提升岸基对海雷达综合效能的几点思考

叶显武

(海装上海局驻南京地区第二军事代表室,南京 211153)

0 引 言

对雷达综合效能的定义和内涵界定目前有不同的关注角度和描述方式[1],相关研究的重点集中于雷达的探测效能和复杂电磁环境适应性[2-3],而对人机结合和战场生存等关注较少。

本文从实际作战使用需求出发,将雷达综合效能定义为雷达完成使命任务所需多种能力的满足程度,包括探测效能和作战适用性两个部分:探测效能主要指雷达搜索跟踪、目标识别、情报处理等方面的功能性能;作战适用性主要指雷达人机结合和适应战场的能力。岸基对海雷达的主要使命任务是及时发现、稳定跟踪、正确识别海面不同尺度和运动特征的目标,同时兼顾低空目标探测,及时完成重点目标信息的录取上报,其综合效能即该型雷达完成该使命任务所需的探测效能和作战适用性的满足程度。具体而言,岸基对海雷达的探测效能主要指对海目标的探测识别能力、对低空目标的探测识别能力和情报显控处理能力,作战适用性主要指人机交互等作战使用适用性、自然和对抗环境下的作战环境适用性和维修保障等作战保障适用性。

随着器件、算法和通用计算平台等软硬件技术的快速迭代升级,岸基对海雷达正在向数字化、智能化和集成化方向发展,取得了长足的进步,但和实际作战使用需求相比,岸基对海雷达效能在某些方面还存在一些不足,如自动录取、目标识别、探测能力评估和战场生存能力等,需要改进提高。

1 探测效能

1.1 自动录取

岸基对海雷达通常架设在海边高处,重点探测视距以内的海面和低空目标,这种部署场景给雷达探测带来了较大的难度,主要表现为以下两方面:

一是近海往往有大量的渔船、商船等民用目标,这些目标尺度相差大、运动速度快慢不一,再加上不同海情下海杂波的影响,要在这样的背景条件下及时发现、稳定跟踪和正确识别军船等重点目标,难度很大;

二是雷达架设在海边,处于岸海交接处,岸边的建筑、植被等地物和近海的锚地、养殖场、岛屿等给雷达探测增加了难度。特别是近年来,海上风电场快速发展,在沿海布设的点位和面积持续快速增加,给雷达探测增加了新的不利因素。

为了在这样的复杂环境下有效探测目标,岸基雷达一般采取自动和人工相结合的目标录取方式,由操作人员根据视频回波完成航迹起始和过程补点,其他工作由雷达自动完成。这种工作方式对操作人员的经验和操作水平提出了很高的要求。在某些近海海域,雷达探测范围内常常有数百批大小不同的目标,包括停泊、切向行驶、航迹交叉、航迹遮挡等多种复杂情形,要求操作人员在真假目标回波信号密集的显控终端,及时发现和录取新出现目标、正确处理航迹交叉时的混批和航迹遮挡时的跟踪不连续等问题,难度很大。即使是经过严格训练、具备长期操作经验的操作人员,也难免出现发现不及时、处置不当等问题,导致探测效果受影响。而且,这种工作方式要求操作人员始终保持非常专注的状态,精神高度集中,手眼密切配合,工作负荷很重,容易因疲劳影响长时间工作的质量。

少人化乃至无人化是雷达发展的重要方向,自动录取是实现这个目标的前提之一。事实上,导航雷达因为其特定的使用场景,早已实现了无人值守。实现自动录取的关键是要解决好3个问题:杂波抑制、杂波剩余中目标的正确发现以及目标稳定跟踪。其中第一个问题和雷达软硬件都密切相关,硬件上需要选择适当的工作频段、极化方式、波束宽度、信号带宽等,软件上需要根据杂波特征采取适当的信号形式和处理方式[4]。杂波抑制得越好,后续的目标发现和跟踪就越容易做好。第二、第三个问题主要和雷达软件算法有关,关键是解决好剩余杂波中的真假目标回波分辨问题,以降低虚警率和误相关率。

