紧凑型高频地波雷达目标探测研究进展*

纪永刚，张 杰，王祎鸣，常广弘

(1.国家海洋局第一海洋研究所海洋物理与遥感室，山东 青岛 266061；2.国家海洋局航天科技集团公司海洋遥测工程技术研究中心，山东 青岛 266061)

综述

紧凑型高频地波雷达目标探测研究进展*

纪永刚1，2，张 杰1，2，王祎鸣1，2，常广弘1，2

(1.国家海洋局第一海洋研究所海洋物理与遥感室，山东 青岛 266061；2.国家海洋局航天科技集团公司海洋遥测工程技术研究中心，山东 青岛 266061)

高频地波雷达是海上船只目标大范围连续探测的主要手段，与大型阵列雷达相比，紧凑型地波雷达具有占用场地小、功耗低、架设和维护方便等优点。本文首先概述了高频地波雷达目标探测技术的国内外研究状况，然后通过阐述紧凑型地波雷达目标探测技术的研究进展，分析紧凑型地波雷达目标探测中难点和急需解决的问题，给出紧凑型地波雷达目标探测的新方案。该方案利用检测跟踪一体化方法解决单方位紧凑型地波雷达弱信号检测困难的问题，利用多方位目标航迹融合确定精确目标航迹，能够降低目标航迹丢失概率，提高目标探测精度。最后总结了紧凑型地波雷达目标探测的发展趋势和研究重点。

紧凑型高频地波雷达； 目标检测； 目标跟踪； 数据融合

高频地波雷达，又称为高频地波超视距雷达，是海上目标大范围、连续探测的主要手段，它利用高频电磁波(3～30 MHz)沿海面绕射传播的特性，实现海上船只与低空飞机等移动目标和海洋动力参数的大范围连续监测[1-3]。在海上权益维护、海上救援、航海运输和渔业管理等方面有着广泛的应用前景。特别是在海上集成监视系统中，高频地波雷达作为主要的大范围连续监测手段，发挥着越来越重要的作用。

虽然全球范围内有几百部地波雷达系统，但目前用于目标探测的地波雷达系统大都是大型阵列式，其动辄几百米甚至上千米的天线阵需要占用大面积稀缺的海边资源，且较大的雷达发射功率也会对周边环境造成电磁污染和干扰，限制了大型阵列式地波雷达的推广及应用。为充分发挥高频地波雷达大范围海上目标连续监视监测的优势，满足海洋权益维护、海上救援、航海运输等领域对海上船只大范围连续监视监测的迫切需求，亟需发展占地面积小、设备小型化和功耗低的地波雷达系统。区别于海态监测地波雷达系统的分类，本文定义具有上述特征的地波雷达系统为紧凑型地波雷达，包含小型阵列式和便携式地波雷达系统。相对于大型阵列式地波雷达，紧凑型地波雷达具有天线占用场地小(天线孔径小于百米)、雷达设备小型化、功耗低以及天线设备架设和维护方便等优点，可应用于场地受限、探测距离要求不高等情况和场合。如将紧凑型地波雷达系统架设到海岛、海上石油平台或者船只平台上，可进一步扩展高频地波雷达的架设地点，增加其应用范围。因此，发展紧凑型地波雷达系统及相应的目标探测技术是地波雷达技术的重要发展方向之一。

1 地波雷达目标探测的研究

目前，许多国家特别是西方发达国家都在大力发展地波雷达探测技术，成功研制和部署了多种型号的地波雷达系统，如美国的Seasonde、德国的WERA、加拿大的SWR-503、英国的OSCR和PISCES雷达以及俄罗斯的“向日葵”等[4-8]。国内，哈尔滨工业大学、武汉大学、西安电子科技大学、南京电子技术研究所等多家单位在高频地波雷达系统方面开展了大量研究[9-12]。其中，武汉大学等单位研制的OSMAR系列地波雷达主要用于海洋动力参数的业务化监测；哈尔滨工业大学等单位主要研制用于目标探测的高频地波雷达，已有业务化运行的目标探测雷达系统应用。

