雷達(dá)對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)與目標(biāo)特性數(shù)據(jù)獲取
——海上目標(biāo)雙極化多海況散射特性數(shù)據(jù)集

關(guān) 鍵 劉寧波* 王國(guó)慶* 丁 昊 董云龍 黃 勇 田凱祥 張夢(mèng)雨(海軍航空大學(xué) 煙臺(tái) 264001)(煙臺(tái)大學(xué) 煙臺(tái) 264005)

1 引言

海上航行安全、海上執(zhí)法、海上軍事行動(dòng)等對(duì)海上目標(biāo)的穩(wěn)健可靠探測(cè)提出了很高的要求，但海上船只目標(biāo)種類(lèi)繁多，分布于廣闊海域，重要航路上的船只目標(biāo)密集分布，客輪、貨船和軍用船只等多種類(lèi)型船只混雜在一起，準(zhǔn)確檢測(cè)識(shí)別難度大。雷達(dá)作為海上目標(biāo)探測(cè)的一種重要手段，關(guān)注的是目標(biāo)及所處環(huán)境的電磁散射特性，包括雷達(dá)散射截面積，以及后向散射系數(shù)、近場(chǎng)電磁散射特性、寬帶特性、目標(biāo)噪聲、極化散射特性等[1]?，F(xiàn)有海上目標(biāo)散射特性研究主要以電磁散射計(jì)算為主，并逐步從目標(biāo)自身特性過(guò)渡到目標(biāo)與海面環(huán)境擾動(dòng)反饋?zhàn)饔孟碌奶匦?，為海上目?biāo)檢測(cè)識(shí)別研究提供了有力的理論支持。

由于海上目標(biāo)繁雜多樣，目標(biāo)特性在雷達(dá)對(duì)海上目標(biāo)檢測(cè)中應(yīng)用不充分[1]?，F(xiàn)有雷達(dá)對(duì)海上目標(biāo)檢測(cè)主要依賴(lài)于海雜波特性以及目標(biāo)對(duì)海雜波特性影響，即目標(biāo)散射回波能量或者通過(guò)相參/非相參積累的目標(biāo)回波能量，需高出背景雜波能量一定水平，此時(shí)目標(biāo)存在使海雜波特性發(fā)生顯著變化，通過(guò)量化這種變化實(shí)現(xiàn)目標(biāo)檢測(cè)[2,3]。既然雷達(dá)對(duì)海上目標(biāo)檢測(cè)依賴(lài)于海面與目標(biāo)的物理差異，那么檢測(cè)不僅可以從背景雜波角度切入，還可以從目標(biāo)特性角度切入，特征化表征海面與目標(biāo)的物理差異，形成基于特征或特征組合的目標(biāo)檢測(cè)方法[4,5]。這一研究方向需要大量海上目標(biāo)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的支持，目標(biāo)屬性、位置、姿態(tài)等信息應(yīng)具有準(zhǔn)確標(biāo)注，且在涵蓋目標(biāo)電磁散射特性的基礎(chǔ)上，還應(yīng)涵蓋目標(biāo)的光學(xué)、聲學(xué)、磁場(chǎng)等多種物理場(chǎng)特性[1]，這里稱(chēng)之為“海上目標(biāo)特性數(shù)據(jù)”，這對(duì)海上目標(biāo)探測(cè)試驗(yàn)和典型海上目標(biāo)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(biāo)非合作條件下，獲取目標(biāo)多維數(shù)據(jù)、實(shí)現(xiàn)目標(biāo)準(zhǔn)確標(biāo)注、高效管理并自動(dòng)構(gòu)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(biāo)數(shù)據(jù)獲取與使用面臨的難點(diǎn)問(wèn)題。

針對(duì)雷達(dá)海上目標(biāo)探測(cè)技術(shù)研發(fā)和驗(yàn)證對(duì)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的迫切需求，海軍航空大學(xué)海上目標(biāo)探測(cè)課題組提出一項(xiàng)“雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)共享計(jì)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(dá)等多型雷達(dá)開(kāi)展海上目標(biāo)探測(cè)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。截至2022年12月，“雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)共享計(jì)劃”已發(fā)布雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)5期13組，包括雷達(dá)天線(xiàn)凝視和掃描兩種模式下的海雜波與目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，配套的目標(biāo)記錄信息主要為目標(biāo)位置信息，如表1所示。

