無線電引信海面后向散射系數(shù)仿真分析

蘇益德，路 明，臧 偉

(1.海軍航空工程學(xué)院 a.研究生管理大隊(duì)； b.兵器科學(xué)與技術(shù)系， 山東 煙臺(tái) 264001；2.海軍92635部隊(duì)，山東 青島 266300)

【裝備理論與裝備技術(shù)】

無線電引信海面后向散射系數(shù)仿真分析

蘇益德1a，路 明1b，臧 偉2

(1.海軍航空工程學(xué)院 a.研究生管理大隊(duì)； b.兵器科學(xué)與技術(shù)系， 山東 煙臺(tái) 264001；2.海軍92635部隊(duì)，山東 青島 266300)

針對(duì)無線電引信在海雜波背景下目標(biāo)檢測(cè)問題的需要，在分析入射余角、工作頻率、極化方式以及海面狀態(tài)對(duì)后向散射系數(shù)影響的基礎(chǔ)上，給出了海雜波對(duì)引信信雜比的影響，并對(duì)Morchin模型和雙尺度粗糙面復(fù)合模型兩類海面后向散射模型進(jìn)行仿真和擬合；仿真結(jié)果表明：在大入射余角條件下，較雙尺度粗糙面復(fù)合模型，Morchin模型能夠取得更好的擬合效果，更有效地反映無線電引信超低空工作時(shí)海面后向散射系數(shù)。

無線電引信；海面后向散射系數(shù)；Morchin模型；雙尺度粗糙面復(fù)合模型

防空導(dǎo)彈在攻擊海上超低空目標(biāo)時(shí)，由于海面的復(fù)雜性和多變性，海面對(duì)引信發(fā)出無線電波的后向散射會(huì)形成強(qiáng)烈的海雜波，對(duì)引信形成干擾，導(dǎo)致引信誤動(dòng)作。為提高無線電引信超低空工作性能，要增強(qiáng)引信抑制海雜波、提取目標(biāo)信號(hào)的能力[1]。要實(shí)現(xiàn)這個(gè)目標(biāo)，首先要弄清海面的后向散射特性。

海面是動(dòng)態(tài)變化的，不同時(shí)間、不同海面狀況，引信天線接收的海雜波特性都有很大的不同。同時(shí)海面后向散射強(qiáng)度與入射余角、工作頻率、極化方式等引信參數(shù)有關(guān)。因此，許多海面后向散射系數(shù)模型即使在相同條件下，計(jì)算結(jié)果也會(huì)相差幾十dB?，F(xiàn)有的海面后向散射系數(shù)模型主要包括兩類：一類是基于統(tǒng)計(jì)特性，如TSC、GIT、Morchin模型等[2-4]；另一類是基于粗糙面散射理論，如小平面模型、雙尺度模型[5]。本文依據(jù)兩類模型中Morchin模型和雙尺度粗糙面復(fù)合模型，對(duì)不同海情條件下的海面后向散射特性進(jìn)行仿真分析，并與實(shí)驗(yàn)所得經(jīng)驗(yàn)公式的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行擬合，為研究無線電引信海面超低空工作性能提供參考。

1 海面后向散射系數(shù)

1.1 海面后向散射系數(shù)的特性

無線電引信利用目標(biāo)的電磁散射特性對(duì)目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)，海表面回波會(huì)干擾目標(biāo)信號(hào)。海面屬于分布目標(biāo)，它所呈現(xiàn)的有效散射面積是用引信波束的照射面積乘以散射系數(shù)σ0。即：

(1)

式(1)中，A為引信照射的海面面積，σ被照射面積的雷達(dá)散射截面。

σ0是兩種類型參數(shù)的函數(shù)：一種是引信參數(shù)，入射余角、工作頻率及極化方向；另一種是海洋環(huán)境參數(shù)，如浪高、風(fēng)速、風(fēng)向等[4]。