从1980年代开始，国内外学者围绕地波雷达目标探测应用开展了大量的研究，发展了多种目标检测与跟踪算法[13-19]。近几年，基于组网观测的多站地波雷达目标探测研究成为热点[20-22]，利用不同方位的阵列式地波雷达系统融合探测结果，提高整体的目标探测性能。目前国内外开展的大量多站地波雷达目标融合探测研究主要是针对大型阵列式地波雷达。在多站地波雷达关联和融合方法研究方面，国内研究集中在T/R-R体制双基地地波雷达方面[23-26]。以上研究主要是仿真分析，还未有实测数据的验证，目标关联方法大多是检测级的点迹关联。近几年，开始出现进行航迹关联和融合的相关研究[21,27]，为多站地波雷达组网观测奠定了基础。

目前，用于目标探测的高频地波雷达系统大都是大型阵列式，主要靠大孔径天线提高目标测向精度，采用高功率提高探测距离，增强探测性能。雷达天线特别是接收天线阵尺寸大多在数百米，甚至达上千米。如加拿大的SWR-503地波雷达系统，接收天线阵大小为660 m，发射功率达30 kW；澳大利亚的SECAR双基地雷达，天线阵达1.2 km。要布放这些大型阵列式地波雷达需占用了大面积的靠近海岸的雷达场地。特别是国内重点发展海洋经济的大形式下，在本就稀缺的海岸找到满足布设业务化运行的大阵列地波雷达场地是十分困难的，使得高频地波雷达目标探测时难以发挥优势。因此，发展占用地面积小、低功耗以及架设和维护方便的紧凑型地波雷达系统及其目标探测技术更加必要。

2 紧凑型地波雷达目标探测的研究进展

为减少高频地波雷达的阵列尺寸，国内外开展了紧凑型天线小型化方面的研究[28-30]。如Baker等研制了一种适合高频段的紧凑型螺旋天线[30]，尺寸较小，能够快速布放，且具有较好的性能。这种天线可作为常规较大尺寸的高频天线的一种替代品，但不能改变天线的孔径大小。MIMO体制地波雷达可在保持与大型阵列地波雷达相同的探测性能的前提下，明显减少雷达天线孔径。在MIMO地波雷达方面的研究[31-33]，如Helzel等介绍了研制的WERA-S的MIMO地波雷达系统[33]，并给出了在德国海岸的实验结果，利用2元发射和8元接收阵的雷达系统实现了接近于传统地波雷达16元接收阵的探测性能。目前，紧凑型地波雷达系统方面的研究主要集中在天线小型化、新体制雷达前端信号处理等方面，而在地波雷达目标探测方法及应用方面的研究较少。

从2000年开始，国内外多个研究单位利用便携式紧凑型地波雷达开展了目标探测研究，如美国罗格斯大学、CODAR等单位利用Seasonde地波雷达网开展了船只目标探测[34-39]。Dobson等利用布设在纽约港的Seasonde地波雷达网做船只目标探测，评价了便携式紧凑型地波雷达的船只监测的有效性和探测性能[34]。Smith 等介绍了便携式紧凑型地波雷达目标检测、数据关联等处理流程[38]，利用双站的探测结果给出探测船只的唯一目标航迹。国内学者利用探测海态的高频地波雷达开展目标检测的研究[40-42]。吴雄斌等提出了一种适合于高频海态雷达的移动目标检测方法[40],并利用实测雷达数据做了验证。文必洋等采用便携式紧凑型地波雷达开展目标检测和组网观测[41],并在渤海海域进行了雷达组网试验，初步验证了便携式高频地波雷达组网探测的可行性。

目前，国内外开展了基于便携式紧凑型地波雷达双站或多站组网的目标探测，每个单站都给出具有位置的目标航迹，方法上主要采用先检测后跟踪的思路，即先做2个单站的点迹检测，然后是由点迹形成航迹。目前相关研究主要集中在单站检测方法方面，双站融合探测方面的相关研究较少。

