艦船目標(biāo)一維距離像特性分析

陳宏昆，盧建斌

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

高分辨雷達(dá)發(fā)射寬帶信號時(shí)，雷達(dá)的距離分辨單元遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于目標(biāo)尺寸，目標(biāo)占據(jù)多個(gè)距離單元，每個(gè)距離單元內(nèi)的回波信號是該單元內(nèi)所有散射中心反射回波的矢量和，這樣就可以得到目標(biāo)反射場強(qiáng)度在雷達(dá)徑向上的投影圖，這就是一維距離像[1-5]。一維距離像能夠提供目標(biāo)的散射中心數(shù)目、分布及徑向長度等特征，且具有獲取簡單、實(shí)時(shí)性高等優(yōu)點(diǎn)[3,6-9]，所以，一維距離像目標(biāo)識別可以在海上艦船目標(biāo)識別中發(fā)揮重要作用。

但在實(shí)際應(yīng)用中，艦船目標(biāo)姿態(tài)角和海面起伏[10]的不確定，雷達(dá)信號的帶寬、載頻等參數(shù)的擾動(dòng)，以及雷達(dá)信號處理等，均會(huì)改變一維距離像特性，給一維距離像目標(biāo)識別造成了困難[9,11-13]。本文將對艦船目標(biāo)一維距離像進(jìn)行仿真，并研究一維距離像對姿態(tài)角、海面起伏、雷達(dá)帶寬和加窗處理的敏感性，為雷達(dá)目標(biāo)識別的特征提取等后續(xù)工作提供技術(shù)支持。

1　艦船目標(biāo)一維距離像影響因素

1.1　艦船姿態(tài)角及雷達(dá)帶寬

一維距離像的本質(zhì)是目標(biāo)散射中心在雷達(dá)徑向上的分布。艦船姿態(tài)角變化，導(dǎo)致不同散射中心在雷達(dá)徑向上的相對位置變化，一維距離像隨之改變，故艦船一維距離像對姿態(tài)角敏感[13]。

一般岸基對海雷達(dá)的天線架設(shè)高度為海拔幾百米到一千多米，最大探測距離為幾十公里，若不考慮海浪導(dǎo)致艦船傾斜，可推算出雷達(dá)掠射角大致所處的范圍為0.5°～5°。所以，相對于可以在0°～360°范圍內(nèi)變化的方位角，掠射角變化對艦船一維距離像的影響可忽略不計(jì)，因此本文只考慮方位角敏感性。

利用高分辨率雷達(dá)獲取艦船一維距離像時(shí)，距離分辨力δ與雷達(dá)帶寬B關(guān)系式為

(1)

式中，C=3×108m/s為光速。

由式(1)可知，雷達(dá)信號帶寬越寬，則距離分辨力越高。對于艦船散射中心模型，散射中心在雷達(dá)徑向上相對距離越近，區(qū)分散射中心的難度越大，要求雷達(dá)信號的帶寬越寬。

1.2　方位角相關(guān)系數(shù)矩陣

為了定量地說明一維距離像之間的差異，本文引入相關(guān)系數(shù)的概念。相關(guān)系數(shù)是用來反映變量之間關(guān)系密切程度的統(tǒng)計(jì)指標(biāo)，變量X、Y的相關(guān)系數(shù)ρXY定義為

(2)

由式(2)可知，|ρXY|取值在0～1之間，其值越高，表示X、Y相關(guān)度越高，反之，相關(guān)度越低。通常，|ρXY|≥0.8時(shí)，認(rèn)為變量X、Y有強(qiáng)相關(guān)性。

求解方位角在1°～360°范圍內(nèi)，任意兩個(gè)整數(shù)角度的艦船一維距離像之間的相關(guān)系數(shù)，得到一個(gè)360×360的矩陣，不妨稱其為一維距離像方位角相關(guān)系數(shù)矩陣。方位角相關(guān)系數(shù)矩陣可以鮮明地表征不同方位角的一維距離像之間的差異。

1.3　海面起伏

艦船在海面上航行時(shí)，海面對艦船目標(biāo)的鏡像作用表現(xiàn)在使電磁波信號在海洋表面與目標(biāo)表面之間產(chǎn)生多次反射或散射，直射波與反射波在空間中相干，導(dǎo)致各散射中心回波能量不同程度地改變，這對艦船目標(biāo)散射特性的影響是不可忽略的。根據(jù)文獻(xiàn)[14]，海面對目標(biāo)雷達(dá)回波影響通常用影響函數(shù)表示。影響函數(shù)是指，在距離相同的條件下，海面上目標(biāo)的電磁波入射場E強(qiáng)度與自由空間中入射場E0強(qiáng)度之比

(3)