对于岸基对海雷达而言,要解决好上述问题,除了常规手段外,还应该充分利用一个重要的有利条件,就是该类型雷达都架设在固定地点、观测的是固定海域。这意味着雷达所面对的地理环境、气象水文环境和部分目标的特征一定程度上是已知的,可以更精确地统计获取海杂波和气象杂波特征等信息,以完善相关算法。出于状态控制的考虑,架设在不同地点的同型号岸基对海雷达的软硬件状态往往都要求一致,但也可以考虑根据各架设点情况,从软件上做精细化的适配工作,实现更好的探测效果。人工智能技术也可用于改进自动录取水平,文献[5]、[6]将航迹起始问题转换为真假航迹的二分类问题,应用卷积神经网络和深度学习方法,提高了航迹起始概率,并降低了虚警率。

1.2 目标识别

岸基对海雷达虽然需要全面掌握任务海域的目标态势,但核心任务是及时发现和稳定跟踪重要敏感目标以支持作战决策,因而在同时存在的数百批目标中正确识别该类型目标至关重要。岸基对海雷达的目标识别一般采用内外部信息结合进行综合识别:外部信息包括AIS信息、IFF信息、电子侦察信息、外部通报信息、光电图像信息等;内部信息包括窄带回波信息、宽带一维距离像信息等。利用这种识别方式,平时可以识别大部分目标类型,但并不能完全满足任务要求,原因主要有3点:一是重要敏感目标往往缺少AIS、IFF等外部信息;二是窄带回波信息量有限,只能用于粗分类或辅助识别;三是宽带一维距离像信息受到数据库和分类算法的制约,识别正确率存在不确定性。另外,有些雷达的目标识别仍采用手动、逐个识别的方式,效率低,容易忽略重要敏感目标。

正确识别目标是作战决策的重要前提,也是岸基对海雷达需要重点提升的方面之一。提高识别正确率的途径不外乎两个:一是增加识别可利用的信息来源和质量;二是提高利用信息进行识别的水平。对于重要敏感目标,AIS、IFF等对方配合信息往往不可得或不可信,只能依靠增加主被动探测手段增加识别信息来源,如电子侦察、通信侦察和光电探测信息等。但光电探测受环境影响大、探测距离受限,电子侦察和通信侦察信息只有在对方电子装备工作时才有可能获取,都存在比较大的不确定性。能够由我方控制的主要识别信息来源是窄带回波信息和宽带一维距离像,获取和利用好这些信息是提高岸基对海雷达敏感目标识别能力的关键,其他信息可作为辅助识别信息。

目前,雷达目标识别有基于回波起伏和调制谱特征、基于极点分布特征、基于高分辨力雷达成像特征和基于极化特征的多种目标识别技术[7],基本识别流程一般由特征信号提取、特征空间变换和分类器等组成[8],识别正确率最高可达到90%以上。但由于岸基对海雷达的目标识别是要从海上各种舰船目标中识别出其具体类型,上述识别技术中可能只有高分辨力雷达成像特征技术最适用,窄带回波信息只能用于提供辅助识别。

此外,由于岸基对海雷达固定架设,目前基于ISAR二维图像进行目标识别的技术尚不成熟,比较可行的是利用宽带一维像进行目标识别。常用的宽带一维像目标识别方法主要有相关滤波方法、模糊模式识别方法、神经网络识别方法、支持向量机识别方法和数据融合方法等[9-10],目前发展最快的是利用深度学习和卷积神经网络进行目标识别[11-12],已经具有很好的识别正确率,可考虑将其尝试应用于岸基对海雷达的目标识别。利用一维距离像进行目标识别要解决的另一个重要问题就是识别和作战过程的结合。最理想的情况是对每一个探测发现的目标都进行识别,但形成一维距离像需要特殊的信号形式和工作方式,会占用雷达资源,需要权衡对雷达其他性能造成的影响。解决这个问题的途径有两个:一是雷达设置单独的用于目标识别的宽带硬件通道和处理通道,与目标探测独立,协同工作互不影响;二是按照一定的准则对已发现目标进行粗分类或威胁判断后,只针对重点目标进行一维距离像识别。无论采用哪种方式,识别都应该自动进行,并及时标识识别结果,提示识别出的敏感目标。

