粗糙海面艦船目標RCS研究?

(哈爾濱工程大學信息與通信工程學院,黑龍江哈爾濱150001)

0 引言

由于海面自身的條件隨機多變的特性,海洋表面浮油后會改變海面的電磁特性,對目標雷達散射回波造成影響。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。Kookhyun等運用準靜態的理論,研究了海面波浪影響下,運動的艦船目標RCS(雷達散射截面積)[1];Chou研究得出海面后向散射系數隨著風速的變化情況[2];Pinel研究了浮油海面對RCS的影響[3];國內任新成等人基于分形海面模型的基礎上,分析了分層海面磁散射特性[4];丁昊等通過實測數據,分析了海雜波的多普勒特性[5];李文興等通過建模仿真,研究了海情和蒸發波導共同制約條件下的海面目標RCS的特性[6]。

本文主要從不同海面環境及海面浮油下,研究艦船目標雷達散射回波的情況;在此基礎上,同時考慮多種因素,在海面浮油環境下,改變海情等級、蒸發波導高度,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。

1 相關理論

1.1 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,按照電磁散射理論觀點定義遠場RCS的表達式為

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。

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,通常表示為歸一化雷達散射截面(NRCS)或雷達散射系數[7],在遠場條件時NRCS為

式中:Ei為入射波;Es為接收粗糙面的散射波;ki為入射波波數矢量(1/m);ks為散射波波數矢量(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為接收點到入射波能量的粗糙面的面積(m2)。

對于后向散射的雷達的接收情況,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

1.2 分層粗糙面散射理論

如圖1所示,上層粗糙面S0和下層粗糙面S1將空間分為3部分,上層區域介質為Ω0(ε0,μ0),中間層介質為Ω1(ε1,μ0=μ1),下層介質為Ω2(ε2,μ0=μ2),其中εi(i=0,1,2)為各區域的相對介電常數。

圖1 分層介質粗糙面散射示意圖

考慮到入射波ψi(r)會入射到如圖1所示的介質粗糙面上,假定ψ0(r)和ψ1(r)分別代表粗糙面S0上表面和下表面任意一點的總場,它們滿足邊界方程[4]:

式中,G0(r,r′)和G1(r,r′)分別為空間Ω0和Ω1中的格林函數,^n為粗糙面S0上任意一點的法向量。ψ0(r)和ψ1(r)滿足邊界條件:

式中:V1(x)=ψ0(r)|r∈S0;V2(x)=u(x)=對于垂直極化(VV)有ρ=ε1/ε0,對于水平極化(H H)有ρ=1。通過解矩陣方程(8),可以求得介質粗糙面上方的ψ0(r),再結合基爾霍夫近似法得到透射波上方任意一點的總場為ψ(r)=進而求得散射系數表達式如下:

2 仿真與結果分析

本文研究岸-目標雷達探測情況,海水介電常數為81,石油介電常數為2.25。以圖2所示的艦船目標(長154 m、寬17 m、上層建筑距船底17 m)為例。

圖2 艦船CAD模型

文中采用大型專業電磁軟件Ship-EDF,該軟件在散射場和輻射場的電磁計算方面有著成熟的技術,采用PO(物理光學法)和PTD(物理繞射法)算法分析目標在光學區的目標散射回波,分別對不同海情、浮油海面、粗糙浮油海面三種情況來討論目標RCS,針對數值結果對海面散射現象進行深入分析。

2.1 不同海情目標RCS研究

海洋環境參數和雷達參數直接影響海面目標的散射系數,而海面環境受很多因素的影響。其中海面上方風速對海面起伏影響最大,風將能量傳遞給海浪,產生不同高度的海浪,從而形成不同等級的海情。

國際標準海情等級的劃分如表1所示。根據上述標準,生成的不同海情等級海面艦船模型如圖3所示。

表1 采用國際海情標準的基本參數

圖3 1級、3級和5級海情海面艦船模型

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導致雷達存在探測盲區,同時也能夠實現雷達超視距探測。

參照雷達天線高度h=50 m,目標距離L1= 2 km,頻率為3 GHz,分別在1級、3級和5級時對艦船雷達回波進行仿真。

如圖4所示,在h=50 m,L1=2 km條件下,隨著海情等級的增加,艦船RCS降低,說明海面越粗糙,在入射波方向上的海面與艦船之間的耦合散射減弱。

如表2所示,在上述條件下,無論是平均值,還是主要分析目標的90%區域,艦船RCS都隨著海情等級的增加而降低。3級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均值低4.69 dBsm;5級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均值低21.57 d Bsm。可見海情對RCS的影響特別大。

