雷达目标动静态多极化回波仿真分析*

李亭，刘宇

(中国人民解放军91336部队，河北 秦皇岛　066326)



仿真技术

雷达目标动静态多极化回波仿真分析*

李亭，刘宇

(中国人民解放军91336部队，河北 秦皇岛066326)

摘要：针对建立雷达目标动态多极化回波模型问题，提出了一种基于FEKO软件的快速多极化动态RCS仿真方法。首先通过静态目标多极化回波仿真得到全空域RCS数据，再根据预先设定的两种航迹，经过坐标转换得到雷达相对于飞机的实时方位和俯仰角，最后通过仿真得到HH，VH，VV和HV 4种极化方式的动态RCS序列。仿真结果可为目标隐身与反隐身技术研究提供参考。

关键词：多极化；回波；坐标转换；静态目标；动态目标；雷达散射截面

0引言

雷达目标回波模型主要分动态和静态2个方面，对动态模型的研究对作战具有更高的实际应用价值。动态回波模型的获取主要有外场实际测量和仿真计算2种方式。外场实际测量对环境和成本要求高，因此仿真计算成为获取动目标回波数据的必然选择[1-2]。大部分目标在不同姿态角下，对于不同极化方式的电磁波散射是不同的，并且对于大多数目标来说，经过目标散射之后，入射场的极化方式与散射场的极化方式有较大改变，这种现象称之为退极化现象[3-5]。因此在对雷达目标回波信号进行仿真分析时需要分析不同极化方式下目标RCS的极化特性[6-7]。文献[8]提出了利用雷达目标的运动航迹求解雷达动目标姿态角的方法并给出动态雷达目标RCS。文献[9]仿真计算了典型隐身飞机在3个不同频率下2种主极化的全向动态RCS特性。文献[10]运用空气动力学原理提出一种非合作目标动态RCS仿真方法，获取了隐身攻击机在4种典型航路下的动态RCS特性数据。

本文主要研究动目标的多极化回波模型。首先通过静态目标仿真得到4种极化方式下的全空域RCS数据，再根据预先设定的2种航迹经过坐标变换得到雷达相对于飞机的实时方位和俯仰角，最后通过仿真得到4种极化方式下的动态RCS序列。

1静态目标多极化回波仿真

RCS是表征雷达目标对于照射电磁波散射能力的一个物理量，定义为单位立体角内目标朝接收方向散射的功率与从给定方向入射于该目标的平面波功率密度之比的4π倍[11-12]。即

(1)

由于雷达一般采用高频波段，因此人们关心的是飞机目标在光学区的散射特性。目前，许多成熟的电磁计算软件都是基于高频近似方法进行计算的，计算方便快捷且结果准确，因此，本文采用电磁仿真软件FEKO来计算飞机的全空域静态RCS，如图1所示。由于计算频率较高，选择FEKO中的物理光学法(PO)来求解静态RCS。

图1　飞机全空域求解Fig.1　All space solving of the plane

首先通过3D绘图软件SolidWorks绘制某型飞机的1∶1模型，保存为x_t格式导入FEKO中，在进行电磁仿真计算时，方位角范围取0～360°，俯仰角范围取0～180°，扫描间隔为1°，1 GBZ下得到的HH，HV，VV，VH 4种极化方式的全空域RCS如图2所示。

2动态目标多极化回波仿真

动态仿真区别于静态仿真的机理主要包括：考虑雷达视线在飞机坐标系中的时变姿态角；飞机在飞行过程中姿态的变换；由与空中气流变化和自身工作带来的机身振动[13]。图3为动态仿真流程图。

首先根据设定的航迹解算飞机在雷达坐标系中的实时位置坐标，其次在解算雷达视线在飞机坐标系中时变姿态角时考虑飞机自身姿态的变换，并加入飞机自身的随机抖动模型，最后通过读取静态全方位RCS数据库中相应数据得到实时动态RCS序列。

2.1坐标系变换

(1) 雷达坐标系

在雷达坐标系中，雷达位于坐标原点，取正东方向为x轴，正北方向为y轴，z轴按右手定则确定[14]。雷达与目标之间方位角φ、俯仰角θ和目标距离R关系如图4所示。

(2) 飞机坐标系

在飞机坐标系中，平移雷达坐标系使原点移至飞机目标的质心位置，取平行于机身轴线且指向前方为x′轴，即机头方向，右翼方向为y′轴，z′轴按右手定则确定。目标与雷达之间方位角φ′、俯仰角θ′和目标距离R′关系如图5所示。

设(x,y,z)为雷达坐标系中任意点的坐标，(xt,yt,zt)为飞机在雷达坐标系下的坐标，(xr,yr,zr)为雷达在飞机坐标系下的坐标，则(xt,yt,zt)与(xr,yr,zr)的关系如下式所示。

(2)

式中:C为从雷达坐标系到飞机坐标系的变换矩阵。

(3)