2 作战适用性

2.1 作战使用适用性

与技术说明书给出的典型场景下的战技指标相比,雷达对特定目标的探测能力受内外部多种因素影响:内部影响因素主要有辐射功率、天线增益和接收灵敏度等,外部影响因素主要有气象、水文和干扰等。这些因素的组合变化可能造成雷达探测性能发生显著变化,特别是当出现严重的电磁干扰和大气波导等特殊情形时,雷达的探测能力可能和正常水平有数量级的差别。及时获取这些影响因素,并通过分析处理,让指挥员和操作员动态、准确地掌握雷达当前的探测能力,对岸基对海雷达的作战使用有重要意义。

内部影响因素可以通过雷达的BIT功能来获取,外部影响因素的获取有两种途径:一是可以通过雷达自身感知,如外部干扰信息;二是通过外部渠道获取,如气象水文信息。获取这些内外部信息后,可以基于雷达探测性能评估模型,通过计算和校准预测雷达针对各类目标的探测性能[13]。对于岸基对海雷达,还有一个很方便有效的方法预测雷达当前的探测性能,就是利用探测范围内的固定目标,如岛屿、灯塔等。可以利用固定目标已知的位置信息,校正雷达的距离、方位精度,还可以结合距离和信噪比信息预测雷达的威力。

为了更好地支持作战使用,雷达的能力预测应该与作战使用流程密切配合,支持预警探测方案制定、预警探测资源调度、显示控制等环节工作高效开展。

2.2 作战环境适应性

复杂电磁环境是电子装备实战必须面对的考验,为了提高实战背景下的作战效能,岸基对海雷达必须具备良好的干扰感知和对抗能力。

除了在单装层面采取反异步、频率捷变、窄脉冲剔除、副瓣匿影等常规抗干扰措施外,重点要加强体系层面的措施,如利用电子侦察信息辅助雷达频率捷变,利用不同频段雷达协同工作增加对方侦察难度、降低干扰功率密度,利用多源信息融合提高目标发现概率、改善跟踪连续性,利用干扰源测角和多点交叉定位进行目标跟踪等。这些措施要求多方协同,对作战指挥、资源调度、信息处理等有较高的要求,必须通过试验探索建立协同流程,并模拟实战对抗场景反复演练进行改进完善,才能在实战时有效运用。

岸基对海雷达因为长年架设在固定地点,其位置信息很可能已被敌方事前掌握,战时面临的生存威胁巨大,其中主要威胁是反辐射导弹攻击和无人机自杀式攻击。对于反辐射导弹,诱饵是对抗的有效手段。战时应为岸基对海雷达配备并正确布设仿真度高的主动诱饵[14-15],与雷达协同工作,诱使来袭导弹袭击错误目标,保护高价值雷达目标。无人机自杀式攻击隐蔽性强、成本低,发现和对抗难度大,是对海雷达实战面临的最大生存威胁。虽然岸基对海雷达的主要探测对象为海面目标,但为了对抗反辐射导弹和无人机的攻击,应重视并提高对该类型目标的探测跟踪能力,并通过自身采取诱偏、静默、干扰等措施进行应对,及时将相关信息上报,从体系层面采取对抗措施。

3 结束语

岸基对海雷达是海战场预警探测体系的最后端,是海战场预警探测体系的重要组成部分,从实战角度审视发现和持续改进其效能的薄弱环节,具有重要的现实意义。除了通常关注的雷达探测发现能力外,尤其要关注平时如何在众多目标中识别发现敏感目标,在战时如何适应复杂对抗环境并提高生存能力。只有解决好这两个问题,岸基对海雷达才能完成好自己承担的使命任务。