美国海军基于战术雷达的灾害性天气探测及显示系统

马永龙，谢红胜

(1.海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北武汉 430030;2.中国船舶重工集团公司第七〇一研究所，湖北武汉 430064）

美国海军基于战术雷达的灾害性天气探测及显示系统

马永龙1，谢红胜2

(1.海军装备部驻武汉地区军事代表局，湖北武汉 430030;2.中国船舶重工集团公司第七〇一研究所，湖北武汉 430064）

介绍美国海军舰艇基于战术雷达的灾害天气探测及显示系统。该系统通过附加的气象雷达数据处理器和基于网页的服务器，提供舰载SPS－48E等雷达的实时监测数据和图像。系统由气象数据接口转换卡及气象数据提取计算机构成。经过验证，该系统与专用气象雷达性能相当。

气象雷达;灾害性天气探测及显示;SPS－48E

0 引言

美国海军各型具有航空能力的舰船，如航母和两栖攻击舰，其作战能力都受到天气状况的影响。上至打击任务，下至舰载机起降，都需要知道当前及未来的天气条件，以避免事故的发生，并尽可能为部队提供先发制人的机会。

灾害性天气探测及显示 (HWDDC）系统是为舰艇提供实时气象信息的重要工具，它通过附加的气象雷达数据处理器和基于网页的服务器，能提供舰载SPS－48E雷达的实时监测数据和图像。灾害性天气探测及显示系统首先提取SPS－48E雷达回波，将其转化成气象雷达可以读取的气象测量数据，然后利用简单的网页显示技术，通过舰载网络向用户提供雷达显示的图像。灾害性天气探测及显示系统样机首先安装在美国海军两栖攻击舰“贝里琉”号上，并于2006年2月进行为期6个月的海上部署。第2套系统在2007年3月安装在“尼米兹”号 (CVN 68）航母上，并在舰队部署期为舰队提供接近实时的气象数据。基础工商业公司 (BCI）为灾害性天气探测及显示系统开发了数据处理器和网络服务器。ITT公司Gilfillan分部则开发了SPS－48E雷达与BCI处理器之间的数据接口。

1 灾害性天气探测及显示系统

世界各地的机场周围都有专用气象雷达，飞行员和空中交通管制人员利用这些雷达数据规划航线。但美国的水面舰艇在过去的几十年中并没有安装和使用这种气象雷达系统。不过，近年来通过一些“基于传感器”的数据收集和演示试验证实，大多数现代舰艇所使用的对空监视雷达，可以作为气象雷达使用。

1.1 基于传感器的气象雷达监测

利用现有传感器提供气象雷达数据的好处包括:无需更换现有设备，能极大降低新系统开发、安装和维护费用，并满足相关附加机械结构和电子设备的使用要求。这种“基于现有传感器”的数据收集概念，允许SPS－48E雷达在完成自身战术任务的同时提供气象数据，不仅适用于SPS－48E雷达，还适用于SPY－1等舰载战术雷达。

基于传感器数据收集概念的一个重要条件，是在搜集日常气象数据的同时，不改变或阻碍战术传感器的正常工作。战术雷达的任务是探测并追踪空中和水面目标，这对船员及整个舰队的安全至关重要。中断一次搜索扫描或者改变运行参数，都会降低雷达探测和追踪潜在敌对目标的能力，进而大大降低舰队防御敌方武器的能力。

图1 基于传感器的平行数据处理概念Fig.1 Through-the-sensor parallel data processing concept

因此，基于传感器的处理系统必须或至少要能在雷达的战术配置条件下工作，并可以利用为战术任务而设定的雷达扫描方式和参数 (如脉冲宽度，脉冲重复间隔时间等）来提供天气信息。通过甄选目标雷达及数据处理方式，可以实现上述目标。

在收集到气象数据后，需要以一种便于解读的格式向舰上和舰下的用户分配和提供气象数据。美国只有少数舰船 (如航母）上有专业的气象学家，大多数没有气象学家的舰船上的舰员也需要使用气象雷达提供信息。因此，数据质量和信息的显示方式非常重要，如果作战人员不能快速有效地理解这些数据，该系统对于作战人员的作用就会很小。

1.2 数据处理算法调整

为进行气象监测并成功处理战术雷达数据，需要对数据处理算法进行调整，以适应战术雷达极高的扫描频率。通常情况下，基于传感器的扫描是快速扫描，比标准气象雷达产生气象测量数据的间隔时间更短。

例如，现在许多战术雷达如SPY－1雷达，采用全方位相控阵方式;另一些如SPS－48E雷达，配有机械旋转雷达天线，通过旋转来实现方位角的覆盖，并通过快速扫描模式来覆盖仰角范围。不管是哪种情况，相控阵的灵敏性 (全方位或者仅俯仰方向）都需要雷达自身具有快速扫描功能，从而在更短时间内提供完整的气象图像。此外，SPS－48E雷达不足以独自提供快速气象扫描功能。因此，必须收集足够数量的样本才能给出精确的气象测量数据。加上采用范围平均，可以在快速的气象扫描情况下引入更多的气象样本数据，从而使得雷达能够在较短时间内提供高质量的气象测量数据。

