近距離水聲模擬測(cè)量艦船目標(biāo)雷達(dá)一維距離像

張明敏,盧建斌,程廣利

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

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近距離水聲模擬測(cè)量艦船目標(biāo)雷達(dá)一維距離像

張明敏,盧建斌,程廣利

(海軍工程大學(xué) 電子工程學(xué)院，湖北 武漢 430033)

摘要：雷達(dá)目標(biāo)回波特性測(cè)量所需的遠(yuǎn)場(chǎng)條件給實(shí)驗(yàn)室條件下的目標(biāo)縮比測(cè)量帶來(lái)困難，為此研究了艦船目標(biāo)由于水面波動(dòng)引起波場(chǎng)起伏和目標(biāo)擺動(dòng)，降低目標(biāo)各散射點(diǎn)之間的相干性，從而降低遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量距離要求的問(wèn)題。分別從波場(chǎng)起伏和目標(biāo)擺動(dòng)起伏兩個(gè)方面推導(dǎo)了接收?qǐng)鰪?qiáng)表達(dá)式，以反平方規(guī)律變化為條件給出了動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)條件下的遠(yuǎn)場(chǎng)判據(jù)，所給出的遠(yuǎn)場(chǎng)條件大幅降低了實(shí)驗(yàn)要求。通過(guò)水聲模擬測(cè)量艦船目標(biāo)雷達(dá)一維距離像實(shí)驗(yàn), 并與電磁仿真計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比對(duì)，證明了理論推導(dǎo)結(jié)論的正確性。

關(guān)鍵詞：模擬測(cè)量；隨機(jī)起伏；艦船目標(biāo)；一維距離像；遠(yuǎn)場(chǎng)條件

網(wǎng)絡(luò)出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160421.1040.012.html

水面艦船目標(biāo)的雷達(dá)一維距離像是對(duì)海雷達(dá)在距離維上獲取的高分辨圖像，它包含了目標(biāo)的形狀及結(jié)構(gòu)特征等多種可用于目標(biāo)識(shí)別的信息，因而最近十幾年以來(lái)受到了廣泛的關(guān)注和重視[1]。然而雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別通常都是針對(duì)非合作軍事目標(biāo)，測(cè)量獲取此類目標(biāo)的高分辨圖像通常只能采用微波暗室中縮比模型的測(cè)量方法。但是，對(duì)于水面艦船這類超大電尺寸目標(biāo)在低掠射角下的測(cè)量，經(jīng)水面反射引起的多徑效應(yīng)不可忽視，同時(shí)受相似性原理和遠(yuǎn)場(chǎng)條件的約束，使得在微波暗室中對(duì)水面艦船的縮比測(cè)量難以進(jìn)行。因此，艦船目標(biāo)高分辨距離像先驗(yàn)信息的獲取問(wèn)題，成為當(dāng)前對(duì)海雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的瓶頸。

在滿足波動(dòng)相似性原理的條件下，將空氣-水介質(zhì)互易，利用水中聲波相對(duì)電磁波頻率低、波長(zhǎng)短、傳播速度慢等特點(diǎn)，用水中聲波模擬大氣中電磁波，測(cè)量氣-水分界面下的艦船目標(biāo)一維距離像，是解決該問(wèn)題的一條路徑[2-4]。俄羅斯在20世紀(jì)70年代開(kāi)始研究利用聲波模擬目標(biāo)電磁散射的實(shí)驗(yàn)方法，已取得一定的研究成果[5]，并建立了一套對(duì)雷達(dá)目標(biāo)散射截面進(jìn)行聲學(xué)模擬測(cè)量的系統(tǒng)。英國(guó)電氣儀表電子公司也建立了超聲波水介質(zhì)中縮比模型測(cè)量系統(tǒng)[6]，專門(mén)提供模擬電子引信與飛機(jī)目標(biāo)在各種交會(huì)彈道下的雷達(dá)散射截面值，以便建立數(shù)學(xué)模型來(lái)評(píng)估武器系統(tǒng)的效能。西北工業(yè)大學(xué)曾文琪通過(guò)對(duì)比電磁場(chǎng)和聲學(xué)場(chǎng)的基本理論，研究了利用水介質(zhì)中目標(biāo)的聲散射來(lái)測(cè)量目標(biāo)散射截面問(wèn)題[7]。但上述研究都是針對(duì)理想環(huán)境下目標(biāo)散射特性的測(cè)量，這些問(wèn)題也都可以利用微波暗室來(lái)解決，只是在實(shí)驗(yàn)成本上更具有優(yōu)勢(shì)。而針對(duì)艦船目標(biāo)計(jì)及界面波動(dòng)影響的水聲模擬測(cè)量的研究尚不多見(jiàn)。

