地波超视距雷达频率使用支撑数据库设计＊

张高伟 袁湘辉 张云雷

（1.海军工程大学动力工程学院 武汉 430033）（2.海军工程大学电子工程学院 武汉 430033）

1 引言

地波超视距雷达利用短波波段的绕射特性，能够突破地球曲率限制，是实现大范围、远距离的海上船只和低空目标监视监测的重要手段［1］。岸基高频地波雷达具有许多不同于微波雷达的特点，如外部噪声功率大、长积累时间、目标回波信号强度高度敏感于其使用的工作频率及目标运动姿态等。用于探测海面和空中目标的高频地波雷达设备的典型工作频率范围大概在3MHz～14MHz范围，要想利用地波雷达对某一重点目标有效发现并实现连续稳定跟踪，就必须选择与目标散射特性和运动参数相匹配的工作频率［2～3］。

目前对于不同类型的舰船、飞机目标而言，地波雷达频率使用问题并没有一个简单的、可供直接使用的结论。其根本原因在于，舰船和飞机目标均处于地波雷达工作频率的谐振区，RCS特性较复杂，且难以通过仿真精确获得。此外，由于地波双向传播损耗随工作频率的增大而增大，导致信噪比随工作频率的升高而降低，而RCS随工作频率的变化又是振荡起伏的，不同目标RCS特征不同，这两种因素共同作用导致了频率使用问题的复杂性［4～5］。

要想从根本上解决地波超视距雷达系统探测典型海上目标的频率使用问题，只能通过收集实际观测数据并加以处理来获取其频率的使用规律。针对上述问题，需要设计一个合适的数据库软件系统，来存贮必要的典型目标观测数据，并实现对数据的统计分析。

2 地波超视距雷达目标检测信噪比分析

对单基地高频地波雷达而言，来自目标的接收功率可定义为［6］

其中Pr为接收峰值功率，Pt为发射峰值功率，Dt为发射天线方向性系数，Dr为接收天线方向性系数，γ为信号占空比，σ为目标RCS，λ为雷达波长，R为目标距离，Ls为系统损耗。假定基于下列标准条件：发射天线为赫兹电振子、垂直极化、天线紧贴海面，标准天线增益D0＝3，测试电磁波发射功率为P0＝1KW，自由空间特性阻抗Ω＝120π，标准条件下距离R处的场强值为E（R）。

对微波雷达而言，噪声的主要来源是接收机热噪声。然而对于高频地波雷达，外部噪声才是主要的。于是，对目标回波进行多脉冲相参积累之后，雷达距离方程可以写成信噪比的形式。下面讨论两种在实际中遇到的检测情况：即海浪回波占优的情形和环境噪声占优的情形。

1）环境噪声占优的情形

在探测飞机与导弹目标时，因为在高频段飞机、导弹等快速目标的多普勒频率已超过海浪二阶谱的分布区，在雷达接收机内部目标回波仅仅与环境噪声进行对抗，因此Pa（f）≫Ps（f），进而有Ni（f）＝Pa（f）＝kT0Fa，其中T0为噪声温度，Fa为噪声系数。此时信噪比模型简化为

2）海浪回波占优的情形

在探测船目标时，因为船的多普勒频率较低，正好落入海浪回波的二阶谱分量区域内。若信号功率足够大，满足Ps（f）≫Pa（f），则有Ni（f）＝Ps（f），这时信杂比模型简化为

其中ΔR为距离分辨率，θB为波束宽度，上式说明海杂波占优时，探测距离与发射功率无关，而与分辨能力ΔR成反比，与积分时间Ti成反比。

从以上分析可以看出，空中目标检测受限于信噪比，海上目标检测受限于信杂比，而通过实际仿真可知［4］，信噪比／信杂比和使用频率的关系随着不同目标和目标的不同姿态角而变化，为了合理选择地波雷达的最优工作频率，需要获得地波雷达回波的实时信噪比（信杂比）和频率的统计规律，据此设计了地波雷达目标频率使用数据库。

3 系统总体设计

3.1 系统需求分析

对于地波雷达目标频率使用数据统计而言，其数据量大、工作繁琐，如实时记录，装备自动记录信息的管理，标准记录的生成，规律统计等。大量数据需要填写与整理，使得工作量很大，迫切需要先进的数据管理手段。如何从实际出发，根据现行的目标信息管理模式，建立规范，优质高效的数据管理系统很有必要。频率使用数据库软件具有以下特点：