1.3 灾害性天气探测及显示系统描述

虽然SPS－48E雷达是一种三坐标监视雷达，目的是探测并追踪敌方飞行器及导弹，但它的运行特点非常适合气象探测。SPS－48E雷达运行于S波段，通过机械系统控制进行方位角的扫描，通过发射频率控制进行俯仰方向的扫描。高功率发射器、相对较短的脉冲长度以及合理的天线波束宽度，综合起来可以实现与许多专用气象雷达 (如WSR－88D气象雷达）相当的性能。再通过一个与战术目标探测过程独立的数据处理程序来处理雷达收集到的数据，就可以提取到通常会被雷达作为杂波忽略的高保真气象信息。

灾害性天气探测及显示 (HWDDC）系统由气象数据接口转换卡 (WDIC）和气象数据提取计算机 (WEC）2个子系统构成。气象数据接口转换卡可以在SPS－48E雷达内实现完全无干扰的数据挖掘过程，并提取未经处理的雷达回波。通过气象数据提取计算机不仅可以获得未经处理的雷达回波，还能够获得SPS－48E雷达设备提供的用于处理雷达回波的相关信息，包括波束的方位角和仰角、发射机功率水平以及舰船的位置、航向及航速等。返回的数据以2种雷达模式呈现:单脉冲传输模式和移动目标指示 (MTI）模式，类似于一种脉冲多普勒阵列。

气象信息提取计算机子系统接收气象数据接口转换卡捕捉的雷达数据，并将数据转换成谱矩估值，同时提供基于网页的用户显示。SPS－48E雷达单脉冲回波被转换成反射回波估值，其覆盖范围超过277 km。移动目标指示脉冲阵列则通过一种脉冲对算法进行处理，并给出反射回波、平均辐射速度以及频谱宽度的估值。由于在波形中采用了相对较短的脉冲间隔时间，因而战术移动目标指示模式的范围也被限制在约56 km的长度。

气象数据提取计算机综合一些传统气象雷达数据处理的特点，并充分利用战术雷达扫描模式所需的新型算法。此外，为提高数据质量，气象数据提取计算机还内嵌杂波编辑、范围/速度展开以及表面杂波过滤等功能。然而，由于SPS－48E雷达战术移动目标指示模式下的波形及扫描参数的限制，无法使用如WSR－88D气象雷达中的传统杂波滤波器。考虑到实际工作中雷达平台移动，且“地面”杂波大多数是由海面波浪回波构成，因而在设计气象数据提取计算机的处理算法时，需要采用不同的表面杂波过滤方法。

灾害性天气探测及显示处理器中使用的杂波过滤方法，与之前某些战术雷达中使用的方法相似。目前已开发的自适应移动目标指示算法也都是基于滤波操作，具体来说就是将输入数据序列与一个作为滤波器的矩阵序列相乘。这些技术有的在战术雷达中已经得到了运用。采用矩阵滤波器的好处在于滤波操作不会引起数据损失，也不像传统有限脉冲响应 (FIR）或无限脉冲响应 (IIR）方式，需要在杂波滤波器的输出端产生与输入端相同数量的脉冲信号。

灾害性天气探测及显示处理器吸收了自适应移动目标指示处理器的工作优点，采取一种类似矩阵相乘的方法进行滤波。最初的滤波操作采用了一个常滤波系数，但人们希望随着灾害性天气探测及显示处理器不断积累海上工作经验，促使这项工作能够更自主化。

气象数据提取计算机的一项新功能是能够将独立的雷达回波重新组合成完整的数据册。SPS－48E雷达的扫描频率是4 s，也就是说雷达每隔4 s就能完成对其整个覆盖区域的扫描。而传统的气象雷达，如WSR－88D，则要花费几分钟时间才能完成一次完整扫描。因此，为了提高灾害性天气探测及显示数据的精度，系统会收集一些连续的SPS－48E雷达扫描结果，并将它们组合成一个固定位置的单一参考册。这就需要在处理过程中，对数据进行持续不断的船体运动补偿，这种做法不仅仅是将每次扫描的回波按照一个空间固定位置进行排列，而是根据船体大致的速度和频谱宽度，消除因船体运动而对结果造成的影响。

