船载雷达测波仪的设计鉴定试验方法研究

邓万红 卢志忠 卫延波

摘要：目前国内对船载雷达测波仪的性能评价和研究较少.而且基准仪器误差和雷达测波仪误差通常在一个数量级，所以讨论其设计鉴定方法具有重要作用。该文通过分析国外同类产品的设计鉴定方法以及外场试验开展数据采集的环境要求.提出国内船载雷达测波仪设计鉴定试验的主要技战术指标性能实验安排和数据处理及指标评定方法，并利用设计的鉴定试验来验证该方法的有效性。试验结果表明：试验方案考核的船载雷达测波仪的主要技战术指标能够满足鉴定试验要求，可以为国内船载雷达测波仪设计鉴定试验提供指导和建议。

关键词：数据分析；航海雷达图像；船载雷达测波仪；海浪参数

0引言

船载雷达测波仪是一种船载非接触海浪遥测设备，它利用雷达波入射海面时布拉格散射被重力波调制的原理，从标准的x波段航海雷达中采集海杂波回波视频图像信号并进行数字化处理，可以直接生成海浪的方向谱信息，并由此得出海浪参数。船载雷达测波仪主要包括以下3项功能：1）计算并输出海浪有效波高、波峰周期、波峰峰向等信息；2）显示当前波浪参数、历史数据曲线以及雷达极坐标原始图像等信息：3）记录雷达原始图像和海浪实测数据等信息。该设备属全新研制，首次在舰船上形成装备。

根据船载雷达测波仪的工作原理及其工作条件限制，船载雷达测波仪不能在大型水池等试验室环境下工作，因此海浪参数探测性能试验必须在相对开阔的实际海域并在实际的海浪条件下进行。海浪监测方法可分为直接的现场观测（如波浪方向浮标）与间接的遥感探测两种方式，本设备属于后一种监测方式。经调研，目前国内与本设备同类的产品均处在研制阶段，还没有一家产品进行过鉴定，因此只能够借鉴国外的同类产品。

通过对国内外船载雷达测波仪的工作原理和功能开展分析，为后续提出该设备的主要技战术指标（海浪监测能力）和鉴定试验的数据分析奠定基础。本文根据国外同类产品的设计鉴定方法和船载雷达测波仪对外场试验的环境要求，提出了国内船载雷达测波仪设计鉴定试验的主要技战术指标性能实验安排和评定方法，并通过长时间的实测试验对其主要技战术指标进行了考核，考核的误差指标满足鉴定试验要求。

1国外同类产品设计鉴定试验情况

由于试验所需时间长、不确定性大，而且也没有船级社认可的具有资质的试验单位可供选择，国外设备性能试验承试单位均是由设备生产厂家编写试验大纲、组织开展性能试验、编写试验报告，与必要的详细技术文件、用户手册等文档资料一同提交船级社，由船级社根据文件资料进行认证。

1.1 WaMoSⅡ认证及试验情况

文献[6]为WaMoS Ⅱ的DNV认证证书。作为DNV认证的主要依据，文献[7]为WaMoS Ⅱ官方网站公布的技术指标对比试验报告，该报告详细记录了性能试验方法、试验过程、性能指标试验数据分析及试验结论。

试验时WaMoS获取的海浪参数为0.7 kmx0.7km范围内的空间平均值以及20min范围内的时间平均值，采用同步获取的波浪方向浮标及激光测浪雷达测量的单点、与WaMoS对应测量时间段相同的20min范围内的平均数据作为比对真值，假设二者是相互独立的随机过程，采用标准的误差统计方法对试验数据进行处理。

1.2 WAVEX认证及试验情况

文献[8]为WAVEX的DNV认证证书。作为DNV认证的主要依据，文献[9]为WAVEX官方提供的技术手册公布的技术指标对比试验报告，该报告详细记录了性能试验方法、试验过程、性能指标试验数据分析及试验结论。性能试验的3个主要波浪参数为有效波高、波峰周期和波峰（能量）峰向，采用均方差对数据进行统计分析。

1.3试验存在的问题

根据认证证书和相关试验报告等文献，国外商业用的船载雷达测波仪所通过的性能鉴定为船级社认证，均只进行了海岸、石油平台等陆上试验，分析其原因主要是海上试验采用搭载方式，在高海况下数据获取无法得到保证，且海上试验代价高昂，试验时间无法控制，加上高海情条件下布放、回收浮标困难，缺乏有效的海浪参考真值测量手段。相比而言，海岸、石油平臺等陆上试验选择在固定地点进行，采用值守方式等待大浪过程的出现，由于试验成本较低且能够长期进行，因此性能指标考核验证在该条件下完成。

另外上述两家国外设备的性能试验中均发现，在对波峰周期数据处理时，海浪存在明显的双峰特性，即存在风浪、涌浪相互过渡的不稳定期间。船载雷达测波仪和参考基准仪器会出现交替将主波判定为风浪或涌浪，导致此时波峰周期测量误差增大数倍，该阶段波峰峰向误差也明显增大。由于测量机理不同此情况无法避免，因此在数据处理时需要将此部分数据剔除。

