基于海情和蒸發波導的艦船目標RCS研究?

李文興，朱太平，趙中洋

（1.哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，哈爾濱150001；2.解放軍93163部隊司令部，哈爾濱150001）

基于海情和蒸發波導的艦船目標RCS研究?

李文興1，朱太平1，趙中洋2

（1.哈爾濱工程大學信息與通信工程學院，哈爾濱150001；2.解放軍93163部隊司令部，哈爾濱150001）

由于海面自身的條件及隨機多變的特性，目標雷達散射回波會受到不同程度的影響。分別研究了不同海情、蒸發波導以及兩種情況共同制約的狀態下，艦船目標雷達散射回波情況，并進行了理論分析和岸-艦情況仿真。結果表明：①隨海情等級的增加，目標RCS減小；②隨著波導高度的增加，目標RCS增大，且大氣濕度對蒸發波導傳播有一定影響；③海面的粗糙度會影響蒸發波導傳播，隨粗糙度的增大，目標RCS會變小。研究結果為海面雷達偵測提供了參考依據。

不同海情；蒸發波導；散射；艦船RCS

1 引 言

海面自身的條件及隨機多變的特性，會造成對目標雷達散射回波的影響。目前國內外對海面電磁散射的研究很多，但大多只是對單一影響因素的分析，也很少考慮海面目標雷達回波的情況。國外Kenneth［1］等通過試驗研究了蒸發波導環境下氣象參量及波導高度對雷達目標探測的影響。Chou［2］研究得出海面后向散射系數隨風速的變化情況。國內趙小龍［3］給出了海面蒸發波導環境下雷達波的傳輸損耗隨高度和距離的關系。

以下分別在不同海情以及蒸發波導環境下，研究艦船目標雷達散射回波的情況。在此基礎上，同時考慮這兩個因素，在蒸發波導環境下，改變海情等級，觀察對目標RCS的影響。本研究為海面雷達偵測提供了參考依據。

2 相關理論

2.1 雷達散射截面與散射系數

在發射機和接收機滿足遠場條件時，照射目標的入射波近似為平面波，雷達散射截面（RCS）只與目標物理結構、雷達參數等有關，而與距離無關。因此，當雷達的發射機與接收機處于同一媒質中時，按照電磁散射理論定義遠場RCS的表達式為：

上式中，r為散射場點與散射目標中心的距離，Ei為入射場，Es為散射場。公式表征了各向同性等效散射體的總功率與入射到目標上的功率密度之比。

當考慮到擴展目標往往是相對不確定的隨機分布的散射體，不能用雷達散射截面來描述其散射回波時，通常表示為歸一化雷達散射截面（NRCS）或雷達散射系數［4］，NRCS在遠場條件下表示成：

式中：Ei是入射波；Es為接收粗糙面的散射波；ki是入射波波數矢量（1／m）；ks是散射波波數矢量（1／m），入射方位角、散射方位角與風向一起決定了波數矢量的具體信息；r為接收點到粗糙散射面中心的距離（m）；A0則為接收點到入射波能量的粗糙面的面積（m2）。

對于后向散射雷達的接收情況，存在ks＝-ki。后向散射能量的大小通常由后向散射系數來表述，后向散射系數同NRCS的定義是一致的，表示為：

2.2 蒸發波導

蒸發波導是近海面大氣層中經常出現的一種大氣波導，它能夠陷獲一定頻率的電磁波而形成雷達探測盲區，同時也能夠使雷達實現超視距探測，如圖1（a）所示。

電磁波的異常傳播是由大氣折射率的變化造成的。定義大氣折射指數N，可表示為大氣溫度T、大氣壓力p和水汽壓e的函數，其關系為［5］：

考慮地球曲率的影響，使用修正折射率M如圖1（b）所示，其與折射率之間的關系為：

其中，r0是地球半徑，z是地面以上高度。得到修正折射率梯度：

當dM／dN＜0時，電磁波被折射向地球傳播，如果這個梯度延伸到地面，源于大氣層內的電磁波被陷獲變成沿地表傳播，才能形成大氣波導傳播。

圖1 蒸發波導

在大氣中傳播的電磁波若要形成波導傳播，還要有電磁波頻率和入射角的要求［6］。可以推導出地面發射的水平極化的電磁波能形成波導傳播的最大波長λkmax與波導高度d及波導層內的大氣修正折射率垂直梯度dM／dh之間的關系為