在靜態(tài)條件下，為消除目標(biāo)不同部位產(chǎn)生的反射波因干涉在接收點(diǎn)出現(xiàn)起伏，確保測(cè)量的精度，要求相距最大的部位間的反射波的相位差要足夠小。為了滿足測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，此時(shí)接收信號(hào)的平均功率與距離成反比[8]，對(duì)于一長(zhǎng)度為100 m的水面艦船，即使將其縮比100倍，在水中用1.5 MHz的超聲波進(jìn)行測(cè)量，滿足該遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件的距離也要在1 km以上。實(shí)際中，由于海面的波動(dòng)作用，經(jīng)海面反射的多徑波場(chǎng)受到隨機(jī)擾動(dòng)，艦船目標(biāo)也處在擺動(dòng)中，這些隨機(jī)的波動(dòng)必然在一定程度上影響目標(biāo)各個(gè)部分的反射回波之間的相干性，從而縮小對(duì)測(cè)量距離的要求。

本文分別從波場(chǎng)起伏和目標(biāo)擺動(dòng)起伏推導(dǎo)了接收?qǐng)鰪?qiáng)表達(dá)式，以反平方規(guī)律變化為條件給出了動(dòng)態(tài)測(cè)量實(shí)驗(yàn)條件下的遠(yuǎn)場(chǎng)距離條件公式，為實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中，近距離測(cè)量水面艦船目標(biāo)的一維距離像提供理論依據(jù)，并通過(guò)水聲模擬測(cè)量實(shí)驗(yàn)予以了驗(yàn)證。

1理論推導(dǎo)

為便于分析，將被測(cè)目標(biāo)視為與測(cè)量場(chǎng)相垂直布放于x軸的一維線性反射體(見(jiàn)圖1)，圖中l(wèi)為線性反射體的長(zhǎng)度，R為目標(biāo)上某散射源點(diǎn)x到接收點(diǎn)O的距離，θ為目標(biāo)中心點(diǎn)沿x方向擺動(dòng)起伏產(chǎn)生的偏移ξ所對(duì)應(yīng)的擺動(dòng)角，R0為被測(cè)目標(biāo)到接收點(diǎn)的距離。

圖1　被測(cè)目標(biāo)與接收點(diǎn)坐標(biāo)示意圖Fig.1　Schematic diagram of coordinates for target and receiving point

1.1波場(chǎng)隨機(jī)起伏

考慮單向接收情況．設(shè)入射聲波均勻照射到目標(biāo)上，由目標(biāo)上某一反射點(diǎn)x產(chǎn)生的反射聲壓在接收點(diǎn)表示為

(1)

因此，接收點(diǎn)的總反射聲壓：

(2)

由于R0?l，因此有

(3)

將式(4)代入到式(3)中可以得到：

(4)

式中：C1為常數(shù)。由式(4)得到接收聲場(chǎng)的聲強(qiáng)：

(5)

設(shè)起伏的空間相關(guān)函數(shù)服從高斯分布，即

近似有：

(6)

將式(6)代入到式(5)中，得

(7)

作變量替換，令x1-x2=2t1，x1+x2=2t2后，并考慮積分公式[9]：

(8)

式(7)最終可簡(jiǎn)化為

(9)

(10)

簡(jiǎn)化可得

(11)

式(11)即為波場(chǎng)存在隨機(jī)起伏時(shí)被測(cè)目標(biāo)與接收點(diǎn)間應(yīng)滿足的距離判定公式。當(dāng)波場(chǎng)不存在起伏時(shí)，式(11)退化為靜態(tài)條件下的遠(yuǎn)場(chǎng)公式[8]：

(12)

式中：λ是測(cè)量信號(hào)的波長(zhǎng)，K為系數(shù)，1≤K≤3。

1.2目標(biāo)隨機(jī)擺動(dòng)起伏

同樣，只考慮一維隨機(jī)擺動(dòng)起伏(沿x方向)情況。在接收點(diǎn)接收到的目標(biāo)反射聲壓：

(13)

(14)

設(shè)隨機(jī)擺動(dòng)服從高斯分布，有

(15)