由于参考基准测量仪器与船载雷达测波仪测量海浪的原理不同，因而上述两型设备试验时均假设了二者误差相互独立。由于基准仪器误差与船载雷达测波仪误差数量级相同，因此计算误差时必须考虑基准仪器的误差，即测量误差是两个误差之和。

2国内相关情况

海浪的直接现场观测方法和间接遥感探测方法的测量机理完全不同。对于间接遥感探测仪器，在民用领域国内没有鉴定的先例：对于直接测量海浪的仪器，在民用领域，我国国家海洋局标准计量中心具备对设备性能进行试验鉴定的资质和经历，中国海洋大学、山东科学院海洋仪器仪表研究所、中山市探海仪器公司均有定型产品。由于设备机理是空间单点测量，因此试验时可以选择室内水池，利用造波机生成不同波高、波向、波周期的海浪过程，采用经鉴定的同类型方向浮标作为基准参考值，对测量偏差序列进行统计处理，并进行技术指标验证。

文献[13]是地波雷达现场科研试验报告，由于其同属于遥感探测设备，因此对本设备鉴定试验有一定的参考价值。SZFI-Ⅱ型波浪方向浮标作为试验的基准参考测量仪器。由于地波雷达和方向浮标测量机理不同，两种测量数据之间既存在空间域上的不同，也存在时间域上的不同，因此需要对误差进行综合分析。

3船载雷达测波仪设计鉴定试验建议

通过对国内外船载雷达测波仪设计鉴定试验的发展和方案的分析研究发现，基准仪器误差和雷达测波仪误差通常在一个数量级上，此外在进行外场实验时需要特殊的试验环境。针对这些问题，本文提出了国内船载雷达测波仪设计鉴定试验的主要技战术指标性能实验安排和数据处理及指标评定方法。

3.1主要技战术指标（海浪监测能力）性能实验安排

根据国外两型主流船载雷达测波仪所通过的船级社认证鉴定试验，均只进行了海岸、石油平台等陆上试验，因此本设备的主要技战术指标性能鉴定试验也建议选择陆上进行。

船载雷达测波仪海浪监测能力性能指标验证试验包括：海浪有效波高、波峰周期、波峰峰向的测量误差指标试验验证。由于试验条件限制无法获取足够数量和范围的试验样本，因此不進行测量范围指标测试。检验标准主要参考WaMoS Ⅱ的官方文献。

3.1.1陆上海洋观测站试验

根据船载雷达测波仪的工作原理，设备正常工作要求在开阔海域，且本船周围3 km范围内的海浪探测区域海浪特性稳定，要求海况>4级，因此建议选择在岸基海洋观测站进行陆上试验，采用值守方式等待大浪过程的出现。由于沿岸出现大浪的几率很小，因此将对设备海况低端条件下的主要技战术指标进行验证。

该项试验需要配套航海雷达（天线齿轮箱、收发机），需要选择合适的试验地点和季节以获取符合最低试验样本条件的测量数据。海浪真值获取方面，可在雷达观测区域放置波浪方向浮标进行同步观测：或在WAVEX确认合格条件下，将雷达信号同步引入该设备获取同步的波浪波峰周期、波峰峰向，并将其作为基准值：海浪有效波高也可由具有海洋观测资质的专业人员对探测区域进行同步观测完成。

由于现场条件有限，建议参考WAVEX鉴定试验的做法。试验现场定时记录雷达连续图像序列，以文件方式存储在上位机硬盘中，将被试设备图像数据以及同一时间段参考基准值测量结果（方向浮标、WAVEX或人工观测换算）同步记录，后期在试验室条件下以离线方式获取被试设备的海浪测量结果，按照规定的方法与基准测量值一起进行统计分析后，完成对技术指标的评估。

试验时应选择海浪成长期之后的平稳期，一般在海区的风速、风向稳定6h之后即可认为海浪已经成熟。

3.1.2海上搭载本船符合性检验

由于海上试验高海况下数据获取无法保证，且代价高昂，试验时间无法控制，加上高海情条件下布放、回收浮标困难，缺乏有效的海浪参考真值测量手段，因此参考国内测量船的做法，待设备装船后搭载完成符合性检验，主要进行功能性考核验证。

3.2数据处理及指标评定方法

将被试设备测量结果和同一时间段人工测量结果按照规定的方法进行统计分析后，对技术指标进行评估。将船载雷达测波仪反演输出的有效波高、波峰周期、波峰峰向结果，以及浮标测量、人工观测换算的结果进行统计平均，采用与德国WaMoS Ⅱ一致的参数误差试验方法，进行统计分析后实现对技术指标的初步评估。

3.2.1以绝对误差方式给出的指标判定方法

设置为被试设备输出的某海浪参数观测量统计序列，其中i=1，…，N表示用于计算的时间序列（最小时间间隔为20 min）：Vi为同步人工观测的海浪参数真值（由于人工观测每天只进行4次数据采集，因此需要根据船载雷达测波仪输出时间对该数据进行线性插值）；其中偏差序列为

