基于ISAR水面艦船高頻區(qū)散射中心特征提取仿真研究

丁 凡，廖章奇

(中國(guó)艦船研究設(shè)計(jì)中心，湖北 武漢430064)

0 引 言

隨著探測(cè)技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達(dá)成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，定位目標(biāo)的重要手段。軍事目標(biāo)均面臨“發(fā)現(xiàn)即被摧毀”的嚴(yán)峻威脅，以艦船為代表的水面目標(biāo)作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭(zhēng)中的重要裝備之一，必然會(huì)面臨雷達(dá)的威脅。逆合成孔徑雷達(dá)全天候、全天時(shí)獲取遠(yuǎn)距離運(yùn)動(dòng)目標(biāo)高分辨率圖像的特點(diǎn)，是非合作運(yùn)動(dòng)目標(biāo)探測(cè)識(shí)別的重要手段，通常搭載于預(yù)警機(jī)、無人機(jī)或?qū)椀绕脚_(tái)，用于提取水面目標(biāo)特征，對(duì)海上偵察、反潛、反艦等方面有重要意義，成為水面目標(biāo)面臨的主要威脅手段［1－2］。水面目標(biāo)的雷達(dá)波散射特性決定了水面目標(biāo)被敵方探測(cè)的暴露距離，亦是進(jìn)行電磁對(duì)抗作戰(zhàn)的基礎(chǔ)，其作為運(yùn)動(dòng)目標(biāo)在高頻區(qū)呈現(xiàn)復(fù)雜散射特征，其散射中心是ISAR圖像目標(biāo)識(shí)別的重要特征。

本文從水面目標(biāo)面臨威脅特點(diǎn)出發(fā)，分析水面目標(biāo)的散射特點(diǎn)，選取具有代表性的水面艦船目標(biāo)散射中心模型，并構(gòu)建三維仿真模型，首先采用傳統(tǒng)射線追蹤法(SBR)分析該目標(biāo)的RCS 變化趨勢(shì)，明確散射亮點(diǎn)區(qū)域。通過選用基于圖像的ISAR目標(biāo)散射中心特征提取方法，實(shí)現(xiàn)高頻區(qū)水面艦船目標(biāo)散射中心確定及判別。通過與SBR 方法定位的散射亮點(diǎn)對(duì)比，驗(yàn)證了本文提出的水面艦船ISAR散射中心特征提取方法適用于水面艦船散射特性研究。可用于指導(dǎo)同類目標(biāo)的雷達(dá)波散射特征控制及信號(hào)檢測(cè)。

1 水面目標(biāo)面臨的威脅

對(duì)于水面目標(biāo)而言，面臨的威脅有預(yù)警機(jī)探測(cè)、攻擊飛機(jī)及反艦導(dǎo)彈等探測(cè)、識(shí)別和鎖定。主要以空中威脅為主，威脅區(qū)域集中在上半空間，威脅頻段主要集中在X和Ku 波段。

圖1 雷達(dá)威脅示意圖Fig.1 Radar threat schematic diagram

現(xiàn)代偵察飛機(jī)的飛行高度約為十千米級(jí)別，假定其距離地面目標(biāo)十萬米左右時(shí)開始對(duì)水面艦船實(shí)施捕獲［3－4］。

按照式(1)，探測(cè)高度為10 km，探測(cè)距離為100 km 時(shí)，偵察雷達(dá)對(duì)水中目標(biāo)的入射余角應(yīng)在0.5°以下，此時(shí)水面艦船目標(biāo)面臨的威脅角域應(yīng)為掠入射，基于對(duì)水面目標(biāo)面臨的威脅分析，以下分析均選取水平入射角0°進(jìn)行散射特性分析，入射頻率8～18 GHz，覆蓋威脅頻段X和Ku 全頻段。雷達(dá)散射截面是表征雷達(dá)目標(biāo)對(duì)照射電磁波散射能力的物理量［5－7］。用雷達(dá)方程來計(jì)算目標(biāo)的雷達(dá)散射截面:

其中:Rmax為雷達(dá)最大作用距離;Pt為雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸出的脈沖功率;G為雷達(dá)天線增益;λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng);σ為目標(biāo)有效散射面積(雷達(dá)截面積);Pr為雷達(dá)接收的回波功率。只要測(cè)出Pr值，即可計(jì)算出雷達(dá)截面積。

