鸟类目标雷达散射特性研究

李 翔

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)



鸟类目标雷达散射特性研究

李 翔

(中国船舶重工集团公司第723研究所，扬州 225001)

鸟类目标雷达散射特性研究逐渐受到重视。首先对鸟类目标的雷达散射特性进行了理论分析，利用实验室数据构造的理论统计模型，估算单只鸟的雷达散射截面(RCS)量级,然后详细介绍了在实验室对鸟类雷达散射截面进行测量的方法和测试结果。

鸟类；雷达横截面；探测

0 引 言

雷达是一种可以用于观察鸟类活动的重要工具。与传统的观察人员用望远镜进行目视观察的方法相比，雷达不仅能够在更广大空域里发现并识别各种鸟类，而且可以计算出大群鸟类飞行的速度和方向，长期跟踪记录鸟类活动规律，更重要的是可以在夜间如同白天一样地进行观测。雷达系统在鸟情信息收集上具有自动化程度高、数据便于分析存储、受天气和光线条件影响小等诸多优点，利用雷达对鸟类目标进行探测也越来越趋于工程化。

雷达与被探测的目标是紧密相关的，雷达的最终目的是为了获取目标的运动轨迹信息以及几何形状、物理参数等特征信息，因此，对鸟类目标雷达散射特性的研究逐渐受到重视。

近年来人们发现，利用雷达跟踪海鸟来发现鱼群，可以有效提高远洋渔船捕捞效率，本文也正是基于863课题“电子助渔技术装备预研”的研究基础，对鸟类目标雷达散射特性进行了研究分析，从理论计算和实验室测量两方面作了介绍。

1 鸟类目标雷达散射特性分析

鸟类目标雷达散射特性主要体现在鸟类周向散射强度的变化(目标闪烁)以及飞行过程中翅膀煽动对雷达回波的影响。对鸟类目标进行计算机建模是理论计算鸟类RCS值的重要手段，但由于鸟类是复杂的生物体，对其进行精确建模非常困难。Moon J R在文献[1]中提出了一种水球建模方法，认为鸟体重的65%由水组成，鸟类目标RCS 主要是由其体内的水反射形成的。但该方法过于粗糙，且对于多种鸟类和工作波长来说，水球模型处于谐振区甚至瑞利区，该方法计算起伏太大，不适于工程应用。文献[2]在通过大量的工程实验测量数据的基础上，给出了单只鸟的RCS值理论计算公式：

(1)

通过该公式仿真，得到了频率分别为3.05 GHz和9.41 GHz时单只鸟平均RCS值随质量的变化曲线，如图1所示。表1列举了部分不同种类成年鸟的典型质量及其RCS值。

图1 单只鸟的平均RCS值随质量变化曲线

表1 不同种类鸟的典型质量及其RCS值

一般来说，电子助渔雷达是对鸟群进行探测跟踪，因此更感兴趣的是鸟群的RCS值，而鸟群的RCS值直接与鸟群密度有关。文献[3]给出了通常情况下不同种类鸟群的密度，如表2所示。

表2 通常情况下鸟群密度

鸟群的RCS值可以根据鸟群的密度推算得出。最简单的假设是每只鸟之间的间隔足够大，且取向和分布随机，忽略鸟之间的互耦影响，鸟群RCS值=单只鸟的平均RCS值×鸟的数量。

通过上述分析，可以计算得出，从S波段到X波段，鸟群的总体RCS值通常情况下大于1 m2，这为雷达估算距离提供了理论依据。

2 系统探测性能分析

由于计算误差、建模方法等原因，理论分析得出的鸟类目标雷达散射特性往往不太准确。为了得到更加真实的数据，在实验室对鸟类目标RCS值进行了测试。目前在国内，类似对活鸟进行RCS测试的例子并不多见，因此测试过程遇到很多难题。

由于海鸟难以捕捉，也难以固定，测试时用体积与海鸟差不多的鸭子作为替代。鸭子重量为1.6 kg，可以作为中小尺寸海鸟的代表。

本次测试的难点之一在于如何将被测的鸭子长时间固定在测试台上。考虑到测试台旋转，选择介电常数与空气相当的泡沫作为固定件，将鸭子两只脚固定在泡沫上后绑在测试台上，可以控制住鸭子不跑，如图2所示。

图2 鸭子固定照

测试的另一难点在于如何保持鸭子被测时的姿态。由于测试台较高，鸭子被固定后缩成一团，脑袋耷拉。在文献[4]中提到，鸭子脖子的伸缩会对测量值有3～4 dB的影响，在测试时用泡沫将鸭脖支撑住，保证鸭脖抬起。另一方面，鸟类翅膀多为羽毛，雷达散射截面较小，同时文献[4]中也强调翅膀的伸展与折叠对测试结果影响不大，因此测试时没有将鸭子翅膀展开。

实际测试时，分别选取S波段和X波段作为测试频段，S波段收发极化方式为水平极化，X波段收发极化方式为垂直极化。鸭头放置在0°，绕鸭身水平旋转360°，测试鸭子一圈的RCS值，得到测量结果分别如图3和图4所示。

图3 S波段海鸟RCS实测值

图4 X波段海鸟RCS实测值

通过上述测试数值，可以看出一只1.6 kg鸭子在频段为S波段时，水平RCS最大值为0.13 m2，在频段为X波段时，垂直RCS最大值为0.095 m2。

根据文献[4]中的介绍，当雷达正对鸟的正前方向时RCS测试值最大，也就是说我们测试时0°的位置应出现最大值，但是通过图3、图4发现测试最大值并不是出现在预期的0°位置，这可能与鸭子固定在测试台上时鸭头的偏置有关。

本次测量实验，是依托某课题开展的实验室鸟类散射特性测试的初步尝试。测量值为雷达探测鸟类目标、提取鸟类信息提供了参考依据，测量方法也为后续实验室进行鸟类RCS测试提供了经验。

3 结论与展望

鸟类目标雷达散射特性研究有着重要的现实意义，有经验的水手会根据不同时期出现的不同种类鸟群判断鱼群的位置与种类。作为鸟类探测系统，雷达可以搜集鸟类目标的多普勒信息和雷达回波图象，根据不同鸟群目标雷达散射特性建立数据库，雷达探测时可实时与数据库比对，进行鸟类目标的识别，这样会更容易发现鱼群，提高远洋捕捞效率。

[1] MOON J R.Effects of birds on radar tracking systems[C]//IEE:Radar Conference,2002:300-304.

[2] ANTONUCCI J.A Statistical Model of Radar Bird Clutter at the DEW Line.AD242202[R].[S.I.:s.n],1991.

[3] VAUGHN C R.Birds and insects as radar targets:a review[J].Proceedings of The IEEE,1985,73(2):205- 227.

[4] BLACKSMITH P J,MACK R B.On measuring the radar cross sections of ducks and chickens[J].Processing of IEEE,1965(8):1125-1128.

Research into The Scattering Characteristics of Bird Targets

LI Xiang

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001，China)

The study of radar scattering characteristics of bird targets becomes more and more important.This article firstly analyzes the radar scattering characteristics of bird targets in theory,and estimates the radar cross section(RCS) of a single bird by means of theory statistical model based on the data measured in lab,then introduces the method and result measuring birds RCS in lab in detail.

birds;radar cross section;detection

2016-07-13

TN957.52

A

CN32-1413(2016)05-0053-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.013