粗糙海面艦船目標(biāo)RCS研究?

(哈爾濱工程大學(xué)信息與通信工程學(xué)院,黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

由于海面自身的條件隨機(jī)多變的特性,海洋表面浮油后會改變海面的電磁特性,對目標(biāo)雷達(dá)散射回波造成影響。目前國內(nèi)外對海面電磁散射的研究很多,但大多只是對單一影響因素的分析,也很少考慮海面目標(biāo)雷達(dá)回波的情況。Kookhyun等運(yùn)用準(zhǔn)靜態(tài)的理論,研究了海面波浪影響下,運(yùn)動的艦船目標(biāo)RCS(雷達(dá)散射截面積)[1];Chou研究得出海面后向散射系數(shù)隨著風(fēng)速的變化情況[2];Pinel研究了浮油海面對RCS的影響[3];國內(nèi)任新成等人基于分形海面模型的基礎(chǔ)上,分析了分層海面磁散射特性[4];丁昊等通過實測數(shù)據(jù),分析了海雜波的多普勒特性[5];李文興等通過建模仿真,研究了海情和蒸發(fā)波導(dǎo)共同制約條件下的海面目標(biāo)RCS的特性[6]。

本文主要從不同海面環(huán)境及海面浮油下,研究艦船目標(biāo)雷達(dá)散射回波的情況;在此基礎(chǔ)上,同時考慮多種因素,在海面浮油環(huán)境下,改變海情等級、蒸發(fā)波導(dǎo)高度,觀察對目標(biāo)RCS的影響。本研究為海面雷達(dá)偵測提供了參考依據(jù)。

1 相關(guān)理論

1.1 雷達(dá)散射截面與散射系數(shù)

在發(fā)射機(jī)和接收機(jī)滿足遠(yuǎn)場條件時,照射目標(biāo)的入射波近似為平面波,雷達(dá)散射截面(RCS)只與目標(biāo)物理結(jié)構(gòu)、雷達(dá)參數(shù)等有關(guān),而與距離無關(guān)。因此,當(dāng)雷達(dá)的發(fā)射機(jī)與接收機(jī)處于同一媒質(zhì)中時,按照電磁散射理論觀點定義遠(yuǎn)場RCS的表達(dá)式為

式中,r為散射場點與散射目標(biāo)中心的距離,Ei為入射場,Es為散射場。公式表征了各向同性等效散射體的總功率與入射到目標(biāo)上的功率密度之比。

考慮到擴(kuò)展目標(biāo)往往是相對不確定的隨機(jī)分布的散射體,不能用雷達(dá)散射截面來描述其散射回波,通常表示為歸一化雷達(dá)散射截面(NRCS)或雷達(dá)散射系數(shù)[7],在遠(yuǎn)場條件時NRCS為

式中:Ei為入射波;Es為接收粗糙面的散射波;ki為入射波波數(shù)矢量(1/m);ks為散射波波數(shù)矢量(1/m),入射方位角、散射方位角與風(fēng)向一起決定了波數(shù)矢量的具體信息;r為接收點到粗糙散射面中心的距離(m);A0為接收點到入射波能量的粗糙面的面積(m2)。

對于后向散射的雷達(dá)的接收情況,存在ks= -ki。后向散射能量的大小通常由后向散射系數(shù)來表述,后向散射系數(shù)同NRCS的定義是一致的,表示為

1.2 分層粗糙面散射理論

如圖1所示,上層粗糙面S0和下層粗糙面S1將空間分為3部分,上層區(qū)域介質(zhì)為Ω0(ε0,μ0),中間層介質(zhì)為Ω1(ε1,μ0=μ1),下層介質(zhì)為Ω2(ε2,μ0=μ2),其中εi(i=0,1,2)為各區(qū)域的相對介電常數(shù)。

圖1 分層介質(zhì)粗糙面散射示意圖

考慮到入射波ψi(r)會入射到如圖1所示的介質(zhì)粗糙面上,假定ψ0(r)和ψ1(r)分別代表粗糙面S0上表面和下表面任意一點的總場,它們滿足邊界方程[4]:

式中,G0(r,r′)和G1(r,r′)分別為空間Ω0和Ω1中的格林函數(shù),^n為粗糙面S0上任意一點的法向量。ψ0(r)和ψ1(r)滿足邊界條件:

式中:V1(x)=ψ0(r)|r∈S0;V2(x)=u(x)=對于垂直極化(VV)有ρ=ε1/ε0,對于水平極化(H H)有ρ=1。通過解矩陣方程(8),可以求得介質(zhì)粗糙面上方的ψ0(r),再結(jié)合基爾霍夫近似法得到透射波上方任意一點的總場為ψ(r)=進(jìn)而求得散射系數(shù)表達(dá)式如下:

