基于海情和蒸发波导的舰船目标RCS研究❋

李文兴，朱太平，赵中洋

（1.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨150001；2.解放军93163部队司令部，哈尔滨150001）

基于海情和蒸发波导的舰船目标RCS研究❋

李文兴1，朱太平1，赵中洋2

（1.哈尔滨工程大学信息与通信工程学院，哈尔滨150001；2.解放军93163部队司令部，哈尔滨150001）

由于海面自身的条件及随机多变的特性，目标雷达散射回波会受到不同程度的影响。分别研究了不同海情、蒸发波导以及两种情况共同制约的状态下，舰船目标雷达散射回波情况，并进行了理论分析和岸-舰情况仿真。结果表明：①随海情等级的增加，目标RCS减小；②随着波导高度的增加，目标RCS增大，且大气湿度对蒸发波导传播有一定影响；③海面的粗糙度会影响蒸发波导传播，随粗糙度的增大，目标RCS会变小。研究结果为海面雷达侦测提供了参考依据。

不同海情；蒸发波导；散射；舰船RCS

1 引 言

海面自身的条件及随机多变的特性，会造成对目标雷达散射回波的影响。目前国内外对海面电磁散射的研究很多，但大多只是对单一影响因素的分析，也很少考虑海面目标雷达回波的情况。国外Kenneth［1］等通过试验研究了蒸发波导环境下气象参量及波导高度对雷达目标探测的影响。Chou［2］研究得出海面后向散射系数随风速的变化情况。国内赵小龙［3］给出了海面蒸发波导环境下雷达波的传输损耗随高度和距离的关系。

以下分别在不同海情以及蒸发波导环境下，研究舰船目标雷达散射回波的情况。在此基础上，同时考虑这两个因素，在蒸发波导环境下，改变海情等级，观察对目标RCS的影响。本研究为海面雷达侦测提供了参考依据。

2 相关理论

2.1 雷达散射截面与散射系数

在发射机和接收机满足远场条件时，照射目标的入射波近似为平面波，雷达散射截面（RCS）只与目标物理结构、雷达参数等有关，而与距离无关。因此，当雷达的发射机与接收机处于同一媒质中时，按照电磁散射理论定义远场RCS的表达式为：

上式中，r为散射场点与散射目标中心的距离，Ei为入射场，Es为散射场。公式表征了各向同性等效散射体的总功率与入射到目标上的功率密度之比。

当考虑到扩展目标往往是相对不确定的随机分布的散射体，不能用雷达散射截面来描述其散射回波时，通常表示为归一化雷达散射截面（NRCS）或雷达散射系数［4］，NRCS在远场条件下表示成：

式中：Ei是入射波；Es为接收粗糙面的散射波；ki是入射波波数矢量（1／m）；ks是散射波波数矢量（1／m），入射方位角、散射方位角与风向一起决定了波数矢量的具体信息；r为接收点到粗糙散射面中心的距离（m）；A0则为接收点到入射波能量的粗糙面的面积（m2）。

对于后向散射雷达的接收情况，存在ks＝-ki。后向散射能量的大小通常由后向散射系数来表述，后向散射系数同NRCS的定义是一致的，表示为：

2.2 蒸发波导

蒸发波导是近海面大气层中经常出现的一种大气波导，它能够陷获一定频率的电磁波而形成雷达探测盲区，同时也能够使雷达实现超视距探测，如图1（a）所示。

电磁波的异常传播是由大气折射率的变化造成的。定义大气折射指数N，可表示为大气温度T、大气压力p和水汽压e的函数，其关系为［5］：

考虑地球曲率的影响，使用修正折射率M如图1（b）所示，其与折射率之间的关系为：

其中，r0是地球半径，z是地面以上高度。得到修正折射率梯度：

当dM／dN＜0时，电磁波被折射向地球传播，如果这个梯度延伸到地面，源于大气层内的电磁波被陷获变成沿地表传播，才能形成大气波导传播。

图1 蒸发波导

在大气中传播的电磁波若要形成波导传播，还要有电磁波频率和入射角的要求［6］。可以推导出地面发射的水平极化的电磁波能形成波导传播的最大波长λkmax与波导高度d及波导层内的大气修正折射率垂直梯度dM／dh之间的关系为

