馬永龍，謝紅勝

(1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北武漢 430030;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇一研究所，湖北武漢 430064）

美國(guó)海軍基于戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)的災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)

馬永龍1，謝紅勝2

(1.海軍裝備部駐武漢地區(qū)軍事代表局，湖北武漢 430030;2.中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第七〇一研究所，湖北武漢 430064）

介紹美國(guó)海軍艦艇基于戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)的災(zāi)害天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)。該系統(tǒng)通過(guò)附加的氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)處理器和基于網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)器，提供艦載SPS－48E等雷達(dá)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和圖像。系統(tǒng)由氣象數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換卡及氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)構(gòu)成。經(jīng)過(guò)驗(yàn)證，該系統(tǒng)與專(zhuān)用氣象雷達(dá)性能相當(dāng)。

氣象雷達(dá);災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示;SPS－48E

0 引言

美國(guó)海軍各型具有航空能力的艦船，如航母和兩棲攻擊艦，其作戰(zhàn)能力都受到天氣狀況的影響。上至打擊任務(wù)，下至艦載機(jī)起降，都需要知道當(dāng)前及未來(lái)的天氣條件，以避免事故的發(fā)生，并盡可能為部隊(duì)提供先發(fā)制人的機(jī)會(huì)。

災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示 (HWDDC）系統(tǒng)是為艦艇提供實(shí)時(shí)氣象信息的重要工具，它通過(guò)附加的氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)處理器和基于網(wǎng)頁(yè)的服務(wù)器，能提供艦載SPS－48E雷達(dá)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)數(shù)據(jù)和圖像。災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)首先提取SPS－48E雷達(dá)回波，將其轉(zhuǎn)化成氣象雷達(dá)可以讀取的氣象測(cè)量數(shù)據(jù)，然后利用簡(jiǎn)單的網(wǎng)頁(yè)顯示技術(shù)，通過(guò)艦載網(wǎng)絡(luò)向用戶提供雷達(dá)顯示的圖像。災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)樣機(jī)首先安裝在美國(guó)海軍兩棲攻擊艦“貝里琉”號(hào)上，并于2006年2月進(jìn)行為期6個(gè)月的海上部署。第2套系統(tǒng)在2007年3月安裝在“尼米茲”號(hào) (CVN 68）航母上，并在艦隊(duì)部署期為艦隊(duì)提供接近實(shí)時(shí)的氣象數(shù)據(jù)?；A(chǔ)工商業(yè)公司 (BCI）為災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)開(kāi)發(fā)了數(shù)據(jù)處理器和網(wǎng)絡(luò)服務(wù)器。ITT公司Gilfillan分部則開(kāi)發(fā)了SPS－48E雷達(dá)與BCI處理器之間的數(shù)據(jù)接口。

1 災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)

世界各地的機(jī)場(chǎng)周?chē)加袑?zhuān)用氣象雷達(dá)，飛行員和空中交通管制人員利用這些雷達(dá)數(shù)據(jù)規(guī)劃航線。但美國(guó)的水面艦艇在過(guò)去的幾十年中并沒(méi)有安裝和使用這種氣象雷達(dá)系統(tǒng)。不過(guò)，近年來(lái)通過(guò)一些“基于傳感器”的數(shù)據(jù)收集和演示試驗(yàn)證實(shí)，大多數(shù)現(xiàn)代艦艇所使用的對(duì)空監(jiān)視雷達(dá)，可以作為氣象雷達(dá)使用。

1.1 基于傳感器的氣象雷達(dá)監(jiān)測(cè)

利用現(xiàn)有傳感器提供氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)的好處包括:無(wú)需更換現(xiàn)有設(shè)備，能極大降低新系統(tǒng)開(kāi)發(fā)、安裝和維護(hù)費(fèi)用，并滿足相關(guān)附加機(jī)械結(jié)構(gòu)和電子設(shè)備的使用要求。這種“基于現(xiàn)有傳感器”的數(shù)據(jù)收集概念，允許SPS－48E雷達(dá)在完成自身戰(zhàn)術(shù)任務(wù)的同時(shí)提供氣象數(shù)據(jù)，不僅適用于SPS－48E雷達(dá)，還適用于SPY－1等艦載戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)。

