无线电引信海面后向散射系数仿真分析

苏益德，路 明，臧 伟

(1.海军航空工程学院 a.研究生管理大队； b.兵器科学与技术系， 山东 烟台 264001；2.海军92635部队，山东 青岛 266300)

【装备理论与装备技术】

无线电引信海面后向散射系数仿真分析

苏益德1a，路 明1b，臧 伟2

(1.海军航空工程学院 a.研究生管理大队； b.兵器科学与技术系， 山东 烟台 264001；2.海军92635部队，山东 青岛 266300)

针对无线电引信在海杂波背景下目标检测问题的需要，在分析入射余角、工作频率、极化方式以及海面状态对后向散射系数影响的基础上，给出了海杂波对引信信杂比的影响，并对Morchin模型和双尺度粗糙面复合模型两类海面后向散射模型进行仿真和拟合；仿真结果表明：在大入射余角条件下，较双尺度粗糙面复合模型，Morchin模型能够取得更好的拟合效果，更有效地反映无线电引信超低空工作时海面后向散射系数。

无线电引信；海面后向散射系数；Morchin模型；双尺度粗糙面复合模型

防空导弹在攻击海上超低空目标时，由于海面的复杂性和多变性，海面对引信发出无线电波的后向散射会形成强烈的海杂波，对引信形成干扰，导致引信误动作。为提高无线电引信超低空工作性能，要增强引信抑制海杂波、提取目标信号的能力[1]。要实现这个目标，首先要弄清海面的后向散射特性。

海面是动态变化的，不同时间、不同海面状况，引信天线接收的海杂波特性都有很大的不同。同时海面后向散射强度与入射余角、工作频率、极化方式等引信参数有关。因此，许多海面后向散射系数模型即使在相同条件下，计算结果也会相差几十dB。现有的海面后向散射系数模型主要包括两类：一类是基于统计特性，如TSC、GIT、Morchin模型等[2-4]；另一类是基于粗糙面散射理论，如小平面模型、双尺度模型[5]。本文依据两类模型中Morchin模型和双尺度粗糙面复合模型，对不同海情条件下的海面后向散射特性进行仿真分析，并与实验所得经验公式的计算结果进行拟合，为研究无线电引信海面超低空工作性能提供参考。

1 海面后向散射系数

1.1 海面后向散射系数的特性

无线电引信利用目标的电磁散射特性对目标进行探测，海表面回波会干扰目标信号。海面属于分布目标，它所呈现的有效散射面积是用引信波束的照射面积乘以散射系数σ0。即：

(1)

式(1)中，A为引信照射的海面面积，σ被照射面积的雷达散射截面。

σ0是两种类型参数的函数：一种是引信参数，入射余角、工作频率及极化方向；另一种是海洋环境参数，如浪高、风速、风向等[4]。

1) 入射余角的影响。海面后向散射系数与入射余角的关系是海杂波研究重要课题。后向散射系数σ0与入射余角φgr的关系如图1所示。

图1 后向散射系数与入射余角的关系

研究表明,海面后向散射特性随入射余角的变化可粗略分成3个区域[6]:

准镜面区：对电波的反射如同镜面，且σ0值最大。在准镜面区，后向散射系数与表面粗糙度成反比变化，在完全光滑的表面垂直入射得到最大后向散射系数。同时后向散射系数随入射余角的增加而减小。

平直区：σ0随入射余角的的变化不是很大，且σ0随海面粗糙度的增加而增加。过渡角φt通常约为60°，它随着海面粗糙度的变化而改变。

干涉区：在此区内直接回波和海面回波相互干涉，σ0随入射余角的变小而急剧变小。临界角φc通常φc<10°，且随着海面粗糙度和频率而改变。

2) 工作频率的影响。海杂波与引信工作频率的关系是相当复杂的且难以精确测量，一方面由于海面状况的描述不够充分且σ0对海环境的变化极为敏感，另一方面由于利用引信测量很难进行。

图2给出了中等海面状态，频率范围50 MHz到X波段，后向散射系数σ0与入射余角φgr的关系曲线。依据图2可知，对于一定的入射角和相同的极化方向，σ0随着频率的增高而加大。