同时电磁波入射角必须小于某一临界角，称为极限仰角：其中，θc是极限仰角，ΔM是波导强度。

3 数值模拟分析

这里研究岸-舰雷达探测情况，以图2所示的舰船目标（长154m、宽17m、上层建筑距船底17m）为例，探测雷达的高度为15m，频率为10GHz。

图2 舰船CAD模型

文中采用大型专业电磁软件Ship-EDF，它在散射场和辐射场的电磁计算方面有着无比成熟的技术。采用PO和PTD算法分析目标在光学区的目标散射回波，计算不同海情、蒸发波导及两种状态相结合时的目标RCS情况，针对数值结果对其散射现象进行深入分析。

3.1 不同海情

海面散射系数主要受海环境参数和雷达参数的影响，而海环境参数则由海面上风速、浪高等来组成，采用的海情如表1所示。

表1 采用国际海情标准的基本参数

根据国际海情等级标准，生成的海面舰船模型如图3所示。

图3 生成的海面舰船模型

不同海情决定了海面的表观形态，海面粗糙程度直接影响后向散射系数的大小和特性分布，这里也考虑了遮蔽效应、多重散射、后向增强效应等方面对目标雷达回波的影响。

如图4所示，分别为不同海情对应的舰船目标雷达回波特性曲线，可见随着海情等级的增大，舰船RCS减小。

图4 1级、3级、5级海情下舰船RCS对比曲线

表2为海情等级分别在1级、3级、5级时对应舰船雷达回波的结果统计，通过对岸-舰情况仿真发现，不论是平均值还是主要分析目标的90%区域内，随着海情等级的增加，目标RCS不同程度减小。

表2 不同海情等级下仿真结果统计（dBsm）

在入射擦地角较小时，海面相干散射分量在回波中占很大比重，由海面形成的多径散射对目标回波的贡献就比较多，且相干反射系数随着海情等级的增加而减小，所以随海情等级增加，目标RCS减小。

3.2 蒸发波导

参照近海面蒸发波导高度为20m，绝对湿度7.5，表面折射指数339，采用海情为1级，计算结果如图5所示。

图5 标准大气环境及不同波导高度下舰船RCS曲线

由图5可见，海面蒸发波导比标准大气环境下舰船RCS回波明显增强，且随着蒸发波导高度的增加，舰船RCS增大。和标准大气环境条件下的传播不同，电磁波被陷获在蒸发波导内，并发生了多次反射传播，波导层内的电磁波传播损耗减小，目标回波明显增强，且在一定范围内，蒸发波导对电磁波的陷获，随着波导高度的增加而增大。

蒸发波导也会受湿度、折射率等因素的制约，图6表达了海面大气湿度对蒸发波导下目标雷达回波的影响。

图6 舰船RCS随大气绝对湿度变化曲线

如图6所示，在蒸发波导环境下，舰船RCS随着海面大气湿度的变化曲线，可以发现随着大气绝对湿度的增加，舰船RCS减小，蒸发波导对电磁波的陷获能力下降。

如表3所示，舰船在蒸发波导环境下比标准大气环境下的雷达回波明显增强，且随着蒸发波导高度增加，舰船雷达回波增强，也就是对电磁波的陷获能力增强。另外，随着大气湿度的增加，蒸发波导对电磁波的陷获能力下降。

表3 标准环境及不同波导高度下仿真结果统计（dBsm）

3.3 蒸发波导环境下不同海情间分析

蒸发波导除了受湿度、折射率等因素的制约，也会受到外界条件的影响［7］。这里分析在蒸发波导环境下，海情等级分别为1级、3级、5级时，舰船雷达回波情况，参照蒸发波导高度为20m，绝对湿度7.5，表面折射指数339。