1) 入射余角的影響。海面后向散射系數(shù)與入射余角的關(guān)系是海雜波研究重要課題。后向散射系數(shù)σ0與入射余角φgr的關(guān)系如圖1所示。

圖1 后向散射系數(shù)與入射余角的關(guān)系

研究表明,海面后向散射特性隨入射余角的變化可粗略分成3個(gè)區(qū)域[6]:

準(zhǔn)鏡面區(qū)：對(duì)電波的反射如同鏡面，且σ0值最大。在準(zhǔn)鏡面區(qū)，后向散射系數(shù)與表面粗糙度成反比變化，在完全光滑的表面垂直入射得到最大后向散射系數(shù)。同時(shí)后向散射系數(shù)隨入射余角的增加而減小。

平直區(qū)：σ0隨入射余角的的變化不是很大，且σ0隨海面粗糙度的增加而增加。過渡角φt通常約為60°，它隨著海面粗糙度的變化而改變。

干涉區(qū)：在此區(qū)內(nèi)直接回波和海面回波相互干涉，σ0隨入射余角的變小而急劇變小。臨界角φc通常φc<10°，且隨著海面粗糙度和頻率而改變。

2) 工作頻率的影響。海雜波與引信工作頻率的關(guān)系是相當(dāng)復(fù)雜的且難以精確測(cè)量，一方面由于海面狀況的描述不夠充分且σ0對(duì)海環(huán)境的變化極為敏感，另一方面由于利用引信測(cè)量很難進(jìn)行。

圖2給出了中等海面狀態(tài)，頻率范圍50 MHz到X波段，后向散射系數(shù)σ0與入射余角φgr的關(guān)系曲線。依據(jù)圖2可知，對(duì)于一定的入射角和相同的極化方向，σ0隨著頻率的增高而加大。

圖2 中等海面狀態(tài)下后向散射系數(shù)σ0曲線

4) 海面狀態(tài)的影響。海面狀態(tài)以風(fēng)速、浪級(jí)和風(fēng)向?qū)Ζ?的影響最大，而浪級(jí)又與風(fēng)速有關(guān)。風(fēng)越大海浪越大，海面越粗糙，在平直區(qū)對(duì)電波的散射越強(qiáng)。即σ0隨風(fēng)速的加大而增大；海面無風(fēng)平靜時(shí)，σ0很小。但對(duì)于接近垂直入射時(shí)，正好相反。海面平靜時(shí)構(gòu)成鏡面反射，σ0很大；而當(dāng)風(fēng)速加大時(shí)，反射迅速減弱，σ0變小。

1.2 海雜波對(duì)引信探測(cè)信雜比的影響

海雜波的出現(xiàn)，改變了引信輸入與接收機(jī)輸出的信雜比，使引信的啟動(dòng)特性受到破壞，導(dǎo)致引信與戰(zhàn)斗部的配合效率降低[8]。

根據(jù)雷達(dá)方程，在假定目標(biāo)和雜波的方向圖因子均為1的情況下，信雜比可寫成：

(2)

式(2)中，σ1為目標(biāo)雷達(dá)散射截面，σ0海面后向散射系數(shù)，A為引信照射的海面面積。

在目標(biāo)的雷達(dá)散射截面和引信照射面積一定的情況下，引信的信雜比與海面的后向散射系數(shù)成反比關(guān)系。即海面后向散射系數(shù)越大，信雜比越小，目標(biāo)信號(hào)檢測(cè)能力越弱。引信探測(cè)目標(biāo)時(shí)，實(shí)時(shí)探測(cè)信雜比必須大于最小可檢測(cè)信雜比，因此海面的后向散射系數(shù)必須小于一定的值，否則嚴(yán)重影響目標(biāo)檢測(cè)能力。

