摘 要：本文以跨海220KV高压输电线路和航海雷达为研究对象，通过理论分析和现场测试，分析了高压输电线路对航海雷达的影响以及雷达回波的特点。根据研究结果，针对高压输电线路回波对雷达观测的影响，提出了基于AIS信息的雷达抗干扰技术，并用VC++在PC上仿真演算。
关键词：高压输电线路 航海雷达 抗干扰 目标交换
引言
近年来，国内跨海高压输电线路的发展十分迅速。输电线路作为一种电磁辐射源，在运行时会不断产生一些电磁脉冲，向空中辐射各种宽频带的高频电磁波。由于输电线路所跨越的水道船舶通航密集，通电后线路所产生的电磁辐射和电磁干扰对船舶航行的影响也日益成为海事部门和航运企业所关心的课题。雷达是现代船舶必备的导航设备，为保障跨海输电线路水域的船舶航行安全，研究220KV跨海高压输电线路对雷达产生的辐射和干扰，以及相应的抗干扰技术具有重要的现实意义。
220KV高压输电线路对航海雷达影响的理论分析
1、220KV高压输电线路周围电磁场对雷达的干扰
研究结果表明220KV高压输电线路的静电耦合和电磁干扰主要影响VHF以下的电讯信号，频率越低影响越大。雷达的工作频率作用在３G的S波段和9G的Ｘ波段，而且目前的航海雷达普遍采用波导隙缝天线，除了天线的发射面外，三面用金属外壳屏蔽外界电磁波的干扰。因此可以认为220KV高压输电线路的静电耦合和电磁干扰对雷达的影响很小。
2、220KV高压输电线路的有效散射面积
雷达是通过目标的二次散射功率来发现目标的。半径为10mm的金属导线在不通过高压时的有效散射面积非常小，雷达反射回波非常微弱，一般航海雷达无法探测到金属导线的回波。
在金属导线上通过220KV的高压电后，导线的有效散射面积增大。只能用实际测量得到它们的有效散射面积。
220KV高压输电线路对航海雷达影响的现场测试
在实测中发现，在220KV高压输电线路附近数千米内，表明雷达确实可以探测到高压输电线路的回波。如图1所示。
1、220KV高压输电线路雷达回波探测距离
在不考虑雷达回波在大气中的折射和吸收衰减影响，也不考虑海面反射和陆地反射以及各种干扰的影响下，雷达对高压输电线路的最大探测距离可以用雷达方程式确定：
其中：Pt-脉冲发射功率，G-天线增益，Pr-接收机灵敏度，λ-波长，σ-目标有效散射面积
根据雷达方程推算，220KV高压线的最大探测距离可以达到1398m ；根据实测220KV高压输电线路的最大探测距离为R ≈ 8334m。
2、220KV高压输电线路回波对雷达观测的影响
220KV高压输电线路的回波会遮挡一些船只回波，在雷达跟踪目标时可能会出现目标交换现象。(见图2)
当高压输电线路离本船的距离小于高压输电线路的最大探测距离时，雷达屏幕上即可显示高压输电线路的回波。此时，若雷达也探测到了高压线路下的目标，则该目标的回波也将呈现在该雷达的屏幕上，从而使高压输电线路的雷达回波对该目标的回波产生了遮挡，多个不同的目标出现在雷达屏幕上，即相当于多个目标交会，雷达可能会出现目标交换，进而丢失正确的跟踪目标。
基于AIS信息减少雷达目标交换的方法
该算法中，当220KV高压输电线路回波与目标回波重叠时，可把高压输电线路回波也当作一个目标,把这种情况当成两船交会的情况处理。算法的具体步骤如下：
1、AIS的坐标转换以及跟踪窗
雷达对目标的观测是以本船为中心，以目标船相对于本船的方位和距离来表示的，雷达把屏幕上的目标视频回波量化成内存中的方位-距离矩阵。AIS播发的目标位置信息是基于WGS84地理坐标系的经度和纬度。为了把AIS信息和雷达信息很好的结合在一起，需要进行坐标转换，使它们处于同一个坐标系内。采用以本船为原点的北向上极坐标系，顺时针方位角为正，逆时针方位角为负。ARPA（Automatic Radar Plotting Aid）对目标的跟踪是以跟踪窗来实施对目标的航迹进行相关处理的，雷达的跟踪窗和北向上极坐标体系如图3-1所示。△A、△R分别为跟踪窗的宽度和深度，RR和BR是雷达位置的距离和方位，RA和BA是AIS位置的距离和方位。
