一維粗糙海面雙站電磁散射特性模擬測量

張 艷， 岳 慧， 薛正國

（1.海軍駐上海地區(qū)航天系統(tǒng)軍事代表室，上海201109；2.電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200438）

0 引言

海面近似于一個(gè)導(dǎo)電的粗糙面，由于對照射電磁波的散射，使探測海面或低空目標(biāo)雷達(dá)的設(shè)計(jì)與使用，與對空雷達(dá)有較大差異。粗糙海面的前向雙站散射是海面目標(biāo)或者低空目標(biāo)多路徑電磁散射重要路徑之一，早就受到關(guān)注［1-2］。但是，海面的前向雙站電磁散射受到諸如海面海情、發(fā)射天線的照射角、接收天線的接收角等因素的影響。為了研究粗糙海面電磁散射特性，國內(nèi)外眾多學(xué)者開發(fā)了電磁散射理論算法［3-10］，除了計(jì)算海面的電磁散射外，綜合考慮了超低空目標(biāo)與海面復(fù)合電磁散射特性。對于粗糙海面的實(shí)際前向雙站電磁散射特性模擬測量，通常采用架設(shè)在海岸邊的模擬測量系統(tǒng)［11-12］。在校驗(yàn)粗糙海面電磁散射特性理論模型的精確模擬測量試驗(yàn)研究方面，限于試驗(yàn)條件難以開展。美國海軍作戰(zhàn)中心借助MASK 水槽完成了一系列粗糙海面電磁散射模擬測量［13］，為粗糙海面電磁散射模型提供了可供校驗(yàn)的數(shù)據(jù)。

為了獲取能夠用于粗糙海面雙站前向電磁散射理論模型校驗(yàn)數(shù)據(jù)，借助人工造波水池構(gòu)造可控的粗糙海面，可以開展不同海情的一維粗糙海面雙站前向電磁散射模擬測量。采用程序控制粗糙海面波長與波高構(gòu)造不同海情粗糙海面，設(shè)置不同照射角與接收角組合，開展雙站前向靜態(tài)RCS模擬測量，獲取前向散射系數(shù)。統(tǒng)計(jì)模擬海面前向散射系數(shù)隨模擬海面粗糙程度和天線照射角、接收角度變化的特性。

1 測量系統(tǒng)與測量方法

下面介紹粗糙海面雙站前向電磁散射系數(shù)測量系統(tǒng)和測量方法。

1.1 人工海浪模擬系統(tǒng)

模擬測量試驗(yàn)在某實(shí)驗(yàn)室的人工造波池（如圖1）進(jìn)行。造波池是一個(gè)長39 m、寬30 m 的矩形水池，在液壓搖板往復(fù)推動下使水池中的水產(chǎn)生波動，通過控制搖板的擺動幅度和擺動頻率生成不同浪高和波長的一維粗糙海面。在水池偏東的位置布置浪高儀，采集記錄波浪高度數(shù)據(jù)［14］。

試驗(yàn)過程中分別構(gòu)造2 級規(guī)則海面和滿足PM 譜分布的2級不規(guī)則模擬海面。模擬海面海浪的波長和波高，如表1所示。采集一維模擬海面浪高剖面如圖2所示。

表1 試驗(yàn)測量的模擬海環(huán)境

圖1 人工造波水池

圖2 一維海面剖面

1.2 粗糙海面前向電磁散射特性測量系統(tǒng)與方法

模擬海環(huán)境前向靜態(tài)電磁散射特性測量系統(tǒng)如圖3所示。測量系統(tǒng)的發(fā)射通道由合成信號源、放大器和發(fā)射天線組成，合成信號源提供的微波測試信號經(jīng)放大器放大后由發(fā)射天線輻射到模擬海面上。散射信號經(jīng)接收天線送到混頻器與本振源信號混頻為兆赫茲級信號（圖中未畫出），由PNA 網(wǎng)絡(luò)分析儀采集數(shù)據(jù)。系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)程序控制，實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程自動化控制和數(shù)據(jù)采集、存貯、分析和處理。

圖3 模擬海環(huán)境雙站前向電磁散射特性測量系統(tǒng)組成示意圖

模擬測試采用X 波段測量系統(tǒng)，收發(fā)天線設(shè)置為水平極化（HH 極化）狀態(tài)。發(fā)射天線置于造波池一端，與信號源和放大器相連，以10°～15°照射角照射模擬海面。接收天線搭載于造波池上方橫梁一側(cè)，與發(fā)射天線相對，由轉(zhuǎn)臺控制接收角度。為減小造波池壁造成的測量誤差，采用窄波束平板裂縫天線。為使接收天線全面接收模擬海面對照射信號散射的電磁波，要求接收天線主波束與海面相交橢圓覆蓋發(fā)射天線主波束與海面相交橢圓。通過升降橫梁調(diào)整接收天線距離模擬海面的高度，可改變接收角度。為統(tǒng)計(jì)模擬海浪特性，應(yīng)獲得足夠多的數(shù)據(jù)。每個(gè)角度測量10次，每次測量獲得16 001個(gè)數(shù)據(jù)。

1.3 定標(biāo)方法

模擬海環(huán)境前向電磁散射截面的標(biāo)定方法：照射天線與接收天線對準(zhǔn)，接收天線直接接收發(fā)射天線輻射的電磁能量為基準(zhǔn)。將模擬海環(huán)境測試數(shù)據(jù)與基準(zhǔn)進(jìn)行比較，獲取海雜波的前向電磁散射截面。前向電磁散射系數(shù)的計(jì)算式為

