基于星载GNSS-R探测的目标双基RCS分析

刘馨宁，黄 宇，孙协昌，李 勐

（航天恒星科技有限公司 北京　100086）

基于星载GNSS-R探测的目标双基RCS分析

刘馨宁，黄 宇，孙协昌，李 勐

（航天恒星科技有限公司 北京100086）

针对星载GNSS-R地（海）表探测应用中的目标双基RCS进行了分析：首先阐述了RCS的定义以及几种典型目标的单基站后向RCS计算方法；然后以此为基础分析了双基站目标RCS的影响因素，并以散射收发角度为例通过图示说明其对这几种典型目标双基RCS值的影响；最后通过将GNSS信号性质代入双基RCS运算中得到了基于GNSS-R探测的几种典型目标的双基站RCS，并通过仿真得到了这几种目标在GNSS-R遥感探测应用背景下的双基RCS与收发角度的关系图。

双基RCS；星载GNSS-R；被动式探测；目标识别；RCS仿真

星载GNSS-R（GlobalNavigationSatelliteSystem-Reflection，即全球卫星导航系统反射信号）探测技术是依靠GNSS卫星对地覆盖的信号资源发展起来的新兴遥感技术，通过将已有的GNSS卫星作为信号源、接收并解析其地（海）表的反射回波来实现地（海）表各项物理参数测量以及大型目标探测识别等应用［1-3］。由于在这种无源被动式探测过程中接收端不需要额外发射电磁波，因此该应用具有全天候覆盖、隐蔽性强、抗电子侦察等优势［4］。而其中目标探测识别应用所利用的性质就是待探测目标（主体多为金属）与背景中土壤、海水等介质的反射能力的巨大差异，而衡量这种物体反射能力的物理量就是RCS（Radar Cross Section），即雷达截面积［5-6］。

RCS是表征目标在雷达探测波照射下的散射强度特性的物理量，金属与背景不同的散射特性使得接收端可以通过计算对比某区域回波的功率强度来探测和识别目标。除了材质本身的电参数以外，目标RCS还受包括发射波的频率及波形、雷达波入射角度以及散射波接收角度、探测波的极化方式及接收天线极化方式、目标的尺寸、形状、吨位、（海面目标）吃水深度等诸多因素的影响［7］。

目标探测系统的结构组成可以根据收发端位置关系分为单基站和多基站两种。传统的自发自收雷达便是典型的单基探测系统，安装在雷达上的发射机主动发射的电磁波经过目标反射后由同样位于该雷达上的接收机来进行接收，这种情况下的回波包含的信息对应目标的后向RCS。而在以GNSS-R系统为例的多基站探测系统中，GNSS各卫星信号之间的正交性使得接收机在跟踪某一颗卫星的信号时可以很好地对其他卫星信号进行剔除，即可将其分化为多个双基系统来处理，又由于双基收发分置的性质使其可以不局限于测量目标的后向RCS。在本文所涉及的应用中，由于将GNSS卫星作为信号发射端，探测过程中利用的电磁波的频率、波形、极化方式是确定的，而通过GNSS卫星轨道高度以及发射功率易知目标处入射波功率密度。以GPS卫星L1信号为例，其轨道平均高度为20 200 km，发射的电磁波为中心频率 1 575．42 MHz的BPSK右旋圆极化波，由于极化方式在反射时会发生变化，故对应的接收天线为左旋圆极化接收天线［8］。

RCS作为目标探测的理论基础有着比较重要的研究价值，目前针对单基应用中的RCS的研究比较多，双基应用中的RCS由于推导比较复杂，展开的相关探讨也较少。但在越来越多的被动式双基探测雷达逐步开始研制和推广后，有关于双基RCS的理论研究需求也就日益凸显。本文就是以GNSS卫星信号作为发射端，低轨星载接收机作为接收端的GNSS-R双基目标探测作为应用背景，有针对性地研究该应用中典型目标RCS。在文章结构安排上，文中第2节主要介绍了RCS的定义、几种简单目标的单基RCS计算方法；第3节中推导了GNSS-R探测应用中几种简单目标的RCS计算方法；第4节对前文的RCS计算公式进行了仿真；最后第5节对全文进行总结，并讨论下一步的研究方向。