图7和图8为在蒸发波导环境下，海情等级分别在1级和3级、1级和5级时舰船RCS曲线，可知，在蒸发波导环境下，随着海情等级的增大，目标RCS减小。

图7 蒸发波导下海情在1级和3级时舰船RCS曲线

图8 蒸发波导下海情在1级和5级时舰船RCS曲线

通过表4分析得出，海面粗糙度对蒸发波导下的电磁波传播有一定影响，海面越粗糙，蒸发波导内传播的相干反射能量就越少，从而增大了传播路径损耗，蒸发波导对雷达波的陷获能量减少，从而目标雷达回波变小。

表4 蒸发波导下不同海情的仿真结果统计（dBsm）

4 结束语

在实际海面环境下，海面目标的散射受多种因素影响。分别研究了在不同海情、蒸发波导及共同制约的状态下，舰船目标雷达散射回波情况。通过对岸-舰情况仿真发现，随海情等级的增加，目标雷达回波减小。海面蒸发波导增强了雷达对海面附近目标的探测能力，且随着波导高度增加探测能力增强。同时也发现海面粗糙度对蒸发波导传播有一定影响，海面越粗糙，则有更多的陷获能量被散射掉。研究结果对解决海面雷达侦测问题提供了参考依据。

［1］Kenneth K Anderson.Radarmeasurements at16.5-GHz in the oceanic evaporation duct［J］.IEEE Trans on Antenna and Propagation，1989，37（1）：100-106.

［2］Hsi-Tseng Chou，Joel T Johnson.A novel acceleration algorithm for the computation of scattering from rough surfaces with the forward-backward method［J］.Radio Science，1998，33：1277-1287.

［3］赵小龙，黄际英，王海华.蒸发波导环境中的雷达探测性能分析［J］.电波科学学报，2006，21（6）：891-894，920.

［4］许小剑，李晓飞，刁桂杰，姜丹.时变海面雷达目标散射现象学模型［M］.北京：国防工业出版社，2013，218-224.

［5］H Essen，H.-H.Fuchs，G Lindquist.Influence of atmospheric propagation in themaritime boundary layer on themeasured RCS of ships［J］.in Proc.SPIE，v 7476，2009.

［6］刘成国，潘中伟.中国低空大气波导的极限频率和穿透角［J］.通信学报，1998，19（10）：90-95.

［7］Anderson K D，Paulus R A.Rough evaporation duct（RED）experiment［C］.Proceedings of the Battle space Atmospherics＆Cloud Impact on Military Operations Conference，BACIMO（April 24-27，2000，Fort Collins，USA）.2000.

Research of Ship RCS Based on Sea Conditions and Evaporation Duct

LIWen-xing1，ZHU Tai-ping1，ZHAO Zhong-yang2
（1.College of Information and Communication Engineering，Harbin Engineering University，Harbin 150001，China；2.Forces Command 93163，PLA，Harbin 150001，China）

The RCSof the target is affected by varying degrees for the characteristic and randomness of the sea surface.The paper studies on the RCS of the ship in different sea condition，evaporation duct condition and the mutual conditions mentioned above.The theoretical analysis and the shore-ship simulation are conducted aswell.The results show that the target RCS reduces with the increase of sea level；the RCS increases with the increases of evaporation duct height，and the evaporation duct propagation is influenced by air humidity；the evaporation duct propagation is effected by the sea roughness，the target RCS decreaseswith the increases of sea roughness.The research provides reference for the radar detection.

Sea condition；Evaporation duct；Scattering；Ship RCS

10.3969／j.issn.1002-2279.2014.04.012

TN391.9

：A

：1002-2279（2014）04-0035-04

国家安全重大基础研究计划（6131380101）

李文兴（1960-），男，黑龙江省哈尔滨人，教授，主研方向：天线、电磁散射等。

2014-01-13