表1 已共享的雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)Tab.1 Shared sea-detecting radar data

為更好地支持海上目標(biāo)檢測(cè)識(shí)別技術(shù)進(jìn)步，課題組升級(jí)“雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)共享計(jì)劃(SDRDSP)”，構(gòu)造“海上目標(biāo)特性數(shù)據(jù)集”，通過(guò)海上目標(biāo)雷達(dá)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取、海上目標(biāo)多源觀(guān)測(cè)切片數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)集構(gòu)建與使用共3個(gè)步驟初步構(gòu)建海上目標(biāo)特性數(shù)據(jù)的獲取、整編與使用的框架流程，解決目標(biāo)多維數(shù)據(jù)獲取、標(biāo)注、管理和建模等核心問(wèn)題，并在常態(tài)化運(yùn)行過(guò)程中持續(xù)豐富目標(biāo)數(shù)據(jù)集。本文內(nèi)容屬于第1步驟，即以航道浮標(biāo)、不同RCS球形散射器、錨泊船只等海上目標(biāo)為觀(guān)測(cè)對(duì)象，構(gòu)建海上目標(biāo)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(zhǎng)時(shí)觀(guān)測(cè)獲取，以更好地支持海上目標(biāo)特性研究。

2 海上目標(biāo)散射特性數(shù)據(jù)長(zhǎng)時(shí)采集試驗(yàn)

為支持海上目標(biāo)特性數(shù)據(jù)采集，課題組升級(jí)了已有的X波段試驗(yàn)雷達(dá)[6,7]和相應(yīng)的數(shù)據(jù)采集設(shè)備，提升雷達(dá)不同極化方式和高海況下凝視探測(cè)能力，擴(kuò)展了目標(biāo)特性數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)點(diǎn)，具備多視角測(cè)量同一目標(biāo)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(shí)間/空間分辨率。在此基礎(chǔ)上，2022年11月12日至15日開(kāi)展了HH與VV極化雷達(dá)多海況(覆蓋2—5級(jí)海況)長(zhǎng)時(shí)連續(xù)觀(guān)測(cè)海上目標(biāo)試驗(yàn)，試驗(yàn)時(shí)兩部雷達(dá)架設(shè)于同一位置，架設(shè)高度錯(cuò)開(kāi)約1.5 m (HH極化雷達(dá)在下，VV極化雷達(dá)在上)，二者同時(shí)工作，采集目標(biāo)特性數(shù)據(jù)(雷達(dá)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(diào)、脈沖壓縮(僅對(duì)LFM發(fā)射波形做此處理)、數(shù)據(jù)截取與目標(biāo)位置標(biāo)注等預(yù)處理，構(gòu)建形成海上目標(biāo)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(yàn)雷達(dá)

本試驗(yàn)中所使用雷達(dá)為兩部定制型X波段固態(tài)功放試驗(yàn)雷達(dá)，如圖1所示，兩部雷達(dá)的極化方式分別為HH極化和VV極化，HH極化雷達(dá)的天線(xiàn)長(zhǎng)度約為2.0 m，VV極化雷達(dá)的天線(xiàn)長(zhǎng)度約為2.5 m。相比于原有用于對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)的X波段雷達(dá)[1]，發(fā)射功率由50 W提升至100 W，極化方式由HH極化升級(jí)為HH和VV極化，天線(xiàn)工作模式增加了固定指向模式(凝視觀(guān)測(cè)模式)，可通過(guò)雷達(dá)終端控制天線(xiàn)指向任意方位，在5級(jí)海況條件下天線(xiàn)凝視方向穩(wěn)定、指向精準(zhǔn)，雷達(dá)詳細(xì)技術(shù)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(dá)工作量程的不同，雷達(dá)自動(dòng)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(shí)雷達(dá)工作于圖2所示的模式2，即只發(fā)射T1單頻信號(hào)(脈寬為150 ns)和T2 LFM信號(hào)(脈寬為8 μs)，T1波形距離分辨率為22.5 m，T2波形信號(hào)帶寬為25 MHz，距離分辨率為6 m。采集數(shù)據(jù)時(shí)，兩部試驗(yàn)雷達(dá)架設(shè)于同一位置，高度錯(cuò)開(kāi)，凝視觀(guān)測(cè)海上固定區(qū)域和指定目標(biāo)，支持海雜波特性分析、抑制和目標(biāo)檢測(cè)技術(shù)研究。

