高频地波雷达发展动向与分析＊

(海军驻中南地区光电系统军事代表室 武汉 430074)

1 引言

高频地波雷达利用短波(3～30MHz)在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点,采用垂直极化天线辐射电波,能超视距探测海平面视线以下出现的舰船、飞机、冰山和导弹等运动目标(如图1所示)。同时,高频地波雷达利用海洋表面对高频电磁波的一阶散射和二阶散射机制,可以从雷达回波中提取风场、浪场、流场等海况信息,实现对海洋环境的监测。其具有：1)超视距。利用短波在导电海洋表面绕射传播衰减小的特点,发射天线向海面发射高频的无线电波,无线电波贴着导电的海水表面传播可以到达海平面视线以下。如果海面上海浪的波长正好是无线电波波长一半,那么这种海浪可以将无线电波很好地散射回来,利用目标反射沿海面传播回来的电波从而分析各种信息;2)时效性高。作为一种远程预警探测设备,虽然方位分辨率和距离分辨率较微波雷达差,但超视距探测能够提供较长的预警时间。同时也可以通过软件分析连续某段时间(可达20s～20min)内采集的数据,从而实时得到海面一定范围内面元上动力学参量的时间平均和空间平均。3)大范围。地波雷达探测覆盖面积可近似认为在以最远探测距离为半径,探测覆盖张角所构成的扇型区域内,通常为几十到几万平方公里;4)全天候。受气候环境影响比较小,特别是在台风期间仍可以工作;5)可靠性高。全数字化模块设计,使系统抗干扰能力和可靠性显著增强,更支持无人值守工作,可大大降低使用维修成本。本文就高频地波雷达的发展动向、发展分析等,作进一步的研究和探讨。

图1 高频地波超视距雷达的工作原理

2 发展动向

1)加拿大设置在纽芬兰岛的HF-GWR以及公布的SWR-503雷达。由加拿大北方雷达系统有限公司在纽芬兰岛的Race角建造的HF-GWR系统原型,它是纽芬兰纪念大学工程与应用科学学院与海洋资源工程中心的研究人员在经过10年的研究以后,又用了26个月、耗资290万加元建造的。雷达可覆盖120°扇角内,20～400km范围,以探测和跟踪海面低速移动目标为主,也可以提供海况信息。HF-GWR是一个庞大而昂贵的系统,建造在1.5km狭长的海岸上,发射天线为架设在高40m铁塔上的对数周期天线,接收天线为40单元阵长880m的“风筝”形线天线,阵元高7m,间距22m,发射功率16kw,用了10台全数字接收机和12块DSP,配备VAX小型计算机来控制雷达所有功能和数据处理,采用了线性调频中断连续波(FMICW)、基于参数谱估计方法的海流提取和海杂波中硬目标检测。HF-GWR主要用在海岸警戒、渔业管理、海上交通管制、缉毒、打击走私、冰情探测、国防以及对预测失灵船舶漂浮和监测污染物的扩散[1]。

据雷声网站2008年12月11日报道,雷声公司获得一项1600万美元的VSE公司BAV分部的转包合同,向罗马尼亚提供两台高频地波雷达(HFSWR)系统。雷声加拿大公司 HFSWR系统为罗马尼亚在黑海的海洋主权提供连续、全天候的保护。系统在国家200海里(370公里)专属经济区范围内探测并监控任何船只的活动。雷声加拿大公司和加拿大国防研究与发展局(DRDC)合作开发了这项技术,帮助其他国家加强海岸线安全,HFSWR将在雷声加拿大公司滑铁卢工程生产。

