基于動(dòng)態(tài)RCS的艦船雷達(dá)回波仿真與分析

(華中師范大學(xué)物理科學(xué)與技術(shù)學(xué)院， 湖北武漢 430079)

0 引言

雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section, RCS)是研究目標(biāo)電磁散射特性的重要參數(shù)之一。目標(biāo)結(jié)構(gòu)、形狀、運(yùn)動(dòng)狀態(tài)及電磁散射機(jī)理的復(fù)雜性都影響RCS的計(jì)算精度[1]。動(dòng)態(tài)RCS是指在靜態(tài)測(cè)量所獲得的目標(biāo)全方位RCS信息的基礎(chǔ)上，通過(guò)插值得到目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中隨方位角變化的RCS信息[2]。目前，RCS的仿真計(jì)算主要是全靜態(tài)極化數(shù)據(jù)插值和根據(jù)靜態(tài)測(cè)量數(shù)據(jù)結(jié)合雷達(dá)與目標(biāo)極化關(guān)系生成RCS[3]。這兩種方法都存在測(cè)量和插值的誤差，并且仿真的工作量大。因此，近年來(lái)基于電磁建模的動(dòng)態(tài)RCS仿真成為研究的主要方面。

針對(duì)非合作的大型復(fù)雜艦船目標(biāo)，電磁仿真是獲取動(dòng)態(tài)數(shù)據(jù)的可行途徑，有著廣泛的應(yīng)用前景和現(xiàn)實(shí)意義。關(guān)于動(dòng)態(tài)特性對(duì)RCS分布的影響是近年來(lái)的研究熱點(diǎn)，其中不同頻率、不同極化方式以及不同入射方向的雷達(dá)入射電磁波對(duì)RCS的影響[4]，快速運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的雷達(dá)回波信號(hào)分析通用起伏模型的研究[5]，不同海雜波擾動(dòng)對(duì)散射系數(shù)的影響[6]等都說(shuō)明了海面艦船RCS計(jì)算的復(fù)雜性。傳統(tǒng)的電磁建模方法，譬如傳統(tǒng)矩量法(MoM)雖然計(jì)算精度高但是難以滿足電大目標(biāo)及復(fù)雜海況下的計(jì)算效率要求。為了能快速仿真計(jì)算海面艦船的RCS特性，近年來(lái)不斷提出各種改進(jìn)的算法，其中包括運(yùn)用MEC計(jì)算棱邊繞射[7]、基于圖形電磁學(xué)的近遠(yuǎn)場(chǎng)RCS加速算法[8]、采用改進(jìn)GO算法的三角面RCS高效預(yù)估[9]等。由于海面情況復(fù)雜，存在多次復(fù)合散射等復(fù)雜情況，艦船目標(biāo)RCS的計(jì)算與雷達(dá)回波特性的研究得到了人們的關(guān)注。

本文結(jié)合物理光學(xué)法、彈跳射線法等，采用艦船動(dòng)態(tài)分布特性的SwerlingⅡ隨機(jī)起伏模型，提出了一種高精度的動(dòng)態(tài)RCS計(jì)算方法。對(duì)不同雷達(dá)入射角度和運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下的艦船目標(biāo)進(jìn)行仿真計(jì)算，通過(guò)雷達(dá)回波信號(hào)進(jìn)行對(duì)比分析，驗(yàn)證了動(dòng)態(tài)RCS計(jì)算精度高、可靠性高的特點(diǎn)。

1 雷達(dá)回波信號(hào)及RCS計(jì)算

1.1 雷達(dá)回波信號(hào)基本模型

雷達(dá)在t時(shí)刻接收到的回波信號(hào)可表示為[10]

r(t)=s(t)+c(t)+n(t)

(1)

式中，s(t)為被測(cè)目標(biāo)的回波信號(hào)，c(t)為海雜波信號(hào)，n(t)為噪聲信號(hào)。

(2)

(3)

圖1為本軟件中海雜波的等級(jí)設(shè)置對(duì)話框，通過(guò)對(duì)式(3)中參數(shù)的控制，可以生成不同等級(jí)的海況模擬真實(shí)海情。