1　RCS定义及计算基础

1.1RCS定义

电磁波在传播过程中遇到粗糙障碍物（目标）时便会发生散射，此时的散射波按照计划方式来划分可分为主极化（Principal Polarization，PP）和正交极化（Orthogonal Polarization，OP）两部分，其中主极化代表与接收天线相同的极化方式，而主极化波的散射能量也决定了由接收天线观测的目标RCS值［9］。当目标被探测信号照射时，可将其看作一个新的信号源，故目标散射场也存在近似于球形波阵面的近场以及近似平面波阵面的远场。由于在星载GNSS-R应用中接收端距离海面目标较远，在本应用中目标散射波的接收可直接按远场情况进行处理。

图1　GNSS-R探测结构Fig．1　Satellite-borne GNSS-R remote sensing system

GNSS-R探测结构如图1所示，其中R表示接收机与目标的距离，Pi表示探测波到达目标附近的功率密度。假设接收卫星与海面目标距离为R，目标处的入射探测信号功率密度为Pi，在接收机方向上的目标附近散射回波功率密度Pr可表示为：

其中σ表示在特定入射角度和接收角度条件下的双基探测散射截面积，而若将与目标距离为R的接收端处的散射回波功率密度设为Por，则有：

由式（1）和（2）可得：

又已知接收天线位于散射场的远场区域，因此可得目标在雷达信号特定发射角度和接收角度条件下的双基探测RCS为：

1.2典型目标RCS

1）导体圆球

在其他影响因素一定的条件下，假设圆球的半径为a，探测波的波长为λ，则导体圆球的RCS与2πa/λ存在如下关系：

图2　导体圆球RCS与频率及半径关系Fig．2　Relationship between conducting sphere RCS and frequency，radius

由图2可知，在雷达波波长一定时，导体圆球的RCS计算可按照圆球尺寸不同分为3种情况：瑞利散射区、梅氏谐振区、光学（高频）区，由于在本应用中所采用的GPS的L1波段波长约为0．190 m，带入后可知当导体球半径满足a＜0．030 m时，处于瑞利区；当0．030 m＜a＜0．30 m时，处于谐振区；当a＞0．30 m时，处于光学区。鉴于海面探测应用中的被探测目标尺寸较大，因而可以按光学（高频）区来进行后续的RCS处理，可知此时有：

2）导体矩形平面

当尺寸一定时，导体矩形平板的RCS主要受探测信号波长以及入射角影响。对于边长为a，b的导体矩形平板，当其在以入射角θ1被探测信号照射并以在散射角θ2方向上接收时的RCS可以通过如下公式计算：

需要提及的是，在大入射角（即探测信号入射方向与平板法线方向夹角过大）的情况下，需要应用几何绕射理论或等效电流法来计算RCS值。

3）导体（椭）圆柱

图3　导体椭圆柱Fig．3　Conducting elliptic cylinder

如图3所示，设椭圆柱高为H，截面短半轴、长半轴分别为r1、r2，为由原点指向接收端的方向向量，φ和θ分别表示与x轴以及z轴的夹角，则此时有：

当r1=r2时（即圆柱），可由（7）推导出（8）：

2　典型目标双基RCS

在上一节中已对几种典型目标的单基RCS进行了简要的介绍，在本节中将对这几种目标基于双基探测条件下的RCS进行分析。

2.1导体圆球

由于双基探测应用中收发端的位置不同，此时目标RCS除了与前文提到的单基RCS影响因素有关，还需要参考发射端和接收端相对于目标的位置。当一个半径为0.3 m的金属球被探测信号照射且探测信号频率固定时，其RCS值与发射-接收夹角的关系如图4所示。

图4　导体圆球双基RCSFig.4　Bistatic RCS of conducting sphere

2.2导体矩形平面

设矩形平面尺寸为2 m*2 m，电磁波由与垂直该平面方向入射，则可得到该平板RCS值与发射-接收夹角的关系如图5所示。

图5　导体矩形平面双基RCSFig.5　Bistatic RCS of conducting rectangular plate

2.3导体圆柱

设圆柱横截面半径为0.5 m，高为2，电磁波由垂直轴心方向入射，则可得到该平板RCS值与发射-接收夹角的关系如图6所示。

图6　导体圆柱双基RCSFig.6　Bistatic RCS of conducting cylinder

3　基于GNSS-R探测的目标双基RCS仿真

前文阐述了几种典型目标的单基RCS计算公式以及双基RCS与收发端夹角的关系，本节中将对已知收发夹角的GNSS-R应用中目标双基RCS进行仿真，由于双基RCS的影响因素较为复杂，这里只选择了收发角度作为自变量来观测其对RCS的影响，即在分析过程中假定其他影响因素是恒定不变的。即固定目标形状、尺寸以及探测信号发射频率和极化方式等影响因素后通过仿真来说明目标双基RCS与收发角度的关系。参数设置如表1所示：

