近距離水聲模擬測量艦船目標雷達一維距離像

張明敏,盧建斌,程廣利

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

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近距離水聲模擬測量艦船目標雷達一維距離像

張明敏,盧建斌,程廣利

(海軍工程大學 電子工程學院，湖北 武漢 430033)

摘要：雷達目標回波特性測量所需的遠場條件給實驗室條件下的目標縮比測量帶來困難，為此研究了艦船目標由于水面波動引起波場起伏和目標擺動，降低目標各散射點之間的相干性，從而降低遠場測量距離要求的問題。分別從波場起伏和目標擺動起伏兩個方面推導了接收場強表達式，以反平方規(guī)律變化為條件給出了動態(tài)測量實驗條件下的遠場判據(jù)，所給出的遠場條件大幅降低了實驗要求。通過水聲模擬測量艦船目標雷達一維距離像實驗, 并與電磁仿真計算結果進行了比對，證明了理論推導結論的正確性。

關鍵詞：模擬測量；隨機起伏；艦船目標；一維距離像；遠場條件

網(wǎng)絡出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160421.1040.012.html

水面艦船目標的雷達一維距離像是對海雷達在距離維上獲取的高分辨圖像，它包含了目標的形狀及結構特征等多種可用于目標識別的信息，因而最近十幾年以來受到了廣泛的關注和重視[1]。然而雷達目標識別通常都是針對非合作軍事目標，測量獲取此類目標的高分辨圖像通常只能采用微波暗室中縮比模型的測量方法。但是，對于水面艦船這類超大電尺寸目標在低掠射角下的測量，經(jīng)水面反射引起的多徑效應不可忽視，同時受相似性原理和遠場條件的約束，使得在微波暗室中對水面艦船的縮比測量難以進行。因此，艦船目標高分辨距離像先驗信息的獲取問題，成為當前對海雷達目標識別的瓶頸。

在滿足波動相似性原理的條件下，將空氣-水介質(zhì)互易，利用水中聲波相對電磁波頻率低、波長短、傳播速度慢等特點，用水中聲波模擬大氣中電磁波，測量氣-水分界面下的艦船目標一維距離像，是解決該問題的一條路徑[2-4]。俄羅斯在20世紀70年代開始研究利用聲波模擬目標電磁散射的實驗方法，已取得一定的研究成果[5]，并建立了一套對雷達目標散射截面進行聲學模擬測量的系統(tǒng)。英國電氣儀表電子公司也建立了超聲波水介質(zhì)中縮比模型測量系統(tǒng)[6]，專門提供模擬電子引信與飛機目標在各種交會彈道下的雷達散射截面值，以便建立數(shù)學模型來評估武器系統(tǒng)的效能。西北工業(yè)大學曾文琪通過對比電磁場和聲學場的基本理論，研究了利用水介質(zhì)中目標的聲散射來測量目標散射截面問題[7]。但上述研究都是針對理想環(huán)境下目標散射特性的測量，這些問題也都可以利用微波暗室來解決，只是在實驗成本上更具有優(yōu)勢。而針對艦船目標計及界面波動影響的水聲模擬測量的研究尚不多見。

在靜態(tài)條件下，為消除目標不同部位產(chǎn)生的反射波因干涉在接收點出現(xiàn)起伏，確保測量的精度，要求相距最大的部位間的反射波的相位差要足夠小。為了滿足測量的遠場條件，此時接收信號的平均功率與距離成反比[8]，對于一長度為100 m的水面艦船，即使將其縮比100倍，在水中用1.5 MHz的超聲波進行測量，滿足該遠場測量條件的距離也要在1 km以上。實際中，由于海面的波動作用，經(jīng)海面反射的多徑波場受到隨機擾動，艦船目標也處在擺動中，這些隨機的波動必然在一定程度上影響目標各個部分的反射回波之間的相干性，從而縮小對測量距離的要求。

本文分別從波場起伏和目標擺動起伏推導了接收場強表達式，以反平方規(guī)律變化為條件給出了動態(tài)測量實驗條件下的遠場距離條件公式，為實驗室環(huán)境中，近距離測量水面艦船目標的一維距離像提供理論依據(jù)，并通過水聲模擬測量實驗予以了驗證。

