舰载警戒三坐标雷达拓展气象探测功能的应用研究

陈　欣

（中国人民解放军91404部队，河北　秦皇岛　066000）

舰载警戒三坐标雷达拓展气象探测功能的应用研究

陈欣

（中国人民解放军91404部队，河北秦皇岛066000）

舰载三坐标雷达在搜索、跟踪目标的同时进行气象探测是一项全新的课题。文章在节约硬件成本开销的前提下，实现了舰载三坐标雷达警戒搜索功能和气象探测功能的融合，阐述了三坐标雷达进行气象探测功能拓展的技术机理和警戒雷达在气象探测功能方面的应用优势。

警戒三坐标雷达；气象探测；功能拓展

新型舰载警戒搜索三坐标雷达担负着全舰警戒搜索和武器系统的目标指示的任务，具有大空域覆盖、高数据率、高精度的特点。其主要功能是对空对海搜索，能在复杂干扰环境下有效地检测和跟踪目标，给出三坐标目标指示信息，测定目标方位、距离、仰角三维参数。在舰船上，因受天线架设位置和舱室空间的限制，架设多部雷达的需求无法满足。对警戒搜索三坐标雷达进行气象探测功能拓展，既解决了舰船内舱室空间有限的问题，简化了机械结构的复杂度，又可以利用探测的气象信息改善警戒雷达的杂波抑制性能［1］。

1　舰载气象雷达的应用

在海上，雷达工作的气象环境更为复杂，所处的大气环境中气象回波在时间和空间上也均会有很大变化，警戒雷达的探测性能，如发现概率、探测范围、目标航迹很大程度上也受到云雨、海杂波等气象杂波的影响。如果能更加准确、实时地测量气象及云雨杂波的连续变化，警戒雷达可以通过排除气象杂波，提高目标的探测准确度。舰载警戒雷达拓展气象探测功能可生成如下产品。

基本数据产品包括：基本反射率（R）、速度（V）、谱宽（W）和未滤波基本反射率因子（UnZ）。

物理量产品：垂直最大回波图、回波顶高分布、回波底高分布、等高平面位置显示、反射率垂直切割。

降水处理产品：雨强、任意小时雨量积累、垂直液态含水量。

风暴产品：强回波移向移速。

风场产品：速度方位显示、方位涡度显示、垂直风廓线、组合切变、速度径向散度。

通过这些气象产品，警戒雷达可以大致测定大气生成物的位置，预测并告警大范围降雨、台风、冰雹、暴雪、飑线、龙卷风、雷暴及暴雨等灾害性天气的发生与严重程度，引导飞机起降以及应用探测的气象信息，可抑制由海浪和云雨杂波所引起的虚假目标信息以及有效消除其产生的虚警。

2　警戒三坐标雷达拓展气象探测功能的技术机理

为满足对气象回波高度的探测要求，进行气象功能拓展的前提是针对可探测目标回波距离、方位、仰角等三维及以上参数的雷达。以三坐标雷达为例，利用警戒三坐标雷达的目标探测特点和整体效能，可利用雷达的一个扫描周期，有效使用雷达资源，把雷达的警戒探测功能和气象探测功能实现兼容［2］。在实现边搜索边跟踪工作方式和实现多批目标跟踪的同时，可以分配部分扫描周期、能量和通道对所处环境进行气象探测［3］。

实现这一目标应借助于警戒雷达的功能特性并结合气象雷达的工作方式。整部雷达采用一部接收、发射系统，气象探测功能拓展后，除原有的设备组成外，多加一部独立处理气象数据的信息处理系统。

拓展气象探测功能的警戒雷达采用两种工作方式：兼容方式和气象探测专用方式。在兼容工作方式下，雷达主要资源用于搜索和跟踪目标，留下一部分能量和通道测试气象信息。在气象探测专用工作方式下，雷达不进行目标的搜索和跟踪，所有能量用于测试气象信息。扫描策略由雷达实时控制，进行方位可变扫描像素值（Pixels Per Inch，PPI）和体扫模式选择。

选择兼容气象探测模式探测环境特性，雷达实时控制生成气象探测指令，利用警戒雷达的快速探测和捕捉目标能力，在满足探测飞行目标的扫描时间和能量前提下，进行资源调度，间隔一段时间利用一个扫描周期快速完成全空域的扫描和搜索，生成大量的气象探测回波数据，通过一个外挂的大容量硬盘记录气象数据。气象回波数据通过专用气象通道进入气象信号处理系统，进行多种模式的信号处理，生成气象测量值，即各种谱信息（回波强度、速度、谱宽）。再对信号处理机提取的气象数据进行二次处理，可得到气象的二次产品。通过显示与控制分系统，显示气象产品。气象信号处理系统如图1所示。

图1　气象信号处理系统

气象工作方式与工作模式设置相对应，分区探测或分远、近不同范围探测。气象探测时间为

式中：KφKθ为雷达在作用范围内所需的波束数目；N，Tr分别为波束驻留数目及时间。不同的气象探测工作方式和作用范围，其探测所需的时间和探测周期也不同。

如采用兼容模式，同时进行目标跟踪，则气象探测间隔时间twi为

式中：tt为跟踪时间。

采用兼容模式气象探测时，搜索和跟踪目标的时间及数量，会影响气象探测的数据率［5］。基于任务优先级调度的自适应策略，可根据任务的优先级，设置重点跟踪目标，综合分析，进行多任务权重的计算与雷达资源调度，在满足目标跟踪和空域搜索的前提下，对气象探测任务扫描周期及能量进行合理分配。兼容模式下雷达资源调度流程如图2所示。