圖4 艦船RCS隨海情等級變化對比曲線(h=50 m,L1=2 km)

表2 不同海情等級仿真結果統計(h=50 m,L1=2 km) d Bsm

下面討論海情變化對艦船RCS的影響與入射角的關系。參照雷達天線高度h=50 m,頻率為3 GHz,目標距離L2=5 km,L3=8 km,分別在1級、5級時對艦船雷達回波進行仿真。

從圖5和圖6不難發現,隨著h/L值減小,即入射角減小,海情對艦船RCS的影響越小,在入射波方向上的海面與艦船之間的耦合散射變化很小,所以回波中目標散射回波貢獻非常大。

從表3和表4可以看出,隨著h/L值減小,艦船RCS受海情等級增加的影響越來越弱。L2= 5 km時,5級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均低4.54 d Bsm;L3=8 km時,5級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均低1.7 dBsm。

圖6 艦船RCS隨海情等級變化對比曲線(h=50 m,L3=8 km)

表3 不同海情等級仿真結果統計(h=50 m,L2=5 km) dBsm

表4 不同海情等級仿真結果統計(h=50 m,L3=8 km) dBsm

2.2 浮油海面目標RCS研究

取雷達天線高度h=50 m,目標距離為2 km,頻率為3 GHz,海情等級為3級,油層介電常數ε1=2.25+i0.01,海水介電常數ε2=70.4+i40.6[3],油層厚度H1=0.05λ,對艦船雷達回波進行仿真。

如圖7所示,海面浮油后,艦船RCS值增大,分析其原因為:由于海面上層浮油,導致海面粗糙度降低,在入射波方向上的海面與艦船目標之間的耦合散射回波增強。

圖7 海面與浮油海面艦船RCS對比曲線

從表5可以看出,浮油海面上艦船RCS比正常海面的值高。下面討論不同油層厚度對艦船RCS的影響。

表5 不同海面仿真結果統計 dBsm

在其他條件不變的情況下,分別取油層厚度H1=0.05λ,H2=0.1λ,H3=0.2λ對艦船雷達回波進行仿真。

如圖8所示,隨著油層厚度的增加,海面粗糙度逐漸降低,艦船RCS值增大,入射波方向上的艦船與目標之間的耦合散射回波變得越來越強。

圖8 不同油層厚度艦船RCS對比曲線

從表6中可知,隨著油層厚度的增加,艦船RCS值變大,H2=0.1λ比H1=0.05λ時的艦船RCS值平均高1.2 d Bsm;H3=0.2λ比H1=0.05λ時的艦船RCS值平均高2.33 dBsm。

表6 不同油層厚度仿真結果統計 dBsm

2.3 粗糙浮油海面目標RCS研究

浮油海面艦船RCS不但受油層厚度的影響,也受到海情的影響,下面對海面浮油情況下,不同海情對艦船RCS的影響進行分析。其他條件不變,油層厚度H=0.1λ,分別對1級、3級和5級時艦船雷達回波進行仿真。

如圖9所示,浮油海面艦船RCS值隨著海情等級的升高而減小,說明海情等級增加,海面變得粗糙,在入射波方向上的目標與雷達之間的散射回波變弱。下面通過數據統計進一步討論。

圖9 浮油海面艦船RCS隨等級海情變化對比曲線

通過表7不難得出,在油層厚度H=0.1λ的情況下,3級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均值低2.6 d Bsm;5級海情艦船RCS比1級海情艦船RCS平均值低15.83 dBsm。

表7 不同海情仿真結果統計(H=0.1λ) dBsm

對比表2和表7的仿真結果,海面浮油后,海情對艦船RCS的影響比正常海面對RCS的影響要小,由于油層的存在,降低了海面的粗糙度,海情對海面粗糙度的影響變弱。

3 結束語

在實際的海面環境下,海面目標的散射受多種因素的影響。本文分別研究了不同海情對艦船RCS的影響與入射角之間的關系,浮油海面艦船RCS,以及浮油海面情況下不同海情對艦船RCS的影響。通過仿真得出,隨著入射角的降低,海情對目標RCS的影響變弱;浮油海面使艦船RCS值升高,并且油層厚度H越大,值越高;浮油海面情況下海情等級增加,艦船RCS值降低,但其變化程度比正常海面小。相信本文的研究結果對海面雷達偵測問題提供參考依據。

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