表2 X波段試驗(yàn)雷達(dá)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(dá)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(dá)中/視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)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(dá)中/視頻數(shù)據(jù)采集設(shè)備，如圖3所示。該采集設(shè)備由采集模塊和上位機(jī)軟件組成，升級(jí)后，采集模塊具備4個(gè)采集通道，支持2部相參雷達(dá)同步采集，每個(gè)通道可實(shí)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(chǔ)能力，具有3路TTL電平信號(hào)、2收2發(fā)RS232信號(hào)、4收RS422信號(hào)接口，可用于接入試驗(yàn)輔助設(shè)備數(shù)據(jù)。上位機(jī)軟件可實(shí)現(xiàn)全量程和自定義波門(mén)采樣，二進(jìn)制數(shù)據(jù)文件可按預(yù)設(shè)文件大小自動(dòng)分割與存儲(chǔ)，采集數(shù)據(jù)文件命名格式為20221220153023_stare/cirscan/secscan(年/月/日/小時(shí)/分鐘/秒/天線(xiàn)工作模式)，天線(xiàn)工作模式包括stare(天線(xiàn)凝視某一方位)、cirscan(天線(xiàn)圓周掃描)和secscan(天線(xiàn)扇形掃描)3種。采集設(shè)備還可通過(guò)串口與網(wǎng)絡(luò)接口記錄AIS、雷達(dá)輸出點(diǎn)/航跡等數(shù)據(jù)。

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

2.3 試驗(yàn)場(chǎng)地?cái)U(kuò)展

為便于海上目標(biāo)特性數(shù)據(jù)獲取，將現(xiàn)有試驗(yàn)場(chǎng)地拓展為2個(gè)試驗(yàn)點(diǎn)位，如圖4所示，在現(xiàn)有煙臺(tái)第一海水浴場(chǎng)旁固定試驗(yàn)點(diǎn)(試驗(yàn)點(diǎn)1)基礎(chǔ)上，充分發(fā)揮芝罘灣得天獨(dú)厚的地理優(yōu)勢(shì)，新建芝罘島試驗(yàn)場(chǎng)(試驗(yàn)點(diǎn)2)，在地理位置上與試驗(yàn)點(diǎn)1的觀(guān)測(cè)角度互補(bǔ)，提升了多雷達(dá)多角度同時(shí)觀(guān)測(cè)同一場(chǎng)景同一目標(biāo)的試驗(yàn)?zāi)芰?。同時(shí)，海上目標(biāo)包括客輪、油輪、貨輪、集裝箱船、海上養(yǎng)殖平臺(tái)、海警船、救援船等中大型目標(biāo)，以及近岸漁船、小型快艇、航道浮標(biāo)等，海面上目標(biāo)類(lèi)型豐富，為雷達(dá)目標(biāo)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(yàn)場(chǎng)俯瞰圖Fig.4 Overview of the Zhifu island test site

試驗(yàn)點(diǎn)1 位于煙臺(tái)第一海水浴場(chǎng)旁，試驗(yàn)場(chǎng)地距離海邊的直線(xiàn)距離約200 m，架高約為80 m，雷達(dá)對(duì)海視野范圍約180°，可測(cè)得明顯海雜波數(shù)據(jù)的擦地角范圍為0.3°～6.0°。

試驗(yàn)點(diǎn)2 位于煙臺(tái)芝罘島北島東頭，試驗(yàn)場(chǎng)地距離海邊的直線(xiàn)距離約50 m，海拔約25 m，雷達(dá)對(duì)海視野范圍大于180°，可測(cè)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(yàn)輔助數(shù)據(jù)