圖1 海況等級(jí)設(shè)置對(duì)話框

n(t)=Re{[n1(t)-jn2(t)]ejωct}

(4)

(a) 參數(shù)設(shè)置

(b) 采樣波形圖2 噪聲設(shè)置

1.2 動(dòng)態(tài)RCS計(jì)算

大型水面艦船的雷達(dá)波散射機(jī)制主要體現(xiàn)在鏡面反射、多次散射及繞射[11]，本文采用物理光學(xué)法、綜合物理繞射法、彈跳射線法等進(jìn)行計(jì)算。相對(duì)傳統(tǒng)的電磁建模方法，可以在保證精度的條件下提高運(yùn)算效率。該方法具有普遍適用性，可用于不同目標(biāo)的RCS計(jì)算和分析。

導(dǎo)電平板的散射場(chǎng)計(jì)算[12]如式(5)所示：

(5)

式中：r0為平板面元局部坐標(biāo)系原點(diǎn)在全局坐標(biāo)系中的位置矢量；am為平板面元第m個(gè)邊緣的長(zhǎng)度和方向矢量，這些邊緣從頭到尾沿周界分布；rm為第m個(gè)邊緣中點(diǎn)的位置矢量；W=i-s，i，s分別為入射和散射方向單位矢量；T為W在平板面元上的投影長(zhǎng)度；P=N×W/|n×W|為平板面元上垂直于W的單位矢量；M為平板邊緣的數(shù)目，這里取為3，即為三角形面元。

海面艦船目標(biāo)上布置有大量電子設(shè)備，例如：面陣天線、鞭天線及衛(wèi)星通信天線等，散射特性較為復(fù)雜。電子設(shè)備與船體及設(shè)備之間存在多次散射，彈跳射線法是針對(duì)射線管內(nèi)的電磁參數(shù)和目標(biāo)在射線管內(nèi)彈射軌跡的追蹤實(shí)現(xiàn)的，計(jì)算艦船目標(biāo)多次散射更具有效性[13]。入射平面波(具有ejωt的時(shí)間因子)表達(dá)式為

Ei=Aieiejφ0

(6)

式中，Ai為電場(chǎng)強(qiáng)度，ei為極化方向單位矢量，φ0為初始相位。

(7)

(8)

對(duì)目標(biāo)范圍內(nèi)所有射線管進(jìn)行以上的計(jì)算可以獲得所有方向和相位的值，然后進(jìn)行積分運(yùn)算可得到目標(biāo)的總散射場(chǎng)。

1.3 典型艦船RCS分布圖

本文選取了3種形狀、尺寸不同的船模進(jìn)行仿真計(jì)算。按照船模的規(guī)模從小到大命名為船模1，2，3。在該軟件的計(jì)算參數(shù)設(shè)置框內(nèi)，設(shè)置模型的RCS全向方位圖(單位：dBsm)計(jì)算步長(zhǎng)為1°，面元剖分尺寸為1 cm，計(jì)算并發(fā)數(shù)為4，工作頻率為10 GHz。同時(shí)，船頭方向入射為0°方位角。

1) 船模1如圖3所示。該艦船長(zhǎng)34 m，寬6.7 m，高7.7 m。對(duì)應(yīng)RCS全向方位圖如圖4所示(RCS單位：dBsm)。

圖3 船模1模型

圖4 船模1全向方位圖

2) 船模2如圖5所示。該艦船長(zhǎng)140 m，寬20.21 m，高30.06 m。對(duì)應(yīng)RCS全向方位圖如圖6所示(RCS單位：dBsm)。

圖5 船模2模型

圖6 船模2全向方位圖

3) 船模3如圖7所示。該艦船長(zhǎng)302.51 m，寬74.12 m,高63.17 m。對(duì)應(yīng)RCS全向方位圖如圖8所示(RCS單位：dBsm)。

圖7 船模3模型

圖8 船模3全向方位圖

圖9為武漢大學(xué)電磁工程實(shí)驗(yàn)室開(kāi)發(fā)的復(fù)雜目標(biāo)可視化預(yù)估系統(tǒng)(SCTE)[14]中的船模RCS計(jì)算結(jié)果。該船模長(zhǎng)約300 m，寬約 70 m，與本文所設(shè)的船模3大小類(lèi)似。