基于傳感器數(shù)據(jù)收集概念的一個(gè)重要條件，是在搜集日常氣象數(shù)據(jù)的同時(shí)，不改變或阻礙戰(zhàn)術(shù)傳感器的正常工作。戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)的任務(wù)是探測(cè)并追蹤空中和水面目標(biāo)，這對(duì)船員及整個(gè)艦隊(duì)的安全至關(guān)重要。中斷一次搜索掃描或者改變運(yùn)行參數(shù)，都會(huì)降低雷達(dá)探測(cè)和追蹤潛在敵對(duì)目標(biāo)的能力，進(jìn)而大大降低艦隊(duì)防御敵方武器的能力。

圖1 基于傳感器的平行數(shù)據(jù)處理概念Fig.1 Through-the-sensor parallel data processing concept

因此，基于傳感器的處理系統(tǒng)必須或至少要能在雷達(dá)的戰(zhàn)術(shù)配置條件下工作，并可以利用為戰(zhàn)術(shù)任務(wù)而設(shè)定的雷達(dá)掃描方式和參數(shù) (如脈沖寬度，脈沖重復(fù)間隔時(shí)間等）來(lái)提供天氣信息。通過(guò)甄選目標(biāo)雷達(dá)及數(shù)據(jù)處理方式，可以實(shí)現(xiàn)上述目標(biāo)。

在收集到氣象數(shù)據(jù)后，需要以一種便于解讀的格式向艦上和艦下的用戶分配和提供氣象數(shù)據(jù)。美國(guó)只有少數(shù)艦船 (如航母）上有專(zhuān)業(yè)的氣象學(xué)家，大多數(shù)沒(méi)有氣象學(xué)家的艦船上的艦員也需要使用氣象雷達(dá)提供信息。因此，數(shù)據(jù)質(zhì)量和信息的顯示方式非常重要，如果作戰(zhàn)人員不能快速有效地理解這些數(shù)據(jù)，該系統(tǒng)對(duì)于作戰(zhàn)人員的作用就會(huì)很小。

1.2 數(shù)據(jù)處理算法調(diào)整

為進(jìn)行氣象監(jiān)測(cè)并成功處理戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)數(shù)據(jù)，需要對(duì)數(shù)據(jù)處理算法進(jìn)行調(diào)整，以適應(yīng)戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)極高的掃描頻率。通常情況下，基于傳感器的掃描是快速掃描，比標(biāo)準(zhǔn)氣象雷達(dá)產(chǎn)生氣象測(cè)量數(shù)據(jù)的間隔時(shí)間更短。

例如，現(xiàn)在許多戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)如SPY－1雷達(dá)，采用全方位相控陣方式;另一些如SPS－48E雷達(dá)，配有機(jī)械旋轉(zhuǎn)雷達(dá)天線，通過(guò)旋轉(zhuǎn)來(lái)實(shí)現(xiàn)方位角的覆蓋，并通過(guò)快速掃描模式來(lái)覆蓋仰角范圍。不管是哪種情況，相控陣的靈敏性 (全方位或者僅俯仰方向）都需要雷達(dá)自身具有快速掃描功能，從而在更短時(shí)間內(nèi)提供完整的氣象圖像。此外，SPS－48E雷達(dá)不足以獨(dú)自提供快速氣象掃描功能。因此，必須收集足夠數(shù)量的樣本才能給出精確的氣象測(cè)量數(shù)據(jù)。加上采用范圍平均，可以在快速的氣象掃描情況下引入更多的氣象樣本數(shù)據(jù)，從而使得雷達(dá)能夠在較短時(shí)間內(nèi)提供高質(zhì)量的氣象測(cè)量數(shù)據(jù)。

1.3 災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)描述

雖然SPS－48E雷達(dá)是一種三坐標(biāo)監(jiān)視雷達(dá)，目的是探測(cè)并追蹤敵方飛行器及導(dǎo)彈，但它的運(yùn)行特點(diǎn)非常適合氣象探測(cè)。SPS－48E雷達(dá)運(yùn)行于S波段，通過(guò)機(jī)械系統(tǒng)控制進(jìn)行方位角的掃描，通過(guò)發(fā)射頻率控制進(jìn)行俯仰方向的掃描。高功率發(fā)射器、相對(duì)較短的脈沖長(zhǎng)度以及合理的天線波束寬度，綜合起來(lái)可以實(shí)現(xiàn)與許多專(zhuān)用氣象雷達(dá) (如WSR－88D氣象雷達(dá)）相當(dāng)?shù)男阅?。再通過(guò)一個(gè)與戰(zhàn)術(shù)目標(biāo)探測(cè)過(guò)程獨(dú)立的數(shù)據(jù)處理程序來(lái)處理雷達(dá)收集到的數(shù)據(jù)，就可以提取到通常會(huì)被雷達(dá)作為雜波忽略的高保真氣象信息。