在海上目標(biāo)特性數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)過(guò)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(biāo)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(jìn)海上目標(biāo)特性、目標(biāo)特性分析和目標(biāo)檢測(cè)等技術(shù)研究的精細(xì)化。2022年11月12日至15日開(kāi)展試驗(yàn)期間，數(shù)據(jù)連續(xù)采集超過(guò)70 h，海況等級(jí)由4級(jí)升至5級(jí)，又降至2級(jí)，配試目標(biāo)和氣象水文數(shù)據(jù)詳情如下。

(1) 配試目標(biāo)(航道浮標(biāo))信息

燈浮標(biāo)1，距離雷達(dá)架設(shè)點(diǎn)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(biāo)，鋼材質(zhì)，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(biāo)2，距離雷達(dá)架設(shè)點(diǎn)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(biāo)，鋼材質(zhì)，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(biāo)Fig.5 Channel buoy

試驗(yàn)期間，兩雷達(dá)一直凝視航道浮標(biāo)所在方位，但由于航道浮標(biāo)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(huì)有小距離偏移，使得在雷達(dá)上觀(guān)測(cè)航道浮標(biāo)時(shí)，回波起伏明顯。

(2) 氣象水文信息

雷達(dá)對(duì)海探測(cè)試驗(yàn)需記錄風(fēng)、浪等海洋環(huán)境要素信息，風(fēng)要素的信息主要包括風(fēng)速、風(fēng)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(yàn)獲取的氣象水文數(shù)據(jù)，包括試驗(yàn)期間通過(guò)海洋預(yù)報(bào)APP人工實(shí)時(shí)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(yàn)期間，海況等級(jí)是由低到高、再由高到低的演變過(guò)程。數(shù)據(jù)開(kāi)始記錄時(shí)，浪高為1.8 m中浪，4級(jí)海況；數(shù)據(jù)記錄結(jié)束時(shí)，浪高為0.4 m輕浪，2級(jí)海況，于2022年11月13日出現(xiàn)最高風(fēng)速16.7 m/s，最高浪高2.8 m，大浪，5級(jí)海況，上述記錄數(shù)據(jù)來(lái)自海洋預(yù)報(bào)APP，數(shù)值每3小時(shí)更新一次，其海浪與海風(fēng)要素的數(shù)據(jù)源為美國(guó)全球預(yù)報(bào)系統(tǒng)。

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

圖6 試驗(yàn)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(biāo)散射特性數(shù)據(jù)集示例

海上目標(biāo)散射特性數(shù)據(jù)集，涵蓋了2～5級(jí)連續(xù)變化的海況，且為HH與VV兩種極化雷達(dá)同時(shí)觀(guān)測(cè)海上同一目標(biāo)，相比于IPIX雷達(dá)數(shù)據(jù)[8]和CSIR雷達(dá)數(shù)據(jù)[9]，對(duì)海面和目標(biāo)的觀(guān)測(cè)時(shí)間長(zhǎng)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(diǎn)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(shí)截取1組HH與VV極化數(shù)據(jù)，共計(jì)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(shí)間為65.536 s)，構(gòu)成海上目標(biāo)(2個(gè)航道浮標(biāo)，詳見(jiàn)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(biāo)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(dá)各4組示例測(cè)量數(shù)據(jù)，如表4所示，對(duì)應(yīng)的海況等級(jí)分別是2～5級(jí)，并給出時(shí)域原始回波數(shù)據(jù)和目標(biāo)所在距離單元的時(shí)頻譜圖。圖7給出了HH極化下2～5級(jí)海況雷達(dá)回波原始數(shù)據(jù)圖和目標(biāo)單元時(shí)頻譜圖，圖8給出了VV極化下2～5級(jí)海況雷達(dá)回波原始數(shù)據(jù)圖和目標(biāo)單元時(shí)頻譜圖，計(jì)算時(shí)，取目標(biāo)所在距離單元的采樣點(diǎn)序列，長(zhǎng)度為217點(diǎn)，數(shù)據(jù)分段長(zhǎng)度為1024點(diǎn)，相鄰數(shù)據(jù)段之間重疊64點(diǎn)，采用短時(shí)傅里葉變換，加切比雪夫窗，得到時(shí)頻譜。限于篇幅，這里并未將目標(biāo)回波所占據(jù)距離單元的數(shù)據(jù)全部展示。

