多頻段典型地表的雙站雷達(dá)散射回波預(yù)測

張?jiān)?吳振森 曹運(yùn)華 張玉石

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多頻段典型地表的雙站雷達(dá)散射回波預(yù)測

張?jiān)?①吳振森①曹運(yùn)華①張玉石②

①(西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院 西安 710071)②(中國電波傳播研究所 青島 266107)

雙站雷達(dá)在反隱身、超低空防御方面具有獨(dú)特優(yōu)勢，但雙站測量裝置較為復(fù)雜，地表參數(shù)的準(zhǔn)確獲取工作耗時(shí)耗力，且精度難以保證，地表雙站雷達(dá)散射數(shù)據(jù)極其匱乏。為解決上述問題，該文以L/S/X/Ku波段裸土、水泥地和粗糙沙地后向散射實(shí)測數(shù)據(jù)為例，忽略地表的精細(xì)結(jié)構(gòu)，采用等效面散射模型和遺傳算法反演了各地表的等效介電常數(shù)和粗糙度參數(shù)，獲取其等效參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征，實(shí)現(xiàn)對地表雙站雷達(dá)散射回波的預(yù)測。結(jié)果表明：該等效面散射模型保證了地表的后向和雙站散射回波預(yù)測精度；地表雙站雷達(dá)散射回波隨入射波頻率的增大而增大；隨散射角的增大先增大而后減小，并在鏡像方向出現(xiàn)最大值；隨散射方位角的增大，地表散射回波先減小而后增大，HH極化雙站散射回波的最小值一般出現(xiàn)在方位角處，而VV極化雙站散射回波的最小值位置隨入射角的增大從方位角向小角度方向偏移，并與入射波頻率、地表濕度以及粗糙度參數(shù)相關(guān)，該雙站散射特性可用于地表參數(shù)的反演以及目標(biāo)的反隱身研究。

雙站地表散射；多波段測量；等效參數(shù)反演

1 引言

近年來，隨著空間技術(shù)的發(fā)展，各類地表的雷達(dá)回波特性已廣泛應(yīng)用于星載與機(jī)載SAR成像[1,2]、偽裝以及目標(biāo)探測中。由于雙站雷達(dá)的信息量大，在反隱身、反輻射、抗干擾以及超低空突防方面的獨(dú)特優(yōu)勢，地物雜波的研究工作逐漸由單站散射轉(zhuǎn)向雙站發(fā)展[3,4]，其中以美國的“警戒和目標(biāo)指示多基地系統(tǒng)”、“戰(zhàn)術(shù)雙基地雷達(dá)驗(yàn)證計(jì)劃(TBIRD)”以及英國的自適應(yīng)雙基地雷達(dá)研究為典型代表，以提高目標(biāo)的生存能力和探測能力為主要目的。在低空目標(biāo)的反隱身、超低空防御研究中，必然涉及到地表與目標(biāo)的復(fù)合電磁散射問題，而地表雙站散射場的快速準(zhǔn)確獲取對地物復(fù)合散射場的計(jì)算至關(guān)重要，因此對地表雙站雷達(dá)散射回波的研究具有重要的應(yīng)用價(jià)值。

過去幾十年里，國內(nèi)外開展了1.5~94.0 GHz多頻段地表的散射測量工作，利用基爾霍夫近似法(KA)[5]、微繞法(SPM)[5]和積分方程法(IEM)[6]等粗糙面高頻近似方法對裸土散射特性及其濕度反演[7,8]進(jìn)行了研究，采用矢量輻射傳輸理論計(jì)算了沙地的后向散射回波[9]，對水泥瀝青路面是否存在水層、冰層[10]情況做出了預(yù)測。但由于雙站雷達(dá)測量裝置較為復(fù)雜，測量實(shí)驗(yàn)和理論研究主要集中于單站情況。1994年，文獻(xiàn)[11]測量了10 GHz粗糙人造表面的雙站鏡像散射回波。2007年，Nashashibi等人[3]測量了35 GHz裸土的全極化雙站散射特性。2012年，Khadhra等人[12]采用雙站測量回波反演了裸土的粗糙度和濕度參數(shù)。但相比于單站情況，地表雙站散射數(shù)據(jù)極其匱乏。為了解決上述問題，對于自然界無植被覆蓋的規(guī)則化單純地表結(jié)構(gòu)，本文提出根據(jù)地表多頻段后向雷達(dá)散射實(shí)測數(shù)據(jù)預(yù)測其雙站散射回波，以應(yīng)用于大區(qū)域地表的微波遙感和目標(biāo)探測研究。