災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示 (HWDDC）系統(tǒng)由氣象數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換卡 (WDIC）和氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī) (WEC）2個(gè)子系統(tǒng)構(gòu)成。氣象數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換卡可以在SPS－48E雷達(dá)內(nèi)實(shí)現(xiàn)完全無(wú)干擾的數(shù)據(jù)挖掘過(guò)程，并提取未經(jīng)處理的雷達(dá)回波。通過(guò)氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)不僅可以獲得未經(jīng)處理的雷達(dá)回波，還能夠獲得SPS－48E雷達(dá)設(shè)備提供的用于處理雷達(dá)回波的相關(guān)信息，包括波束的方位角和仰角、發(fā)射機(jī)功率水平以及艦船的位置、航向及航速等。返回的數(shù)據(jù)以2種雷達(dá)模式呈現(xiàn):單脈沖傳輸模式和移動(dòng)目標(biāo)指示 (MTI）模式，類(lèi)似于一種脈沖多普勒陣列。

氣象信息提取計(jì)算機(jī)子系統(tǒng)接收氣象數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換卡捕捉的雷達(dá)數(shù)據(jù)，并將數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成譜矩估值，同時(shí)提供基于網(wǎng)頁(yè)的用戶顯示。SPS－48E雷達(dá)單脈沖回波被轉(zhuǎn)換成反射回波估值，其覆蓋范圍超過(guò)277 km。移動(dòng)目標(biāo)指示脈沖陣列則通過(guò)一種脈沖對(duì)算法進(jìn)行處理，并給出反射回波、平均輻射速度以及頻譜寬度的估值。由于在波形中采用了相對(duì)較短的脈沖間隔時(shí)間，因而戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)目標(biāo)指示模式的范圍也被限制在約56 km的長(zhǎng)度。

氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)綜合一些傳統(tǒng)氣象雷達(dá)數(shù)據(jù)處理的特點(diǎn)，并充分利用戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)掃描模式所需的新型算法。此外，為提高數(shù)據(jù)質(zhì)量，氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)還內(nèi)嵌雜波編輯、范圍/速度展開(kāi)以及表面雜波過(guò)濾等功能。然而，由于SPS－48E雷達(dá)戰(zhàn)術(shù)移動(dòng)目標(biāo)指示模式下的波形及掃描參數(shù)的限制，無(wú)法使用如WSR－88D氣象雷達(dá)中的傳統(tǒng)雜波濾波器。考慮到實(shí)際工作中雷達(dá)平臺(tái)移動(dòng)，且“地面”雜波大多數(shù)是由海面波浪回波構(gòu)成，因而在設(shè)計(jì)氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)的處理算法時(shí)，需要采用不同的表面雜波過(guò)濾方法。

災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示處理器中使用的雜波過(guò)濾方法，與之前某些戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)中使用的方法相似。目前已開(kāi)發(fā)的自適應(yīng)移動(dòng)目標(biāo)指示算法也都是基于濾波操作，具體來(lái)說(shuō)就是將輸入數(shù)據(jù)序列與一個(gè)作為濾波器的矩陣序列相乘。這些技術(shù)有的在戰(zhàn)術(shù)雷達(dá)中已經(jīng)得到了運(yùn)用。采用矩陣濾波器的好處在于濾波操作不會(huì)引起數(shù)據(jù)損失，也不像傳統(tǒng)有限脈沖響應(yīng) (FIR）或無(wú)限脈沖響應(yīng) (IIR）方式，需要在雜波濾波器的輸出端產(chǎn)生與輸入端相同數(shù)量的脈沖信號(hào)。