此外，哈尔滨工业大学相关学者提出了仅利用距离-多普勒信息的无角度双站地波雷达目标跟踪方法[43-45]，其思路是先利用仅有距离和速度的目标点形成可能的航迹，然后再剔除虚假的鬼影航迹，验证了双站单阵元目标探测的理论可行性。但将此类方法应用于真实地波雷达多目标探测时，其提出的排除虚假航迹方法未充分考虑实际雷达目标参数估计的误差影响；且仅使用单阵元的无角度目标信息，在先点迹检测后跟踪航迹过程中，会使航迹形成、虚假目标消除等处理阶段的复杂度和计算量较使用有角度的情况呈指数增加，探测结果的可靠性下降。

3 紧凑型地波雷达目标探测中的问题和难点

紧凑型地波雷达由于天线孔径减小和天线小型化等原因，导致雷达波束宽度增大、增益降低，引起目标信噪比和测向性能下降、一阶海杂波谱扩展导致的目标遮盖盲区范围增大。当采用先检测后跟踪的探测方法时，对于低信噪比的弱信号会出现点迹检测困难、漏检率增大的问题，导致出现连续多个时刻检测不到目标的情况发生，引起航迹断裂、丢失问题。而且，展宽的海杂波盲区会致使目标航迹丢失问题更加严重。对于远距离目标，即使能给出目标航迹，也会因其较低的测向性能而难以实现目标的精确定位。因此，为发展紧凑型地波雷达目标探测技术，实现目标航迹的精确跟踪，亟需解决紧凑型地波雷达存在的目标检测困难、航迹丢失和定位精度低等问题。

综合紧凑型地波雷达目标探测的进展可以看出，已开展的双站目标探测，特别是采用便携式紧凑型地波雷达目标组网探测中，不管利用单站再融合还是直接利用双站点迹信息来形成航迹，其本质上是先检测后跟踪的思路，且主要利用目标的空间信息，未充分利用目标回波强度等属性信息。先点迹检测后航迹跟踪的方法主要适用于雷达波束小、测向精度高的大型阵列式地波雷达，并不适合于目标信号弱、遮挡盲区大、测向精度低的紧凑型地波雷达。如将其应用于紧凑型地波雷达，由于紧凑型地波雷达的目标信噪比降低，会引起单帧数据的CFAR检测概率较低和漏检率的增加；同时，紧凑型雷达目标点迹测向性能降低，两方面都会影响最终的目标航迹跟踪效果。且已开展的研究中多站关联处理主要是采用单一时刻的关联方法，关联效果较差，相关算法目前处于研究阶段。

目前便携式紧凑型地波雷达用于目标探测还存在一些限制，为兼顾海态监测和目标探测两种用途，雷达工作频率设置较高，系统探测距离有限，对于较小尺寸船只的探测能力较低，难以形成有效航迹。图1给出了4.7和8.9 MHz两个不同频段同时观测的雷达距离-多普勒(R-D)谱。可以看出，在相同发射功率条件下，较高频段的8.9 MHz的R-D谱中目标探测数量及目标探测距离都较4.7 MHz明显降低。可以看出，较低频段更适合海上移动目标探测，而较高频率的目标探测难度更大。

图1 高频段(8.9 MHz)RD谱Fig.1 Range-Doppler spectrum of 8.9 MHz

4 紧凑型地波雷达目标探测的新思路

4.1 紧凑型地波雷达目标航迹一体化探测

高频地波雷达不同于微波雷达，虽不能对目标精确测向和空间定位，但能够提供精确的速度和相对精确的距离信息。在地波雷达距离-多普勒-时间(R-D-T)数据中(见图3)，船只目标表现为在距离维和速度维都扩展的面目标，除了提供目标的运动特征外，还保留了目标回波强度等属性信息。雷达一体化探测是将检测、跟踪甚至识别等过程作为一个紧密的整体，是提高紧凑型雷达弱信号探测性能的一种有效途径。其思想是将地波雷达目标检测在时间维做扩展，充分利用目标在距离-速度空间位置和强度属性都随时间连续分布的特性，通过时间积累来凸显弱信号目标，实现目标航迹的一体化探测。图4给出了一体化航迹探测结果。一体化探测可避免传统航迹跟踪中点迹与航迹关联处理以及在此过程中由于阈值选取不当导致的航迹误跟踪问题。因此，一体化探测为紧凑型地波雷达弱信号检测提供了解决方案，其给出的目标航迹为紧凑型地波雷达多方位观测信息的关联与融合提供了新的选择。在较低测向精度情况下，航迹关联充分利用了多时刻的目标信息，减少了单时刻点迹错误关联的概率，多方位融合更具可靠性。

