物探船小目标雷达的应用

林昭友

摘    要：物探船为了能够在白天、夜间、雨天、雾天等各种环境条件下作业时能及早发现前方的极小目标，以采取有效的避让措施，保证科考作业的顺利进行，有必要在船上安装小目标雷达。

关键词：极小目标;避开;雷达

中图分类号：U665.2                                文献标识码：A

Abstract： In order to discover the minimal target in front of the geophysical exploration vessel in navigating in the daytime， night， rainy day， foggy day and other environmental conditions as early as possible， then take effective measures to avoid collision， to ensure the smooth operation of the vessel and reduce unnecessary economic losses， it is necessary to install the small-target radar in the geophysical exploration vessel.

Key words： Minimal target; Avoidance; Radar

1     前言

物探船是一种海洋调查船，主要用于海洋地球物理勘探，包括海洋调查船、科学考察船、水文测量船、工程勘查船等。不同类型的物探船采用不同的物探方法，物探船中最主要的类型是地震船。

地震船通常可同时拖曳2～12条、每条长度可达8000 m的电缆。正常作业时，测线前方如出现渔船、渔网等障碍物时，要及时让这些障碍物远离测线范围（可指挥护航船去驱离或清除）。如果不能让其远离测线，而迫使地震船要离开测线重新开始上线作业，则至少需要6个小时或更长时间，造成时间上的损失。如果遗漏了渔网等物体，使其缠绕到螺旋桨或者电缆上，轻则停船清理，重则损毁电缆导致测绘任务无法完成。如何及早发现海面上的渔船、渔网等小目标，确保生产作业顺利完成，是摆在地震船面前的一道难题。

2    小目标雷达的重要性

船用雷达是一种传统的无线电导航设备，它通过发射电磁波和接收回波，对目标进行探测和测定目标信息。船用雷达在船舶近海定位、引导船舶进、出港、窄航道航行以及在避碰中发挥着重要作用。

物探船在没有出现小目标雷达之前，搜索海上目标通常是依靠常规船用X-波段雷达和S-波段雷达。

对于高出海面1 m的航道标，X波段雷达散射截面积为1㎡，只要检测距离达到2.0 n mile就算满足规范要求。

普通导航雷达探测的是雷达散射横截面面积（RCS）较大的目标;而地震船的作业区域则基本不在正常的航道或航线上，有时可能会位于渔区，而渔区除了有各种捕鱼船外，渔船留下的渔网、鱼位仪等更是星罗棋布，这些目标通常只是浮在水面或高出水面0.5 m左右。

当物探船处于作业工况时，为了保护物探设备的安全性，需要避开船舶航线上的小型障碍物，以免电缆、炮缆等遭受物理损伤，从而造成不必要的经济损失。但是，传统的导航雷达本身的重点是提前发现并避让会影响航行安全的目标，无法完成近距离（0.1～2.0 nmile）、小体积（雷达散射截面≥0.1 m2、高度≥1 m）目标（如渔网、鱼标等小目标）的探测。

小目标雷达能够对海上目标，特别是极小目标（雷达散射截面≥0.1 m2，高度≥1 m）进行全自动近距离探测、跟踪和识别。增加小目标雷达系统，不需要在罗经甲板增设雷达天线，即利用原有X波段导航雷达天线所收集到的原数据，通过新增加的一台小目标雷达处理器（具有软件算法和高达12bit（212）雷达视频采样卡）重新处理计算，以达到探测小目标的作用。

3    小目标雷达的组成和工作原理

3.1   小目标雷达组成

主要有：显示器、控制面板、主机、雷达接口单元、X-波段雷达天线、光电摄像头、视频转换单元、软件、视频采集卡等。

3.2   工作原理

3.2.1雷达测距原理

Δt： 往返于天线与目标的时间;

C： 电磁波在空间传播速度3×108 m/s;

R：雷達到目标距离R=1/2C×Δt                      （1）

3.2.2雷达测向原理

借助于定向天线 进行扫描。

3.2.3 小目标雷达目标处理的特殊原理

小目标雷达探测小目标的特殊能力基于几个方面：对视频12 bit取样的超高分辨;天线转速;先进的回波图像算法。

（1）12bit视频电平取样

对于一般的雷达视频回波，电压范围为4Vp-p;12bit取样意味着将4 V进行4 096等级取样，等分为0.977 mV≈1mV。由图1可知，如果是普通的导航雷达就会错过这样的微弱电平信号，进而丢失小目标，而只有对电平信号进行足够高的分级取样后才不会丢失目标。

（2）天线转速

因转速增加而增加的侦测频率，使得跟踪器的门限标准得以缩小，降低了因目标交错、运动而引起的丢失目标的概率;，同时因为转速增加而增加的侦测频率，使得扫描平均和其它算法技术能够进一步增强目标的信号、杂波比，因此高速旋转的天线在目标检测和跟踪中起到重要的作用。