同時電磁波入射角必須小于某一臨界角，稱為極限仰角：其中，θc是極限仰角，ΔM是波導強度。

3 數值模擬分析

這里研究岸-艦雷達探測情況，以圖2所示的艦船目標（長154m、寬17m、上層建筑距船底17m）為例，探測雷達的高度為15m，頻率為10GHz。

圖2 艦船CAD模型

文中采用大型專業電磁軟件Ship-EDF，它在散射場和輻射場的電磁計算方面有著無比成熟的技術。采用PO和PTD算法分析目標在光學區的目標散射回波，計算不同海情、蒸發波導及兩種狀態相結合時的目標RCS情況，針對數值結果對其散射現象進行深入分析。

3.1 不同海情

海面散射系數主要受海環境參數和雷達參數的影響，而海環境參數則由海面上風速、浪高等來組成，采用的海情如表1所示。

表1 采用國際海情標準的基本參數

根據國際海情等級標準，生成的海面艦船模型如圖3所示。

圖3 生成的海面艦船模型

不同海情決定了海面的表觀形態，海面粗糙程度直接影響后向散射系數的大小和特性分布，這里也考慮了遮蔽效應、多重散射、后向增強效應等方面對目標雷達回波的影響。

如圖4所示，分別為不同海情對應的艦船目標雷達回波特性曲線，可見隨著海情等級的增大，艦船RCS減小。

圖4 1級、3級、5級海情下艦船RCS對比曲線

表2為海情等級分別在1級、3級、5級時對應艦船雷達回波的結果統計，通過對岸-艦情況仿真發現，不論是平均值還是主要分析目標的90%區域內，隨著海情等級的增加，目標RCS不同程度減小。

表2 不同海情等級下仿真結果統計（dBsm）

在入射擦地角較小時，海面相干散射分量在回波中占很大比重，由海面形成的多徑散射對目標回波的貢獻就比較多，且相干反射系數隨著海情等級的增加而減小，所以隨海情等級增加，目標RCS減小。

3.2 蒸發波導

參照近海面蒸發波導高度為20m，絕對濕度7.5，表面折射指數339，采用海情為1級，計算結果如圖5所示。

圖5 標準大氣環境及不同波導高度下艦船RCS曲線

由圖5可見，海面蒸發波導比標準大氣環境下艦船RCS回波明顯增強，且隨著蒸發波導高度的增加，艦船RCS增大。和標準大氣環境條件下的傳播不同，電磁波被陷獲在蒸發波導內，并發生了多次反射傳播，波導層內的電磁波傳播損耗減小，目標回波明顯增強，且在一定范圍內，蒸發波導對電磁波的陷獲，隨著波導高度的增加而增大。

蒸發波導也會受濕度、折射率等因素的制約，圖6表達了海面大氣濕度對蒸發波導下目標雷達回波的影響。

圖6 艦船RCS隨大氣絕對濕度變化曲線

如圖6所示，在蒸發波導環境下，艦船RCS隨著海面大氣濕度的變化曲線，可以發現隨著大氣絕對濕度的增加，艦船RCS減小，蒸發波導對電磁波的陷獲能力下降。

如表3所示，艦船在蒸發波導環境下比標準大氣環境下的雷達回波明顯增強，且隨著蒸發波導高度增加，艦船雷達回波增強，也就是對電磁波的陷獲能力增強。另外，隨著大氣濕度的增加，蒸發波導對電磁波的陷獲能力下降。