艦船散射中心模型不同散射中心的影響函數(shù)之間的差異越大，表示海面的干涉作用對艦船雷達(dá)回波的影響越大。因此，本文定義所有散射中心的影響函數(shù)的最大值與最小值之比為參數(shù)υ，用來表征海面干涉作用的強(qiáng)度，即

(4)

式中，Ω={V1,V2,…,VN}為所有散射中心的影響函數(shù)構(gòu)成的集合。

1.4　加窗處理

普通脈沖雷達(dá)的時(shí)寬帶寬積約為1，為了提高距離分辨力同時(shí)兼顧雷達(dá)作用距離，通常采用脈沖壓縮體制雷達(dá)[3]。脈沖壓縮的原理是對寬脈沖進(jìn)行頻率或相位調(diào)制，使其具有和窄脈沖相同的帶寬，通過接收機(jī)的匹配濾波器壓縮后，也具有和窄脈沖相同的時(shí)寬。脈沖壓縮技術(shù)根據(jù)調(diào)制方式可分為線性調(diào)頻、非線性調(diào)頻和相位編碼技術(shù)，其中，線性調(diào)頻是目前最常用的脈沖壓縮技術(shù)。

由于線性調(diào)頻脈沖壓縮會(huì)產(chǎn)生較高的距離副瓣(第一距離副瓣的高度為-13.2 dB)，通常采用在時(shí)域上對信號做加權(quán)處理，即加窗處理，來抑制距離副瓣。常用的窗函數(shù)有：海明(Hamming)窗、漢寧(Hanning)窗、布萊克曼(Blackman)窗和凱澤 (Kaiser) 窗等[15]。

2　艦船目標(biāo)一維距離像特性分析

2.1　姿態(tài)角敏感性

仿真方位角為1°～30°時(shí)的艦船一維距離像，按方位角排列，如圖1所示，不同方位角的艦船一維距離像有顯著的區(qū)別，具體表現(xiàn)在：(1)一維距離像長度對方位角敏感；(2)波峰數(shù)目及分布對方位角敏感。出現(xiàn)了兩個(gè)或多個(gè)波峰之間的距離逐漸擴(kuò)大的現(xiàn)象以及兩個(gè)或多個(gè)波峰逐漸靠攏最終合并為一個(gè)波峰的現(xiàn)象；(3)在一些角度“突然”多出了一個(gè)波峰，在一些角度有波峰“突然”消失。

圖1　方位角為1°～ 30°的艦船一維距離像

因?yàn)橐痪S距離像長度與艦船在雷達(dá)徑向投影的長度成正比，方位角變化改變艦船在雷達(dá)徑向投影的長度，導(dǎo)致距離像長度變化。方位角變化，艦船散射中心在雷達(dá)徑向上的相對距離發(fā)生變化，即發(fā)生了距離游移。散射中心遮擋變化導(dǎo)致波峰的出現(xiàn)和消失。

求解艦船散射中心模型的一維距離像方位角相關(guān)系數(shù)矩陣，如圖2所示。方位角相關(guān)系數(shù)矩陣的兩條對角線附近各有一條相關(guān)系數(shù)值遠(yuǎn)高于別處，且非常接近于1的帶狀區(qū)域。另外，該矩陣還有4個(gè)以方位角為90°和270°為中心的相關(guān)系數(shù)值較高的“特殊區(qū)域”。

圖2　一維距離像方位角相關(guān)系數(shù)矩陣

根據(jù)仿真結(jié)果，方位角相差約10°的范圍內(nèi)，相關(guān)系數(shù)高于0.8，艦船一維距離像高度相似。方位角之和約為360°時(shí)，艦船一維距離像也高度相似。因?yàn)槔走_(dá)向艦船左、右兩舷對稱照射時(shí)，艦船散射中心在雷達(dá)徑向上分布

相近。艦船方位角約為90°或270°時(shí)，艦船的船舷對準(zhǔn)雷達(dá)照射方向，橫跨距離單元數(shù)少，散射中心在雷達(dá)徑向上分布集中，導(dǎo)致一維距離像方位角敏感度降低。

2.2　雷達(dá)帶寬敏感性

不同雷達(dá)帶寬下的一維距離像方位角相關(guān)系數(shù)矩陣如圖3所示。根據(jù)仿真結(jié)果，雷達(dá)帶寬越窄，方位角相關(guān)系數(shù)矩陣的整體值越高，不同方位角的一維距離像之間的相關(guān)度越高，即一維距離像的方位角敏感度越低。因?yàn)閹捲秸?，同一距離單元所包含的散射中心數(shù)目越多，一維距離像包含的散射中心信息越少，對艦船的描述也越不精確，導(dǎo)致艦船散射中心在雷達(dá)徑向上分布變化的敏感性降低。