2 水面目標(biāo)雷達(dá)波散射特性

艦船目標(biāo)的散射特性根據(jù)其作用原理可劃分為一次散射及多次散射。對(duì)于水面目標(biāo)雷達(dá)波散射特性而言，一次散射占一定比重。水面艦船水線以上結(jié)構(gòu)通常由平板結(jié)構(gòu)構(gòu)成:上層建筑側(cè)壁、甲板、煙囪等，還存在有大量鏡面結(jié)構(gòu)裝置:武器發(fā)射裝置外壁、海補(bǔ)裝置等設(shè)備及其附屬基座，上述結(jié)構(gòu)均為典型鏡面結(jié)構(gòu)。多次散射是水面艦船主要特征，包括相互作用散射和凹形區(qū)域散射等。水面艦船的艦面布置復(fù)雜，桅桿、艦橋、艦面裝置、開口結(jié)構(gòu)間相互作用，是造成艦船雷達(dá)波多次散射特征復(fù)雜的重要原因。水面艦船還存在有其他類型散射，如邊緣、拐角和尖端等的表面不連續(xù)性的散射;表面導(dǎo)體不連續(xù)性的散射;爬行波或陰影邊界的繞射行波散射等散射類型。

圖2 一次散射示意圖Fig.2 Specular scattering schematic diagram

圖3 多次散射示意圖Fig.3 Multiple scattering schematic diagram

3 計(jì)算分析方法

水面目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)除自身轉(zhuǎn)動(dòng)外，還有目標(biāo)與雷達(dá)之間的切向平動(dòng)，從而使目標(biāo)上方位向位置不同的散射點(diǎn)的多普勒頻率各異，實(shí)現(xiàn)方位向分辨，利用該等效轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)ISAR 成像。ISAR 成像是通過獲取目標(biāo)二維投影，投影平面被稱為目標(biāo)的圖像投影平面IPP (Image Projection Plane)，決定了三維目標(biāo)在ISAR圖像中的呈現(xiàn)形式，即散射中心分布。

圖4 IPP與RLOS和∑的關(guān)系Fig.4 The connection of IPP、RLOS and ∑

IPP的確定取決于雷達(dá)視線RLOS (radar line of sight)指向與目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的轉(zhuǎn)動(dòng)矢量方向。如圖4所示，假設(shè)RLOS 沿X 軸，矢量表示為，其單位矢量為;目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的總轉(zhuǎn)動(dòng)矢量為∑，∑引起的目標(biāo)上某一散射點(diǎn)A的速度為則該散射點(diǎn)回波的多普勒頻率fd為

由上述可知，IPP 包含RLOS，垂直于由→R(RLOS)和決定的平面，目垂直于。ISAR 對(duì)目標(biāo)所成的像就是目標(biāo)在IPP 內(nèi)的投影，距離向平行于RLOS，方位向沿方向。

4 計(jì)算實(shí)例與結(jié)果分析

4.1 典型水面目標(biāo)RCS模型

選取典型水面目標(biāo)，船長(zhǎng)尺度大于160 m，船寬20 m，為外飄型單體船，一體化上層建筑，首、中、尾部上層建筑一體化，上層建筑高度為12 m，機(jī)庫高度6 m。上層建筑左右舷傾斜角為10°，其他側(cè)壁均傾斜15°。桅桿側(cè)壁設(shè)置傾斜角，采用圓臺(tái)筒形桅桿。上建后部對(duì)稱布置有4 座圓柱體煙囪排風(fēng)口。船體首部布置一座武器發(fā)射裝置，上建后部對(duì)稱布置2 座武器發(fā)射裝置。上建右舷有小艇收放開口。其中:上層建筑各側(cè)壁，桅桿側(cè)壁，船體外表面，煙囪排風(fēng)口側(cè)壁，武器發(fā)射裝置各側(cè)壁貢獻(xiàn)的鏡面散射;右舷小艇收放部位開口形成的腔體散射結(jié)構(gòu);桅桿、煙囪排風(fēng)口、武器發(fā)射裝置之間，設(shè)備與船體之間的相互散射;桅桿、上層建筑、武器發(fā)射裝置棱邊的邊緣散射等。綜上所述，該典型水面目標(biāo)可覆蓋2 節(jié)描述的水面目標(biāo)的散射特點(diǎn)。利用Rhinoceros 構(gòu)建典型水面目標(biāo)的三維數(shù)字模型(見圖5)。