1）对目标信息的录入、导入、匹配、编辑与修改，自动化程度高，应用方便；

2）对目标信息参数进行精细化设计，避免了相同数据的重复录入，有效提高了管理工作的效率；

3）统计结果的图形化输出，使得用户对数据的感知更加清晰与明确，交互性更强；

4）采用功能强大、易于扩展、广泛应用的VFP开发平台，为根据新的应用要求开发新的功能与模块创造了极大的可能性；

5）主要应用于单机环境，避免了信息拥堵，处理信息效率很高；同时系统管理严格，保密性强，防止信息泄露。

为提高所采集数据的准确性，特约定频率使用规律数据采集的前提条件为：

1）目标未受电离层干扰；

2）目标为合作目标，或者有其他手段（如AIS系统）保证目标的类型和属性已知。

在对目标进行观测时，每间隔一个积累周期采集一个点，主要数据包括：（1）文件导入数据：日期时间、目标批号、工作频率、目标距离、目标方位、目标径向速度、目标航向，这些数据由装备自动记录，并导入数据库；（2）人工实时记录数据：日期时间、目标批号、目标频谱幅度、杂波谱基底均值、目标类型、目标具体属性。

目标类型、目标具体属性、目标批号的变化均不频繁，因此不会额外增加工作量。只有“日期时间”，“目标频谱幅度”，“杂波谱基底均值”三项需人工实时填入。

目标类型和目标具体属性，在某一次重点目标的观测中保持不变，因此在录入时只需录入一次。而目标批号的变化也是不频繁的，无需作频繁改动。因此，在实时录入时，只需根据装备显示的时间录入“时”、“分”和“秒”，确认批号是否正确，再根据频谱图显示的目标频谱幅度和杂波谱基底幅度实时录入即可。

目标径向速度可用于参考目标频谱的展宽程度。日期时间、目标的距离和方位，可以在必要时查询目标所处海域的海况等级。目标频谱幅度和杂波谱基底均值用于计算目标的信杂比。

3.2 系统功能设计

系统的主要功能应包括：对时、数据维护、数据查询、统计输出、权限管理、数据备份等功能，下面主要针对其中的关键功能数据维护进行阐述。

数据维护主要包括数据初始化、实时录入、文件导入、数据匹配修正和频率使用数据录入功能。

·数据初始化：对目标类型表、目标具体属性表，根据部队对目标的掌握情况，由操作员手工录入或修改数据。

·实时录入：提供实时录入界面，由操作员根据界面要求和装备界面的观测情况，录入相应数据到“实时录入表”中。

·文件导入：导入装备自动记录的目标信息数据文件，提取相应的数据，并填入“文件导入”表中。

·数据匹配修正：数据匹配功能是将两个基表“实时录入表”和“文件导入表”中的记录进行匹配处理，根据日期时间和目标批号形成具有唯一性的标准记录，并填入“标准记录表”中。记录修正功能是对于“实时录入表”中尚未匹配的记录，可以将其与“文件导入表”中的相近记录进行比对，由操作员对“实时录入表”中的相应数据项进行修正。修正后的数据可以再次进行数据匹配，直到将“实时录入表”中的所有数据都匹配完成。

·频率使用：录入统计输出的各类目标最佳工作频率区间数据，供以后参考使用。

4 系统结构与子系统设计

系统主要包含用户管理子系统、数据维护子系统、数据查询子系统、统计输出子系统和数据安全子系统五个部分。其中用户管理子系统用于实现系统登录、账户建立、密码修改等功能，主要包括用户登录、账号管理和密码设置三个模块；数据维护子系统是数据存储与处理的主要系统，实现了目标各种数据的管理，包括目标分类、实时录入、文件导入、匹配修正和频率使用五个模块；数据查询子系统主要包括实时录入表查询、文件导入表查询、标准记录表查询、目标类型表查询、目标属性表查询、目标型号表查询、频率使用规律表查询和权限管理表查询八个模块；统计输出子系统用于操作员录入最佳工作频率区间到频率使用规律表以及数据的报表显示和打印，主要包括规律统计模块和报表打印模块；数据安全子系统包括数据备份和数据恢复两个模块。系统的总体结构如图1所示。

图1 系统的总体结构

数据维护子系统是数据存储与处理的主要系统，是数据管理系统的核心，其各个模块的主要功能设计如下：

1）目标分类模块：提供目标分类录入界面，主要根据部队对目标的掌握情况，实现由操作员手工对目标类型、属性、型号数据进行分类录入，并将录入数据显示在表格中，提高录入结果的可视性。数据录入后不允许删除，如某一代码不再使用，可以将有效标志一项修改为无效，其余各项不允许修改。目标类型代码具有唯一性，由程序自动生成。其界面设计如图2所示。