图2 中等海面状态下后向散射系数σ0曲线

4) 海面状态的影响。海面状态以风速、浪级和风向对σ0的影响最大，而浪级又与风速有关。风越大海浪越大，海面越粗糙，在平直区对电波的散射越强。即σ0随风速的加大而增大；海面无风平静时，σ0很小。但对于接近垂直入射时，正好相反。海面平静时构成镜面反射，σ0很大；而当风速加大时，反射迅速减弱，σ0变小。

1.2 海杂波对引信探测信杂比的影响

海杂波的出现，改变了引信输入与接收机输出的信杂比，使引信的启动特性受到破坏，导致引信与战斗部的配合效率降低[8]。

根据雷达方程，在假定目标和杂波的方向图因子均为1的情况下，信杂比可写成：

(2)

式(2)中，σ1为目标雷达散射截面，σ0海面后向散射系数，A为引信照射的海面面积。

在目标的雷达散射截面和引信照射面积一定的情况下，引信的信杂比与海面的后向散射系数成反比关系。即海面后向散射系数越大，信杂比越小，目标信号检测能力越弱。引信探测目标时，实时探测信杂比必须大于最小可检测信杂比，因此海面的后向散射系数必须小于一定的值，否则严重影响目标检测能力。

2 海面后向散射系数的模型

海面后向散射系数的模型包括两类：一类基于实验数据分析拟合建立模型，利用统计学方法对动态海面的回波信号进行建模；另一类基于粗糙面散射理论建立模型，对海杂波强度与环境参数、引信参数关系进行建模。在此分别选取两类建模方式中的Morchin模型和双尺度粗糙面复合模型进行仿真分析。

2.1 Morchin模型

Morchin模型[4]是一种较为简化的海杂波模型，是基于实验数据的拟合分析建立的模型，易于工程实践，不考虑极化方向对海杂波的影响，但考虑了接近垂直照射时的镜面反射分量。其表达式为

(3)

式(3)中：ss为海情级数(0～5级)；φg为雷达波束的入射角；he≈0.025+0.046ss1.72，单位是m，表示海面粗糙度，在五级海情时，he≈0.75；φc=arcsin(λ/4πhe)，单位是rad；β=[2.44(ss+1)1.08]/57.29，单位是rad。

2.2 双尺度粗糙面复合模型

模型将粗糙海面简化为两种尺度粗糙表面，认为海面是由大尺度的风浪和浪涌叠加小尺度的波纹、泡沫和浪花构成的。入射角较大时，散射特性由小尺度粗糙度支配，主要散射形式是Bragg散射；当入射角较小时(一般小于30°)，散射特性由大尺度粗糙度支配，主要散射形式是镜面散射[9]。

后向散射系数：

(4)

镜面散射部分：

(5)

式(5)中：φg是入射角，s2为海面的均方斜率，R(0)是垂直入射时的Fesnel反射系数。

Bragg散射部分：

(6)

式(6)中：k=2π/λ为雷达波束，λ是雷达波长；αpq为不同极化时的偏振因子。

水平极化时：

(7a)

垂直极化时：

(7b)

ξr为海面复相对介电常数。

W(K,θ)为方向海谱：

(8)

θ为入射雷达波在水平面上的投影与风向的夹角，r为与风速相关的常数，b为常数0.29；

W(K)为波束谱：

(9)

2.3 经验公式

针对X波段工作频率，在不同海面特性和风速条件下进行试验，得到无线电引信后向散射系数的经验公式[10]为

(10)

式(10)中：φg为入射角(rad);U为风速(m/s)

3 仿真实验结果与分析

3.1 仿真结果

依据防空导弹无线电引信实际工作的海面环境，选取在1级、3级和5级海况等级下对Morchin模型和双尺度粗糙面修正复合模型进行仿真。由道格拉斯海况表得风速分别为3 m/s、7 m/s、11 m/s。依据经验公式适用条件，工作频率定为X波段，选取f=10 GHz；极化方式设置为垂直极化和水平极化；入射角变化范围0°～90°。由于经验公式在5级海况条件下并不适用，故在1级和3级海况条件下将两类模型与经验公式进行对比分析。具体仿真结果如下：

1) 不同海情等级下两类模型的仿真结果如图3、图4、图5所示。

图3 1级海情下两类模型的仿真结果

图4 3级海情下两类模型的仿真结果

图5 5级海情下两类模型的仿真结果

由仿真结果可知：

两类模型均能体现入射余角对海面后向散射系数的影响，Morchin模型仿真结果符合已知的研究结论，即散射系数随入射余角的关系分为3个区，且过渡角和临界角随海面粗糙度改变而变化。而双尺度粗糙面复合模型仿真结果表明，随着海情级数的提高散射系数与入射余角的关系更加复杂。