图2　飞机全空域静态RCSFig.2　All space static RCS of the plane

图3　动态仿真流程图Fig.3　Flow chart of dynamic simulation

图5　飞机坐标系Fig.5　Plane coordinate system

式中：θ，φ,η分别表示飞机质心在雷达坐标系下的俯仰角、方位角和滚转角，如图6所示。

图6　飞机姿态角Fig.6　Attitude angle of plane

2.2航迹设定

本文设定2种典型动态航迹，第1种为直线俯冲飞行，如图7a)所示，在雷达坐标系中(0，20，2)km位置处匀速飞往(20，0，1)km点处，速度为v=100 m/s；第2种为侧站盘旋飞行，如图7b)所示，在以距离雷达20 km，1 km高空处为圆心，半径r=10 km、速度v=100 m/s做匀速盘旋飞行，假设飞机的俯仰角θ=5°，滚转角η=30°，箭头指向代表飞机航向。

2.3随机扰动模型

飞机在实际飞行过程中，由于气流的不确定性、背景噪声、 雷达自身抖动以及飞机的性能等多方面的原因，将会引起飞机的抖动，引起抖动的原因比较复杂，飞机的抖动是一个随机过程。飞机飞行环境对目标造成的扰动主要影响是会造成目标姿态的扰动，从而在目标的回波中产生附加的调制频谱分量，随机扰动对在飞机自身坐标系中的目标的影响主要有目标的俯仰角和偏航角的抖动[15]。引入一种飞行抖动模型：

(4)

式中：φt，θt分别为t时刻在飞机坐标系中的俯仰角和偏航角的扰动量；rand1(t+1)，rand2(t+1)分别为在[-1,1]上的正态分布；ρ=e(-Δt/T)，T为飞机目

标的扰动周期，Δt为采样间隔；σφ，σθ分别为方位角和俯仰角的扰动方差。

2.4姿态角解算

假设飞机在雷达坐标系中的位置为(xr,yr,zr)，则经过坐标变换即可得到雷达在飞机坐标系中相应的位置(xb′,yb′,zb′)，即为雷达视线坐标，因此实时视线姿态角θ(t)和φ(t)为

(5)

根据如图7所示设定的2种航迹，加上随机扰动模型的影响，飞机直线俯冲飞行航迹与侧站盘旋飞行航迹的视线姿态角随时间变化曲线分别如图8，9所示。

2.5仿真计算

图10，11分别为直线俯冲航迹和侧站盘旋航迹相应的多极化动态RCS变化曲线，从图中可以看出，由于飞机姿态角随时间动态变化，相应的4种极化方式动态RCS均具有较大起伏。一般主极化RCS要大于交叉极化，但也存在某时刻交叉极化RCS值较大的现象。表1，2分别为直线俯冲航迹和侧站盘旋航迹4种极化方式的动态RCS数据统计特征参数对比，从表中可以看出，在2种航迹下主极化的动态起伏均比交叉极化的变化更加剧烈，且主极化的RCS值平均要比交叉极化大10 dB以上，同时，通过对比2种主极化方式还可以看出水平极化的RCS平均值要大于垂直极化。

图7　飞行航迹示意图Fig.7　The schematic of flight track

图8　直线俯冲时视线姿态角动态曲线Fig.8　Dynamic attitude angle curve by straight diving

图9　侧站盘旋时视线姿态角动态曲线Fig.9　Dynamic attitude angle curve by side hovering

图10　直线俯冲多极化动态RCS仿真结果Fig.10　Dynamic multi-polarization RCS results by straight diving

图11　侧站盘旋多极化动态RCS仿真结果Fig.11　Dynamic multi-polarization RCS results by side hovering

表2　侧站盘旋动态RCS数据统计特征参数对比

3结束语

本文仿真方法为快速获得动态目标多极化回波模型提供了可行途径，首先通过静态目标多极化回波模型仿真得到4种极化方式下的RCS数据，再根据预先设定的两种航迹通过坐标变换得到雷达相对于飞机实时的方位和俯仰角度，并加入了随机抖动模型，使仿真更加贴近实际，最后通过仿真得到4种极化方式下的动态RCS序列。对动目标多极化特性研究具有重要意义，可为目标隐身与反隐身技术研究提供参考。

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Analysis of Dynamic and Static Multi-Polarization Echoes Simulation of Radar Target

LI Ting, LIU Yu

(PLA，No.91336 Troop,Hebei Qinhuangdao 066326，China)

Abstract:Aiming at the problem of building the model of dynamic and static multi-polarization echoes of radar target, a method of simulating dynamic multi-polarization RCS by FEKO is proposed. Firstly, RCS data of total space is obtained through static multi-polarization echoes simulation. Secondly, plane’s attitude angel is obtained through coordinate transformation by the two certain tracks in advance. Lastly, the dynamic RCS of HH, VH, VV and HV four polar types are calculated by simulation. The simulation results can provide a support on studying the technology of stealth and anti-stealth.

Key words:multi-polarization； echoes； coordinate transformation； static target; dynamic target； radar cross section

*收稿日期：2015-04-06；修回日期：2015-07-07

作者简介：李亭(1989-)，男，江苏江都人。硕士，助工，主要从事目标特性研究。

通信地址：066326河北省秦皇岛市杜庄镇754信箱E-mail：liting89720@126.com

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2016.02.035

中图分类号：TN955；TP391.9

文献标志码：A

文章编号：1009-086X(2016)-02-0222-07