn)行探測和測定目標(biāo)信息。船用雷達(dá)在船舶近海定位、引導(dǎo)船舶進(jìn)、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(biāo)雷達(dá)之前，搜索海上目標(biāo)通常是依靠常規(guī)船用X-波段雷達(dá)和S-波段雷達(dá)。

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

普通導(dǎo)航雷達(dá)探測的是雷達(dá)散射橫截面面積（RCS）較大的目標(biāo);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(shí)可能會(huì)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(wǎng)、魚位儀等更是星羅棋布，這些目標(biāo)通常只是浮在水面或高出水面0.5 m左右。

當(dāng)物探船處于作業(yè)工況時(shí)，為了保護(hù)物探設(shè)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(jīng)濟(jì)損失。但是，傳統(tǒng)的導(dǎo)航雷達(dá)本身的重點(diǎn)是提前發(fā)現(xiàn)并避讓會(huì)影響航行安全的目標(biāo)，無法完成近距離（0.1～2.0 nmile）、小體積（雷達(dá)散射截面≥0.1 m2、高度≥1 m）目標(biāo)（如漁網(wǎng)、魚標(biāo)等小目標(biāo)）的探測。

小目標(biāo)雷達(dá)能夠?qū)Ｉ夏繕?biāo)，特別是極小目標(biāo)（雷達(dá)散射截面≥0.1 m2，高度≥1 m）進(jìn)行全自動(dòng)近距離探測、跟蹤和識別。增加小目標(biāo)雷達(dá)系統(tǒng)，不需要在羅經(jīng)甲板增設(shè)雷達(dá)天線，即利用原有X波段導(dǎo)航雷達(dá)天線所收集到的原數(shù)據(jù)，通過新增加的一臺小目標(biāo)雷達(dá)處理器（具有軟件算法和高達(dá)12bit（212）雷達(dá)視頻采樣卡）重新處理計(jì)算，以達(dá)到探測小目標(biāo)的作用。

3? ? 小目標(biāo)雷達(dá)的組成和工作原理

3.1? ?小目標(biāo)雷達(dá)組成

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

3.2? ?工作原理

3.2.1雷達(dá)測距原理

Δt： 往返于天線與目標(biāo)的時(shí)間;

C： 電磁波在空間傳播速度3×108 m/s;

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

3.2.2雷達(dá)測向原理

借助于定向天線 進(jìn)行掃描。

3.2.3 小目標(biāo)雷達(dá)目標(biāo)處理的特殊原理

小目標(biāo)雷達(dá)探測小目標(biāo)的特殊能力基于幾個(gè)方面：對視頻12 bit取樣的超高分辨;天線轉(zhuǎn)速;先進(jìn)的回波圖像算法。

（1）12bit視頻電平取樣

對于一般的雷達(dá)視頻回波，電壓范圍為4Vp-p;12bit取樣意味著將4 V進(jìn)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(dǎo)航雷達(dá)就會(huì)錯(cuò)過這樣的微弱電平信號，進(jìn)而丟失小目標(biāo)，而只有對電平信號進(jìn)行足夠高的分級取樣后才不會(huì)丟失目標(biāo)。

（2）天線轉(zhuǎn)速

因轉(zhuǎn)速增加而增加的偵測頻率，使得跟蹤器的門限標(biāo)準(zhǔn)得以縮小，降低了因目標(biāo)交錯(cuò)、運(yùn)動(dòng)而引起的丟失目標(biāo)的概率;，同時(shí)因?yàn)檗D(zhuǎn)速增加而增加的偵測頻率，使得掃描平均和其它算法技術(shù)能夠進(jìn)一步增強(qiáng)目標(biāo)的信號、雜波比，因此高速旋轉(zhuǎn)的天線在目標(biāo)檢測和跟蹤中起到重要的作用。

（3）先進(jìn)的回波圖像算法

最多高達(dá)128 幅掃描（Scan）的連續(xù)回波圖像對比。對于普通雷達(dá)，由于內(nèi)存和處理器的限制，以及算法上圖像相關(guān)性，一般只能做到16個(gè)Scan的連續(xù)圖像進(jìn)行對比;而小目標(biāo)雷達(dá)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(biāo)回波的準(zhǔn)確性。多幅連續(xù)回波圖像相關(guān)性處理后得到的圖像示意圖，如圖2所示。