圖9 SCTE系統(tǒng)中船模計(jì)算結(jié)果

通過(guò)圖8、圖9對(duì)比可知，本文設(shè)計(jì)的RCS計(jì)算軟件與SCTE系統(tǒng)計(jì)算結(jié)果總體趨勢(shì)一致，并具有更高的角度靈敏特性。

2 不同場(chǎng)景海面目標(biāo)雷達(dá)回波分析

以下仿真結(jié)果均在已設(shè)置的雷達(dá)參數(shù)下進(jìn)行，具體參數(shù)情況如表1所示。示例中各場(chǎng)景布局中，目標(biāo)最遠(yuǎn)距離目標(biāo)不超過(guò)5 km，故將雷達(dá)最遠(yuǎn)探測(cè)距離限定在5 km內(nèi)。場(chǎng)景圖中目標(biāo)大小是按比例放大后展示的，相對(duì)位置和屬性均不改變。

2.1 采用RCS均值計(jì)算的雷達(dá)回波信號(hào)

場(chǎng)景一：如圖10所示，在同一海面隨機(jī)放置船模1,2,3各一艘。設(shè)定船模1,2,3的RCS均值分

表1 雷達(dá)參數(shù)設(shè)置表

別為38.75 dBsm，40.79 dBsm，41.76 dBsm帶入仿真中。雷達(dá)掃描完成后的PPI視圖如圖11所示，不同船模所占屏幕像素點(diǎn)不同。每艘船模對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波信號(hào)如圖12所示。

圖10 場(chǎng)景一

圖11 雷達(dá)掃描圖

(a) 船模1雷達(dá)回波信號(hào)(PRI:1)

(b) 船模2雷達(dá)回波信號(hào)(PRI:1)

(c) 船模3雷達(dá)回波信號(hào)(PRI：1)圖12 場(chǎng)景一對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波信號(hào)

從圖12(a)、(b)、(c)對(duì)比可得：形狀、大小等結(jié)構(gòu)不同的目標(biāo)，其回波信號(hào)存在很大差別。在仿真過(guò)程中，僅用RCS均值帶入計(jì)算，表示電大復(fù)雜目標(biāo)的特征識(shí)別量是不夠精確的?？赡苡捎谀繕?biāo)與雷達(dá)相對(duì)位置的變化或者姿態(tài)的擾動(dòng)導(dǎo)致結(jié)果失真。在下面的仿真中將引入動(dòng)態(tài)RCS計(jì)算來(lái)分析其有效性。

2.2 入射角度對(duì)艦船目標(biāo) RCS 的影響

場(chǎng)景二：如圖13所示，在同一海面放置兩艘船模3，航速都為0 m/s，其中目標(biāo)一相對(duì)雷達(dá)入射角為30°，目標(biāo)二相對(duì)雷達(dá)入射角為90°(目標(biāo)一為圖中右邊艦船，目標(biāo)二為圖中左邊艦船)。圖14為雷達(dá)PPI視圖。

圖13 場(chǎng)景二

圖14 雷達(dá)掃描圖

從圖15可得，目標(biāo)一和目標(biāo)二的雷達(dá)回波信號(hào)的起伏變化和浮動(dòng)范圍及PPI視圖的明暗對(duì)比，可以得出雷達(dá)對(duì)于目標(biāo)的不同入射角從時(shí)間跨度和幅度都有明顯區(qū)別。在仿真過(guò)程中，如果采用平均RCS值計(jì)算雷達(dá)回波，在某些入射角度會(huì)有明顯誤差，可能導(dǎo)致錯(cuò)誤的結(jié)論。而動(dòng)態(tài)RCS計(jì)算值是考慮了入射角度等因素后得出的，能更加真實(shí)地反映目標(biāo)特性。

(a) 目標(biāo)一雷達(dá)回波信號(hào)

(b) 目標(biāo)二雷達(dá)回波信號(hào)圖15 場(chǎng)景二對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波信號(hào)

2.3 艦船運(yùn)動(dòng)中RCS的變化分析

場(chǎng)景三：如圖16所示，在海面放置一艘船模3，初始方位為90°，航向180°，航速為30 m/s，并設(shè)置天線轉(zhuǎn)數(shù)為4.00 r/s進(jìn)行仿真。