2 海面后向散射系數(shù)的模型

海面后向散射系數(shù)的模型包括兩類：一類基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析擬合建立模型，利用統(tǒng)計(jì)學(xué)方法對(duì)動(dòng)態(tài)海面的回波信號(hào)進(jìn)行建模；另一類基于粗糙面散射理論建立模型，對(duì)海雜波強(qiáng)度與環(huán)境參數(shù)、引信參數(shù)關(guān)系進(jìn)行建模。在此分別選取兩類建模方式中的Morchin模型和雙尺度粗糙面復(fù)合模型進(jìn)行仿真分析。

2.1 Morchin模型

Morchin模型[4]是一種較為簡(jiǎn)化的海雜波模型，是基于實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的擬合分析建立的模型，易于工程實(shí)踐，不考慮極化方向?qū)ｋs波的影響，但考慮了接近垂直照射時(shí)的鏡面反射分量。其表達(dá)式為

(3)

式(3)中：ss為海情級(jí)數(shù)(0～5級(jí))；φg為雷達(dá)波束的入射角；he≈0.025+0.046ss1.72，單位是m，表示海面粗糙度，在五級(jí)海情時(shí)，he≈0.75；φc=arcsin(λ/4πhe)，單位是rad；β=[2.44(ss+1)1.08]/57.29，單位是rad。

2.2 雙尺度粗糙面復(fù)合模型

模型將粗糙海面簡(jiǎn)化為兩種尺度粗糙表面，認(rèn)為海面是由大尺度的風(fēng)浪和浪涌疊加小尺度的波紋、泡沫和浪花構(gòu)成的。入射角較大時(shí)，散射特性由小尺度粗糙度支配，主要散射形式是Bragg散射；當(dāng)入射角較小時(shí)(一般小于30°)，散射特性由大尺度粗糙度支配，主要散射形式是鏡面散射[9]。

后向散射系數(shù)：

(4)

鏡面散射部分：

(5)

式(5)中：φg是入射角，s2為海面的均方斜率，R(0)是垂直入射時(shí)的Fesnel反射系數(shù)。

Bragg散射部分：

(6)

式(6)中：k=2π/λ為雷達(dá)波束，λ是雷達(dá)波長(zhǎng)；αpq為不同極化時(shí)的偏振因子。

水平極化時(shí)：

(7a)

垂直極化時(shí)：

(7b)

ξr為海面復(fù)相對(duì)介電常數(shù)。

W(K,θ)為方向海譜：

(8)

θ為入射雷達(dá)波在水平面上的投影與風(fēng)向的夾角，r為與風(fēng)速相關(guān)的常數(shù)，b為常數(shù)0.29；

W(K)為波束譜：

(9)

2.3 經(jīng)驗(yàn)公式

針對(duì)X波段工作頻率，在不同海面特性和風(fēng)速條件下進(jìn)行試驗(yàn)，得到無線電引信后向散射系數(shù)的經(jīng)驗(yàn)公式[10]為

(10)

式(10)中：φg為入射角(rad);U為風(fēng)速(m/s)

3 仿真實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

3.1 仿真結(jié)果

依據(jù)防空導(dǎo)彈無線電引信實(shí)際工作的海面環(huán)境，選取在1級(jí)、3級(jí)和5級(jí)海況等級(jí)下對(duì)Morchin模型和雙尺度粗糙面修正復(fù)合模型進(jìn)行仿真。由道格拉斯海況表得風(fēng)速分別為3 m/s、7 m/s、11 m/s。依據(jù)經(jīng)驗(yàn)公式適用條件，工作頻率定為X波段，選取f=10 GHz；極化方式設(shè)置為垂直極化和水平極化；入射角變化范圍0°～90°。由于經(jīng)驗(yàn)公式在5級(jí)海況條件下并不適用，故在1級(jí)和3級(jí)海況條件下將兩類模型與經(jīng)驗(yàn)公式進(jìn)行對(duì)比分析。具體仿真結(jié)果如下：