图2 目标分类表界面设计

2）实时录入模块：提供实时录入界面，由操作员根据界面要求和装备界面的观测情况，填入文本框中，点击录入按钮添加相应数据到“实时录入表”中，并将录入数据显示在表格中，可供操作员查看。在表中可对除日期时间和目标批号外的各字段很方便地进行修改，可实现对存储数据的简单查找，对由于错误录入的记录选择后点击删除按钮可进行删除操作。

3）文件导入模块：提供文件导入界面，由操作员在装备自动记录的目标信息数据文件中提取相应的数据，填入“文件导入”表中。并将录入数据显示在表格中供操作员查看，数据导入后均不能进行修改，保证了目标信息数据的可靠性，可实现对存储数据的简单查找，对错误录入的数据可以进行删除。

4）匹配修正模块：提供匹配修正界面，由操作员对“实时录入表”和“文件导入表”中的记录进行匹配处理，根据日期时间和目标批号形成具有唯一性的标准记录，并填入“标准记录表”中。在界面中将实时录入表和文件导入表显示在同一个表单上，方便了操作员的匹配操作。对于“实时录入表”中尚未匹配的记录，可以将其与“文件导入表”中的相近记录进行比对，由操作员对“实时录入表”中的相应数据项进行修正。修正后的数据可以再次进行数据匹配，直到将“实时录入表”中的所有数据都匹配完成。匹配结果显示在第二个页面的表格中可很方便地供操作员查看，可实现对存储数据的简单查找，对错误的匹配也可进行删除。

5）频率使用模块：提供频率使用规律录入界面，通过观察统计图，可以看出对于某一类型目标，不论其距离或姿态角如何，总能找到使其信杂比达到相对最佳值的工作频率区间，借助上述图形来找出工作频率的使用规律。然后，由操作员根据界面要求录入数据，录入的数据显示在表格中，可以对数据进行修改，对错误的记录也可进行删除。

5 系统实现与结果分析

频率使用支撑数据库软件的实现界面如图3所示，登录进行系统后操作员首先将目标频谱幅度、目标杂波基底、目标批号和日期时间实时录入到数据库中，同时由雷达可自动记录目标的其它信息；然后，将雷达自动记录的目标信息导入数据库中，并与实时录入的数据进行匹配，形成符合统计分析要求的数据记录；最后，通过数据的统计分析，得出不同类型目标在不同距离上的信杂比与工作频率之间的关系。以图形方式显示统计分析结果，操作员可以根据图形确定探测不同类型目标的最佳工作频率区间，并将其记录到相应的频率使用规律表格中。

图3 地波雷达频率使用数据库软件主界面

下面通过仿真模拟数据来展示系统对数据的统计分析结果，图4显示的是某型空中目标在100km距离上，地波雷达采用不同工作频率统计得出的目标回波强度变化，从中可以明显看出地波雷达对该目标的最佳工作频率在5MHz附近。

图4 某空中目标信噪比与工作频率的关系

图5显示的是地波雷达对某型舰船目标的模拟数据，数据对应着舰船目标处于90°正横状态，从图中的曲线可以很容易得出地波雷达此时的最佳工作频率约为4MHz。

图5 某舰船目标检测信杂比与工作频率的关系

从图4和图5的结果可以看出，地波雷达对海、空目标的探测性能与其工作频率有着密切的关系，如果地波雷达选择在最佳的工作频率上，可以将目标回波信噪比（信杂比）提高数十分贝，这对地波雷达远距离探测和目标的稳定、连续跟踪具有重要意义。

6 结语

国内外的地波超视距雷达无论是用来海上目标检测还是海态遥感，都已完成了雷达系统的研制，但是在实际使用中对目标的跟踪难以连续，其中频率的选择对于目标的检测和跟踪有重要影响。地波超视距雷达频率的使用规律研究对于雷达装备的日常操作训练，以及当目标点迹跟踪出现中断时，及时、准确地调整工作频率使目标点迹恢复，保证对重点目标的连续观察掌握，具有重要的理论指导作用。

本文针对地波超视距雷达的频率使用规律研究，设计和开发了相应的支撑数据库系统，该系统通过记录地波雷达对海上目标的实时探测数据，并进行统计分析，通过数据库积累的方式利用雷达装备的实测数据给出系统在不同工作环境下对不同类型目标的最佳雷达工作频率，对于提高地波雷达对重点目标的发现能力，实现超视距预警具有非常重要的作用。下一步结合该数据库系统，实际采集地波雷达的观测数据，对地波超视距雷达目标检测中的频率使用规律进行分析归纳。

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