不同因素對(duì)艦船RCS特性的影響分析

陳世華，周均，武征

（中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125000）

不同因素對(duì)艦船RCS特性的影響分析

陳世華，周均，武征

（中國(guó)人民解放軍92941部隊(duì)，遼寧葫蘆島 125000）

隨著雷達(dá)技術(shù)的不斷發(fā)展，艦船的生命力受到嚴(yán)重的威脅，為了提高艦船的生存能力，增加艦船的隱蔽性并提高其防護(hù)和對(duì)抗能力的課題研究已十分重要。艦船RCS（Radar-Cross Section）是海上雷達(dá)系統(tǒng)探測(cè)回波強(qiáng)度的一個(gè)重要物理量，受多種因素影響，會(huì)呈現(xiàn)不規(guī)律的隨機(jī)起伏。對(duì)影響艦船RCS特性的測(cè)量因素進(jìn)行了研究，包括粗糙海面的起伏特性、不同頻率、不同極化方式以及不同入射方向的雷達(dá)入射電磁波，給出了粗糙海面的統(tǒng)計(jì)模型，運(yùn)用時(shí)域有限差分法（FDTD）對(duì)艦船的RCS進(jìn)行了計(jì)算仿真，研究結(jié)果為海面雷達(dá)的偵測(cè)提供了理論參考依據(jù)。

RCS；粗糙海面；極化方式；入射角度；時(shí)域有限差分法。

雷達(dá)散射截面積是指物體目標(biāo)對(duì)雷達(dá)發(fā)射波的反射截面積，是一個(gè)等效面積，它表征目標(biāo)對(duì)電磁波的散射能力的強(qiáng)弱，雷達(dá)散射截面積的大小對(duì)后續(xù)雷達(dá)處理成像至關(guān)重要，是描述雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)信息的一個(gè)最重要、也是最基本的參數(shù)［1-4］。在實(shí)際的雷達(dá)探測(cè)系統(tǒng)中，海面的隨機(jī)起伏和測(cè)量環(huán)境的差異會(huì)嚴(yán)重影響艦船RCS的特性，對(duì)雷達(dá)的探測(cè)結(jié)果會(huì)產(chǎn)生一定的干擾偏差，性能下降［7，10，11］。文獻(xiàn)［1］研究了在海面的波浪影響下，艦船目標(biāo)的RCS分布特性；文獻(xiàn)［2］研究了不同的海情以及蒸發(fā)波導(dǎo)對(duì)海面艦船RCS的影響；文獻(xiàn)［3］研究了海面浮油對(duì)雷達(dá)回波的影響；文獻(xiàn)［4］研究了對(duì)粗糙海面進(jìn)行建模的方法；文獻(xiàn)［7］研究了不同的雷達(dá)波頻率、極化方式和入射角度對(duì)艦船目標(biāo)RCS的影響；文獻(xiàn)［9］研究了三維復(fù)雜粗糙海面電磁散射建模的方法與特性分析，文獻(xiàn)［10］研究了隨機(jī)粗糙海面的建模與仿真。

通過對(duì)以上文獻(xiàn)分析，在粗糙海面背景影響的情況下，對(duì)艦船RCS特性進(jìn)行了研究，雷達(dá)入射波分別以不同的頻率，不同的極化方式以及不同的入射方向照射某大型艦船，并利用FDTD算法進(jìn)行求解艦船的RCS，觀察以上各個(gè)因素對(duì)艦船RCS特性的影響。因此研究不同的影響因素對(duì)研究艦船RCS的特性計(jì)算分析具有現(xiàn)實(shí)意義。

1 相關(guān)理論

1.1 雷達(dá)散射截面積

雷達(dá)散射截面積定義為雷達(dá)入射波照射目標(biāo)物體時(shí)，目標(biāo)物體對(duì)入射波呈現(xiàn)散射的有效面積。當(dāng)照射距離遠(yuǎn)大于物體的實(shí)際尺寸時(shí)，入射波近似為平面波，功率密度為：

因此RCS為σ的目標(biāo)能夠截獲的功率為：

如果目標(biāo)將這些功率各向同性地散射出去，則在距離為R的遠(yuǎn)處，其散射功率密度為：

散射功率密度也可用散射場(chǎng)來表示：

由式（2）和式（3）可解出：

由于觀測(cè)距離R在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)，且入射波是平面波，所以式（5）可以嚴(yán)格地寫為：

這就是雷達(dá)散射截面積的最基本理論定義式。

1.2 海面模擬建模

研究海面艦船RCS時(shí)，僅通過海水起伏的統(tǒng)計(jì)量模型，利用均方根、相關(guān)長(zhǎng)度等參數(shù)不足以反映粗糙海面對(duì)目標(biāo)艦船RCS的影響，因此需要對(duì)粗糙海面進(jìn)行建模，海面模擬的方法主要包括統(tǒng)計(jì)模型和分形模型兩種方法。