（3）先进的回波图像算法

最多高达128 幅扫描（Scan）的连续回波图像对比。对于普通雷达，由于内存和处理器的限制，以及算法上图像相关性，一般只能做到16个Scan的连续图像进行对比;而小目标雷达的连续扫描回波平均，最大程度上减少了同频干扰和海面杂波，确保了小目标回波的准确性。多幅连续回波图像相关性处理后得到的图像示意图，如图2所示。

当然，船舶一直处于运动之中，为了补偿因船舶移动而造成的图像问题（如图3），需要更准确位置（如差分GPS）、更快的位置及船首向的更新率、更高的天线转速。

3.3   小目标雷达识别小目标的过程

小目标雷达收到X波段雷达的首向、方位、视频、罗经、AIS、GPS、风速风向等同步信号，对收到的信号进行计算，利用远高于导航雷达的视频采集卡（12bit）和专用处理软件，能捕捉导航雷达无法发现的小目标（如：渔网、小渔船、海上漂浮杂物、落水人员等）并显示在屏幕上;配备的Flir红外摄像头，可根据小目标雷达的手动操作来转向捕捉选定目标，也可以自动轮流且持续跟踪多个目标;摄像头配备的双轴陀螺稳定系统，确保即便船舶在颠簸时目标也出现在图像中，同时预留了网络接口，可以将视频通过网络分享出去。

4    系统优点和局限性

4.1  系统优点

（1）具有更高的采样。同样的视频回波，小目标雷达采用2的12次方（即4 096位）电压采样;而普通雷达采用2的5、6次方（即32、64位）电压采样。采样提升带来了处理视频数据的指数级的提升;

（2）具有特有的处理软件。针对小目标专门优化的Seaview软件;

（3）小目标雷达在2级海况下（浪高0.5 m），可以在0.1～2.0 nmile的范围内，探测到雷达反射面积（RCS）为0.1 m2或者高度为1 m的目标;

（4）通过雷达引导，采用红外热像等综合光电技术，实现在雾天、晴天、星光、低照度等多种气象条件下对特定目标的识别。室外摄像头防水等级达到IPx6、水平360°连续无死角旋转、+/-90°俯仰倾斜、带双轴陀螺稳定，以确保图像不因船舶自身的晃动而抖动，热成像小船侦测距离≮2 nm;能够以图片或视频方式记录屏幕，并能以适当方式将记录下来的文件从设备中导出并能用普通电脑进行查看，作为证据记录;

（5）小目标雷达可以将目标回波分为4096级，而以256级灰度来表示回波的强弱。普通雷达无法对视频信号做到4 096级的分辨率，所以显示的回波强弱也没有太多分级（一般用4级黄色来表示回波强弱）。而人眼对于灰色的强弱最为敏感，所以小目标雷达以256级（人眼分辨上限）来辅助操作者识别和分辨回波，在同样距离下可以探测更小的目标;同样的目标，比普通雷达探测距离更远。

4.2  系统局限性

小目标雷达是通过原有X波段导航雷达天线收集原数据的，所以它的局限性会受到X波段导航雷达天线的高度、天线的长度、脉冲长度和脉冲重复周期的影响，从而影响雷达的探测距离、测量精度、回波采样和海浪抗干忧能力等。

5    实践效果

（1）提高作业效率。在工作过程中，特别是夜间、雾天、雨天或其他恶劣天气，值班驾驶员能够根据雷达显示器上目标回波情况，准确、快速判断出小目标的性质、类型、大小、数量，迅速调動护航船进行清除障碍物或转向，确保科考设备和船舶安全，使科考任务顺利进行。图4圆圈内的目标是小目标雷达0.5 nmile档捕捉到的水面小目标漂浮物，右侧小框是小目标雷达通过红外摄像头显示的该漂浮物附近水面实况;

（2）能够跟踪和识别水面科考设备的动态：如头标、尾标、扩展器、维修水下设备的工作艇等动态，为科考工作顺利进行保驾护航;

（3）有效减少经济损失。可以避开渔网、鱼标、漂浮的小物体等障碍物，避免电缆等水下设备损伤。

6    结束语

小目标雷达通过光电摄像头可以在显示器上显示出小目标的真实形状，好像用眼睛看物体一样明了，提醒值班驾驶员快速地作出反应，采取有效的避让或清理措施，避免发生拖带电缆、水下设备或螺旋桨等受损情况，造成不必要的损失，大大提高了经济效益，受到船东和驾驶员的一致好评。今后，它将在物探船中得到广泛的推广应用。

参考文献

[1] IEC 62388 Edition 2.0 “Maritime navigation and radiocommunication equipment and systems - Shipborne radar - Performance requirements， methods of testing and required test results” June 2013.

[2] IMO Resolution MSC.192（79）—国际海事组织海安会决议.

[3] STS SeaAsia，2015，Konny Reichert.

[4]刘德新，王志明.航海学（航海地文、天文和仪器）[M].北京：人民交通出版社， 2012.