海面背景下低空目標電磁散射特性仿真技術

袁晴晴，阮開智，聶 丁，汪書閣，王冠坤

(1.上海機電工程研究所，上海 201109； 2.西安電子科技大學物理與光電工程學院，陜西 西安 710071)

0 引言

復雜海洋背景環境中掠海目標電磁散射機理及多徑效應的研究是地海環境中目標信號識別和雜波信號分離技術的關鍵所在，與精確制導、低飛目標和艦艇目標的識別技術緊密相關，其應用涉及雷達成像、遙感技術、制導和預警等眾多領域，是目前急需重點研究和解決的基礎課題。在低空環境下，由于海背景的復雜性，目標探測系統性能會因為環境雜波引起的多徑干擾而嚴重退化。本文基于散射機理的動態海雜波模型，開展海面背景下低空目標電磁散射特性仿真技術研究工作。

1 動態海面幾何建模及散射特性分析

1.1 復雜海洋場景幾何建模

傳統海浪幾何建模方法主要是以線性海浪理論為基礎，從嚴格意義上來說，該類方法只能對單純的風浪或者涌浪進行模擬，沒有對更細微的波浪之間相互作用的非線性效應進行細致考慮。而實際海浪多以復合形態存在，即大尺度重力波和小尺度毛細波(如圖1所示)，另外加上風、浪及波-波間作用的非線性效應，海浪波面起伏在一定程度上會偏離高斯分布。由于考慮了波浪間的非線性水動力作用和長波、短波間的相互運動，非線性海面的形狀和統計特性與線性海面是不同的，因而進一步通過海面起伏、波面斜率等信息對海面的電磁散射產生影響。本文基于Choppy Wave Model (CWM)建模方法模擬非線性海面，從基本的流體動力學方程出發，在水動力方程零階解的基礎上，通過希爾伯特變換運算來考慮相位擾動，最終通過該擾動項來計及海浪之間的非線性相互作用。

圖1 復合尺度海面幾何建模示意圖

圖2為一維線性海面和非線性海面起伏對比，風速為6 m/s。從圖2可以看出，模擬的非線性海面呈現出了明顯的斯托克斯非線性波特性：相對于線性海面而言，波峰高而陡峭，波谷淺而平坦。同一維海面的情況類似，圖3中非線性海面波峰處(實線圈標記)較為尖銳而波谷處(虛線圈標記)較為平緩的特點同樣得到了體現，只是該效果在二維海面的情況下體現得更加充分。

圖2 一維線性海面和非線性海面起伏對比

圖3 二維線性海面和非線性海面起伏對比

1.2 海背景的電磁散射特性分析

小斜率近似方法(SSA)是將散射幅度或雷達散射截面對粗糙面的斜率作冪級數展開，方法的精確度可以通過保留級數的項數來決定。作為一個統一理論模型， SSA很好地統一了微擾法(SPM)和基爾霍夫近似方法(KA)，很適合計算具有大-中-小復合尺度粗糙度的海面散射問題，這非常有利于在多種電磁頻段下對海面散射特性進行預估。此外SSA具有較高的計算精度，尤其在較大入射角情況下，比KA和SPM精確許多，并且相對于矩量法和積分方程等方法，計算公式相對簡單，計算效率高。對于粗糙面電磁散射計算，一階SSA(SSA-I)已經被證明有較高的精確度。二階SSA(SSA-II)相對于SSA-I，表達式相對復雜，計算效率會有所下降，但其計算結果更加精確，且由于在SSA-I基礎上考慮了更高階項的影響，因此能夠更好地對海面微尺度結構的散射特性進行考慮。在海面精確建模的基礎上，本文針對傳統的SSA進行了算法改進，使之能夠適用于對非線性海面進行電磁建模。下面基于改進型小斜率近似方法完成多種入射角度下、不同海況時海背景的電磁散射特性分析，分析了不同雷達頻率下的動態海面低掠角散射特性。