国内外已发展的各种检测前跟踪算法可用于地波雷达目标一体化探测[46-50]。目前开展的研究主要集中在大型阵列式地波雷达目标探测方面，一体化探测方法更多的作为先检测后跟踪探测方法的另一种实现途径，更多的关注和解决较高信噪比的目标探测问题，而对低信噪比的弱信号检测与判别研究较少，未充分发挥一体化探测方法在弱信号检测方面的优势。因此，需结合紧凑型地波雷达中的目标展宽特性，研究适应于紧凑型地波雷达的目标航迹一体化探测方法，发展低可观测目标的检测方法，提高紧凑型地波雷达中的微弱目标检测率。

图3 R-D-T数据Fig.3 Range-Doppler-Time data

图4 目标无向航迹探测结果Fig.4 Target tracking result without azimuth

4.2 紧凑型地波雷达多站组网观测

基于检测跟踪一体化探测方法可实现小阵元紧凑型地波雷达目标航迹探测，但不能提高紧凑型地波雷达的目标测向精度。通过增加天线孔径增强测向性能来提高目标跟踪探测性能和定位精度的方案也并不适合紧凑型地波雷达系统。为提高海上目标的连续跟踪探测的精确定位，多站组网观测是紧凑型地波雷达目标探测的必然趋势，特别是直接的航迹关联可以克服单时刻的点迹关联的错误关联，整体上提高目标探测性能。由于杂波和噪声引起的虚假目标会对目标点迹关联结果影响较大，导致直接的点迹关联问题较多。大阵列雷达由于方位探测精度较高，这种影响较小，在关联中可直接利用确定的雷达目标探测结果，但对于紧凑型的新体制地波雷达，这种影响却不能忽略。

对于大型阵列地波雷达系统，目标测向精度较高，2个雷达具备开展单一时刻的检测级点迹关联的条件。如图5中，在T1和T2时刻，由于大阵列雷达波束宽度较窄，只有目标A1与目标T位置一直重叠，很容易确定目标T的匹配目标是A1。而对于紧凑型地波雷达，由于波束宽度较大，测向精度低，在T1时刻A1和A2都和目标T位置重叠，此时难以判别目标T的匹配目标是A1还是A2。因此，对于紧凑型地波雷达，如用航迹关联，则可以找出只有目标A1在整个航迹段上都满足关联条件，应是匹配目标。

图5 双站目标关联示意图

相对于单基地雷达系统的基于测向方法实现目标定位，多站的组网观测同时获取多路不同观测方位的目标探测信息。利用多个雷达站获取的目标探测结果可实现目标联合定位，显著提高目标的定位精度。多方位的目标观测克服了单一观测方位上由于海杂波盲区、高频谐振区目标闪烁等原因导致的目标航迹缺失或断裂问题，能更好地跟踪目标。而且，多方位观测信息具备了提高目标空间定位精度的潜能。

5 总结与展望

随着高频地波雷达探测技术的发展，本文认为以下几个方面将是紧凑型地波雷达目标探测技术研究的重要方向：

(1) 一体化目标航迹探测中真实目标甄别方法。紧凑型目标探测中，由于目标信噪比较低，且在不同距离、不同回波强度的目标之间的差异较大，加上噪声或杂波等影响，地波雷达目标航迹一体化探测的结果中会存在杂波或噪声引起的虚假目标，造成区分真实目标和虚假目标的困难，有待进一步深入研究。

(2)展宽海杂波中的目标检测方法。紧凑型地波雷达由于天线孔径减小，波束宽度增大，导致单站雷达的一阶海杂波展宽引起的速度盲区范围增大。虽然多方向的目标探测可以克服一部分目标丢失问题，但海杂波内的目标信息不可忽略，需考虑展宽海杂波中的目标检测方法，提高单站紧凑型地波雷达的目标检测率。