为保证统计意义的可信性，要求N>30，且至少包含了3次不同的海浪周期。需要注意的是计算出。后，需要去除观测野值（该次测量误差>3后，再进行一次计算。

由于人工观测和反演输出为独立进行，因此可认为误差相互独立，上述计算的偏差中包含了人工观测的真值误差和本设备的测量误差，总均方差为

根据对文献中人工观测和浮标测量误差数据的分析，可近似认为人工观测的真值误差和本设备的测量误差相当，即：

3.2.2以相对误差方式给出的指标判定方法

实验时间段内需要保证观测的y；序列的最大相对偏差≤10%，以保证测量结果的可用性。按上述方法计算出a测量值，Y的均值为Y，则相对误差为测量值=a测量值Y。则接受判据：S测量值≤给定的误差指标。

4试验效果分析

建议的试验方案考核的船载雷达测波仪主要技战术指标包括海浪有效波高、波峰周期、波峰峰向的测量误差指标，综合分析是能够满足鉴定试验要求的。

由于试验条件限制无法获取足够数量和范围的试验样本，因此测量范围指标无法进行高端测试。但由于船载雷达测波仪的数据源是海浪的雷达回波图像，理论分析和已开展的科研试验均表明，海浪有效波高越大，海浪的雷达回波图象越清晰，信噪比越大，因此对海浪监测性能指标的考核影响较小。

4.1试验基本情况

2005-2012年，本课题组承担了国防重点型号科研项目舰载x波段航海雷达反演海浪技术，研究领域覆盖雷达遥感海浪、海流、海面风场、降水强度等，期间分别在山东龙口、福建平潭等地开展了为期4年的海上定平台数据采集和性能验证试验，并利用试验舰在东海、南海等地开展了为期2年的动平台海上科研试验，积累了x波段航海雷达在不同海况条件下的大量实测数据。

2010年10月起在国家海洋局福建海洋环境监测站进行试验。2010年10月5日，船载雷达测波仪参试人员及设备进场，开始进行设备的安装调试工作，其间10月22日至10月27日，受鲶鱼热带风暴和寒流影响，出现了两次3 m以上的波浪过程。2010年12月3日，SZF型波浪浮标完成了检定工作，检定结果为有效波高误差<0.33 m，符合设备误差要求；12月6日，浮标布放到E119.851°、N25.453°位置（相对雷达方位146.7°、距离850 m，雷达位置为E119.847°、N25.459°），和被试设备、WaMoS、WAVEX在同一测量区域，试验正式开始。12月15日至16日，受冷空气影响，海上出现了2.0～3.5m的大浪。浮标、WaMoS、被试设备和WAVEX都进行了正常测量记录，浮标1h测量1次，被试设备20min输出1次平均结果，WaMoS、WAVEX滚动输出20min内的平均结果。12月24日至26日，受冷空气影响，海面出现了2.0～3.5 m的波浪，进行了被试设备波浪参数误差考核。2011年1月6日至7日上午，受冷空气影响，海面出现了2.0-2.5 m的波浪，进行了被试设备波浪参数误差考核。2011年1月8日至10日凌晨，受冷空气影响，海面出现2.0-3.0m的波浪，进行了被试设备波浪参数误差考核。2011年1月10日至13日，按照设计鉴定试验大纲和标准规定的数据处理方法，对本次试验期间获取的4次大海浪过程中被试设备的测量结果进行了误差统计分析，对船载雷达测波仪海浪参数测量误差指标进行了考核。

4.2试验基本结论

本次试验从2010年10月5日开始至2011年1月14日结束，历时4个月。按大纲要求基本完成了陆上试验项目，误差考核结果如表1所示。

利用本次试验记录的实测雷达原始图像文件作为实测数据，完成了被试设备海浪测量结果的计算。设计鉴定试验期间反演的有效波高、波峰周期和波峰峰向分别如图1～图3所示。其中紫色曲线为本课题组研制设备的反演结果，蓝色曲线为参考设备的输出结果。从图1中可以看出，除设计鉴定试验期间的短时间段内反演的有效波高与真值偏差较大外，其余大部分时间段内反演的有效波高与真值很接近。从图2可以看出，在整个试验期间设计鉴定试验期间反演的波峰周期与真值波动趋势一致。从图3中可以看出，设计鉴定试验期间反演的波峰峰向与真值相一致，试验后期反演的波峰峰向波动小相对稳定。

4.3存在问题及建议

依据指标规定，有效波高测量指标考核范围为2.0～6.0m，但由于试验地点海岸地理和自然条件限制，该海区乃至中国沿岸出现大于3.0m大浪的几率很小，因此本次陆上试验实际有效波高考核范围为2.0～3.5 m，采用试验期间记录的雷达原始图像实测数据对有效波高进行测试的范围为3.5～5.0 m。

5结束语

本文分析了国外船载雷达测波仪的设计鉴定情况和方法，同时提出了国内船载雷达测波仪的设计鉴定试验方法和要求。通过大量的实测雷达数据实验表明，该方法在陆基环境条件下能够取得很好的试验效果。