對海面電磁建模得到的計算結果進行驗證，驗證模型包括精確數值計算方法(MOMI)和研究領域內認可度較高的經過機載測量試驗驗證通過的SASS_II模型。圖4為SSA-II和精確數值算法MOMI計算的一維線性海面雙站散射系數隨散射角的變化對比，仿真條件為風速7 m/s,入射角60°，入射頻率3 GHz。圖5為利用模型SSA-II和基于機載測量試驗驗證過的SASS_II模型的海面后向散射系數NRCS隨散射角的變化對比。入射頻率設置為14 GHz。從圖4、圖5的對比結果可以看出，SSA-II計算結果與測量數據和理論模型數據吻合良好，體現了較好的計算精度和較強的多頻段計算性能。

圖4 SSA-II和MOMI方法計算的一維線性海面雙站散射系數對比圖

圖5 SSA-II模型和SASS_II模型計算的海面后向散射系數對比圖

圖6對不同電磁波頻率入射時的海面雙站散射系數NRCS隨散射角的變化進行了展示。其中風速為5 m/s，入射頻率為1～26 GHz，覆蓋了L、X、Ku和K波段。

2 類反艦彈與海面的復合散射特性仿真

2.1 目標與海面的復合電磁散射算法

本文通過GO-PO方法考慮目標與海背景耦合場的作用機理和多徑效應，進行目標與海面的復合電磁散射建模。電磁波投射到目標或海面上，不僅考慮在反射方向產生的一次散射場，而且對反射方向進行追蹤，直至到達下一個反射面，再次計算新的反射方向上的散射場。相比于傳統精確數值方法，該方法計算效率明顯提高，而計算精度并沒有太多損失，適合進行高頻段目標和海面復合電磁散射特性評估。下面采用GO-PO方法來對本文目標電磁散射的計算方法進行驗證。圖7中給出的是利用基于彈跳射線法的GO-PO方法計算得到的球-板目標組合體的復合單站RCS，入射電磁波的頻率為10 GHz，可以看出計算得到的組合體目標RCS與實驗測量值吻合良好，體現了算法的有效性。

2.2 類反艦彈目標與海面復合雙站前向散射情況

類反艦彈目標幾何形狀示意如圖8所示。彈體頭部采用了2種平面結構對接組成。采用該平面結構而非傳統曲面結構的彈頭旨在對比計算出相應的散射強點分布。彈體尾部采用了凹形結構。2級海況時對應的仿真海面尺寸為20 m×20 m，而當海況等級增大時，海浪的起伏程度有所增加，對應的仿真海面尺寸增加為30 m×30 m。仿真中目標頭部沿X軸正向放置，電磁波從后方投射到目標所在區域，觀察方向位于目標前向。圖9給出了僅考慮目標和海面單次散射的計算結果和考慮多次散射耦合場的計算結果對比，計算條件為2級海況(風速5 m/s)。可以發現在遠離鏡像散射方向區域(漫反射作用區域)，考慮多次散射的回波RCS明顯高于單次散射結果，體現了多次散射在低掠角情況下“目標+海面”復合散射計算中的必要性。

圖6 海面雙站散射系數NRCS隨散射角的變化圖

圖10 給出了 1GHz、2級海況(風速5 m/s)時入射角分別為0°、30 °、45°、 70°、80°、85°時，類反艦彈和海面復合雙站前向RCS隨散射角的變化對比。

當雷達波以小于70°入射角到達目標與海面時，入射面內的絕大多數散射角度對應的復合散射回波RCS與海面的RCS量值差異很小，這就意味著這些角度下彈體的散射回波將湮沒于海雜波之中。而入射角逐漸增大至70°時，HH極化情況下復合散射在遠離鏡向散射的角度(小于-50°)時才能體現出目標回波特征。

圖7 球-板目標組合體的單站RCS與實測值的對比

圖8 類反艦彈目標幾何結構示意圖

圖9 “類反艦彈+海面”復合散射的單次散射和多次散射結果對比

圖10 “類反艦彈+海面”復合雙站前向RCS隨散射角的變化對比

3 結束語

本文建立了基于散射機理的動態海雜波模型和復雜海洋場景的回波模擬，分析多種雷達電磁波極化方式下，雷達參數(尤其是低掠角情況下)和海環境參數對海雜波特性的影響，開展復雜低空目標反艦彈和動態海洋環境在低掠角情況下的電磁散射機理研究，獲取目標與海背景的相干散射模型和特征參數。相比較于陸地背景雜波，海雜波具有明顯的動態特性，因此可以對海雜波和運動目標回波的多普勒回波信號進一步開展深入研究。■