1理論推導

為便于分析，將被測目標視為與測量場相垂直布放于x軸的一維線性反射體(見圖1)，圖中l(wèi)為線性反射體的長度，R為目標上某散射源點x到接收點O的距離，θ為目標中心點沿x方向擺動起伏產(chǎn)生的偏移ξ所對應的擺動角，R0為被測目標到接收點的距離。

圖1　被測目標與接收點坐標示意圖Fig.1　Schematic diagram of coordinates for target and receiving point

1.1波場隨機起伏

考慮單向接收情況．設入射聲波均勻照射到目標上，由目標上某一反射點x產(chǎn)生的反射聲壓在接收點表示為

(1)

因此，接收點的總反射聲壓：

(2)

由于R0?l，因此有

(3)

將式(4)代入到式(3)中可以得到：

(4)

式中：C1為常數(shù)。由式(4)得到接收聲場的聲強：

(5)

設起伏的空間相關函數(shù)服從高斯分布，即

近似有：

(6)

將式(6)代入到式(5)中，得

(7)

作變量替換，令x1-x2=2t1，x1+x2=2t2后，并考慮積分公式[9]：

(8)

式(7)最終可簡化為

(9)

(10)

簡化可得

(11)

式(11)即為波場存在隨機起伏時被測目標與接收點間應滿足的距離判定公式。當波場不存在起伏時，式(11)退化為靜態(tài)條件下的遠場公式[8]：

(12)

式中：λ是測量信號的波長，K為系數(shù)，1≤K≤3。

1.2目標隨機擺動起伏

同樣，只考慮一維隨機擺動起伏(沿x方向)情況。在接收點接收到的目標反射聲壓：

(13)

(14)

設隨機擺動服從高斯分布，有

(15)

式中：D2是擺動角的方差。將式(15)代入式(14)得

(16)

仿照式(7)的計算過程，式(15)的結果為

三價鐵離子的氧化作用使銅變?yōu)槎r銅離子[見（4）式]，銅與氯化鐵發(fā)生還原反應生成氯化銅和氯化亞鐵，銅版逐步被腐蝕，溶液中形成銅、氯化銅和氯化亞鐵等混合物的沉淀[見（5）式]。當然，還會形成一些副反應，如：

(17)

(18)

由此得到：

(19)

式(19)即為被測目標存在隨機擺動時，目標與接收點間應滿足的距離判定公式。當目標不存在擺動時，式(19)也退化為靜態(tài)條件下的遠場公式(見式(12))。

1.3波場與目標同時波動起伏

當波場與目標同時存在隨機波動起伏情況，綜合式(11)、(19)，可以得到此時被測目標與接收點間應滿足的距離判定公式：

(20)

比較式(20)和式(12)可見，測量波場的隨機波動和目標的隨機擺動使靜態(tài)條件下試驗的遠場要求發(fā)生了很大的變化。特別是擺動角的影響，對于艦船這樣的大電尺度目標，通常kl是遠遠大于1的，因此只要目標存在1°左右的擺動，就會使遠場距離要求發(fā)生數(shù)量級上的縮減，從而為近距離下進行艦船目標雷達散射特性測量提供了條件。這一結論對實驗室中進行模擬測量十分重要。如靜態(tài)情況下，當使用波長為10 cm的雷達測量一艘長100 m的艦船，根據(jù)式(12)給出的遠場條件，其測量距離應大于100 km。如果目標處于隨機擺動狀態(tài)，假設角度擺動服從高斯分布并且均方根值為0.035 rad，那么根據(jù)式(23)測量距離降為不小于1 km。如果采用水聲模擬測量，艦船目標模型的縮比因子為1∶100，按相似性原理，水聲信號的頻率為1.5 MHz，相應的測量距離僅為約10 m，這就使在實驗水池中進行水面目標雷達散射特性模擬測量成為可能。

2試驗驗證

接收采集到的目標回波信號經(jīng)濾波、脈沖壓縮處理得到被測目標的一維距離像。圖3～5分別給出三組不同姿態(tài)角下的實驗結果，在每組圖的(a)圖注有對該艦船模型水線以上部分進行幾何建模的圖形及實驗測量中模型艏艉軸線相對入射波的姿態(tài)，圖中曲線為試驗測量得到的目標一維距離像，每組圖的(b)圖給出了該幾何模型按實際尺寸及相應的雷達波頻率用物理光學法[10]仿真計算得到該型艦船的雷達目標一維距離像[11]。限于篇幅只給出了三個典型角度下的試驗和仿真結果對比，其他角度下同樣二者吻合得很好。