2)德国WERA地波雷达。由德国汉堡大学的物理海洋研究所开发,德国Helzel公司制造,2000年10月WERA雷达的首次实验在西班牙西海岸获得成功,至今已经向德国、美国、澳大利亚、英国、法国、意大利、葡萄牙、智利等国提供了30余个雷达站。仅2006年就安装了16个雷达站。WERA地波雷达也是安装于海边的岸基型雷达,其接收阵列天线长约400m,最大发射功率50W,最远探测距离可达200km,主要用于远距离、大范围表面海流、波浪和风的监测。整套系统包括两个雷达场地,相距15到40km。单个的雷达场地仅能提供径向的数据,即海流相对于雷达站点的分量,为了得到真正的矢量图谱,需要2个雷达场地的资料进行合成叠加。每个场地均有发射站和接收站,发射站由4根天线组成矩阵,接收站有2种：4根天线组成的矩阵仅能监测海流;8到16跟天线组成的单排阵列可以监测海流、波浪和风向。系统采用宽频调频连续波技术(FMCW),得到最佳的性噪比、高瞬时分辨率以及高质量的海洋信息。构造灵活,中远程型与近距离型之间的转换仅需更换一个小插件。而且天线阵列前海域没有盲区,每个发射天线功率为7w,对人安全,可安装在公众场合,对其他无线电设施不产生干扰。WERA雷达的时间分辨率为10分钟(通过软件可调控从20s到20min,一般10min),加上监测范围广(10～200km),很高的空间分辨率(最小250m),使得德国WERA雷达成为海洋科学研究、海洋环境观测预报系统(特别是海洋灾害应急管理)的有效工具[2]。

3)高频地波超视距雷达进行组网。用高频地波超视距雷达进行组网在国际上已成为现实,在美国和欧洲的多个海洋环境监测计划中实施。图2是美国加州政府于2004年批准建设实施的沿海高频地波超视距雷达网络工程示意图,该工程一共包括57部近程和远程高频地波超视距雷达,雷达照射覆盖区相互重叠,涵盖美国西海岸数千公里的海岸区域,同时保证主要区域处在不少于4部雷达的监测之中。该工程是正在规划中更为宏大的全美海岸高频地波超视距雷达监测网络(图3)的一部分。高频地波雷达组网的系统总体技术,包括体系结构、组网方案、工作体制及主要技术指标分配等。通过理论分析与仿真建模,优化高频地波雷达组网方案,保证组网探测的灵活性、适用性和抗打击能力。地波雷达组网的系统实现技术,包括网内各雷达站的同步和校正技术、网内电磁兼容技术、信息最佳传递技术等。将区域内多部地波雷达构建成一个虚拟大雷达,动态组合并优化配置区域内的各种雷达资源,发挥组网系统的最佳性能。

4)近日OSMAR071型高频地波雷达在国家海洋局海洋仪器设备招标采购中一举中标成功。OSMAR071型高频地波雷达可精确测量覆盖海域的海流流速与流向、浪高和浪周期、海面风向和风速等海洋动力学参数(具体性能指标表1所示)。是在引进武汉大学OSMAR系列技术基础之上,利用空间谱估计技术MUSIC算法、数字波束形成技术(DBF),采用全数字化设计的调频中断连续波(FMICW)体制的高频地波相干脉冲多普勒雷达。与传统的海洋测量仪器相比,它能实时、大面积地获取近90000km2的流、浪、风相关参数,对海洋军事活动、海洋灾害预报、海洋科研、海洋工程、海港码头管理、海上救生有着重要的现实作用与意义。与同类产品相比,具有回波信号强、二阶谱丰富、信噪比高、覆盖面积广、环境适应性好的优点,其性能已达到国际先进水平[3]。

表1 OSMAR071型标准阵列式高频地波雷达总体性能指标

3 发展分析

高频地波雷达的发展趋势：一是发展更精确的风浪参数反演理论和技术;二是天线小型化;三是雷达组网技术;四是雷达数据标准化、规范化。

1)发展更精确的风、浪参数反演理论和技术。虽然地波雷达在探测风、浪方面已取得突破,但距离业务化运行的应用要求还有一定的距离。而地波雷达风、浪反演的主要困难在于提取海浪和风场参数所依据的回波信号容易受噪声和干扰的影响。通过雷达实时选频系统选择干净频率、应用噪声抑制和抗干扰技术可以在一定程度上缓解这一问题。采用多频率雷达也是解决该问题的一种尝试,但多频率雷达系统复杂,覆盖距离受最高工作频率的限制,应用上面临更多的实际因素的制约。另一方面,反演风、浪参数在理论上是一个非线性积分方程的反演问题,目前只能通过对方程进行线性化近似和离散化处理才能求解,这一过程加上噪声和干扰的影响,限制了风、浪探测精度。因此在风、浪反演理论、机制和技术方面还需要进行更深入的探索研究。