式中：D2是擺動(dòng)角的方差。將式(15)代入式(14)得

(16)

仿照式(7)的計(jì)算過(guò)程，式(15)的結(jié)果為

三價(jià)鐵離子的氧化作用使銅變?yōu)槎r(jià)銅離子[見(jiàn)（4）式]，銅與氯化鐵發(fā)生還原反應(yīng)生成氯化銅和氯化亞鐵，銅版逐步被腐蝕，溶液中形成銅、氯化銅和氯化亞鐵等混合物的沉淀[見(jiàn)（5）式]。當(dāng)然，還會(huì)形成一些副反應(yīng)，如：

(17)

(18)

由此得到：

(19)

式(19)即為被測(cè)目標(biāo)存在隨機(jī)擺動(dòng)時(shí)，目標(biāo)與接收點(diǎn)間應(yīng)滿足的距離判定公式。當(dāng)目標(biāo)不存在擺動(dòng)時(shí)，式(19)也退化為靜態(tài)條件下的遠(yuǎn)場(chǎng)公式(見(jiàn)式(12))。

1.3波場(chǎng)與目標(biāo)同時(shí)波動(dòng)起伏

當(dāng)波場(chǎng)與目標(biāo)同時(shí)存在隨機(jī)波動(dòng)起伏情況，綜合式(11)、(19)，可以得到此時(shí)被測(cè)目標(biāo)與接收點(diǎn)間應(yīng)滿足的距離判定公式：

(20)

比較式(20)和式(12)可見(jiàn)，測(cè)量波場(chǎng)的隨機(jī)波動(dòng)和目標(biāo)的隨機(jī)擺動(dòng)使靜態(tài)條件下試驗(yàn)的遠(yuǎn)場(chǎng)要求發(fā)生了很大的變化。特別是擺動(dòng)角的影響，對(duì)于艦船這樣的大電尺度目標(biāo)，通常kl是遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于1的，因此只要目標(biāo)存在1°左右的擺動(dòng)，就會(huì)使遠(yuǎn)場(chǎng)距離要求發(fā)生數(shù)量級(jí)上的縮減，從而為近距離下進(jìn)行艦船目標(biāo)雷達(dá)散射特性測(cè)量提供了條件。這一結(jié)論對(duì)實(shí)驗(yàn)室中進(jìn)行模擬測(cè)量十分重要。如靜態(tài)情況下，當(dāng)使用波長(zhǎng)為10 cm的雷達(dá)測(cè)量一艘長(zhǎng)100 m的艦船，根據(jù)式(12)給出的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，其測(cè)量距離應(yīng)大于100 km。如果目標(biāo)處于隨機(jī)擺動(dòng)狀態(tài)，假設(shè)角度擺動(dòng)服從高斯分布并且均方根值為0.035 rad，那么根據(jù)式(23)測(cè)量距離降為不小于1 km。如果采用水聲模擬測(cè)量，艦船目標(biāo)模型的縮比因子為1∶100，按相似性原理，水聲信號(hào)的頻率為1.5 MHz，相應(yīng)的測(cè)量距離僅為約10 m，這就使在實(shí)驗(yàn)水池中進(jìn)行水面目標(biāo)雷達(dá)散射特性模擬測(cè)量成為可能。

2試驗(yàn)驗(yàn)證

接收采集到的目標(biāo)回波信號(hào)經(jīng)濾波、脈沖壓縮處理得到被測(cè)目標(biāo)的一維距離像。圖3～5分別給出三組不同姿態(tài)角下的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，在每組圖的(a)圖注有對(duì)該艦船模型水線以上部分進(jìn)行幾何建模的圖形及實(shí)驗(yàn)測(cè)量中模型艏艉軸線相對(duì)入射波的姿態(tài)，圖中曲線為試驗(yàn)測(cè)量得到的目標(biāo)一維距離像，每組圖的(b)圖給出了該幾何模型按實(shí)際尺寸及相應(yīng)的雷達(dá)波頻率用物理光學(xué)法[10]仿真計(jì)算得到該型艦船的雷達(dá)目標(biāo)一維距離像[11]。限于篇幅只給出了三個(gè)典型角度下的試驗(yàn)和仿真結(jié)果對(duì)比，其他角度下同樣二者吻合得很好。

