海面角反射器的極化旋轉域特性研究

李郝亮, 陳思偉, 王雪松

(國防科技大學電子科學學院, 湖南 長沙 410073)

0 引 言

隨著戰場環境越來越復雜,戰爭攻防對抗日益激烈,遠程精確打擊已成為現代戰爭的一種基本作戰模式。雷達導引頭是精確制導武器末制導的重要裝備,具有作用距離遠、不受天氣影響等重要優點,在保證現代導彈打擊精度方面發揮著重要作用。極化是電磁波的本質屬性,是幅度、頻率、相位以外的重要基本參量,能夠反映目標姿態、結構、尺寸等物理特征。極化信息的處理和利用對提升雷達導引頭的探測能力具有極大潛力。當前,極化雷達導引頭已經成為先進射頻制導體制的重要發展方向。但雷達導引頭面臨的戰場電磁環境極其復雜,不僅有復雜的自然與氣象環境干擾,還有多種樣式的有意干擾。其中，海面角反射器是主要的誘騙干擾手段之一，具有與艦船目標散射逼真度高、作戰效費比高等優良特性,是一種重要的對付反艦導彈雷達導引頭的無源誘餌,得到了國際主要軍事強國的高度重視和實際部署[1-3]。例如,以以色列“巫師”反雷達假目標[4]為代表的艦載炮射型,以英國“橡皮鴨”[5]和美國AN/SLQ-49[6-8]為代表的艦載拋投型。由于散射強度、擴展長度、運動速度等物理特征與艦船目標十分相似,海面角反射器干擾在傳統的時-頻-空域上與艦船目標都難以有效辨識,無疑對極化雷達導引頭抗干擾技術提出了新的挑戰。

目前,國內針對角反射器的目標特性分析和鑒別已開展初步研究。文獻[9-10]通過仿真實驗分析了二十面體角反射器的電磁散射特性和頻率特性。文獻[11]利用3種不同的統計模型對二十面體角反射器的雷達截面積(radar cross section, RCS)進行精確建模。張俊等構建了基于物理光學和區域投影的典型三面角反射器全向RCS模型[12]，并分析了八面體角反射器的RCS統計特性[13]。然而現有文獻并未對角反射器的極化散射特性開展研究。實際上,盡管海面角反射器在散射強度、幾何尺寸等物理維度與艦船目標具有極為相近的特性,但二者具有顯著不同的幾何結構,通過深入挖掘和融合極化信息,將有望實現海面角反射器的準確鑒別和抑制。此外，復雜的海洋環境與海上目標存在相互耦合作用，從而影響目標的極化散射特性。上述研究都未涉及在海洋背景下的角反射器特性分析。

針對角反射器鑒別方法的研究,文獻[14]利用目標雷達回波的微多普勒主頻率特征實現了角反射器干擾的有效鑒別,但該方法對海面強雜波與目標運動變化敏感,對目標多普勒的觀測本身需要的條件非常苛刻。文獻[15-16]將Krogager極化分解方法應用于艦船和角反射器陣列的鑒別。然而，Krogager極化分解存在散射機理解譯模糊問題,鑒別量性能不穩健。文獻[17-18]利用極化不變量特征實現對角反和艦船的鑒別,但其部分極化不變量敏感于目標尺寸,可能導致實際鑒別效果有限。在分類器設計方面,隨著深度學習理論和方法的不斷發展與推廣應用,數據樣本驅動的深度學習分類器被用于角反射器的鑒別,獲得了良好的鑒別性能[13,18-19],然而該方法受限于樣本數量。當前，如何實現角反射器的高效鑒別仍然是一個具有挑戰性的難題，研究海面角反射器的極化散射特性對于抗角反射器干擾具有重要的意義。

雷達目標的后向散射敏感于目標姿態與雷達視線的相對幾何關系,這種散射多樣性中蘊含著豐富的極化散射信息[20-22]。針對這一隱含信息,研究團隊在繞雷達視線方向提出了極化旋轉域的概念,將特定成像幾何關系下獲得的目標極化矩陣拓展到繞雷達視線的極化旋轉域,提出了極化相干/相關特征旋轉域可視化解譯工具[23-24],建立了在極化旋轉域解譯目標散射機理的理論框架,并在艦船檢測[24-25]、地物分類[26]、災害評估[27]等領域獲得成功應用。因此,本文以八面體和二十面體角反射器為研究對象,主要探索海面角反射器的極化旋轉域特性演化規律,以期為極化雷達導引頭抗角反射器干擾提供理論支撐。

1 極化相關方向圖解譯工具

1.1 極化矩陣及旋轉處理

在水平和垂直極化基(H,V)下,極化雷達系統獲取的目標全極化信息可以由極化散射矩陣表征:

(1)

式中：SHV是水平極化發射,垂直極化接收的后向散射系數；其他項類似定義。

極化散射矩陣S表征了原始成像幾何下的極化散射信息,將S繞雷達視線方向旋轉角度θ即得到極化旋轉域的極化散射矩陣:

(2)

式中：θ∈[-π,π)；R2(θ)為二階旋轉矩陣,且

(3)