2)天线小型化、机动化。由于军用地波雷达的站址必须选择在沿海岸平坦地段,再加上占地面积较大,使雷达的阵地完全暴露。因而,容易被敌方利用各种手段侦察定位,从而使用各种精确制导武器进行攻击。为了提高地波雷达的抗毁性,可以考虑天线的小型化、机动化设计,但需要进行超方向天线技术、超分辨算法研究。1998年美国的Codar Ocean Sensors有限公司研制了一种紧凑型的高频雷达天线,利用了超方向性天线技术,天线阵面做的很小,长度仅有30m,而其方向性系数指标接近于阵长为1.2km的等幅加权普通阵列天线。高频地波超视距雷达天线的小型化、机动化不仅能够提高地波雷达的抗毁性,而且具有极大的经济性,并且为舰载地波超视距雷达的天线设计打牢基础[4]。

3)雷达组网技术。雷达组网是指通过对多部不同体制、不同频段、不同模式、不同极化方式的雷达适当布站,借助通信手段链接成网,并由中心站统一调配而形成一个有机整体。网内各雷达的信息(原始信号、点迹、航迹、海况等)汇集至中心站综合处理,形成雷达网覆盖范围内的情报信息,并按照实际情况(如战场态势、自然灾害等)的变化自适应地调整网内各雷达的工作状态,发挥各个雷达的优势。雷达组网的一般意义为：(1)实现系统内的情报资源共享,完成对每个雷达站的实时指挥控制,增加了实际运行的可靠性;(2)对目标探测而言可充分利用隐身目标的侧向、上、下反射的隐身缺口(其雷达反射截面随视角的变化可达20～30dB),因此可用来探测低空飞行目标及其它隐身目标,实现反隐身的目的;(3)组网后的雷达系统具有较大的作用范围,工作方式灵活,抗干扰性能强,加上雷达之间空间位置的分离,不同频段雷达组网可实现频率互补,在完成边海防任务上具有很大的优势;(4)雷达组网后,可以获得更高精度的雷达数据及时域、频域、空域的各种信息,为首长的决策指挥提供有效手段;(5)雷达组网后,使各自相互独立的雷达通过组网而使其整个系统构成一有机整体,从而使网内雷达工作方式灵活多变。雷达组网可基于MIMO(Multiple-Input and Multiple-Output,即多输入多输出)概念,针对单基雷达、双/多基雷达、固定式雷达、机动式雷达混合组网方案开展研究。通过网络优势和机动优势充分弥补单部雷达在探测性能上的不足,同时也提高了整个系统的生存能力。

4)雷达数据标准化、规范化。海态探测用高频地波雷达输出的是时间上连续的大面积流场、风场和浪场的分布,时间分辨率一般为十分钟到一个小时,所提供的信息在时间、空间和采样方式所对应的物理含义上与其它测量方式(如浮标、船测、航空测量以及卫星遥感等)存在很大的不同。目前其它测量手段的数据经过多年的应用,都有明确的使用规范和应用标准,而地波雷达这一方面的工作还处于研究探索之中,国内外海洋学家在地波雷达数据质量控制以及将雷达数据与海洋动力学模型进行同化方面已积累了一定的经验,但距离制订明确的应用规范还存在较大距离[5]。

4 结语

高频地波雷达作为一种超视距、大范围、全天候警戒探测系统,在海洋环境和超视距目标探测中有着重要的应用前景。相信随着抗干扰技术的发展、理论算法的突破以及工程化实现,地波雷达将在海洋领域里发挥着不可替代的作用。

[1]杨子杰,吴世才,等.高频地波雷达总体方案及工程实施中的几个主要问题[J].武汉大学学报,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系列高频地波雷达[EB/OL].http：//whuhf.w2221.vhostgo.com/News-View.asp?NewsID=8,2009

[4]毛滔,夏卫民,等.高频地波超视距雷达特点及应用研究[J].现代雷达,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