雷达通过AIS获得的目标位置数据是船舶的经纬度，需要把经纬度转换成球面的方位距离，设AIS目标的经纬度为λ,φ即采用高斯-克吕格投影把经纬度先转换成平面直角坐标x，y：
然后把平面直角坐标x,y转换成相对于本船位置的北向上极坐标，设AIS目标的直角坐标为(xT，yT)，本船位置的直角坐标为(xO，yO)，转换公式如下：
2、用模糊c-均值聚类算法（FCM）计算隶属度
这一步的作用就是判断跟踪窗中的AIS信息是否是所要跟踪目标的AIS信息。
假设X =｛x1，x2…xn｝表示雷达的航迹，n表示元素个数，c是AIS航迹个数，也即聚类中心个数，11。通过最小化的方法，解出最佳的隶属度。
隶属度：
分别计算雷达预测位置与两处AIS信息的隶属度，较大的那一个即为可能所要匹配的AIS信息，这里隶属度会设定一个阈值ε，当较大的那个隶属度大于ε时，即可最终断定跟踪目标的AIS信息。
3、AIS与雷达位置关联
确定了所要跟踪目标的AIS信息后，我们就可以用它来确定哪个是与之相关联的目标。由于我们只能得到两个目标的距离与方位信息，所以此处关联也只能用到AIS的这两个信息。
设RRk、BRk为雷达在k时刻所测得目标的距离与方位，RAk、BAk为k时刻AIS提供的目标位置信息所推算出的目标的距离与方位。我们这里为了提高关联质量，需要进行m次关联检测，在关联检测样本间建立距离函数Py，i代表第i组AIS的数据，j代表第j组雷达的数据，i和j是独立不相关的。Pij的定义如下：
那么对于确定的i组AIS数据，要找到出于同一目标的雷达所对应的数据，只要找到j，该j使得距离Py取得最小值，即此最小值所对应的那个目标即为所要跟踪的目标。
4、AIS信息的判决
分别计算预测中心与两处AIS的隶属度，得到两个隶属度u11和u21。先比较u11和u21，得到较大的一个（例如u11），若u11 >ε，则u11所对应的AIS即为跟踪目标的AIS。
然后再计算此AIS信息与两个雷达回波的关联距离ρ11和ρ12，较小的那个就是我们所跟踪目标的回波信号。
5、对本算法的仿真
如果把220KV高压输电线路的回波当作目标回波，那么它和船只回波重叠时，可把这种情况当成两船交会的情况。用VC++在PC上编写了使用本算法的目标跟踪程序，并在雷达模拟器上进行了仿真实验。
设本船的航向000，速度10Kn。A船初始距离3.51nm.，方位060.5，相对航速10 Kn，相对航向200。B船初始距离3.09 nm.，方位050.0，相对航速10 Kn，相对航向180。
以上各图中，A-ARPA、B-ARPA表示雷达测得的A船和B船的数据；A-Real、B-Real表示A船和B船的真实数据；A-Paper、B-Paper表示经过本文算法处理后的数据。
图4是两船的轨迹图。从中可以看出，两船在(2.271,0.086)处相遇。此处出现目标交换，B船的航迹消失，A船的航迹跳变为B船的航迹，经过本算法处理后A船和B船均能被正确跟踪。图5是两船的航向图，从中可以看出，从420s开始，B船的航向发生丢失，而A船的航向跳变为B船的航向。经过本算法处理后，两船的航向都能正确得到。图6是两船的航速图，从中可以看出，从420s开始，B船的航速丢失，而A船的航速跳变为B船的航速。经过本案的算法处理后，两船的航速都能正确得到。
结语
船舶在跨海高压输电线路的区域航行时，要密切注意观测雷达图像的变化，正确调整雷达的增益，使得回波达到最佳的状态。要区分高压线干扰回波和目标回波，防止出现把高压线干扰误认为目标的现象而导致航行不安全。当高压线干扰回波和目标船回波混叠在一起时，容易疏忽误判而导致事故的发生，因此当船舶行经跨海高压输电线路区域时必须加强了望，特别要注意在高压线下方的船舶。
（作者单位：浙江国际海运职业技术学院）