粗糙海面舰船目标RCS研究∗

(哈尔滨工程大学信息与通信工程学院,黑龙江哈尔滨150001)

0 引言

由于海面自身的条件随机多变的特性,海洋表面浮油后会改变海面的电磁特性,对目标雷达散射回波造成影响。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。Kookhyun等运用准静态的理论,研究了海面波浪影响下,运动的舰船目标RCS(雷达散射截面积)[1];Chou研究得出海面后向散射系数随着风速的变化情况[2];Pinel研究了浮油海面对RCS的影响[3];国内任新成等人基于分形海面模型的基础上,分析了分层海面磁散射特性[4];丁昊等通过实测数据,分析了海杂波的多普勒特性[5];李文兴等通过建模仿真,研究了海情和蒸发波导共同制约条件下的海面目标RCS的特性[6]。

本文主要从不同海面环境及海面浮油下,研究舰船目标雷达散射回波的情况;在此基础上,同时考虑多种因素,在海面浮油环境下,改变海情等级、蒸发波导高度,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。

1 相关理论

1.1 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,按照电磁散射理论观点定义远场RCS的表达式为

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。

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,通常表示为归一化雷达散射截面(NRCS)或雷达散射系数[7],在远场条件时NRCS为

式中:Ei为入射波;Es为接收粗糙面的散射波;ki为入射波波数矢量(1/m);ks为散射波波数矢量(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为接收点到入射波能量的粗糙面的面积(m2)。

对于后向散射的雷达的接收情况,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

1.2 分层粗糙面散射理论

如图1所示,上层粗糙面S0和下层粗糙面S1将空间分为3部分,上层区域介质为Ω0(ε0,μ0),中间层介质为Ω1(ε1,μ0=μ1),下层介质为Ω2(ε2,μ0=μ2),其中εi(i=0,1,2)为各区域的相对介电常数。

图1 分层介质粗糙面散射示意图

考虑到入射波ψi(r)会入射到如图1所示的介质粗糙面上,假定ψ0(r)和ψ1(r)分别代表粗糙面S0上表面和下表面任意一点的总场,它们满足边界方程[4]:

式中,G0(r,r′)和G1(r,r′)分别为空间Ω0和Ω1中的格林函数,^n为粗糙面S0上任意一点的法向量。ψ0(r)和ψ1(r)满足边界条件:

式中:V1(x)=ψ0(r)|r∈S0;V2(x)=u(x)=对于垂直极化(VV)有ρ=ε1/ε0,对于水平极化(H H)有ρ=1。通过解矩阵方程(8),可以求得介质粗糙面上方的ψ0(r),再结合基尔霍夫近似法得到透射波上方任意一点的总场为ψ(r)=进而求得散射系数表达式如下:

2 仿真与结果分析

本文研究岸-目标雷达探测情况,海水介电常数为81,石油介电常数为2.25。以图2所示的舰船目标(长154 m、宽17 m、上层建筑距船底17 m)为例。

图2 舰船CAD模型

文中采用大型专业电磁软件Ship-EDF,该软件在散射场和辐射场的电磁计算方面有着成熟的技术,采用PO(物理光学法)和PTD(物理绕射法)算法分析目标在光学区的目标散射回波,分别对不同海情、浮油海面、粗糙浮油海面三种情况来讨论目标RCS,针对数值结果对海面散射现象进行深入分析。

2.1 不同海情目标RCS研究

海洋环境参数和雷达参数直接影响海面目标的散射系数,而海面环境受很多因素的影响。其中海面上方风速对海面起伏影响最大,风将能量传递给海浪,产生不同高度的海浪,从而形成不同等级的海情。

国际标准海情等级的划分如表1所示。根据上述标准,生成的不同海情等级海面舰船模型如图3所示。

表1 采用国际海情标准的基本参数

图3 1级、3级和5级海情海面舰船模型

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导致雷达存在探测盲区,同时也能够实现雷达超视距探测。

参照雷达天线高度h=50 m,目标距离L1= 2 km,频率为3 GHz,分别在1级、3级和5级时对舰船雷达回波进行仿真。

如图4所示,在h=50 m,L1=2 km条件下,随着海情等级的增加,舰船RCS降低,说明海面越粗糙,在入射波方向上的海面与舰船之间的耦合散射减弱。

如表2所示,在上述条件下,无论是平均值,还是主要分析目标的90%区域,舰船RCS都随着海情等级的增加而降低。3级海情舰船RCS比1级海情舰船RCS平均值低4.69 dBsm;5级海情舰船RCS比1级海情舰船RCS平均值低21.57 d Bsm。可见海情对RCS的影响特别大。

图4 舰船RCS随海情等级变化对比曲线(h=50 m,L1=2 km)

表2 不同海情等级仿真结果统计(h=50 m,L1=2 km) d Bsm

下面讨论海情变化对舰船RCS的影响与入射角的关系。参照雷达天线高度h=50 m,频率为3 GHz,目标距离L2=5 km,L3=8 km,分别在1级、5级时对舰船雷达回波进行仿真。

从图5和图6不难发现,随着h/L值减小,即入射角减小,海情对舰船RCS的影响越小,在入射波方向上的海面与舰船之间的耦合散射变化很小,所以回波中目标散射回波贡献非常大。