實(shí)際應(yīng)用中，由于大區(qū)域內(nèi)地表的多樣性，地表參數(shù)的測量工作遇到了輸入量眾多(地表組分、分層深度、濕度、均方根高度、相關(guān)長度等)，獲取困難以及不準(zhǔn)確性等問題[13]。近些年來，為了解決該問題，國外學(xué)者對地表等效粗糙度參數(shù)的研究表現(xiàn)出了極大的興趣。1997年，Su等人[14]采用后向散射系數(shù)和濕度測量結(jié)果校準(zhǔn)了地表相關(guān)長度，并將其用于反演后續(xù)土壤濕度，提高了精度。2002年，Baghdadi等人[15]提出IEM模型的最優(yōu)相關(guān)長度概念，并建立了地表等效相關(guān)長度與均方根高度測量結(jié)果的經(jīng)驗(yàn)公式，校準(zhǔn)的IEM模型可以對實(shí)測數(shù)據(jù)進(jìn)行很好的預(yù)測。2011年Lievens等人[16]采用IEM方法和水云模型結(jié)合L波段SAR實(shí)測數(shù)據(jù)校準(zhǔn)了裸土和植被的有效相關(guān)長度，并將其用于小麥覆蓋區(qū)域土壤濕度的反演。而國內(nèi)外對于地基散射計(jì)下四頻段聯(lián)合反演地表的多等效參數(shù)研究還未見文獻(xiàn)報(bào)道。該等效多參數(shù)的反演研究可有效地減少地表物理參數(shù)和介電參數(shù)的測量工作量，并提升散射系數(shù)的預(yù)測精度。

因此本文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，考慮到計(jì)算效率和精度等因素，忽略地表的精細(xì)結(jié)構(gòu)，采用多頻雷達(dá)后向散射數(shù)據(jù)聯(lián)合獲取地表的等效面參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征，創(chuàng)建其等效模型數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)地表雙站散射特性的快速、準(zhǔn)確預(yù)測。文中地表以裸土、水泥路面和沙地為例，將L/S/X/Ku波段各地表散射模型等效為單層指數(shù)譜粗糙面散射模型，假設(shè)各波段下單一地表的固有參數(shù)(等效均方根高度和等效相關(guān)長度)相同，但介電常數(shù)隨頻率發(fā)生變化，采用遺傳算法[17,18]和多頻后向散射實(shí)測數(shù)據(jù)，同時(shí)反演各地表的等效粗糙度參數(shù)和等效介電常數(shù)，并實(shí)現(xiàn)對地表雙站散射特性的快速、準(zhǔn)確預(yù)測。

2 后向散射特性測量實(shí)驗(yàn)

2013年中國電波傳播研究所在青島周邊采用車載散射計(jì)對L/S/X/Ku波段HH和VV極化狀態(tài)下的裸土、水泥地和沙地后向散射系數(shù)進(jìn)行了測量。測量系統(tǒng)主要由Agilent 8362B PNA矢量網(wǎng)格分析儀、功率放大器、功分器、衰減器和收發(fā)天線組成，其組成框圖如圖1所示，散射計(jì)的主要性能指標(biāo)見表1。

圖1 系統(tǒng)組成框圖

表1 散射計(jì)主要參數(shù)

實(shí)驗(yàn)中將收發(fā)天線固定在起重機(jī)吊臂上，如圖2所示，將天線升至距離地面約14 m高的位置，并通過計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)改變天線的入射角，其變化范圍為0到66，間隔3。每一測試狀態(tài)下樣本數(shù)為100，將地表的雷達(dá)回波數(shù)據(jù)記錄在電腦中。