3 實(shí)測(cè)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(jì)分布特性。海雜波作為海上目標(biāo)檢測(cè)的背景，其幅度分布特性直接影響目標(biāo)CFAR檢測(cè)方法的應(yīng)用。圖9給出了2～5級(jí)海況下HH和VV極化海雜波數(shù)據(jù)的經(jīng)驗(yàn)概率密度函數(shù)(Probability Density Function,PDF)，以及K分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布對(duì)經(jīng)驗(yàn)PDF的擬合結(jié)果。繪制圖9所示的經(jīng)驗(yàn)PDF曲線(xiàn)時(shí)，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(diǎn)，對(duì)應(yīng)的雷達(dá)探測(cè)距離為4302.5 m，雷達(dá)架高按80 m計(jì)，則擦地角約為1.07°，參與統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)長(zhǎng)度為217，由圖9可以看出，在兩種極化條件下，隨著海況等級(jí)升高，海雜波幅度分布的“拖尾”越來(lái)越重，在4～5級(jí)海況時(shí)，“拖尾”尤為明顯。圖9還給出了兩種常見(jiàn)的拖尾分布模型——K分布和對(duì)數(shù)正態(tài)分布的擬合效果，直觀(guān)觀(guān)察可發(fā)現(xiàn)，海況等級(jí)高時(shí)，“拖尾”部分的擬合效果越好，海況等級(jí)低時(shí)擬合效果相對(duì)較差。這是因?yàn)?，所取?shù)據(jù)對(duì)應(yīng)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(wú)論HH還是VV極化條件下，K分布模型對(duì)拖尾部分的擬合效果優(yōu)于對(duì)數(shù)正態(tài)分布，對(duì)海上目標(biāo)散射特性數(shù)據(jù)集中其他數(shù)據(jù)分析也可以得到類(lèi)似的結(jié)論。

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

表4 2－5級(jí)海況HH與VV極化雷達(dá)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(shí)間與空間相關(guān)性分析

本節(jié)時(shí)間相關(guān)性分析包括海雜波單元和目標(biāo)單元的時(shí)間相關(guān)性，空間相關(guān)性主要是指距離維(徑向)空間相關(guān)性。時(shí)間相關(guān)性分析可反映海雜波與目標(biāo)單元的強(qiáng)相關(guān)時(shí)間差異，支持目標(biāo)檢測(cè)中相參積累時(shí)間的合理設(shè)定；空間相關(guān)性分析可反映雷達(dá)回波的空間強(qiáng)相關(guān)距離，其對(duì)于目標(biāo)CFAR檢測(cè)中參考單元設(shè)定具有指導(dǎo)作用。這里提及的強(qiáng)相關(guān)時(shí)間和強(qiáng)相關(guān)距離，均采用1/e作為門(mén)限，即時(shí)間自相關(guān)系數(shù)大于1/e時(shí)所對(duì)應(yīng)的相關(guān)時(shí)間為強(qiáng)相關(guān)時(shí)間；空間自相關(guān)系數(shù)大于1/e時(shí)所對(duì)應(yīng)的相關(guān)距離為強(qiáng)相關(guān)距離。對(duì)于時(shí)間/空間自相關(guān)系數(shù)曲線(xiàn)與1/e有多個(gè)交點(diǎn)(即存在多值解)的情況，則取最小值解作為強(qiáng)相關(guān)時(shí)間/距離。