从表3和表4可以看出,随着h/L值减小,舰船RCS受海情等级增加的影响越来越弱。L2= 5 km时,5级海情舰船RCS比1级海情舰船RCS平均低4.54 d Bsm;L3=8 km时,5级海情舰船RCS比1级海情舰船RCS平均低1.7 dBsm。

图6 舰船RCS随海情等级变化对比曲线(h=50 m,L3=8 km)

表3 不同海情等级仿真结果统计(h=50 m,L2=5 km) dBsm

表4 不同海情等级仿真结果统计(h=50 m,L3=8 km) dBsm

2.2 浮油海面目标RCS研究

取雷达天线高度h=50 m,目标距离为2 km,频率为3 GHz,海情等级为3级,油层介电常数ε1=2.25+i0.01,海水介电常数ε2=70.4+i40.6[3],油层厚度H1=0.05λ,对舰船雷达回波进行仿真。

如图7所示,海面浮油后,舰船RCS值增大,分析其原因为:由于海面上层浮油,导致海面粗糙度降低,在入射波方向上的海面与舰船目标之间的耦合散射回波增强。

图7 海面与浮油海面舰船RCS对比曲线

从表5可以看出,浮油海面上舰船RCS比正常海面的值高。下面讨论不同油层厚度对舰船RCS的影响。

表5 不同海面仿真结果统计 dBsm

在其他条件不变的情况下,分别取油层厚度H1=0.05λ,H2=0.1λ,H3=0.2λ对舰船雷达回波进行仿真。

如图8所示,随着油层厚度的增加,海面粗糙度逐渐降低,舰船RCS值增大,入射波方向上的舰船与目标之间的耦合散射回波变得越来越强。

图8 不同油层厚度舰船RCS对比曲线

从表6中可知,随着油层厚度的增加,舰船RCS值变大,H2=0.1λ比H1=0.05λ时的舰船RCS值平均高1.2 d Bsm;H3=0.2λ比H1=0.05λ时的舰船RCS值平均高2.33 dBsm。

表6 不同油层厚度仿真结果统计 dBsm

2.3 粗糙浮油海面目标RCS研究

浮油海面舰船RCS不但受油层厚度的影响,也受到海情的影响,下面对海面浮油情况下,不同海情对舰船RCS的影响进行分析。其他条件不变,油层厚度H=0.1λ,分别对1级、3级和5级时舰船雷达回波进行仿真。

如图9所示,浮油海面舰船RCS值随着海情等级的升高而减小,说明海情等级增加,海面变得粗糙,在入射波方向上的目标与雷达之间的散射回波变弱。下面通过数据统计进一步讨论。

图9 浮油海面舰船RCS随等级海情变化对比曲线

通过表7不难得出,在油层厚度H=0.1λ的情况下,3级海情舰船RCS比1级海情舰船RCS平均值低2.6 d Bsm;5级海情舰船RCS比1级海情舰船RCS平均值低15.83 dBsm。

表7 不同海情仿真结果统计(H=0.1λ) dBsm

对比表2和表7的仿真结果,海面浮油后,海情对舰船RCS的影响比正常海面对RCS的影响要小,由于油层的存在,降低了海面的粗糙度,海情对海面粗糙度的影响变弱。

3 结束语

在实际的海面环境下,海面目标的散射受多种因素的影响。本文分别研究了不同海情对舰船RCS的影响与入射角之间的关系,浮油海面舰船RCS,以及浮油海面情况下不同海情对舰船RCS的影响。通过仿真得出,随着入射角的降低,海情对目标RCS的影响变弱;浮油海面使舰船RCS值升高,并且油层厚度H越大,值越高;浮油海面情况下海情等级增加,舰船RCS值降低,但其变化程度比正常海面小。相信本文的研究结果对海面雷达侦测问题提供参考依据。

[1]KIM K,KIM J H,KIM Y H,et al.Numerical Investigation on Dynamic Radar Cross Section of Naval Ship Considering Ocean Wave-Induced Motion[J]. Progress In Electromagnetics Research M,2012,27 (1):11-26.

[2]CHOU H T,JOHNSON J T.A Novel Acceleration Algorithm for the Computation of Scattering from Rough Surfaces with the Forward-Backward Method [J].Radio Science,1998,33(5):1277-1287.

[3]PINEL N,BOURLIER C,DECHAMPS N.Spectrum of Rough Sea Surfaces Covered in Oil:Consequences on the Radar Cross Section[C]∥2007 European Microwave Conference,Munich:IEEE,2007: 1546-1549.

[4]任新成,郭立新.基于改进二维分形海面模型的分层海面电磁散射分析[J].上海航天,2009(4):1-6.

[5]丁昊,李建忠,安昕,等.实测海杂波数据的多普勒谱特性[J].雷达科学与技术,2012,10(4):400-408, 420.

DING Hao,LI Jian-zhong,AN Xin,et al.Doppler Spectra Property of Measured Sea Clutter Data[J]. Radar Science and Technology,2012,10(4):400-408, 420.(in Chinese)

[6]李文兴,朱太平,赵中洋.基于海情和蒸发波导的舰船目标RCS研究[J].微处理机,2014(4):35-38.

[7]许小剑,李晓飞,刁桂杰,等.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.