高頻地波雷達(dá)是一種超視距雷達(dá)，利用垂直極化高頻電磁波沿海面（地表面）繞射傳播特性，高頻地波雷達(dá)能夠探測(cè)海平面視線一下的目標(biāo)，因此也被稱為高頻超視距雷達(dá)，工作頻段為高頻段（3～30MHz）。高頻地波雷達(dá)不僅具備測(cè)量精度高、監(jiān)測(cè)面積大、資源消耗較少的優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)由于高頻地波雷達(dá)架設(shè)在岸邊，系統(tǒng)工作基本上不受自然環(huán)境的影響，因此是一種能夠全天候?qū)Ｑ筮M(jìn)行實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的有效手段。高頻地波雷達(dá)不僅可以用于運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的探測(cè)，同時(shí)，利用布拉格反射機(jī)理，還可以從雷達(dá)回波譜中提取風(fēng)浪流等海況信息。因此，在民用方面，高頻地波雷達(dá)在監(jiān)測(cè)我國(guó)專屬經(jīng)濟(jì)區(qū)、維護(hù)國(guó)家權(quán)益、保護(hù)海洋環(huán)境等方面發(fā)揮著重要的作用。此外，高頻地波雷達(dá)對(duì)于探測(cè)隱形目標(biāo)具有潛在的效能（高頻地波雷達(dá)的工作頻率使目標(biāo)隱形失效），而且能夠有效對(duì)抗反輻射導(dǎo)彈，生存能力比較強(qiáng)，因此在軍事方面也有著重要用途和巨大潛力。

圖1–1高頻地波雷達(dá)應(yīng)用示意圖

相比于岸基雷達(dá)，船載高頻地波雷達(dá)不僅包含了其大部分功能，還具有更好的靈活性，探測(cè)范圍也更廣，因而有著更好的發(fā)展?jié)摿Α?nbsp;然而，船載平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)會(huì)造成海雜波和目標(biāo)點(diǎn)的展寬和偏移。相比于岸基雷達(dá)而言，船載雷達(dá)系統(tǒng)的陣列更加小型化，且陣列擺放位置需要適應(yīng)船艙位置，使得RD譜圖更加嘈雜，大大降低了信噪比；不規(guī)則陣列的擺放更是也對(duì)目標(biāo)方位角的估計(jì)造成困難；這些因素都嚴(yán)重影響了目標(biāo)參數(shù)估計(jì)的精確度，因而需要對(duì)船載高頻地波雷達(dá)的目標(biāo)檢測(cè)方法進(jìn)行研究。

國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

超視距雷達(dá)最早應(yīng)用于美、蘇冷戰(zhàn)時(shí)期。美、蘇雙方以探測(cè)對(duì)方的軍事動(dòng)態(tài)為目的部署了數(shù)量不少的超視距雷達(dá)。1968年～1972年，工作于美國(guó)NOAA的Barrick提出了海面對(duì)無(wú)線電波的一階散射和二階散射的形成機(jī)制，形成了Bragg散射的理論體系，為超視距雷達(dá)的快速發(fā)展奠定了基礎(chǔ)[17]。目前，國(guó)內(nèi)外機(jī)構(gòu)對(duì)岸基高頻地波雷達(dá)的研究漸趨成熟。

隨著岸基高頻地波雷達(dá)的發(fā)展，將地波雷達(dá)放置于移動(dòng)平臺(tái)上進(jìn)行探測(cè)是必然的發(fā)展趨勢(shì)。

上個(gè)世紀(jì)70年代起，國(guó)內(nèi)外相繼展開(kāi)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)實(shí)驗(yàn)。1972年，Tyler等人在行駛的車上安裝信號(hào)接收設(shè)備，檢測(cè)羅蘭A的發(fā)射信號(hào)，獲取了有一階Bragg展寬的頻譜信號(hào)。1986年Barrick等人將HFSWR安裝在石油裝載平臺(tái)上，對(duì)周邊海域進(jìn)行，以此進(jìn)行海浪譜的研究和分析[20]。1988年，Gurgel等人在挪威大陸架開(kāi)展了地波雷達(dá)岸基聯(lián)合船載的海洋表面流監(jiān)測(cè)實(shí)驗(yàn)。

于國(guó)家層面上，英國(guó)和美國(guó)軍方都對(duì)船載地波雷達(dá)有過(guò)相關(guān)研究。

英國(guó)人最早對(duì)高頻地波雷達(dá)技術(shù)產(chǎn)生了興趣。1982年，英國(guó)海軍與馬可尼公司合作，進(jìn)行船載地波雷達(dá)平臺(tái)改造。后來(lái)在地中海地區(qū)對(duì)改造的巡洋艦艦載雷達(dá)進(jìn)行了一系列試驗(yàn)，該次試驗(yàn)較為成功，對(duì)大型艦船、低空飛機(jī)、巡航導(dǎo)彈表現(xiàn)出很好的探測(cè)性能。四級(jí)海況下，該艦載雷達(dá)的探測(cè)距離約100 km、測(cè)距精度±2 km、測(cè)角精度±5°。