灾害性天气探测及显示系统是完全自动化的，不需要人员对其进行配置或操作。一旦接通电源，气象数据提取计算机处理器就会自动进入到运行模式并开始收集数据，同时通过气象数据接口转换卡获取雷达数据流并进行处理。每隔60 s，气象数据提取计算机就会给出一个完整的谱矩数据，并可在系统硬盘内保留几个小时。气象数据提取计算机最后的输出结果是一个完整的谱矩表，它采用通用格式填写，并随综合反射率及速度方位显示系统等数据一同以下一代雷达格式输出。

1.4 气象数据提取计算机处理平台

气象数据提取计算机平台使用商业成品硬件和开源软件。硬件由多台机架式服务器构成，运行Linux操作系统。处理器架构采用多通道并行处理器，以保证数据处理的实时性。气象数据提取计算机原型机 (称作WEC V0）由2台机架式服务器组成，每台服务器中安装有2个3.8 GHz的英特尔至强 (Intel Xeon）处理器。

新版气象数据提取计算机系统将大幅提升处理性能，每个服务器的CPU都将采用4核3.0 GHz处理器。数据依照信息传递接口数据传输协议，通过标准的千兆网络接口完成在处理中心的交换。气象数据提取计算机利用前面板串行数据接口，通过光纤与SPS－48E雷达内部数据挖掘系统连接，这也使得气象数据提取计算机可以安放在舰上光纤所及的任何位置。

气象数据提取计算机服务器提供的网页显示和界面服务可以通过海军舰载机密局域网(SIPRNET）访问，同时在舰下还可以通过卫星连接到其他舰船以及陆基机密局域网内的客户端。除此之外，视频转换器可以提供实时的视频显示，供海军气象和海洋相关 (METOC）操作员进行选择。同时，通过舰载闭路电视系统 (称作23－TV），用户也可以在没有机密局域网终端的地方查看雷达的实时显示。

为了防止系统因断电而崩溃，系统硬件中包含1个持续供电系统 (UPS），可以保证系统在断电后正常工作15 min。并且该时间到达前，灾害性天气探测及显示系统会自动关闭，以防止系统因非正常关闭而崩溃或对文件系统造成损坏。日志文件系统的使用也能起到保护作用。

图2 灾害性天气探测及显示系统框图Fig.2 HWDDC system block diagram

2 海上测试结果

灾害性天气探测及显示系统样机于2006年2月在位于弗吉尼亚州的海军SPS－48E雷达测试基地进行了陆基系统测试。在测试期间，谱矩输出结果与WSR－88D气象雷达结果进行了对比，结果表明，灾害性天气探测及显示系统的输出结果与气象雷达的结果差别甚小。图3显示的是在陆基测试过程中的综合反射率图像，图4显示的是“贝里琉”号离开夏威夷后的综合反射率图像。需要注意的是，在这项测试中并没有用到表面杂波过滤和点杂波编辑功能。

图3 综合反射率PPIFig.3 Composite reflectivity PPI

图4 综合反射率PPIFig.4 Composite reflectivity PPI

2006年2月，在美国海军“贝里琉”号(LHA5）两栖攻击舰安装了该样机，之后进行了为期6个月的操作部署。在离港后的前20天中，灾害性天气探测及显示系统为海军和海军陆战队继续执行“入侵者”号攻击机和直升机的飞行任务提供保障，而这些任务在通常情况下会因天气恶劣而被取消。前3周共遇到了3次下述机会:开始时天气不能满足飞行任务，后来天气放晴，因而可以继续实施飞行计划。灾害性天气探测及显示系统此时为海军和海军陆战队节省了大量宝贵的时间和资源 (灾害性天气探测及显示系统可以提前预判），同时也提升了执行任务的安全性和效率。

［1］MAESE T J，MELODY S，KATZ M O，et al.Dual-use Shipborne Phased Array Radar Technology and Tactical Environmental Sensing［C］.Proceedings of the 2001 IEEE Radar Conf-erence，2001.

［2］ARMSTRONG BC.A Comparison of conventional，adaptive and hybrid doppler processing techniques［C］.Proceedings of the 1992 South African Symposium on Communications and Signal Processing，1992:127 －134.

Hazardousweather detection and display system based on tactical radar for US navy ships

MA Yong-long1，XIE Hong-sheng2
(1.Deputy Office of Department of Equipment of Navy，Wuhan 430030，China;2.The 701 Research Institute of CSIC，Wuhan 430064，China）

Hazardous weather detection and display system is described.The system based on the existed shipboard radar is an adjunct weather radar processor and web-display server that provides realtime weather radar data and imagery from the navy’s SPS －48E radar system aboard these aviation platform ships.The HWDDC system is composed of two subsystems，the weather data interface card and the weather extractor computer.This comparison experiment showed a very close qualitativematch between the output of the HWDDC system and the dedicated weather radar.

weather radar;HWDDC;SPS－48E

U661.43

A

1672－7649(2014）04－0147－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.032

2014－03－31

马永龙(1974－），男，工程师，研究方向为军用电子信息工程。