災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示處理器吸收了自適應(yīng)移動(dòng)目標(biāo)指示處理器的工作優(yōu)點(diǎn)，采取一種類(lèi)似矩陣相乘的方法進(jìn)行濾波。最初的濾波操作采用了一個(gè)常濾波系數(shù)，但人們希望隨著災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示處理器不斷積累海上工作經(jīng)驗(yàn)，促使這項(xiàng)工作能夠更自主化。

氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)的一項(xiàng)新功能是能夠?qū)ⅹ?dú)立的雷達(dá)回波重新組合成完整的數(shù)據(jù)冊(cè)。SPS－48E雷達(dá)的掃描頻率是4 s，也就是說(shuō)雷達(dá)每隔4 s就能完成對(duì)其整個(gè)覆蓋區(qū)域的掃描。而傳統(tǒng)的氣象雷達(dá)，如WSR－88D，則要花費(fèi)幾分鐘時(shí)間才能完成一次完整掃描。因此，為了提高災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示數(shù)據(jù)的精度，系統(tǒng)會(huì)收集一些連續(xù)的SPS－48E雷達(dá)掃描結(jié)果，并將它們組合成一個(gè)固定位置的單一參考冊(cè)。這就需要在處理過(guò)程中，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行持續(xù)不斷的船體運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償，這種做法不僅僅是將每次掃描的回波按照一個(gè)空間固定位置進(jìn)行排列，而是根據(jù)船體大致的速度和頻譜寬度，消除因船體運(yùn)動(dòng)而對(duì)結(jié)果造成的影響。

災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)是完全自動(dòng)化的，不需要人員對(duì)其進(jìn)行配置或操作。一旦接通電源，氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)處理器就會(huì)自動(dòng)進(jìn)入到運(yùn)行模式并開(kāi)始收集數(shù)據(jù)，同時(shí)通過(guò)氣象數(shù)據(jù)接口轉(zhuǎn)換卡獲取雷達(dá)數(shù)據(jù)流并進(jìn)行處理。每隔60 s，氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)就會(huì)給出一個(gè)完整的譜矩?cái)?shù)據(jù)，并可在系統(tǒng)硬盤(pán)內(nèi)保留幾個(gè)小時(shí)。氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)最后的輸出結(jié)果是一個(gè)完整的譜矩表，它采用通用格式填寫(xiě)，并隨綜合反射率及速度方位顯示系統(tǒng)等數(shù)據(jù)一同以下一代雷達(dá)格式輸出。

1.4 氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)處理平臺(tái)

氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)平臺(tái)使用商業(yè)成品硬件和開(kāi)源軟件。硬件由多臺(tái)機(jī)架式服務(wù)器構(gòu)成，運(yùn)行Linux操作系統(tǒng)。處理器架構(gòu)采用多通道并行處理器，以保證數(shù)據(jù)處理的實(shí)時(shí)性。氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)原型機(jī) (稱(chēng)作WEC V0）由2臺(tái)機(jī)架式服務(wù)器組成，每臺(tái)服務(wù)器中安裝有2個(gè)3.8 GHz的英特爾至強(qiáng) (Intel Xeon）處理器。

新版氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)系統(tǒng)將大幅提升處理性能，每個(gè)服務(wù)器的CPU都將采用4核3.0 GHz處理器。數(shù)據(jù)依照信息傳遞接口數(shù)據(jù)傳輸協(xié)議，通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)的千兆網(wǎng)絡(luò)接口完成在處理中心的交換。氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)利用前面板串行數(shù)據(jù)接口，通過(guò)光纖與SPS－48E雷達(dá)內(nèi)部數(shù)據(jù)挖掘系統(tǒng)連接，這也使得氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)可以安放在艦上光纖所及的任何位置。

氣象數(shù)據(jù)提取計(jì)算機(jī)服務(wù)器提供的網(wǎng)頁(yè)顯示和界面服務(wù)可以通過(guò)海軍艦載機(jī)密局域網(wǎng)(SIPRNET）訪問(wèn)，同時(shí)在艦下還可以通過(guò)衛(wèi)星連接到其他艦船以及陸基機(jī)密局域網(wǎng)內(nèi)的客戶端。除此之外，視頻轉(zhuǎn)換器可以提供實(shí)時(shí)的視頻顯示，供海軍氣象和海洋相關(guān) (METOC）操作員進(jìn)行選擇。同時(shí)，通過(guò)艦載閉路電視系統(tǒng) (稱(chēng)作23－TV），用戶也可以在沒(méi)有機(jī)密局域網(wǎng)終端的地方查看雷達(dá)的實(shí)時(shí)顯示。