由于幾何結構上具有顯著不同的差異,艦船和角反射器將具有不同的散射機理。角反射器主要以奇次散射為主,而艦船主要以偶次散射為主,且包含表面散射、體散射、螺旋散射等多種散射機理。在Pauli分解中,共極化分量的組合(SHH+SVV)和(SHH-SVV)分別為奇次散射和偶次散射。在這種情況下,共極化分量SHH和SVV將作為本文研究重點,其在旋轉域的表達式分別為

SHH(θ)=SHHcos2θ+SHVcosθsinθ+SVHcosθsinθ+SVVsin2θ

(4)

SVV(θ)=SHHsin2θ-SHVcosθsinθ-SVHcosθsinθ+SVVcos2θ

(5)

1.2 共極化相關方向圖

不同極化通道之間的相關值是一個重要極化特征量[28-29]。傳統的共極化相關值為

(6)

將共極化相關值拓展到極化旋轉域,可得到共極化相關方向圖[27]:

(7)

1.3 極化旋轉域特征提取

2 實驗場景與仿真數據

當前,在實際應用中使用最多的是英國的“橡皮鴨”無源誘餌[5,30]和美國的MK59 Mod0充氣式角反射器系統[7,31],其分別為八面體三角形和二十面體三角形結構。結構模型如圖2所示。模型邊長L設置為1 m。在實際應用場景中,海面與目標之間存在復合散射。為了研究角反射器和不同海況的海面的復合極化散射特性,利用高斯譜產生3種三維隨機粗糙面。粗糙面的大小為6 m×6 m,相對介電常數為74。粗糙面相關長度為lx=ly=0.15 m,均方根高度分別設置為0.01 m、0.06 m和0.2 m。3種海面的波峰和波谷的最大高度差分別為0.1 m、0.6 m、1.5 m。依據浪高和海況關系,3種粗糙面分別對應1～3級海況。同時，利用相同尺寸的平面表征0級海況進行對比。組合模型如圖3和圖4所示。利用CST Studio電磁仿真軟件進行計算,電磁計算的俯仰角設置為30°,方位角為-180°～180°,角度步進為0.2°。電磁計算的頻率設置為8～12 GHz,頻率步進為0.02 GHz。

3 角反射器極化旋轉域特性分析

本節將基于極化旋轉域特征分析兩種角反射器的極化旋轉域特性。詳細分析兩種角反射器的極化旋轉域特征隨方位角度、頻率和海況等級的變化規律。

3.1 方位角度的影響

圖7給出了八面體角反射器和二十面體角反射器的RCS分布。從圖7中可以看出,兩種角反射器的主極化通道的RCS整體上要高于交叉極化通道。二十面體角反射器主極化通道的RCS隨著方位角波動較大;八面體角反射器主極化通道的RCS變化較為平緩,但在±45°和±135°附近出現劇烈起伏,且達到最大值。根據八面體角反射器的結構可知,在±45°和±135°附近角反射器由三面角結構變為二面角結構,因此RCS起伏劇烈。對于八面體角反射器,隨著方位角的變化交叉極化通道RCS始終較弱且低于0 dB。而對于二十面體角反射器,其交叉極化響應隨著方位角波動較大,在±30°、±44°、±102°、±116°和±174°附近交叉極化通道RCS達到最大且與共極化通道RCS接近。這是由于在上述方位角度下,出現不同取向性的二面角結構,使得交叉極化通道RCS增大。

3.2 頻率的影響

本節研究不同雷達頻率對角反射器極化旋轉域特征的影響。圖8和圖9給出了頻率分別為8 GHz、9 GHz、10 GHz、11 GHz和12 GHz的極化旋轉域特征隨方位角的變化。在5個不同頻率下,八面體角反射器滿足旋轉不變的方位角區域分別為88.60%、89.57%、90.03%、89.60%和88.81%;二十面體角反射器滿足旋轉不變的方位角區域分別為94.46%、94.46%、95.84%、95.84%和95.84%。可以看出,相對于方位角度的影響,雷達頻率對極化旋轉域特征影響較小。不同頻率下各極化旋轉域特征呈現一致的規律,僅在特定角度下略有差異。實驗結果表明，在X波段范圍內角反射器的極化旋轉域特性對雷達頻率不敏感,兩種角反射器仍在大角度范圍內滿足極化旋轉不變。

3.3 海況的影響

4 極化旋轉域特征可分性分析

為驗證上述極化旋轉域特征可以有效對艦船和角反射器進行區分,本節對比分析了艦船目標的極化旋轉域特性。艦船模型如圖14所示，艦船長為154 m,寬為18 m,高為40 m。圖15為艦船目標的極化旋轉域特征隨方位角的變化。從圖15中可以看出,相比于八面體角反射器和二十面體角反射器,艦船目標的極化旋轉域特征起伏劇烈,其在整個方位角內有大量為旋轉變化性的區域。這是由于艦船目標通常結構更為復雜,具有多個強散射中心,其散射特性不具備旋轉不變性。通過計算可得艦船目標僅有11.63%的方位角區域滿足旋轉不變性。

表1 極化旋轉域特征的可分性

5 結 論