圖16 場(chǎng)景三

圖17(a)、(b)分別為第一次和第二次照射到目標(biāo)時(shí)的雷達(dá)回波信號(hào)，由于艦船在不斷運(yùn)動(dòng)中，雷達(dá)相對(duì)目標(biāo)的入射角度、距離都在不斷變化。目標(biāo)第一次被照射與第二次被照射的幅值差值很大。這是由于艦船的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)致相對(duì)雷達(dá)入射角度不斷變化，并且綜合考慮了海雜波的擾動(dòng)和噪聲的干擾。因此，通過(guò)動(dòng)態(tài)RCS計(jì)算的仿真結(jié)果能更精確反映艦船真實(shí)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中的情況。

(a) 第一次照射雷達(dá)回波信號(hào)

(b) 第二次照射雷達(dá)回波信號(hào)圖17 場(chǎng)景三對(duì)應(yīng)的雷達(dá)回波信號(hào)

2.4 模擬海面艦隊(duì)

本文設(shè)計(jì)的軟件采用動(dòng)態(tài)RCS計(jì)算的方法，能夠模擬海面艦隊(duì)的雷達(dá)回波。場(chǎng)景如圖18所示，放置船模1，2，3，并設(shè)置統(tǒng)一的航速為70 m/s，航向?yàn)?°。雷達(dá)的PPI視圖如圖19所示。

圖18 海面艦隊(duì)

圖19 PPI視圖

圖20為不同雷達(dá)入射角的PPI視圖，圖21為對(duì)應(yīng)入射角的回波信號(hào)。由圖20(a)及圖21(a)所示，當(dāng)雷達(dá)入射角為10°時(shí)，該方位角上僅有一艘船模1，該方位角目標(biāo)回波信號(hào)較小并受海雜波影響，在雷達(dá)PPI視圖中無(wú)法顯示。圖20(b)所示，當(dāng)雷達(dá)入射角為341°時(shí)，該方位角能檢測(cè)到兩個(gè)目標(biāo)回波信號(hào)，檢測(cè)到的目標(biāo)類(lèi)型都為船模2，由圖21(b)看出目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)入射角度和姿態(tài)不同，回波信號(hào)顯示有很大區(qū)別。由于海洋環(huán)境復(fù)雜，目標(biāo)距離密集，存在多次疊加散射。而在目標(biāo)群中，有些目標(biāo)由于體積小、散射弱、距離遠(yuǎn)等原因會(huì)被淹沒(méi)，采用動(dòng)態(tài)RCS算法可以體現(xiàn)這一特性。

(a) 雷達(dá)入射角為10° (b) 雷達(dá)入射角為341°圖20 不同角度雷達(dá)視圖

(b) 第341幀雷達(dá)回波圖21 對(duì)應(yīng)雷達(dá)入射角度回波信號(hào)

3 結(jié)束語(yǔ)

由于海面環(huán)境的多變性、測(cè)試條件難以實(shí)現(xiàn)、電磁計(jì)算方法不完善等因素制約著海面電大復(fù)雜目標(biāo)的雷達(dá)散射特性研究。因此利用計(jì)算機(jī)技術(shù)建模仿真，分析目標(biāo)雷達(dá)回波特性是十分必要的。由于海面環(huán)境的隨機(jī)性和艦船的運(yùn)動(dòng)特性，采用本文設(shè)計(jì)的動(dòng)態(tài)RCS計(jì)算方法能準(zhǔn)確高效地模擬目標(biāo)特性。本文設(shè)計(jì)的基于動(dòng)態(tài)RCS計(jì)算的雷達(dá)回波仿真軟件能針對(duì)不同結(jié)構(gòu)的目標(biāo)，在指定的雷達(dá)參數(shù)和海面環(huán)境下仿真計(jì)算雷達(dá)回波信號(hào)，實(shí)現(xiàn)了在復(fù)雜的環(huán)境中精確反映目標(biāo)特性，為仿真獲取實(shí)時(shí)數(shù)據(jù)提供可靠途徑。