圖5 典型水面目標(biāo)數(shù)字模型Fig.5 The typical sea target mathematical model building

采用通用有限元網(wǎng)格處理軟件Hypermesh 對(duì)三維數(shù)字模型進(jìn)行修復(fù)，保證面與面間閉合，對(duì)閉合的幾何模型進(jìn)行非均勻網(wǎng)格剖分，生成電磁計(jì)算的網(wǎng)格模型(見圖6)。

4.2 結(jié)果分析

選取頻率10 GHz，VV 極化，對(duì)方位角0°～360° (0°指向艦首方向，180°指向尾向方向)，俯仰角0°的入射波下雷達(dá)波散射截面進(jìn)行仿真。

圖6 典型水面目標(biāo)數(shù)字模型Fig.6 The typical sea target simulation model

圖7 RCS 方向圖Fig.7 RCS pattern

由圖7 可看出，該水面目標(biāo)在船體右舷散射峰值較大，分布在第三、四象限，對(duì)220°方位角采用SBR法進(jìn)行散射亮點(diǎn)分析。

圖8 SBR法定位散射亮點(diǎn)Fig.8 The location scattering center of SBR method

圖9 ISAR法定位的散射中心Fig.9 The location scattering center of ISAR method

圖7和圖8 是分別采用SBR法和ISAR 成像計(jì)算的假象艦船目標(biāo)的RCS 散射中心，其中0°方向?yàn)榇追较颍?80°為船尾方向，－90°為右舷方向。由圖7 可看出，220°方位角的散射峰值產(chǎn)生的原因主要是由于小艇補(bǔ)給部位的空腔散射及上層建筑側(cè)壁的鏡面散射造成。采用ISAR 成像提取的散射中心位置也分布在小艇補(bǔ)給部位。

5 結(jié) 語

通過對(duì)某假想水面目標(biāo)進(jìn)行ISAR 成像散射中心提取計(jì)算，通過與SBR法散射亮點(diǎn)定位結(jié)果對(duì)比分析，可以看出對(duì)艦船目標(biāo)，ISAR 成像散射中心提取方法適用于水面艦船散射特性研究。可用于指導(dǎo)同類目標(biāo)的雷達(dá)波散射特征控制及信號(hào)檢測(cè)。

［1］汪玲，朱兆達(dá)，朱岱寅.機(jī)載ISAR 艦船側(cè)視和俯視成像時(shí)間段選擇［J］.電子信息學(xué)報(bào)，2003，30(12):2835－2839.WANG Ling，ZHU Zhao-da，ZHU Dai-yin.Interval selections for side-view or top-view imaging of ship targets with airborne ISAR［J］.Journal of Electronics＆ Information Technology，2003，30(12):2835－2839.

［2］莫翠瓊，劉文術(shù)，陳秋菊.基于散射中心模型的ISAR 回波仿真方法［J］.航天電子對(duì)抗，2008(4):62－64.MO Cui-qiong，LIU Wen-shu，CHEN Qiu-ju.ISAR echo simulation method based on scattering center model［J］.Aerospace Electronic Warfare，2008(4):62－64.

［3］劉佳，渠慎豐，王寶發(fā).基于GRECO的復(fù)雜目標(biāo)多次散射RCS 計(jì)算［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，36(5):614－616.LIU Jia，QU Shen-feng，WANG Bao-fa.Multiple scattering RCS computation of complex targets on GRECO［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2010，36(5):614－616.

［4］李杰，郭立新，何瓊，等.復(fù)合電磁散射分析中的精確幾何建模［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版)，2012，39(6):92－98.LI Jie，GUO Li-xin，HE Qiong，et al.Accurate geometry modeling in analysis of composite EM scattering［J］.Journal of Xi' an University of Science and Technology(Natural Science Edition)，2012，39(6):92－98.

［5］張友益，張殿友.艦艇雷達(dá)波隱身技術(shù)研究綜述［J］.艦船電子對(duì)抗，2007，30(2):5－11.ZHANG You-yi，ZHANG Dian-you.Summary of stealth technology about radar wave in naval ship［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2007，30(2):5－11.

［6］黃培康，殷紅成，許小劍.雷達(dá)目標(biāo)特性［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:30－60.

［7］丁鷺飛，耿富錄.雷達(dá)原理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2006.