表1　仿真参数设置Tab.1 Simulation parameters setting

在本应用中频率取GPS系统L1波段，即1 575.42 MH，对应波长λ约为0.190 m。通过仿真可以得到在GPS信号照射下导体圆球双基RCS与圆球（a为半径）尺寸关系图，如图7所示；导体矩形平面的双基RCS与入射角度关系图，如图8所示；导体椭圆柱的双基RCS与入射角度关系图，如图9所示。

图7　GPS信号照射下导体圆球双基RCSFig.7　Bistatic RCS of conducting sphere illuminated by GPS signal

图8　GPS信号照射下导体矩形平面双基RCSFig．8　Bistatic RCS of conducting rectangular plate illuminated by GPS signal

图9　GPS信号照射下导体椭圆柱双基RCSFig．9　Bistatic RCS of conducting cylinder illuminated by GPS signal

4　结束语

文中分析了几种典型目标的单站、双站RCS，并通过将GNSS信号性质代入运算得到了这几种目标在GNSS-R遥感探测应用背景下的双基RCS，在仿真阶段利用仿真图说明了在GNSS-R探测应用中目标RCS与收发端角度的关系。在后续的工作中，会继续研究其他因素对GNSS-R背景下的双基RSC的影响，并着手分析复杂形状目标的双基RCS计算方法，建立对应的数据库，从而增强计算模型的实用性，为后续的GNSS-R目标探测识别应用提供帮助。

［1］Jeffrey A．Smith，Adriano Camps，Christopher W．Fairall，et a1．Airborne GNSS-R wind retrievals using delay-doppler maps［J］．IEEE Transcactions on Geoscience and Remote Sensing，January 2013，51（1）:626-641．

［2］Park H，Valencia E，Camps A，et a1．Delay tracking in spaceborne GNSS-R ocean altimetry［J］．IEEE Transcactions on Geoscience and Remote Sensing，2013，10（1）:57-61．

［3］Park H，Camps A，Valencia E，IEEE Geoscience and Remote SensingSociety2012，InternationalConferenceCenter，Munich，2012［C］//Munich，German:IEEE Computer Society．

［4］Li C，Huang W．Simulating GNSS-R Delay-Doppler map of oil slicked sea surface under general［J］．Progress In Electromagnetics Research B，2013（48）:61-76．

［5］闫伟，杜卫民，董群锋，等．基于ISAR成像的目标大角度RCS外推［J］．计算机仿真，2012，29（4）:35-37．

［6］Gleason S，Towards sea ice remote sensing with space detected GPS signals:demonstration of technical feasibility and initial consistency check using low resolution sea ice information［J］．Remote Sens．，2011，2:2017-2039，2011．

［8］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．

［9］HUANG Pei-Kang，NING Chao，XU Xiao-Jian，et a1．Solution forpolarimetricradarcrosssectionmeasurementand calibration［J］．JournalofSystemsEngineeringand Electronics，2014，25（2）:211-216．

Analysis of the target RCS in satellite-borne GNSS-R remote sensing

LIU Xin-ning，HUANG Yu，SUN Xie-chang，LI Meng
（Space Star Technology CO.，LTD，Beijing 100086，China）

In this work，the bistatic target RCS in satellite-borne GNSS-R remote sensing is analyzed:in the first place，the definition of RCS and the RCS of several kinds of basic targets is stated；secondly，the affecting factors of the bistatic target RCS is illustrated with the example of scattering angle；finally，the properties of the GPS signal is induced into calculating formulas to get the bistatic RCS of these targets in satellite-borne GNSS-R remote sensing，and the relationship between the bistatic RCS and the scattering angle is shown in the simulations．

bistatic RCS；satellite-borne GNSS-R remote sensing；passive detecting；target identification；RCS simulation

TN951

A

1674－6236（2016）02-0124-04

2015-04-15稿件编号：201504156

总装预研基金项目（9140A21010114HT05064）。

刘馨宁（1990—），女，黑龙江哈尔滨人，硕士研究生。研究方向：信号处理，图像处理。