(3)紧凑型地波雷达的超分辨率测向方法。为提高单站紧凑型地波雷达的目标方位探测性能，还应研究适合于小阵列紧凑型地波雷达的超分辨方位估计方法。将目标航迹的一体化结果与超分辨测向方法相结合来估计航迹方位可能是一种好的思路。在此过程中，应考虑到积累时间内目标在回波谱中占据多个单元格的特性。

(4)多方位目标关联与融合方法。紧凑型地波雷达较低的测向精度增加了多站目标检测结果关联与匹配判别的难度。其对于处于不同空间位置的目标，不同观测方位组合的联合定位精度不同，而在不同空间位置实际得到的不同方位的目标航迹关联组也不相同，如何充分利用多方位联合定位理论结果和实际的目标航迹匹配结果，给出优化融合策略与处理方案也是实现紧凑型地波雷达目标精确定位的关键。

此外，紧凑型地波雷达系统的发展离不开雷达系统设备的小型化。研究适合于紧凑型地波雷达的雷达设备小型化技术，可以减少高频雷达天线孔径和设备体积及重量，提高其应用范围。特别是发展小型化的高频雷达天线技术，适应场地受限的岸边、海岛、海上平台以及船体等平台，增强在不铺设地网情况下的雷达探测性能，提高电磁兼容性。同时，减少雷达硬件设备数量和复杂度，提高紧凑型地波雷达的便携性。

通过发展紧凑型地波雷达目标探测技术，将进一步拓宽地波雷达的应用范围。可以预见，紧凑型地波雷达目标探测技术将在海洋权益维护、交通运输、渔业管理等中发挥更大的作用。

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责任编辑 陈呈超

An Overview of Target Monitoring with Compact HFSWR

JI Yong-Gang1,2，ZHANG Jie1,2,WANG Yi-Ming1,2,CHANG Guang-Hong1,2

(1.Laboratory of Marine Physics and Remote Sensing,First Institute of Oceanography,State Oceanic Administration,Qingdao 266061,China.2.Oceanic Telemetry Engineering and Technology Research Center,State Oceanic Administration and China Aerospace Science and Technology Corporation,Qingdao 266061,China.)

High frequency surface wave radar (HFSWR) is the main remote sensing instrumen for continuously monitoring marine target in a wide range.Compared with thelarge array HFSWR,the compact HFSWR has the advantage of occupying smaller radar site,lower power consumption,easy deployment and maintenance compared with the large array HFSWR.First,an overview of target monitoring with the large arrary HFSWR wasintroduced.In addition,the progress of target detection and tracking with the compact HFSWR was expounded,and relateddifficult and urgent problemswere addressed.Then a solution was given to solve the problem of target monitoring with the compact HFSWR.In the proposed method,an integrated method of detection and tracking can be used to solve the difficulty of detecting weak signal,and the multi-azimuth fusion tracks can be used to reduce the probability of the target missing and improve the location accuracy.Finally,some research trends and priorities ontarget monitoring with the compact HFSWR were summarized.

compact high frequency surface wave radar；targetmonitoring；target tracking；data fusion

海洋公益性行业科研专项项目(201505002)；国家自然科学基金项目(61671166)资助

Supported by the National Marine Technology Program for Public Welfare(201505002) and the National Natural Science Foundation of China ( 61671166)

2016-09-15;

2016-11-12

纪永刚(1977-)，男，博士，副研究员。E-mail：jiyonggang@fio.org.cn

TN958.93

A

1672-5174(2017)02-001-07

10.16441/j.cnki.hdxb.20160285

纪永刚，张杰，王祎鸣，等.紧凑型高频地波雷达目标探测研究进展[J].中国海洋大学学报(自然科学版),2017,47(2):1-7.

JI Yong-Gang，ZHANG Jie,WANG Yi-Ming，et al.An overview of target monitoring with compact HFSWR[J].Periodical of Ocean University of China,2017,47(2):1-7.