如圖3所示，本測試采用龍伯球外場定標(biāo)，將一直徑為80 cm左右的標(biāo)準(zhǔn)空心金屬球懸掛于地面約14 m高的位置，定標(biāo)球與天線之間的水平距離取為25 m。將天線照射方向?qū)?zhǔn)金屬球進(jìn)行測量。根據(jù)實(shí)測金屬球后向散射回波的最大值與其散射截面理論解的比值，對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行定標(biāo)處理，其定標(biāo)

圖2 地表測量實(shí)況???圖3 外場定標(biāo)實(shí)況

公式可表示為

3 等效介電常數(shù)和粗糙度參數(shù)反演

3.1 等效面散射模型和反演理論

對于自然界無植被覆蓋的規(guī)則化單純地表區(qū)域，本文采用等效面散射模型來模擬其后向和雙站雷達(dá)散射回波。由于其包含了地表粗糙度、內(nèi)部組分以及結(jié)構(gòu)參數(shù)變化的影響，地表的等效粗糙度范圍較難確定，因此這里選用改進(jìn)的積分方程法[19](AIEM)作為等效面模型。該方法僅需均方根高度，斜率，可以在較廣的粗糙度范圍內(nèi)對地表的雷達(dá)散射特征進(jìn)行預(yù)測，其公式為

AIEM模型的輸入變量為介電常數(shù)、均方根高度和相關(guān)長度。此處假設(shè)等效均方根高度和相關(guān)長度為地表的固有參數(shù)，不隨頻率發(fā)生變化，但介電常數(shù)因頻率的不同而不同。對于裸土、水泥地和沙地表面，分別結(jié)合其L/S/X/Ku 4頻段實(shí)測數(shù)據(jù)以及指數(shù)譜AIEM等效面散射模型，采用最小平方和原理同時(shí)反演各地表的等效粗糙度和等效介電常數(shù)，其多頻段適應(yīng)度函數(shù)為

圖4 地表后向散射系數(shù)實(shí)測數(shù)據(jù)

3.2 等效參數(shù)的反演計(jì)算

表2 L/S/X/Ku波段地表等效參數(shù)的反演結(jié)果

4 地表雙站雷達(dá)散射回波的預(yù)測

4.1隨入射波頻率的變化

根據(jù)3.2節(jié)裸土、水泥地和沙地的等效介電常數(shù)、粗糙度參數(shù)的反演結(jié)果，分別采用AIEM模型對不同頻率下地表的雙站雷達(dá)散射回波進(jìn)行預(yù)測。從圖5中可以看出，隨入射波頻率的增大，地表粗糙度的電尺寸增大，偏離地表鏡反射方向上的雙站散射回波也增大，但鏡反射方向附近的地表雙站散射回波先增大后減小。不同頻率下裸土和水泥地的雙站散射回波差距較大，但由于沙地表面較為粗糙，其雙站散射回波差距最小。圖6中，隨入射波頻率的增大，隨散射方位角變化的地表雙站散射回波值增大，但沙地的變化情況不明顯，VV極化和HH極化地表雙站散射回波出現(xiàn)最小值的位置不發(fā)生變化，但其數(shù)值增大。

4.2隨散射角的變化

4.3隨散射方位角的變化

圖5 不同頻率下，地表雙站散射系數(shù)隨散射角的變化

圖6 不同頻率下，地表雙站散射系數(shù)隨散射方位角的變化

圖7 裸土雙站散射系數(shù)隨的變化?????圖8 水泥地雙站散射系數(shù)隨的變化?????圖9 沙地雙站散射系數(shù)隨的變化

圖10 地表雙站散射系數(shù)隨入射角和散射方位角的變化

圖11 地表雙站散射系數(shù)隨散射角和散射方位角的變化

5 總結(jié)