表3 標準環境及不同波導高度下仿真結果統計（dBsm）

3.3 蒸發波導環境下不同海情間分析

蒸發波導除了受濕度、折射率等因素的制約，也會受到外界條件的影響［7］。這里分析在蒸發波導環境下，海情等級分別為1級、3級、5級時，艦船雷達回波情況，參照蒸發波導高度為20m，絕對濕度7.5，表面折射指數339。

圖7和圖8為在蒸發波導環境下，海情等級分別在1級和3級、1級和5級時艦船RCS曲線，可知，在蒸發波導環境下，隨著海情等級的增大，目標RCS減小。

圖7 蒸發波導下海情在1級和3級時艦船RCS曲線

圖8 蒸發波導下海情在1級和5級時艦船RCS曲線

通過表4分析得出，海面粗糙度對蒸發波導下的電磁波傳播有一定影響，海面越粗糙，蒸發波導內傳播的相干反射能量就越少，從而增大了傳播路徑損耗，蒸發波導對雷達波的陷獲能量減少，從而目標雷達回波變小。

表4 蒸發波導下不同海情的仿真結果統計（dBsm）

4 結束語

在實際海面環境下，海面目標的散射受多種因素影響。分別研究了在不同海情、蒸發波導及共同制約的狀態下，艦船目標雷達散射回波情況。通過對岸-艦情況仿真發現，隨海情等級的增加，目標雷達回波減小。海面蒸發波導增強了雷達對海面附近目標的探測能力，且隨著波導高度增加探測能力增強。同時也發現海面粗糙度對蒸發波導傳播有一定影響，海面越粗糙，則有更多的陷獲能量被散射掉。研究結果對解決海面雷達偵測問題提供了參考依據。

［1］Kenneth K Anderson.Radarmeasurements at16.5-GHz in the oceanic evaporation duct［J］.IEEE Trans on Antenna and Propagation，1989，37（1）：100-106.

［2］Hsi-Tseng Chou，Joel T Johnson.A novel acceleration algorithm for the computation of scattering from rough surfaces with the forward-backward method［J］.Radio Science，1998，33：1277-1287.

［3］趙小龍，黃際英，王海華.蒸發波導環境中的雷達探測性能分析［J］.電波科學學報，2006，21（6）：891-894，920.

［4］許小劍，李曉飛，刁桂杰，姜丹.時變海面雷達目標散射現象學模型［M］.北京：國防工業出版社，2013，218-224.

［5］H Essen，H.-H.Fuchs，G Lindquist.Influence of atmospheric propagation in themaritime boundary layer on themeasured RCS of ships［J］.in Proc.SPIE，v 7476，2009.

［6］劉成國，潘中偉.中國低空大氣波導的極限頻率和穿透角［J］.通信學報，1998，19（10）：90-95.

［7］Anderson K D，Paulus R A.Rough evaporation duct（RED）experiment［C］.Proceedings of the Battle space Atmospherics＆Cloud Impact on Military Operations Conference，BACIMO（April 24-27，2000，Fort Collins，USA）.2000.

Research of Ship RCS Based on Sea Conditions and Evaporation Duct

LIWen-xing1，ZHU Tai-ping1，ZHAO Zhong-yang2
（1.College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Forces Command 93163，PLA，Harbin 150001，China）

The RCSof the target is affected by varying degrees for the characteristic and randomness of the sea surface.The paper studies on the RCS of the ship in different sea condition，evaporation duct condition and the mutual conditions mentioned above.The theoretical analysis and the shore-ship simulation are conducted aswell.The results show that the target RCS reduces with the increase of sea level；the RCS increases with the increases of evaporation duct height，and the evaporation duct propagation is influenced by air humidity；the evaporation duct propagation is effected by the sea roughness，the target RCS decreaseswith the increases of sea roughness.The research provides reference for the radar detection.

Sea condition；Evaporation duct；Scattering；Ship RCS

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.012

TN391.9

：A

：1002-2279（2014）04-0035-04

國家安全重大基礎研究計劃（6131380101）

李文興（1960-），男，黑龍江省哈爾濱人，教授，主研方向：天線、電磁散射等。

2014-01-13