為了防止系統(tǒng)因斷電而崩潰，系統(tǒng)硬件中包含1個(gè)持續(xù)供電系統(tǒng) (UPS），可以保證系統(tǒng)在斷電后正常工作15 min。并且該時(shí)間到達(dá)前，災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，以防止系統(tǒng)因非正常關(guān)閉而崩潰或?qū)ξ募到y(tǒng)造成損壞。日志文件系統(tǒng)的使用也能起到保護(hù)作用。

圖2 災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)框圖Fig.2 HWDDC system block diagram

2 海上測(cè)試結(jié)果

災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)樣機(jī)于2006年2月在位于弗吉尼亞州的海軍SPS－48E雷達(dá)測(cè)試基地進(jìn)行了陸基系統(tǒng)測(cè)試。在測(cè)試期間，譜矩輸出結(jié)果與WSR－88D氣象雷達(dá)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，結(jié)果表明，災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)的輸出結(jié)果與氣象雷達(dá)的結(jié)果差別甚小。圖3顯示的是在陸基測(cè)試過(guò)程中的綜合反射率圖像，圖4顯示的是“貝里琉”號(hào)離開(kāi)夏威夷后的綜合反射率圖像。需要注意的是，在這項(xiàng)測(cè)試中并沒(méi)有用到表面雜波過(guò)濾和點(diǎn)雜波編輯功能。

圖3 綜合反射率PPIFig.3 Composite reflectivity PPI

圖4 綜合反射率PPIFig.4 Composite reflectivity PPI

2006年2月，在美國(guó)海軍“貝里琉”號(hào)(LHA5）兩棲攻擊艦安裝了該樣機(jī)，之后進(jìn)行了為期6個(gè)月的操作部署。在離港后的前20天中，災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)為海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)繼續(xù)執(zhí)行“入侵者”號(hào)攻擊機(jī)和直升機(jī)的飛行任務(wù)提供保障，而這些任務(wù)在通常情況下會(huì)因天氣惡劣而被取消。前3周共遇到了3次下述機(jī)會(huì):開(kāi)始時(shí)天氣不能滿足飛行任務(wù)，后來(lái)天氣放晴，因而可以繼續(xù)實(shí)施飛行計(jì)劃。災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)此時(shí)為海軍和海軍陸戰(zhàn)隊(duì)節(jié)省了大量寶貴的時(shí)間和資源 (災(zāi)害性天氣探測(cè)及顯示系統(tǒng)可以提前預(yù)判），同時(shí)也提升了執(zhí)行任務(wù)的安全性和效率。

［1］MAESE T J，MELODY S，KATZ M O，et al.Dual-use Shipborne Phased Array Radar Technology and Tactical Environmental Sensing［C］.Proceedings of the 2001 IEEE Radar Conf-erence，2001.

［2］ARMSTRONG BC.A Comparison of conventional，adaptive and hybrid doppler processing techniques［C］.Proceedings of the 1992 South African Symposium on Communications and Signal Processing，1992:127 －134.

Hazardousweather detection and display system based on tactical radar for US navy ships

MA Yong-long1，XIE Hong-sheng2
(1.Deputy Office of Department of Equipment of Navy，Wuhan 430030，China;2.The 701 Research Institute of CSIC，Wuhan 430064，China）

Hazardous weather detection and display system is described.The system based on the existed shipboard radar is an adjunct weather radar processor and web-display server that provides realtime weather radar data and imagery from the navy’s SPS －48E radar system aboard these aviation platform ships.The HWDDC system is composed of two subsystems，the weather data interface card and the weather extractor computer.This comparison experiment showed a very close qualitativematch between the output of the HWDDC system and the dedicated weather radar.

weather radar;HWDDC;SPS－48E

U661.43

A

1672－7649(2014）04－0147－04

10.3404/j.issn.1672－7649.2014.04.032

2014－03－31

馬永龍(1974－），男，工程師，研究方向?yàn)檐娪秒娮有畔⒐こ獭?/p>