該文從工程應(yīng)用角度出發(fā)，忽略地表的精細(xì)結(jié)構(gòu)，建立其等效面電磁散射模型，根據(jù)測算融合算法，聯(lián)合遺傳算法和多頻地表后向散射實(shí)測數(shù)據(jù)同時(shí)反演獲取了地表的等效參數(shù)統(tǒng)計(jì)特征，實(shí)現(xiàn)了對地表雙站雷達(dá)散射回波的預(yù)測。該方法適用于自然界無植被覆蓋的規(guī)則化單純地表區(qū)域，且均方根高度，斜率。地表等效參數(shù)對后向雷達(dá)散射回波的預(yù)測結(jié)果與未參與反演運(yùn)算的實(shí)測數(shù)據(jù)吻合良好，進(jìn)一步說明等效模型的可行性。對地表雙站雷達(dá)散射回波的分析可知：VV極化地表雷達(dá)散射回波的最小值位置與入射波頻率、介電常數(shù)以及粗糙度參數(shù)相關(guān)，可用于地表粗糙度和濕度的反演研究；HH極化地表雷達(dá)散射回波的最小值始終處于方位角的位置，此時(shí)地表粗糙面的散射作用可以忽略，目標(biāo)的散射作用凸顯，可用于目標(biāo)的反隱身研究。

相比于單站情況，地表雙站雷達(dá)散射回波攜帶了更多的地表信息，其獨(dú)特優(yōu)勢將使得目標(biāo)的超低空防御以及反隱身能力得以增強(qiáng)，在星載與機(jī)載SAR成像以及地表目標(biāo)探測中發(fā)揮更重要的作用。雖然本文的地表等效電磁模型克服了雙站散射數(shù)據(jù)難以獲取的缺點(diǎn)，具有重要的工程應(yīng)用價(jià)值，但地表雙站雷達(dá)散射回波的預(yù)測結(jié)果仍需實(shí)測數(shù)據(jù)的進(jìn)一步驗(yàn)證。

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Multi-band Bistatic Radar Echo Prediction from the Terrian Surfaces

Zhang Yuan-yuan①Wu Zhen-sen①Cao Yun-hua①Zhang Yu-shi②

①(,,’710071,)②(,266107,)

Bistatic radar has an advantage in the anti-stealth and low altitude defense, but the bistatic scattering data measured from the terrian surface are extremely scarce. To solve this problem, the genetic algorithms and the backscattering data from the soil, concrete and the sand surface in L/S/X/Ku band are used to retrieve the effective permittivity and the roughness parameters of the land, and then the bistatic scattering data are predicted. The research above proves that the land equivalent surface scattering model is effective. The bistatic scattering echo increases with frequency, and it first increases and then decreases along with the scattering angles, first decreases and then increases along with the scattering azimuth angles. The minimum value of the bistatic scattering echo always appears in the 90 degree azimuth angles for the HH polarization, and it shifts from 90 degree azimuth angles to the small angle direction for the VV polarization. And also it is related to incident frequency, the moisture and the roughness of land. The bistatic scattering characteristics of land surface can be used for the anti-stealth research and the inversion of the land parameters.

Bistatic land scattering; Multi-band measurement; Equivilent parameters inversion

TN959.71

A

1009-5896(2015)11-2749-07

10.11999/JEIT150301

2015-03-11；改回日期：2015-06-29；

2015-08-27

張?jiān)?zyy07063@163.com

國家自然科學(xué)基金(61172031)

The National Natural Science Foundation of China (61172031)

張?jiān)?女，1986年生，博士生，研究方向?yàn)榈睾Ｃ骐姶派⑸湟约暗乇韰?shù)的反演.

吳振森： 男，1946年生，教授，博士生導(dǎo)師，研究方向?yàn)殡S機(jī)介質(zhì)、非均勻介質(zhì)中電磁(光)波的傳播與散射、目標(biāo)激光散射特性和電磁散射等.

曹運(yùn)華： 男，1983年生，副教授，研究方向?yàn)閺?fù)雜環(huán)境中目標(biāo)和粗糙面的光散射特性研究.

張玉石： 男，1978年生，高級工程師，研究方向?yàn)榈睾ｋs波測試系統(tǒng)與方法、地海雜波特性與建模等.