双尺度粗糙面复合模型体现后向散射系数与极化方式的关系，该模型仿真结果表明随着海情级数的提高，入射余角的增大，散射系数趋向于与极化方式无关，符合已知的研究结论。

在同一海情条件下，中等入射角(10°<φgr<60°)时两类模型的平均偏差最小；两类模型的平均偏差随海况的变化而改变，3级海情时平均偏差最小。

2) 不同海情下两类模型与经验公式的对比结果如图6、图7所示。

图6 1级海情时仿真结果

图7 3级海情时仿真结果

由仿真结果可知：

在同一海情下，入射余角越大，两类模型与经验公式的数据吻合程度越高；在不同海情下，海情级数越高，海面粗糙程度越大，两类模型与经验公式的数据吻合程度越高；与双尺度粗糙面复合模型相比，Morchin模型与经验公式数据拟合程度更高。

3.2 仿真结果分析

本文所采用经验公式是针对X波段工作频率在不同海面特性和风速条件下试验所得，Morchin模型是基于试验数据的分析拟合而建立的。由于海表面是一个动态的、不断变化的平面，即使同一条件下，对海面多次测量所得结果仍不一致。因此，Morchin与经验公式必然存在差距。对于双尺度粗糙面复合模型而言，海洋粗糙面参数获取困难，且镜面散射和Bragg散射对后向散射都存在贡献，但贡献比例分配可能更加复杂，因此会出现误差。

防空导弹在攻击低空或超低空目标时都是采用俯冲攻击，即由高处向目标和地海面接近，引信天线波束的入射角逐渐减小直至垂直照射海面，主要受海面镜面散射的影响。由仿真结果可知，随着入射角的减小和海情级数提高，两类模型与经验公式的数据吻合程度提高，同时当入射角小于30°时，Morchin模型与经验公式的数据拟合程度更高。因此，在防空导弹拦截超低空目标时，Morchin模型能够更加有效地反映海面后向散射强度。

4 结论

海杂波能够降低无线电引信的信杂比，是制约无线电引信超低空能力的重要因素。而引信的工作频率、极化方式、波束指向以及海面状态均直接影响海面后向散射强度。在分析影响海面后向散射系数因素基础上，对两类海杂波后向散射模型进行仿真。结果表明：在大入射余角(φgr>60°)条件下，两类模型均能有效的反映海面后向散射系数，且Morchin模型的数据拟合程度更高，为无线电引信超低空技术的研究提供了仿真基础。

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(责任编辑 周江川)

Simulation and Analysis of the Sea Surface Backscattering Coefficient for Radio Fuze

SU Yi-de1a， LU Ming1b， ZANG Wei2

(1.Graduate Students Brigade; b.Department of Ordnance Science and Technology, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China; 2.The 92635thTroop of PLA, Qingdao 266300, China)

Aim at the problem of target detection in the sea clutter background of radio fuze, the influence of sea clutter on fuze SINR was proposed based on the analysis of the effects of incident angle, frequency, polarization mode and sea surface state on the backscattering coefficient. The simulation and fitting of two types sea clutter backscattering model, Morchin model and double-scale rough surface compound model, were completed. The simulation results show that the Morchin model can achieve the best fit effect under the large incident cosine condition and it can reflect the sea surface backscattering coefficient of the radio fuze at low altitude, and is more effectively than double-scale rough surface compound model.

radio fuze; sea surface backscattering coefficient; Morchin model; double-scale rough surface compound model

2016-12-25；

2017-01-26 作者简介：苏益德(1992—),男,主要从事军用目标近程探测、识别与干扰研究。

路明(1966—)，男，硕士，副教授，主要从事海军导弹引信技术研究。

10.11809/scbgxb2017.05.012

format:SU Yi-de，LU Ming，ZANG Wei.Simulation and Analysis of the Sea Surface Backscattering Coefficient for Radio Fuze[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):52-55.

TJ43+4

A

2096-2304(2017)05-0052-04

本文引用格式：苏益德，路明，臧伟.无线电引信海面后向散射系数仿真分析[J].兵器装备工程学报，2017(5):52-55.