1) 不同海情等級(jí)下兩類模型的仿真結(jié)果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 1級(jí)海情下兩類模型的仿真結(jié)果

圖4 3級(jí)海情下兩類模型的仿真結(jié)果

圖5 5級(jí)海情下兩類模型的仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知：

兩類模型均能體現(xiàn)入射余角對(duì)海面后向散射系數(shù)的影響，Morchin模型仿真結(jié)果符合已知的研究結(jié)論，即散射系數(shù)隨入射余角的關(guān)系分為3個(gè)區(qū)，且過渡角和臨界角隨海面粗糙度改變而變化。而雙尺度粗糙面復(fù)合模型仿真結(jié)果表明，隨著海情級(jí)數(shù)的提高散射系數(shù)與入射余角的關(guān)系更加復(fù)雜。

雙尺度粗糙面復(fù)合模型體現(xiàn)后向散射系數(shù)與極化方式的關(guān)系，該模型仿真結(jié)果表明隨著海情級(jí)數(shù)的提高，入射余角的增大，散射系數(shù)趨向于與極化方式無關(guān)，符合已知的研究結(jié)論。

在同一海情條件下，中等入射角(10°<φgr<60°)時(shí)兩類模型的平均偏差最?。粌深惸Ｐ偷钠骄铍S海況的變化而改變，3級(jí)海情時(shí)平均偏差最小。

2) 不同海情下兩類模型與經(jīng)驗(yàn)公式的對(duì)比結(jié)果如圖6、圖7所示。

圖6 1級(jí)海情時(shí)仿真結(jié)果

圖7 3級(jí)海情時(shí)仿真結(jié)果

由仿真結(jié)果可知：

在同一海情下，入射余角越大，兩類模型與經(jīng)驗(yàn)公式的數(shù)據(jù)吻合程度越高；在不同海情下，海情級(jí)數(shù)越高，海面粗糙程度越大，兩類模型與經(jīng)驗(yàn)公式的數(shù)據(jù)吻合程度越高；與雙尺度粗糙面復(fù)合模型相比，Morchin模型與經(jīng)驗(yàn)公式數(shù)據(jù)擬合程度更高。

3.2 仿真結(jié)果分析

本文所采用經(jīng)驗(yàn)公式是針對(duì)X波段工作頻率在不同海面特性和風(fēng)速條件下試驗(yàn)所得，Morchin模型是基于試驗(yàn)數(shù)據(jù)的分析擬合而建立的。由于海表面是一個(gè)動(dòng)態(tài)的、不斷變化的平面，即使同一條件下，對(duì)海面多次測(cè)量所得結(jié)果仍不一致。因此，Morchin與經(jīng)驗(yàn)公式必然存在差距。對(duì)于雙尺度粗糙面復(fù)合模型而言，海洋粗糙面參數(shù)獲取困難，且鏡面散射和Bragg散射對(duì)后向散射都存在貢獻(xiàn)，但貢獻(xiàn)比例分配可能更加復(fù)雜，因此會(huì)出現(xiàn)誤差。

防空導(dǎo)彈在攻擊低空或超低空目標(biāo)時(shí)都是采用俯沖攻擊，即由高處向目標(biāo)和地海面接近，引信天線波束的入射角逐漸減小直至垂直照射海面，主要受海面鏡面散射的影響。由仿真結(jié)果可知，隨著入射角的減小和海情級(jí)數(shù)提高，兩類模型與經(jīng)驗(yàn)公式的數(shù)據(jù)吻合程度提高，同時(shí)當(dāng)入射角小于30°時(shí)，Morchin模型與經(jīng)驗(yàn)公式的數(shù)據(jù)擬合程度更高。因此，在防空導(dǎo)彈攔截超低空目標(biāo)時(shí)，Morchin模型能夠更加有效地反映海面后向散射強(qiáng)度。

