海環境近區電磁散射特性模擬測試及統計分析

王曉冰 吳振森 張 元 岳 慧 梁子長

（1.西安電子科技大學理學院，陜西 西安710071；2.電磁散射重點實驗室，上海200438）

引 言

國內外采用機載測試平臺或者岸基長期觀測的方式，對海環境的散射特性進行了大量的研究，得到了不同海況下的海環境電磁散射特性數據并統計其分布特性［1-8］.但在低空超低空狀態，探測器距離海面高度僅幾米范圍，天線照射海面的區域范圍較小，屬于天線近區，同時由于測試平臺及天線旁瓣等引起干擾較多、測試狀態難以控制、海上實測代價較大等原因，目前實測數據非常有限.

海環境的實驗室模擬測量是研究海環境及海環境背景下目標散射特性的一種有效手段［9］，利用實驗室內海環境模擬系統，在造波水池內模擬生成滿足不同海譜分布的不規則海浪，可實現模擬海環境的可控、精確電磁散射測量研究，同時測試代價相對較少.

通過人工造波的方式生成海浪，開展近距離照射下海面的后向電磁散射特性研究，采用距離波門截取技術有效消除界外雜波干擾，獲取了近距離超低空狀態下的海環境特性數據及統計規律.

1 海環境模擬及測量系統

1.1 海環境模擬系統

海環境模擬系統由五大部分組成［10］——海雜波模擬設施、交會運動設施、海雜波測量系統、信號采集處理系統、目標裝定設施.主要設施如圖1所示，其中造波池長40m、寬30m、深5m，海環境的模擬采用液壓搖板造波技術，能模擬0.1m～0.8m的規則波和開闊洋面的1～3級海情的粗糙海面.

圖1 海環境模擬系統

1.2 海環境靜態測量系統

海環境靜態測量系統以Agilent 8362B高性能矢量網絡分析儀為核心，采用連續波、雙天線準單基測量，工作頻段X、Ku頻段，發射功率18dBm，系統動態范圍90dB，接收機靈敏度-93dBm，收發天線采用喇叭天線，天線主波束寬度10°，天線入射角由天線轉臺控制。

1.3 海環境后向散射特性測量

海環境后向散射特性測量時，將喇叭天線固定在轉臺上，通過轉臺旋轉調節入射角，升降平臺改變測試高度，測試獲取不同入射角和高度時海環境的散射回波信號。靜態測量定標采用相對比較法進行定標，將單位面積下海面測試回波信號功率與相同狀態下已知雷達散射截面的定標體測試功率比較，得到海面的散射系數。海環境后向散射系數定標公式為［11］

式中：σ為海環境后向散射系數；σ0為標準體的理論散射截面；Pr為海面的回波功率；Pr0為標準體的回波功率；R為天線到海面的距離；R0為天線到標準體的距離；A為照射面積。

測試過程中，觀測天線主瓣照射海面區域的散射回波通常與其它干擾雜波混疊在一起，如收發子系統間泄露、造波池岸及運動機構等的反射回波、天線旁瓣雜波等。采用軟件距離波門的截取技術濾除測試區域以外的背景干擾信號［11］。軟件距離門截止技術主要通過將掃頻測試數據變換成時域，并進行時域加窗濾波，最后反變換成頻域數據來實現。

依據雷達方程，海環境靜態測量系統在作用距離10m時最小可檢測雷達散射截面（RCS）約為-55dBsm，而照射海環境后向散射信號在入射角60度時最小約為-45dBsm.根據精度需要量與測量精度之間的關系［12］，海環境電磁散射特性測量精度3dB.

2 海環境測試結果分析

對多種海情海面的近場靜態后向散射特性進行了測試.在不同入射角和風向角下，測試了海環境后向散射系數，統計獲得了海環境在Ku頻段的后向散射系數隨入射角、風向角的變化關系.

實驗當日水溫約為20℃，測試水體為淡水，依據Debye公式［13］，在16GHz時復相對介電常數為45.1＋37.5i.參考文獻［14］分析了1～40GHz頻段內采用淡水代替海水引起的誤差情況，在5GHz以上頻率下的誤差小于0.5dB，對于更高精度的測試可以采取向水中添加工業鹽的方式模擬不同含鹽量的海水.

圖2為海環境的后向散射特性測量現場及照射面積示意圖.天線高度H 為5m，喇叭天線主波束寬度10°，主波束照射區域近似為橢圓形區域，橢圓形區域大小與入射角度有關.當主波束45°入射時，照射區域的長軸a為1.8m，對應0.15～0.3個海浪波周期.同時，測量過程中每一入射角度下測量樣本數達200以上，并對獲取的散射數據時間序列，剔除其中的5%最大值和5%最小值后進行統計.

圖2 海環境后向散射特性測試現場及照射面積示意圖

2.1 海面散射回波隨時間的變化關系

由于海浪是一個隨時間變化的電磁散射體，特別是在近距離窄波束照射下，海浪回波信號變化劇烈，如圖3所示，是收發天線入射角30°、VV極化情況下海浪回波信號曲線.圖3（a）是PM譜海浪的電磁散射信號隨時間的變化曲線，橫軸表示采樣點數，縱軸分別是經定標后的海面后向RCS、歸一化幅值和回波信號相位.可以看出，信號幅度隨海浪的變化有很大的起伏，變化范圍大于30dB；回波信號的相位變化劇烈.圖3（b）是對該測試數據樣本的歸一化幅值統計分布，在近距離照射情況下，后向散射特性比較符合對數正態的振幅分布.

圖3 海浪回波信號時間序列及統計分布

2.2 散射系數與入射角的關系

測量獲取的散射系數隨入射角的變化關系如圖4，統計了測試樣本中散射系數的最大值、平均值、最小值隨入射角的變化趨勢.在天線垂直入射時反射都很強，當偏離垂直方向后回波強度迅速減小，散射系數變化范圍大于30dB.對于PM譜海面，同一入射角度下散射系數的平均值和最大值相差10dB左右，最大值和最小值相差30dB以上，這說明在近距離窄波束照射情況下，同一入射角下海面的散射回波起伏劇烈，對于時間敏感的近程探測系統，必須考慮海面的時變特性.

圖4 海環境后向散射系數隨入射角變化

2.3 散射系數與頻率的關系

海環境后向散射系數隨測試頻率和入射角關系測試結果如圖5所示.掃頻測試中心頻率16GHz，帶寬250MHz，步長5MHz，2級海情.同一波段不同頻點下的散射系數變化關系趨于一致.

圖5 海環境后向散射系數-頻率-入射角關系

2.4 散射系數與風向角的關系

探測器天線位置和入射角固定，天線在水平面內旋轉，測試獲取天線主波束與海浪前進方向不同夾角下的海面后向散射系數.試驗結果如圖6所示，入射角45°.在近距離窄波束照射下，迎浪和順浪方向比側浪情況下海面后向散射系數高約10dB，該數據與雷達手冊給出的在機載掛飛條件下平均散射系數變化量約為5dB有一定的差異，表明在近距離窄波束照射下的特殊性.

圖6 海環境后向散射系數隨風向角變化

3 結 論

在近距離窄波束照射情況下，海面后向散射呈現劇烈的時變特性，散射系數變化范圍更大.海面回波信號幅度隨海浪的變化有很大的起伏，變化范圍大于30dB.同一入射角度下散射系數的最大值和最小值相差30dB以上.在迎浪和順浪方向比側浪情況下海面后向散射系數高約10dB.

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