從各組圖的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來(lái)看(測(cè)量信號(hào)由圖左側(cè)向右入射)，距離像中主要峰值出現(xiàn)的位置都與被測(cè)模型的主要部件在測(cè)量方向上的相對(duì)位置相一致，與仿真計(jì)算的結(jié)果相比，由于實(shí)驗(yàn)誤差以及仿真中近似計(jì)算等原因，峰值幅度上存在一定的偏差，但總體上保持了較好的一致性．實(shí)測(cè)與仿真結(jié)果表明，測(cè)量波場(chǎng)的隨機(jī)波動(dòng)和目標(biāo)的隨機(jī)擺動(dòng)降低了目標(biāo)各反射元反射聲場(chǎng)之間的相干性，使靜態(tài)條件下的目標(biāo)各個(gè)部分的反射回波的相干疊加退化為非相干疊加，相當(dāng)于目標(biāo)的總尺度被分解了，從而使實(shí)驗(yàn)測(cè)量的距離大大縮短，也說(shuō)明本文所給理論的正確性。

圖2　水聲模擬測(cè)量實(shí)驗(yàn)示意圖Fig.2　Schematic diagram of measurement using underwater acoustic simulation

(a) 試驗(yàn)結(jié)果　　　　　　　　　　　　　　　(b)仿真結(jié)果 圖3　入射方向與艦艏方向成0°角的一維距離像Fig.3　1D-range profile when angel between sound wave incidence and target′s bow is 0°

(a) 試驗(yàn)結(jié)果　　　　　　　　　　　　　　　(b)仿真結(jié)果 圖4　入射方向與艦艏方向成88.2°角的一維距離像Fig.4　1D-range profile when angel between sound wave incidence and target′s bow is 88.2°

(a) 試驗(yàn)結(jié)果　　　　　　　　　　　　　　　(b)仿真結(jié)果 圖5　入射方向與艦艏方向成135°角的一維距離像Fig.5　1D-range profile when angel between sound wave incidence and target′s bow is 135°

3結(jié)論

1)理論推導(dǎo)結(jié)果表明，考慮實(shí)際海面波動(dòng)和目標(biāo)擺動(dòng)作用，使得目標(biāo)各組成部分回波之間的相干性減弱，使得水聲模擬實(shí)際測(cè)量中對(duì)測(cè)量距離的要求大幅減小，這為在試驗(yàn)內(nèi)開(kāi)展水聲模擬測(cè)量雷達(dá)目標(biāo)RCS試驗(yàn)提供了理論指導(dǎo)。

2)試驗(yàn)結(jié)果與電磁仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比，證明了理論推導(dǎo)結(jié)論的正確性，以及試驗(yàn)平臺(tái)設(shè)計(jì)的有效性，為在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境中獲取艦船目標(biāo)的雷達(dá)散射特性，開(kāi)展雷達(dá)艦船目標(biāo)分類識(shí)別研究奠定了理論和試驗(yàn)基礎(chǔ)。

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本文引用格式：

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收稿日期：2015-04-17.

基金項(xiàng)目：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目(61501486)；國(guó)防科學(xué)技術(shù)工業(yè)委員會(huì)基礎(chǔ)研究基金項(xiàng)目(4040201010201).

作者簡(jiǎn)介：張明敏(1957-)，男，教授，博士生導(dǎo)師； 程廣利(1976-)，男，副教授，碩士生導(dǎo)師. 通信作者：程廣利，E-mail:sonarcgl@126.com.

DOI:10.11990/jheu.201504025

中圖分類號(hào)：P631

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1006-7043(2016)06-0855-05

High-resolution range profile of ship measured by underwater acoustic simulation in close range

ZHANG Mingmin，LU Jianbin，CHENG Guangli

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract：The far-field condition of the echo characteristics for radar targets is a difficult problem to the scale-model measurement in the laboratory. Through analysis of the wave fluctuation and swing of a target in a waving sea surface, the demand of the measurement range can be reduced for the surface ship because the coherence of ship’s scatters is decreased evidently. We derive a formula for determining field intensity based on wave fluctuation and target swing circumstances. Based on the inverse square law, we determine far-field conditions via a dynamic measurement experiment and significantly reduce experimental requirements. We perform underwater acoustic experiments to measure the high-resolution range profile of a ship in the tank and compare the results with those of electromagnetic simulations to confirm the correctness of our theoretically derived conclusions.

Keywords：simulation measurement; random fluctuation; ship target; high-resolution range profile; far-field condition

網(wǎng)絡(luò)出版日期：2016-04-21.