4 結(jié)論

海雜波能夠降低無線電引信的信雜比，是制約無線電引信超低空能力的重要因素。而引信的工作頻率、極化方式、波束指向以及海面狀態(tài)均直接影響海面后向散射強(qiáng)度。在分析影響海面后向散射系數(shù)因素基礎(chǔ)上，對(duì)兩類海雜波后向散射模型進(jìn)行仿真。結(jié)果表明：在大入射余角(φgr>60°)條件下，兩類模型均能有效的反映海面后向散射系數(shù)，且Morchin模型的數(shù)據(jù)擬合程度更高，為無線電引信超低空技術(shù)的研究提供了仿真基礎(chǔ)。

[1] 路明,秦釗,熊波.無線電引信抗海雜波干擾方法[J].海軍航空工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2011,26(5):539-542.

[2] ANTIPOY I.Simulation of sea clutter returns[R].Salisubry:Defence Science and Technology Organization,1998.

[3] HORST M,DYER M,TULEY M.Radar sea clutter model[C]//2008 IET Seminar on Radar Clutter Modelling.Stevenage,UK:IET,2008.

[4] WILLIAM C.Airborne Early Warning Radar[M].Norwod:Artech House,1992.

[5] 焦培南,張忠治.雷達(dá)環(huán)境與電波傳播特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2007.

[6] 方有培.海雜波特性研究[J].上海航天,2002(5):31-35.

[7] 基思·沃德，羅伯特·塔弗，西蒙·瓦特.海雜波：散射、K分布和雷達(dá)性能[M].2版.北京：電子工業(yè)出版社,2016.

[8] 梁棠文.防空導(dǎo)彈引信設(shè)計(jì)及仿真技術(shù)[M].北京:宇航出版社,1995.

[9] 盛夏,鄭慶梅.海洋環(huán)境對(duì)雷達(dá)海雜波后向散射特性影響分析[J].信號(hào)處理，2012,28(4):573.

[10]周春花,李冀剛.無線電引信海面回波建模及仿真[J].制導(dǎo)與引信，2010,31(3):18-22.

[11]雷浩，郭東敏，汪儀林，等. 強(qiáng)海雜波背景下目標(biāo)信號(hào)的自適應(yīng)頻譜窗檢測(cè)[J]．探測(cè)與控制學(xué)報(bào)，2016(5):52-57.

(責(zé)任編輯 周江川)

Simulation and Analysis of the Sea Surface Backscattering Coefficient for Radio Fuze

SU Yi-de1a， LU Ming1b， ZANG Wei2

(1.Graduate Students Brigade; b.Department of Ordnance Science and Technology, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China; 2.The 92635thTroop of PLA, Qingdao 266300, China)

Aim at the problem of target detection in the sea clutter background of radio fuze, the influence of sea clutter on fuze SINR was proposed based on the analysis of the effects of incident angle, frequency, polarization mode and sea surface state on the backscattering coefficient. The simulation and fitting of two types sea clutter backscattering model, Morchin model and double-scale rough surface compound model, were completed. The simulation results show that the Morchin model can achieve the best fit effect under the large incident cosine condition and it can reflect the sea surface backscattering coefficient of the radio fuze at low altitude, and is more effectively than double-scale rough surface compound model.

radio fuze; sea surface backscattering coefficient; Morchin model; double-scale rough surface compound model

2016-12-25；

2017-01-26 作者簡(jiǎn)介：蘇益德(1992—),男,主要從事軍用目標(biāo)近程探測(cè)、識(shí)別與干擾研究。

路明(1966—)，男，碩士，副教授，主要從事海軍導(dǎo)彈引信技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.05.012

format:SU Yi-de，LU Ming，ZANG Wei.Simulation and Analysis of the Sea Surface Backscattering Coefficient for Radio Fuze[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):52-55.

TJ43+4

A

2096-2304(2017)05-0052-04

本文引用格式：蘇益德，路明，臧偉.無線電引信海面后向散射系數(shù)仿真分析[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(5):52-55.