式中：u為被測海面的回波電壓；u0為照射與接收天線對準(zhǔn)時(shí)接收天線接收到的電壓；r1為發(fā)射天線沿輻射方向與海面的距離；r2為接收天線沿接收方向與海面的距離；r0為照射與接收天線對準(zhǔn)時(shí)天線間的距離；A 為天線主波束照射的面積。

2 測量結(jié)果與數(shù)據(jù)處理

模擬海環(huán)境前向靜態(tài)電磁散射特性測量試驗(yàn)按3種海情，60種天線照射角與接收角組合進(jìn)行測量。對測得的千余條數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，獲得模擬海環(huán)境前向靜態(tài)散射系數(shù)。X 波段，HH 極化狀態(tài)下的平靜海面、2級規(guī)則波和2 級PM 譜模擬海面，照射角10°～15°，接收角10°～20°時(shí)的前向散射系數(shù)分別如圖4（a）～4（c）所示。

圖4 不同粗糙度與不同分布的模擬粗糙海面前向散射系數(shù)與天線收發(fā)角度關(guān)系曲線

由圖4可見，模擬海面的前向散射系數(shù)隨角度變化，由弱漸強(qiáng)，接收角接近照射角時(shí)達(dá)到最大值，然后呈下降趨勢。整體來講，低照射角情況下的前向散射系數(shù)較小。相對于粗糙海面，平靜海面的前向散射系數(shù)較大。在某一照射角度下，平靜海面前向散射系數(shù)隨接收角度變化較緩。為了更直觀地說明前向散射特性，將各種海情在同一照射角（15°）條件下的前向散射系數(shù)進(jìn)行對比，如圖5所示。

圖5 照射角15°時(shí)不同海情模擬海面前向散射系數(shù)

由圖5可見，在電磁波以15°照射角照射模擬海面時(shí)，平靜海面前向散射系數(shù)最大，散射系數(shù)隨接收角變化最為平緩，變化范圍最小。滿足PM譜分布的不規(guī)則波模擬海面的前向散射系數(shù)及其隨接收角的變化范圍，在平靜海面、規(guī)則海面和不規(guī)則海面三種海情中處于中間水平。規(guī)則波模擬海面前向散射系數(shù)最小，隨接收角的變化最顯著。

3 結(jié)論

利用實(shí)驗(yàn)室人工造波池構(gòu)造不同形式的一維模擬海面，利用電磁散射測量系統(tǒng)進(jìn)行雙站前向電磁散射系數(shù)模擬測量。通過改變天線照射角與接收角，獲得了海面前向電磁散射系數(shù)隨照射角、接收角、海面粗糙度的變化規(guī)律。

［1］ Robertshaw G A，Weiner M M.Coherent Scatter of Microwaves from Moderately Rough Surfaces［R］.ADA106133，1981.

［2］ Kaplan P D，Weiner Melvin M.Bistatic Surface Clutter Resolution Area at Small Grazing Angles［R］.ADA123660，1982.

［3］ 李中新，金亞秋.數(shù)值模擬低掠角入射海面與船目標(biāo)的雙站散射［J］.電波科學(xué)學(xué)報(bào)，2001，16（2）：231-240.

［4］ 劉鵬，金亞秋.低掠角入射粗糙面上低空目標(biāo)雙站散射的有限元數(shù)值模擬［J］.中國科學(xué)E 輯：工程科學(xué) 材料科學(xué)，2004，37（7）：793-803.

［5］ 郭立新，任玉超，吳振森.動態(tài)分形粗糙海面散射的遮蔽效應(yīng)和多普勒譜研究［J］.電子與信息學(xué)報(bào)，2005，27（10）：1666-1670.

［6］ 梁玉，郭立新.氣泡／泡沫覆蓋粗糙海面電磁散射的修正雙尺度法研究［J］.物理學(xué)報(bào)，2009，58（9）：6158-6166.

［7］ 田煒，任新成，黃保瑞.具有A.K.Fung海譜的粗糙海面電磁散射的微擾法研究［J］.海洋通報(bào)，2011，30（2）：227-234.

［8］ 劉鵬，金亞秋.三維粗糙海面電磁散射的區(qū)域分解法及IRBC 的FFT 加速［C］.全國青年計(jì)算物理學(xué)術(shù)交流會，2008.

［9］ Khenchaf A，Daout F，Hurtaud Y，etc.Bistatic Sea Clutter：Simulations and Measurements［C］.Geoscience and Remote Sensing Symposium，1996，1（8）：615-617.

［10］ Al-Ashwal W A，Baker C J，Balleri A，etc.Statistical Analysis of Simultaneous Monostatic and Bistatic Sea Clutter at Low Grazing Angles［J］.Electronics Letters，2011，47（10）：621-622.

［11］ Al-Ashwal W A，Balleri A，Griffiths H D，etc.Measurements of Bistatic Radar Sea Clutter［C］.Radar Conference（RADAR），2011：217-221.

［12］ Kochanski T P，Vanderhill M J，Zolotarevsky J V，etc.Low Illumination Angle Bistatic Sea Clutter Measurements At X-band［C］.Oceans 92 Mastering the Oceans Through Technology，1992（1）：518-523.

［13］ Smith J R，Russell S J，Brown B E，etc.Electromagnetic Forward-Scattering Measurements over a Known，Controlled Sea Surface at Grazing［J］.IEEE Transactions on Geoscience &Remote Sensing，2004，42（6）：1197-1207.