2 仿真與結(jié)果分析

本文研究岸-目標(biāo)雷達(dá)探測情況,海水介電常數(shù)為81,石油介電常數(shù)為2.25。以圖2所示的艦船目標(biāo)(長154 m、寬17 m、上層建筑距船底17 m)為例。

圖2 艦船CAD模型

文中采用大型專業(yè)電磁軟件Ship-EDF,該軟件在散射場和輻射場的電磁計算方面有著成熟的技術(shù),采用PO(物理光學(xué)法)和PTD(物理繞射法)算法分析目標(biāo)在光學(xué)區(qū)的目標(biāo)散射回波,分別對不同海情、浮油海面、粗糙浮油海面三種情況來討論目標(biāo)RCS,針對數(shù)值結(jié)果對海面散射現(xiàn)象進(jìn)行深入分析。

2.1 不同海情目標(biāo)RCS研究

海洋環(huán)境參數(shù)和雷達(dá)參數(shù)直接影響海面目標(biāo)的散射系數(shù),而海面環(huán)境受很多因素的影響。其中海面上方風(fēng)速對海面起伏影響最大,風(fēng)將能量傳遞給海浪,產(chǎn)生不同高度的海浪,從而形成不同等級的海情。

國際標(biāo)準(zhǔn)海情等級的劃分如表1所示。根據(jù)上述標(biāo)準(zhǔn),生成的不同海情等級海面艦船模型如圖3所示。

表1 采用國際海情標(biāo)準(zhǔn)的基本參數(shù)

圖3 1級、3級和5級海情海面艦船模型

蒸發(fā)波導(dǎo)是近海面大氣層中經(jīng)常出現(xiàn)的一種大氣波導(dǎo),它能夠陷獲一定頻率的電磁波導(dǎo)致雷達(dá)存在探測盲區(qū),同時也能夠?qū)崿F(xiàn)雷達(dá)超視距探測。

參照雷達(dá)天線高度h=50 m,目標(biāo)距離L1= 2 km,頻率為3 GHz,分別在1級、3級和5級時對艦船雷達(dá)回波進(jìn)行仿真。

如圖4所示,在h=50 m,L1=2 km條件下,隨著海情等級的增加,艦船RCS降低,說明海面越粗糙,在入射波方向上的海面與艦船之間的耦合散射減弱。

如表2所示,在上述條件下,無論是平均值,還是主要分析目標(biāo)的90%區(qū)域,艦船RCS都隨著海情等級的增加而降低。3級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均值低4.69 dBsm;5級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均值低21.57 d Bsm?？梢姾Ｇ閷CS的影響特別大。

圖4 艦船RCS隨海情等級變化對比曲線(h=50 m,L1=2 km)

表2 不同海情等級仿真結(jié)果統(tǒng)計(h=50 m,L1=2 km) d Bsm

下面討論海情變化對艦船RCS的影響與入射角的關(guān)系。參照雷達(dá)天線高度h=50 m,頻率為3 GHz,目標(biāo)距離L2=5 km,L3=8 km,分別在1級、5級時對艦船雷達(dá)回波進(jìn)行仿真。

從圖5和圖6不難發(fā)現(xiàn),隨著h/L值減小,即入射角減小,海情對艦船RCS的影響越小,在入射波方向上的海面與艦船之間的耦合散射變化很小,所以回波中目標(biāo)散射回波貢獻(xiàn)非常大。

從表3和表4可以看出,隨著h/L值減小,艦船RCS受海情等級增加的影響越來越弱。L2= 5 km時,5級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均低4.54 d Bsm;L3=8 km時,5級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均低1.7 dBsm。

圖6 艦船RCS隨海情等級變化對比曲線(h=50 m,L3=8 km)

表3 不同海情等級仿真結(jié)果統(tǒng)計(h=50 m,L2=5 km) dBsm

表4 不同海情等級仿真結(jié)果統(tǒng)計(h=50 m,L3=8 km) dBsm

2.2 浮油海面目標(biāo)RCS研究

取雷達(dá)天線高度h=50 m,目標(biāo)距離為2 km,頻率為3 GHz,海情等級為3級,油層介電常數(shù)ε1=2.25+i0.01,海水介電常數(shù)ε2=70.4+i40.6[3],油層厚度H1=0.05λ,對艦船雷達(dá)回波進(jìn)行仿真。

如圖7所示,海面浮油后,艦船RCS值增大,分析其原因為:由于海面上層浮油,導(dǎo)致海面粗糙度降低,在入射波方向上的海面與艦船目標(biāo)之間的耦合散射回波增強(qiáng)。