利用蒙特卡洛的統(tǒng)計(jì)方法，對(duì)粗糙海面進(jìn)行建模。蒙特卡洛的主要思想是：首先將白噪聲進(jìn)行傅里葉變換到頻域，然后在頻域利用海譜函數(shù)對(duì)其進(jìn)行濾波，最后對(duì)濾波后的頻域函數(shù)再進(jìn)行逆傅里葉變換，即可得到海面的高度起伏函數(shù)［3，8］。蒙特卡洛統(tǒng)計(jì)方法也稱為線性濾波過程。

設(shè)一維情況下的隨機(jī)粗糙面的自相關(guān)函數(shù)ρ(τ)服從高斯分布，公式如下：

式中，為隨機(jī)粗糙面函數(shù)；h為海面的高度起伏函數(shù)；代表自相關(guān)長(zhǎng)度。根據(jù)自相關(guān)函數(shù)與功率譜的傅氏變換關(guān)系，可得自相關(guān)函數(shù)的功率譜：

式中，

且復(fù)變量rm服從正態(tài)分布；g1m，g2m代表兩組相互獨(dú)立的符合高斯分布的隨機(jī)數(shù)，為歸一化因子并且使的取值決定了海面的高度隨機(jī)起伏的輪廓線，這里只取粗糙面函數(shù)的實(shí)部作為研究對(duì)象。

根據(jù)式（2），選取Pierson-Moskowit譜來模擬粗糙面，也可以選取高斯譜來模擬，前者是表面風(fēng)場(chǎng)帶來的海浪平面，對(duì)RCS的計(jì)算分析具有現(xiàn)實(shí)意義。表面譜參數(shù)方程如下：

1.3 時(shí)域有限差分法

計(jì)算分析物體目標(biāo)的RCS有兩種方法：精確解法和近似解法。

精確解法只針對(duì)簡(jiǎn)單的情況而言，即當(dāng)散射體的幾何形狀與某一可分離的坐標(biāo)系相吻合時(shí)才是可行的。

然而在實(shí)際的電磁學(xué)中，實(shí)際應(yīng)用中很難滿足精確解法的條件，因此人們以麥克斯韋方程組為基礎(chǔ)，提出了多種近似的方法進(jìn)行求解，這些近似方法在復(fù)雜的幾何體上存在局限性，需要進(jìn)行修改來解決復(fù)雜場(chǎng)合中的RCS問題。計(jì)算RCS的近似方法大致有以下幾種，物理光學(xué)、幾何光學(xué)、幾何繞射理論、物理繞射理論、矩量法以及時(shí)域有限差分法等理論，應(yīng)用時(shí)域有限差分法進(jìn)行了求解艦船RCS。

時(shí)域有限差分法是一種研究電磁問題的時(shí)域數(shù)值方法，它在解決復(fù)雜外形、非均勻介質(zhì)、時(shí)域、寬帶散射和輻射系統(tǒng)的電磁問題時(shí)具有獨(dú)特的優(yōu)越性。其核心思想是直接在時(shí)間和空間域?qū)axwell方程進(jìn)行離散的一種時(shí)域方法，是計(jì)算電磁學(xué)界中比較流行的算法，目前國(guó)外已有多種基于FDTD算法的電磁場(chǎng)計(jì)算的軟件：FEKO，XFDTD等，具有廣泛的應(yīng)用性［5，6，8］。FDTD算法不但具有節(jié)約運(yùn)算和存儲(chǔ)空間、適合并行計(jì)算等優(yōu)點(diǎn)，而且計(jì)算程序具有通用性，簡(jiǎn)單直觀。

利用時(shí)域有限差分法進(jìn)行計(jì)算分析艦船RCS特性時(shí)，必須對(duì)艦船進(jìn)行建模。建模步驟：

（1）部件拆分

首先對(duì)復(fù)雜的艦船散射體按照其幾何結(jié)構(gòu)進(jìn)行劃分，分解成單個(gè)部件然后進(jìn)行處理，單個(gè)部件的拆分方式不同，目標(biāo)的描述文件也會(huì)有差異。

（2）幾何參數(shù)文件建立

然后根據(jù)平移的坐標(biāo)系，對(duì)各個(gè)部件的幾何外形尺寸進(jìn)行參數(shù)錄入，這樣對(duì)目標(biāo)各個(gè)部件參數(shù)數(shù)據(jù)的讀取會(huì)很方便，最后對(duì)建立的幾何體進(jìn)行平移到正確位置，利用布爾運(yùn)算進(jìn)行整體艦船組合。