圖10給出了HH和VV極化條件下2～5級(jí)海況海雜波和目標(biāo)單元的自相關(guān)系數(shù)曲線(xiàn)，對(duì)比可知，4,5級(jí)海況下海雜波的強(qiáng)相關(guān)時(shí)間在幾毫秒量級(jí)，VV極化下強(qiáng)相關(guān)時(shí)間與HH極化相當(dāng)，2,3級(jí)海況下HH極化海雜波相鄰距離單元的相關(guān)性很弱，而VV極化下海雜波的強(qiáng)相關(guān)時(shí)間也在幾毫秒量級(jí)，VV極化下強(qiáng)相關(guān)時(shí)間長(zhǎng)于HH極化，這是因?yàn)樵?,3級(jí)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(shí)間相關(guān)性類(lèi)似于白噪聲的時(shí)間相關(guān)性，而此距離處VV極化海雜波能量要強(qiáng)于HH極化，雜噪比約為12 dB，從而呈現(xiàn)一定的時(shí)間相關(guān)性。4,5級(jí)海況下目標(biāo)單元的強(qiáng)相關(guān)時(shí)間在幾毫秒量級(jí)，2,3級(jí)海況下目標(biāo)單元的強(qiáng)相關(guān)時(shí)間在幾十毫秒量級(jí)，且VV極化下強(qiáng)相關(guān)時(shí)間略長(zhǎng)于HH極化。這是因?yàn)?,5級(jí)海況下目標(biāo)(航道浮標(biāo))隨浪起伏嚴(yán)重，且目標(biāo)所在分辨單元內(nèi)雜波能量也比較強(qiáng)，受此影響，目標(biāo)單元與海雜波單元的強(qiáng)相關(guān)時(shí)間十分接近，而在2,3級(jí)海況下，海雜波能量弱，且目標(biāo)起伏較為平緩，此時(shí)目標(biāo)在幾十毫秒的時(shí)間尺度內(nèi)呈現(xiàn)強(qiáng)相關(guān)性。

圖10 海雜波與目標(biāo)單元時(shí)間相關(guān)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(jí)海況海雜波的距離維空間相關(guān)系數(shù)曲線(xiàn)，觀(guān)察可知，海雜波的空間強(qiáng)相關(guān)距離為12 m左右，HH與VV極化下無(wú)明顯差異，不同海況等級(jí)下也十分接近?？紤]到發(fā)射脈沖為T(mén)2時(shí)，雷達(dá)的距離分辨率為6 m，因此，當(dāng)間隔距離超過(guò)2個(gè)距離分辨單元時(shí)，距離維空間相關(guān)性很弱。這里需說(shuō)明的是，圖11中存在相鄰采樣點(diǎn)空間相關(guān)性很強(qiáng)的情況，這主要是因?yàn)榫嚯x向采樣有冗余，一個(gè)距離單元中采集了多個(gè)采樣點(diǎn)，其本質(zhì)上描述的是同一個(gè)距離單元的回波。

圖11 距離維空間相關(guān)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(jí)海況目標(biāo)單元(浮標(biāo)1)數(shù)據(jù)的時(shí)頻譜圖，圖12(a)中2～5級(jí)海況下所選取的采樣點(diǎn)數(shù)分別為508,506,498,507，圖12(b)中2～5級(jí)海況下所選取的采樣點(diǎn)數(shù)分別為508,506,503,507。時(shí)頻譜計(jì)算采用短時(shí)傅里葉變換加切比雪夫窗得到，數(shù)據(jù)分段長(zhǎng)度為1024點(diǎn)，相鄰數(shù)據(jù)段之間重疊64點(diǎn)。由時(shí)頻譜圖可知，由于目標(biāo)為漂浮目標(biāo)，其多普勒頻率主要在零附近波動(dòng)，在2,3級(jí)海況下隨時(shí)間起伏較為平緩，在4,5級(jí)海況下隨時(shí)間起伏劇烈。此外，通過(guò)4,5級(jí)海況時(shí)頻譜也可以看出，目標(biāo)距離單元回波是目標(biāo)回波與海雜波耦合的結(jié)果，海雜波多普勒譜能量主要集中于低頻帶范圍內(nèi)，且具有時(shí)變非平穩(wěn)特性，VV極化海雜波能量高于HH極化；目標(biāo)多普勒譜能量較為集中，展寬較小，在海面擾動(dòng)作用下，多普勒譜隨時(shí)間起伏變化，海況等級(jí)越高，起伏越明顯，在時(shí)頻平面上呈一條蛇形曲線(xiàn)。進(jìn)一步，圖12(c)和圖12(d)給出了2級(jí)海況下目標(biāo)單元時(shí)頻譜的局部放大圖，圖中黑色橢圓標(biāo)記的區(qū)域?yàn)槟繕?biāo)回波多普勒旁瓣，其主要在零多普勒頻率附近出現(xiàn)強(qiáng)散射點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)，且HH極化比VV極化更明顯，考慮航道浮標(biāo)的形狀特點(diǎn)分析其原因，應(yīng)是與目標(biāo)在海面起伏時(shí)在相應(yīng)時(shí)刻出現(xiàn)類(lèi)似于角反射器的強(qiáng)散射結(jié)構(gòu)有關(guān)，且在HH極化下其散射回波能量更強(qiáng)。