當(dāng)然，船舶一直處于運(yùn)動(dòng)之中，為了補(bǔ)償因船舶移動(dòng)而造成的圖像問題（如圖3），需要更準(zhǔn)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(zhuǎn)速。

3.3? ?小目標(biāo)雷達(dá)識別小目標(biāo)的過程

小目標(biāo)雷達(dá)收到X波段雷達(dá)的首向、方位、視頻、羅經(jīng)、AIS、GPS、風(fēng)速風(fēng)向等同步信號，對收到的信號進(jìn)行計(jì)算，利用遠(yuǎn)高于導(dǎo)航雷達(dá)的視頻采集卡（12bit）和專用處理軟件，能捕捉導(dǎo)航雷達(dá)無法發(fā)現(xiàn)的小目標(biāo)（如：漁網(wǎng)、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(jù)小目標(biāo)雷達(dá)的手動(dòng)操作來轉(zhuǎn)向捕捉選定目標(biāo)，也可以自動(dòng)輪流且持續(xù)跟蹤多個(gè)目標(biāo);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(shí)目標(biāo)也出現(xiàn)在圖像中，同時(shí)預(yù)留了網(wǎng)絡(luò)接口，可以將視頻通過網(wǎng)絡(luò)分享出去。

4? ? 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)和局限性

4.1? 系統(tǒng)優(yōu)點(diǎn)

（1）具有更高的采樣。同樣的視頻回波，小目標(biāo)雷達(dá)采用2的12次方（即4 096位）電壓采樣;而普通雷達(dá)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(jù)的指數(shù)級的提升;

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

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

（4）通過雷達(dá)引導(dǎo)，采用紅外熱像等綜合光電技術(shù)，實(shí)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(biāo)的識別。室外攝像頭防水等級達(dá)到IPx6、水平360°連續(xù)無死角旋轉(zhuǎn)、+/-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(dòng)而抖動(dòng)，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(dāng)方式將記錄下來的文件從設(shè)備中導(dǎo)出并能用普通電腦進(jìn)行查看，作為證據(jù)記錄;

（5）小目標(biāo)雷達(dá)可以將目標(biāo)回波分為4096級，而以256級灰度來表示回波的強(qiáng)弱。普通雷達(dá)無法對視頻信號做到4 096級的分辨率，所以顯示的回波強(qiáng)弱也沒有太多分級（一般用4級黃色來表示回波強(qiáng)弱）。而人眼對于灰色的強(qiáng)弱最為敏感，所以小目標(biāo)雷達(dá)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(biāo);同樣的目標(biāo)，比普通雷達(dá)探測距離更遠(yuǎn)。

4.2? 系統(tǒng)局限性

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

5? ? 實(shí)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(jù)雷達(dá)顯示器上目標(biāo)回波情況，準(zhǔn)確、快速判斷出小目標(biāo)的性質(zhì)、類型、大小、數(shù)量，迅速調(diào)動(dòng)護(hù)航船進(jìn)行清除障礙物或轉(zhuǎn)向，確?？瓶荚O(shè)備和船舶安全，使科考任務(wù)順利進(jìn)行。圖4圓圈內(nèi)的目標(biāo)是小目標(biāo)雷達(dá)0.5 nmile檔捕捉到的水面小目標(biāo)漂浮物，右側(cè)小框是小目標(biāo)雷達(dá)通過紅外攝像頭顯示的該漂浮物附近水面實(shí)況;

（2）能夠跟蹤和識別水面科考設(shè)備的動(dòng)態(tài)：如頭標(biāo)、尾標(biāo)、擴(kuò)展器、維修水下設(shè)備的工作艇等動(dòng)態(tài)，為科考工作順利進(jìn)行保駕護(hù)航;

（3）有效減少經(jīng)濟(jì)損失?？梢员荛_漁網(wǎng)、魚標(biāo)、漂浮的小物體等障礙物，避免電纜等水下設(shè)備損傷。

6? ? 結(jié)束語

小目標(biāo)雷達(dá)通過光電攝像頭可以在顯示器上顯示出小目標(biāo)的真實(shí)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(yīng)，采取有效的避讓或清理措施，避免發(fā)生拖帶電纜、水下設(shè)備或螺旋槳等受損情況，造成不必要的損失，大大提高了經(jīng)濟(jì)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(yīng)用。

參考文獻(xiàn)

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