圖3　不同帶寬下的一維距離像方位角相關(guān)系數(shù)矩陣

2.3　海面起伏敏感性

計(jì)算不同海面起伏均方根高度值μ時(shí)，所有艦船散射中心的影響函數(shù)，搜索其中的最大、最小值，并求解參數(shù)υ。參數(shù)υ與μ的關(guān)系如圖4所示，參數(shù)υ與海面起伏高度μ呈負(fù)相關(guān)關(guān)系，當(dāng)海面起伏趨近于0時(shí)，參數(shù)υ值急劇上升。

根據(jù)仿真結(jié)果，海面越平靜，不同散射中心的影響函數(shù)值差距越大，海面鏡像作用使得艦船一維距離像與自由空間中的差距越大。原因在于海面對電磁波影響包括鏡面反射和漫反射兩種，海面越平靜，散射作用減弱，而反射作用增強(qiáng)，從而導(dǎo)致多路徑之間的電磁波相干性增強(qiáng)。對于多散射中心而言，海面越平靜，干涉作用對不同散射中心回波造成的強(qiáng)度變化差距就越大。

2.4　加窗處理敏感性

加窗處理后的一維距離像如圖5所示(圖中凱澤窗的參數(shù)β=50)。不加窗的一維距離像存在明顯起伏的距離旁瓣，加窗后距離旁瓣顯著降低。加窗后距離像主瓣展寬、峰值降低，且由于主瓣展寬，加窗后相鄰足夠近的兩個(gè)或多個(gè)波峰合并為一個(gè)，距離分辨力降低。對于不同的窗函數(shù)，加β=50的凱澤窗的一維距離像上述現(xiàn)象最明顯，加海明窗、漢寧窗和布萊克曼窗的一維距離像抑制旁瓣、主瓣降低和展寬的效果比較接近，介于不加窗和加β=50的凱澤窗之間。

加窗處理通過展寬主瓣來換取對旁瓣的抑制。因此，對于單個(gè)散射中心回波，距離旁瓣降低，主瓣峰值降低并展寬。相鄰足夠近的主瓣展寬后合并，導(dǎo)致雷達(dá)的距離分辨力降低。

圖4　參數(shù)υ與海面起伏高度μ的關(guān)系圖

圖5　加窗后的艦船散射中心模型一維距離像

3　結(jié)果驗(yàn)證

為了驗(yàn)證仿真結(jié)果，本文在CST微波工作室(CST Microwave Studio)環(huán)境下建立了艦船模型，分析電磁波在艦船表面的散射情況，獲取目標(biāo)雷達(dá)回波。

CST 微波工作室[16]是一款專用于設(shè)計(jì)、分析中高頻無源器件及天線的軟件，適用于全電磁頻段。該軟件的工作原理是首先對目標(biāo)進(jìn)行網(wǎng)格劃分，利用射線彈跳法[17]仿真電磁波在物體表面的傳播路徑，并求解電磁波回波，獲得目標(biāo)的頻域響應(yīng)，即RCS信息。求解該艦船模型的一維距離像方位角相關(guān)系數(shù)矩陣，如圖6(b)與艦船散射中心模型的方位角相關(guān)系數(shù)矩陣圖6(a)作比對。

根據(jù)仿真結(jié)果，基于CST微波工作室的艦船模型的方位角相關(guān)系數(shù)矩陣的整體數(shù)值高于艦船散射中心模型，但兩者具有相同的特征，即兩條對角線附近各有一條相關(guān)系數(shù)值遠(yuǎn)高于別處，且非常接近于1的帶狀區(qū)域；有4個(gè)以方位角為90°和270°為中心的相關(guān)系數(shù)值較高的“特殊區(qū)域”。因此，用兩種方法仿真得到的艦船目標(biāo)一維距離像方位角敏感性基本吻合。實(shí)驗(yàn)結(jié)果驗(yàn)證了本文利用艦船散射中心模型分析一維距離像特性的準(zhǔn)確性。

圖6　兩種艦船模型方位角相關(guān)系數(shù)矩陣

4　結(jié)束語

本文基于艦船散射中心模型，對艦船目標(biāo)一維距離像做了仿真實(shí)驗(yàn)，分析了艦船目標(biāo)一維距離像特性。利用CST微波工作室對仿真結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，結(jié)果顯示：方位角變化對一維距離像有顯著影響，但在一定方位角范圍內(nèi)，一維距離像具有相似性。雷達(dá)帶寬越窄，一維距離像的方位角敏感度越低。海面起伏越小，海面的多徑效應(yīng)越顯著。加窗處理可以抑制距離旁瓣，但同時(shí)展寬主瓣，降低了雷達(dá)距離分辨力。

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