（3）FDTD剖分

根據(jù)上一步驟中各個(gè)部件的適當(dāng)點(diǎn)坐標(biāo)，對(duì)整個(gè)艦船進(jìn)行FDTD剖分。剖分網(wǎng)格的大小與照射電磁波的波長(zhǎng)的關(guān)系為：δ≤λ12,λ=c f，f為照射波頻率，c為自由空間波速，λ為照射波波長(zhǎng)。由此可見波長(zhǎng)越短，剖分網(wǎng)格越小，艦船表面被剖分的網(wǎng)格數(shù)就越多，計(jì)算仿真的時(shí)間也會(huì)越長(zhǎng)。

2 仿真結(jié)果

最后，對(duì)海面上某大型艦船，在粗糙海面的影響下，雷達(dá)波分別以不同頻率、不同極化方式、不同入射角度對(duì)其RCS分布特性進(jìn)行計(jì)算分析。

仿真參數(shù)：入射波以線極化方式照射，幅值為1，入射方向水平角Theta=30°，俯仰角Phi=60°，圖1至圖6中的（a）圖是在粗糙海面背景下計(jì)算分析的艦船RCS，圖1至圖6中的（b）圖是只有艦船存在的情況下，計(jì)算分析的艦船RCS。

圖1 頻率為100MHz時(shí)不同水平方位的RCS仿真圖

圖1是頻率為100MHz的垂直極化入射波計(jì)算的 RCS，從圖 1（b）可以看出，水平方位為 45°時(shí)，RCS相對(duì)其他兩個(gè)方位更大，而圖1（a）則是在海面背景影響下仿真得到的RCS，可以看出海水的散射對(duì)艦船RCS的影響是嚴(yán)重的，在-30°～-60°艦船RCS大幅度增加。

圖2 頻率為300MHz時(shí)不同水平方位的RCS仿真圖

圖2是頻率為300MHz的垂直極化入射波計(jì)算的RCS，圖2（b）與圖1（b）對(duì)比可以看出，隨著入射波頻率的增大，艦船RCS變化頻繁劇烈，圖2（a）與圖2（b）相比，同樣可以得到，海水對(duì)艦船RCS產(chǎn)生嚴(yán)重影響。

圖3是頻率為100MHz和300MHz的垂直極化入射波，100MHz的入射波產(chǎn)生的艦船RCS相對(duì)平緩。

圖3 不同入射頻率的RCS仿真圖

圖4 不同水平方位的RCS仿真圖

圖4是頻率為100MHz的水平極化入射波照射得到的艦船RCS。

圖5 不同極化方式下的RCS仿真圖

圖5是頻率為100MHz入射波分別以水平極化方式和垂直極化方式照射艦船計(jì)算的RCS，從圖中可以看出艦船的RCS大體走向相同，存在略微的差異。

圖6 不同入射角時(shí)的RCS仿真圖

圖6是在不同入射角時(shí)得到的RCS仿真圖，當(dāng)入射角度變化時(shí)，海面對(duì)艦船的RCS影響很大。

3 結(jié)論

以海上某大型艦船為例，研究了在粗糙海面的背景下某大型艦船的RCS特性，實(shí)際海洋的環(huán)境對(duì)艦船RCS影響很大。分析了粗糙海面的統(tǒng)計(jì)模型方法，選取了Pierson-Moskowit譜來模擬海面，討論了在不同極化方式，不同入射角，不同頻率時(shí)的艦船RCS，分別仿真了在有海面背景下的艦船RCS與無海面背景下的艦船RCS，得到了對(duì)比圖，水平極化與垂直極化對(duì)目標(biāo)RCS幾乎影響不大。研究結(jié)果對(duì)海面?zhèn)蓽y(cè)雷達(dá)提供了理論參考，具有實(shí)際意義。

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Analysis of Ship RCS Affected by Different Factors

CHEN Shihua，ZHOU Jun，WU Zheng
（Unit 92941 of PLA，Huludao 125000）

With the continuous development of radar technology，the vitality of ships under serious threat，in order to improve the survivability of the ship，increase the concealment of the ship and to improve its protection and countermeasures research is very important.Ship RCS（Radar-Cross Section）is an important physical property of echo intensity in the detection of radar system；it is extremely easy to be affected by the rough sea surface，the testing environment and so on，ship RCS will fluctuate randomly.The property of the fluctuating rough sea surface，the incident electromagnetic wave with different frequency and different polarization are all studied and they can affect the ship RCS as well.Statistical model of sea surface is elaborated，F(xiàn)DTD is used in simulating ship RCS.The simulation results provide a theoretical reference for the detection of radar system used above the rough sea surface.

ship RCS；sea surface；polarization；incident angle；FDTD.

TN95

A

1672-9870（2017）05-0059-05

2017-09-12

陳世華（1973-），碩士，工程師，E-mail：592669529@qq.com