圖7 海面與浮油海面艦船RCS對比曲線

從表5可以看出,浮油海面上艦船RCS比正常海面的值高。下面討論不同油層厚度對艦船RCS的影響。

表5 不同海面仿真結(jié)果統(tǒng)計 dBsm

在其他條件不變的情況下,分別取油層厚度H1=0.05λ,H2=0.1λ,H3=0.2λ對艦船雷達(dá)回波進(jìn)行仿真。

如圖8所示,隨著油層厚度的增加,海面粗糙度逐漸降低,艦船RCS值增大,入射波方向上的艦船與目標(biāo)之間的耦合散射回波變得越來越強(qiáng)。

圖8 不同油層厚度艦船RCS對比曲線

從表6中可知,隨著油層厚度的增加,艦船RCS值變大,H2=0.1λ比H1=0.05λ時的艦船RCS值平均高1.2 d Bsm;H3=0.2λ比H1=0.05λ時的艦船RCS值平均高2.33 dBsm。

表6 不同油層厚度仿真結(jié)果統(tǒng)計 dBsm

2.3 粗糙浮油海面目標(biāo)RCS研究

浮油海面艦船RCS不但受油層厚度的影響,也受到海情的影響,下面對海面浮油情況下,不同海情對艦船RCS的影響進(jìn)行分析。其他條件不變,油層厚度H=0.1λ,分別對1級、3級和5級時艦船雷達(dá)回波進(jìn)行仿真。

如圖9所示,浮油海面艦船RCS值隨著海情等級的升高而減小,說明海情等級增加,海面變得粗糙,在入射波方向上的目標(biāo)與雷達(dá)之間的散射回波變?nèi)酢Ｏ旅嫱ㄟ^數(shù)據(jù)統(tǒng)計進(jìn)一步討論。

圖9 浮油海面艦船RCS隨等級海情變化對比曲線

通過表7不難得出,在油層厚度H=0.1λ的情況下,3級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均值低2.6 d Bsm;5級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均值低15.83 dBsm。

表7 不同海情仿真結(jié)果統(tǒng)計(H=0.1λ) dBsm

對比表2和表7的仿真結(jié)果,海面浮油后,海情對艦船RCS的影響比正常海面對RCS的影響要小,由于油層的存在,降低了海面的粗糙度,海情對海面粗糙度的影響變?nèi)酢?/p>

3 結(jié)束語

在實際的海面環(huán)境下,海面目標(biāo)的散射受多種因素的影響。本文分別研究了不同海情對艦船RCS的影響與入射角之間的關(guān)系,浮油海面艦船RCS,以及浮油海面情況下不同海情對艦船RCS的影響。通過仿真得出,隨著入射角的降低,海情對目標(biāo)RCS的影響變?nèi)?浮油海面使艦船RCS值升高,并且油層厚度H越大,值越高;浮油海面情況下海情等級增加,艦船RCS值降低,但其變化程度比正常海面小。相信本文的研究結(jié)果對海面雷達(dá)偵測問題提供參考依據(jù)。

[1]KIM K,KIM J H,KIM Y H,et al.Numerical Investigation on Dynamic Radar Cross Section of Naval Ship Considering Ocean Wave-Induced Motion[J]. Progress In Electromagnetics Research M,2012,27 (1):11-26.

[2]CHOU H T,JOHNSON J T.A Novel Acceleration Algorithm for the Computation of Scattering from Rough Surfaces with the Forward-Backward Method [J].Radio Science,1998,33(5):1277-1287.

[3]PINEL N,BOURLIER C,DECHAMPS N.Spectrum of Rough Sea Surfaces Covered in Oil:Consequences on the Radar Cross Section[C]∥2007 European Microwave Conference,Munich:IEEE,2007: 1546-1549.

[4]任新成,郭立新.基于改進(jìn)二維分形海面模型的分層海面電磁散射分析[J].上海航天,2009(4):1-6.

[5]丁昊,李建忠,安昕,等.實測海雜波數(shù)據(jù)的多普勒譜特性[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù),2012,10(4):400-408, 420.

DING Hao,LI Jian-zhong,AN Xin,et al.Doppler Spectra Property of Measured Sea Clutter Data[J]. Radar Science and Technology,2012,10(4):400-408, 420.(in Chinese)

[6]李文興,朱太平,趙中洋.基于海情和蒸發(fā)波導(dǎo)的艦船目標(biāo)RCS研究[J].微處理機(jī),2014(4):35-38.

[7]許小劍,李曉飛,刁桂杰,等.時變海面雷達(dá)目標(biāo)散射現(xiàn)象學(xué)模型[M].北京:國防工業(yè)出版社,2013,218-224.