圖12 目標(biāo)單元(浮標(biāo)1)時(shí)頻譜Fig.12 Time spectrum of target bins (buoy 1)

4 結(jié)語(yǔ)

海洋環(huán)境復(fù)雜多變，海上目標(biāo)繁雜多樣，海上目標(biāo)準(zhǔn)確可靠地檢測(cè)識(shí)別，需要豐富的目標(biāo)與環(huán)境數(shù)據(jù)作為支撐。為逐步解決海上目標(biāo)散射特性數(shù)據(jù)不足的問(wèn)題，海軍航空大學(xué)海上目標(biāo)探測(cè)研究團(tuán)隊(duì)依托“雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)共享計(jì)劃”建設(shè)海上目標(biāo)特性數(shù)據(jù)集，按海上目標(biāo)雷達(dá)觀(guān)測(cè)數(shù)據(jù)獲取、海上目標(biāo)多源觀(guān)測(cè)切片數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)集構(gòu)建與使用3個(gè)步驟，初步形成海上目標(biāo)電磁散射特性數(shù)據(jù)集，為后續(xù)海上目標(biāo)類(lèi)型持續(xù)豐富奠定基礎(chǔ)。本文對(duì)應(yīng)3個(gè)步驟中的第1步驟，通過(guò)擴(kuò)展雷達(dá)目標(biāo)觀(guān)測(cè)的物理維度、提升雷達(dá)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(jí)下的海上目標(biāo)及環(huán)境數(shù)據(jù)，并分析其幅度分布特性、時(shí)間與空間相關(guān)特性、多普勒譜特性，為海上目標(biāo)電磁散射特性數(shù)據(jù)使用提供參考。

致謝海上目標(biāo)散射特性數(shù)據(jù)集在整理與預(yù)處理過(guò)程中得到了煙臺(tái)大學(xué)研究生劉言、郭慶梅、楊詩(shī)曼、韓喆璇、于樂(lè)凱和謝政的大力支持，在此表示感謝。

附錄

海上目標(biāo)散射特性數(shù)據(jù)集繼續(xù)依托雷達(dá)學(xué)報(bào)官方網(wǎng)站進(jìn)行公開(kāi)共享，142組實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)(HH極化和VV極化數(shù)據(jù)各71組)及相應(yīng)的試驗(yàn)數(shù)據(jù)報(bào)告，已上傳至雷達(dá)學(xué)報(bào)官網(wǎng)“數(shù)據(jù)/雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)”板塊中(如附圖1所示)，具體網(wǎng)址為http://radars.ie.ac.cn/web/data/getData?dataType=DatasetofRadarDetectingSea。

附圖 S1 雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)2022年第1期——海上目標(biāo)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(biāo)種類(lèi)多、數(shù)量多，數(shù)據(jù)積累需要長(zhǎng)期堅(jiān)持。海軍航空大學(xué)海上目標(biāo)探測(cè)課題組將長(zhǎng)期系統(tǒng)開(kāi)展海上目標(biāo)數(shù)據(jù)采集試驗(yàn)，以持續(xù)增加海上目標(biāo)的種類(lèi)和數(shù)量，并定期在“數(shù)據(jù)/雷達(dá)對(duì)海探測(cè)數(shù)據(jù)”板塊中更新。