3　警戒三坐标雷达拓展气象探测功能的应用特点

3.1节约硬件成本

警戒搜索雷达一般使用固态发射机，相对气象雷达，其硬件基础更高，发射机工作更稳定。在警戒雷达的硬件基础上进行气象功能拓展，可有效使用雷达硬件资源，只需多加一组通道和一个专用气象数据处理机柜就可实现，在很大程度上节约了硬件成本。除此之外，其高可靠性、长时间全气候工作的特点也满足天气雷达的需求。

3.2缩短气象探测的预报时间

舰载警戒雷达硬件性能好，可靠性高，在空间与时间上对海上气象探测的性能更佳，实时性更强。一般的多普勒天气雷达完成一个体扫时间至少需要12min，这对于一个灾害性气象形成发现、发展过程的探测以及引导飞机起降是远远达不到要求的。对某些新体制的警戒三坐标雷达进行气象探测功能拓展，利用其高空间分辨率和空间定位精度，可大大提高气象回波的发现时间，并且可以对多个区域同时观测，从而大大地提高了对所处区域天气状态的探测能力和数据率，缩短探测时间。

3.3改善预警和预报能力

舰载警戒雷达具有多种工作状态、多目标、多功能及自适应工作方式，对于瞬息变化的气象目标更容易达到探测要求。对多个气象目标，特别是对精细目标可以实现同时探测、跟踪。由于舰载警戒雷达这种对精细目标变化趋势的探测性能，拓展气象探测时可以进一步提高预警能力。

3.4全寿命周期成本低

舰载警戒雷达一次性成本较大，但模块成本价格已逐步降低，模块部件更换，特别是大功率部件，比传统的多普勒天气雷达部件的成本要低得多。因为共用一部天线、接收机和发射机，在雷达生命周期内，进行功能拓展的警戒雷达长期维护的成本将明显比两部雷达要低许多［6］。

3.5增强雷达杂波抑制能力

现代化雷达的共同点是对环境要求比较严格，作用效能的发挥受战场环境的影响十分显著。警戒雷达拓展气象探测功能后，可以利用实时探测的气象信息和推算的相应大气运动状态，调整雷达系统状态，改善探测目标的性能。根据探测的气象信息绘制气象区域图，针对气象区域图相应位置的杂波分布特征，包括空间位置、密度分布、幅度和多普勒信息，有效抑制相应位置由海浪和云雨杂波所引起的虚假目标信息，消除其产生的虚警，提高雷达探测性能。

4　应用效果

运用警戒三坐标雷达进行气象探测和观测，不仅能测定基本气象信息，如降雨量、降雨率和降水特性，还能对低空风切变、湍流等气象现象的降水动态特性进行分析，可实现很高的探测精度，获得更多的气象信息产品。如图3所示，警戒三坐标雷达进行气象功能拓展后探测的部分气象信息产品。

图2　兼容模式下雷达资源调度

图3　气象信息产品

5　结语

对舰载三坐标雷达进行气象探测功能的拓展，在不增加二次雷达硬成本开销的前提下，实现搜索、跟踪目标的同时实时地监视气象变化，既简化了机械结构的复杂度，又可以对所处区域的天气状态作快速探测，预报更准确，预警时间也大幅提高。利用探测的气象信息有效抑制由海浪和云雨杂波所引起的虚假目标信息，有效消除其产生的虚警，提高警戒雷达探测性能，大大提高舰艇作战能力。为海上及濒海等复杂作战环境下水面舰艇武器设备的进一步发展拓展研究空间。

［1］张越.相控阵技术在天气雷达中的应用［J］.现代雷达，2003（12）：23-25.

［2］郑志宽，何强，韩壮志.一种相控阵雷达新型搜索波形研究［J］.电光与控制，2014（8）：87-90.

［3］王凯，严勇.舰载相控阵雷达在气象探测中的应用［J］.现代雷达，2009（6）：5-7.

［4］叶舟，尤祖光，姜伟，等.多功能相控阵雷达目标监视与气象探测兼容模式设计［J］.上海航天，2014（5）：22-26.

［5］江旭敏.相控阵雷达多任务调度管理［J］.电子科技，2008（6）：76-78.

［6］蒋庆全.民用机载气象雷达发展评述［J］.中国电子科学研究院学报，2004（4）：39-46.

Research on application of the expansion of shipborne surveillance 3D radar for meteorological sounding

Chen Xin
（PLA of 91404， Qinhuangdao 066000， China）

Employment of shipborne 3D radar tometeorological sounding along with search and track is a new task.Under the premise of saving the cost of hardware， this paper realized the fusion of shipborne 3D radar warning， search and the weather detection functions. It describes the technical mechanism of shipborne 3D radar to expand the function of the meteorological sounding and application advantages of surveillance radar in meteorological detection function.

surveillance 3D radar； meteorological sounding； function extend

陈欣（1982— ），女，内蒙古扎兰屯，本科，工程师；研究方向：雷达技术应用。