從各組圖的實驗數(shù)據(jù)來看(測量信號由圖左側向右入射)，距離像中主要峰值出現(xiàn)的位置都與被測模型的主要部件在測量方向上的相對位置相一致，與仿真計算的結果相比，由于實驗誤差以及仿真中近似計算等原因，峰值幅度上存在一定的偏差，但總體上保持了較好的一致性．實測與仿真結果表明，測量波場的隨機波動和目標的隨機擺動降低了目標各反射元反射聲場之間的相干性，使靜態(tài)條件下的目標各個部分的反射回波的相干疊加退化為非相干疊加，相當于目標的總尺度被分解了，從而使實驗測量的距離大大縮短，也說明本文所給理論的正確性。

圖2　水聲模擬測量實驗示意圖Fig.2　Schematic diagram of measurement using underwater acoustic simulation

(a) 試驗結果　　　　　　　　　　　　　　　(b)仿真結果 圖3　入射方向與艦艏方向成0°角的一維距離像Fig.3　1D-range profile when angel between sound wave incidence and target′s bow is 0°

(a) 試驗結果　　　　　　　　　　　　　　　(b)仿真結果 圖4　入射方向與艦艏方向成88.2°角的一維距離像Fig.4　1D-range profile when angel between sound wave incidence and target′s bow is 88.2°

(a) 試驗結果　　　　　　　　　　　　　　　(b)仿真結果 圖5　入射方向與艦艏方向成135°角的一維距離像Fig.5　1D-range profile when angel between sound wave incidence and target′s bow is 135°

3結論

1)理論推導結果表明，考慮實際海面波動和目標擺動作用，使得目標各組成部分回波之間的相干性減弱，使得水聲模擬實際測量中對測量距離的要求大幅減小，這為在試驗內(nèi)開展水聲模擬測量雷達目標RCS試驗提供了理論指導。

2)試驗結果與電磁仿真計算結果對比，證明了理論推導結論的正確性，以及試驗平臺設計的有效性，為在實驗室環(huán)境中獲取艦船目標的雷達散射特性，開展雷達艦船目標分類識別研究奠定了理論和試驗基礎。

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本文引用格式：

張明敏,盧建斌,程廣利. 近距離水聲模擬測量艦船目標雷達一維距離像[J]. 哈爾濱工程大學學報， 2016, 37(6): 855-859.

ZHANG Mingmin，LU Jianbin，CHENG Guangli. High-resolution range profile of ship measured by underwater acoustic simulation in close range[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(6): 855-859.

收稿日期：2015-04-17.

基金項目：國家自然科學基金項目(61501486)；國防科學技術工業(yè)委員會基礎研究基金項目(4040201010201).

作者簡介：張明敏(1957-)，男，教授，博士生導師； 程廣利(1976-)，男，副教授，碩士生導師. 通信作者：程廣利，E-mail:sonarcgl@126.com.

DOI:10.11990/jheu.201504025

中圖分類號：P631

文獻標志碼：A

文章編號：1006-7043(2016)06-0855-05

High-resolution range profile of ship measured by underwater acoustic simulation in close range

ZHANG Mingmin，LU Jianbin，CHENG Guangli

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract：The far-field condition of the echo characteristics for radar targets is a difficult problem to the scale-model measurement in the laboratory. Through analysis of the wave fluctuation and swing of a target in a waving sea surface, the demand of the measurement range can be reduced for the surface ship because the coherence of ship’s scatters is decreased evidently. We derive a formula for determining field intensity based on wave fluctuation and target swing circumstances. Based on the inverse square law, we determine far-field conditions via a dynamic measurement experiment and significantly reduce experimental requirements. We perform underwater acoustic experiments to measure the high-resolution range profile of a ship in the tank and compare the results with those of electromagnetic simulations to confirm the correctness of our theoretically derived conclusions.

Keywords：simulation measurement; random fluctuation; ship target; high-resolution range profile; far-field condition

網(wǎng)絡出版日期：2016-04-21.