美國(guó)海軍1990年才開(kāi)始了對(duì)船載地波雷達(dá)系統(tǒng)的研究。美國(guó)海軍在圣克萊門(mén)特島開(kāi)展了第一次試驗(yàn)，Lockheed Sanders子公司演示了他們的雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)于遠(yuǎn)距離、高度位于10米以上目標(biāo)的探測(cè)能力。在這次試驗(yàn)中，雷達(dá)系統(tǒng)未能提供精確的目標(biāo)跟蹤信息，但能達(dá)到約1 km的距離分辨率及1~2度的方位精度，這滿足了早期預(yù)警需求(具有30秒的附加預(yù)警時(shí)間)。1995年，為了提高艦載雷達(dá)的性能，美國(guó)海軍同加拿大雷聲公司合作開(kāi)發(fā)艦載雷達(dá)發(fā)射天線，進(jìn)行了大量試驗(yàn)。1996年1月桑得斯公司開(kāi)始研制船載地波雷達(dá)系統(tǒng)樣機(jī)，并計(jì)劃1998年2月開(kāi)始雷達(dá)系統(tǒng)的組裝與試驗(yàn)。但后續(xù)進(jìn)展目前還未見(jiàn)進(jìn)一步報(bào)道[26]。

國(guó)內(nèi)哈爾濱工業(yè)大學(xué)最早展開(kāi)單基地船載高頻地波雷達(dá)的研究。他們?cè)诎痘夭ɡ走_(dá)的研究基礎(chǔ)上，進(jìn)一步優(yōu)化了其系統(tǒng)的適應(yīng)性與穩(wěn)定性，并將其布設(shè)在軍艦上[27][28]，成功地研制出一套船載HFSWR系統(tǒng)。隨后又借此開(kāi)展了船載HFSWR對(duì)海上和空中目標(biāo)的探測(cè)實(shí)驗(yàn)，進(jìn)而取得了大量珍貴的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)；哈爾濱工業(yè)大學(xué)的謝俊好等人對(duì)船載HFSWR回波信號(hào)處理方法、目標(biāo)檢測(cè)和船載HFSWR的海浪譜展寬機(jī)理等方面進(jìn)行了較為深入的理論分析和實(shí)驗(yàn)研究，并取得了豐碩的科研成果。

武漢大學(xué)參與了十二五重大海洋專項(xiàng)“浮標(biāo)式高頻地波雷達(dá)系統(tǒng)研制”，在浮標(biāo)平臺(tái)上安裝高頻地波雷達(dá)，利用其超視距探測(cè)的特點(diǎn)，擴(kuò)展了浮標(biāo)的海洋探測(cè)能力，與十二五“分布式組網(wǎng)高頻超視距雷達(dá)技術(shù)”一起共同構(gòu)成高頻地波雷達(dá)近、中、遠(yuǎn)海洋探測(cè)網(wǎng)絡(luò)。

2000年，西安電子科技大學(xué)的劉春波等對(duì)岸艦聯(lián)合多基地的HFSWR進(jìn)行了基礎(chǔ)理論研究。西安電子科技大學(xué)的陳伯孝等人也開(kāi)展了對(duì)艦載綜合脈沖孔徑高頻地波雷達(dá)的研究，該系統(tǒng)利用正交波形實(shí)現(xiàn)了接收陣元孔徑的等效擴(kuò)展[36]。

圖1–2 Marconi 公司的艦載 HFSWR 示意圖

船載HFSWR的回波分析和目標(biāo)檢測(cè)

移動(dòng)平臺(tái)地波雷達(dá)回波譜分析與仿真方面，最早可追溯到1972年地波雷達(dá)海雜波散射截面的研究。1972 年，Barrick 利用邊界擾動(dòng)理論，推導(dǎo)出海浪回波的一階譜以及深水區(qū)的海雜波一階雷達(dá)散射截面的數(shù)學(xué)模型，奠定了地波雷達(dá)的發(fā)展基礎(chǔ)。20 世紀(jì) 80 年代以來(lái)，船舶運(yùn)動(dòng)模型的研究工作大量展開(kāi)，日本的Hamamoto等人提出了以6–DOF來(lái)劃分船舶運(yùn)動(dòng)形態(tài)的方法，六自由度運(yùn)動(dòng)分別為橫搖、縱搖、艏搖、橫蕩、縱蕩與垂蕩等幾種。于是，國(guó)內(nèi)外學(xué)者們逐步開(kāi)展了6–DOF的平臺(tái)運(yùn)動(dòng)對(duì)HFSWR海浪回波特性影響的相關(guān)研究。

2001年,謝俊好等人又發(fā)現(xiàn)船載平臺(tái)的前向運(yùn)動(dòng)將導(dǎo)致一階海雜波頻譜展寬。2005年，Wang等對(duì)運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在航行過(guò)程中出現(xiàn)的6–DOF進(jìn)行了理論分析和仿真實(shí)驗(yàn)。2008年，walsh等人在海雜波散射截面積理論的基礎(chǔ)上，根據(jù)電場(chǎng)理論求解出了浮動(dòng)平臺(tái)地波雷達(dá)海雜波散射截面積方程。2012年，Khoury等對(duì)在不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的船載HFSWR海浪回波信號(hào)和目標(biāo)進(jìn)行了理論分析[43]。

2010年～2012年， Walsh和Gill等對(duì)浮動(dòng)平臺(tái)HFSWR展開(kāi)了研究，利用電磁波散射理論推導(dǎo)了關(guān)于浮動(dòng)平臺(tái)HFSWR海浪回波的一階、二階散射截面積方程[44][45]。2010至2012年間，Walsh等人推導(dǎo)了安裝在帶有搖擺運(yùn)動(dòng)的浮動(dòng)平臺(tái)上的天線的一階和二階高頻雷達(dá)橫截面。

而在2017年～2018年間，謝俊好的團(tuán)隊(duì)，分別結(jié)合浮動(dòng)平臺(tái)的水平震蕩（橫蕩、縱蕩運(yùn)動(dòng)）運(yùn)動(dòng)，運(yùn)動(dòng)縱搖、橫搖運(yùn)動(dòng)進(jìn)而推廣到6–DOF運(yùn)動(dòng)和前向運(yùn)動(dòng)分析了海面的一階和二階高頻地波雷達(dá)海雜波散射截面積。在他們的仿真中表明，水平振蕩運(yùn)動(dòng)以及縱搖橫搖運(yùn)動(dòng)都會(huì)對(duì)多普勒頻譜具有額外的調(diào)制效果，在多普勒頻譜中會(huì)出現(xiàn)其他峰值。

船載地波雷達(dá)海雜波抑制與目標(biāo)檢測(cè)方面。1999年，針對(duì)目標(biāo)落入展寬海雜波的問(wèn)題，高興斌利用合成孔徑原理，分析了船載高頻地波雷達(dá)海雜波展寬譜的性能，在此基礎(chǔ)上，論證了通過(guò)空間濾波方法，實(shí)現(xiàn)留存目標(biāo)的同時(shí)消除海雜波的可行性。

針對(duì)船載地波雷達(dá)海雜波展寬問(wèn)題，徐興安開(kāi)展了浮標(biāo)式地波雷達(dá)信號(hào)建模、海面回波譜建模和仿真、瞬態(tài)干擾抑制及運(yùn)動(dòng)補(bǔ)償?shù)葞追矫娴难芯?。瞬態(tài)干擾方面，徐興安提出了一種基于S變換的瞬態(tài)干擾檢測(cè)方法，然后分析了浮標(biāo)6–DOF運(yùn)動(dòng)對(duì)雷達(dá)回波信號(hào)的影響并進(jìn)行了相應(yīng)的補(bǔ)償。

2006年，國(guó)磊為檢測(cè)海上目標(biāo)的方位信息，采用特征結(jié)構(gòu)類算法來(lái)實(shí)現(xiàn)空間方位分辨中的Constrained MUSIC算法，此方法充分利用了海浪的方位先驗(yàn)信息來(lái)構(gòu)造投影算子約束噪聲子空間的估計(jì)，大大提高了目標(biāo)分辨率和估計(jì)精度。 

2012年，孫明磊、謝俊好等人提出了基于導(dǎo)向矢量的斜投影的目標(biāo)檢測(cè)方法，并仿真驗(yàn)證了該方法的可靠性。仿真和實(shí)驗(yàn)表明，雜波可以通過(guò)斜投影的方法進(jìn)行壓縮。其他研究者對(duì)基于正交和斜投影的方法做了不同程度的改進(jìn)。

2012年，謝俊好提出了時(shí)域級(jí)聯(lián)空域正交加權(quán)的目標(biāo)檢測(cè)方案，采用空時(shí)自適應(yīng)處理(STAP)算法對(duì)地波雷達(dá)海雜波進(jìn)行抑制。對(duì)于正交加權(quán)處理可能出現(xiàn)的目標(biāo)波束主瓣分裂的問(wèn)題，提出了對(duì)兩個(gè)分裂波瓣使用比幅測(cè)向的方法，并得到了較好的結(jié)果。

2016年，冀振元提出了JDL自適應(yīng)算法，來(lái)對(duì)艦載地波雷達(dá)的海雜波進(jìn)行抑制，并通過(guò)實(shí)驗(yàn)與仿真驗(yàn)證了該方法的可靠性。