海面角反射器的极化旋转域特性研究

李郝亮, 陈思伟, 王雪松

(国防科技大学电子科学学院, 湖南 长沙 410073)

0 引 言

随着战场环境越来越复杂,战争攻防对抗日益激烈,远程精确打击已成为现代战争的一种基本作战模式。雷达导引头是精确制导武器末制导的重要装备,具有作用距离远、不受天气影响等重要优点,在保证现代导弹打击精度方面发挥着重要作用。极化是电磁波的本质属性,是幅度、频率、相位以外的重要基本参量,能够反映目标姿态、结构、尺寸等物理特征。极化信息的处理和利用对提升雷达导引头的探测能力具有极大潜力。当前,极化雷达导引头已经成为先进射频制导体制的重要发展方向。但雷达导引头面临的战场电磁环境极其复杂,不仅有复杂的自然与气象环境干扰,还有多种样式的有意干扰。其中，海面角反射器是主要的诱骗干扰手段之一，具有与舰船目标散射逼真度高、作战效费比高等优良特性,是一种重要的对付反舰导弹雷达导引头的无源诱饵,得到了国际主要军事强国的高度重视和实际部署[1-3]。例如,以以色列“巫师”反雷达假目标[4]为代表的舰载炮射型,以英国“橡皮鸭”[5]和美国AN/SLQ-49[6-8]为代表的舰载抛投型。由于散射强度、扩展长度、运动速度等物理特征与舰船目标十分相似,海面角反射器干扰在传统的时-频-空域上与舰船目标都难以有效辨识,无疑对极化雷达导引头抗干扰技术提出了新的挑战。

目前,国内针对角反射器的目标特性分析和鉴别已开展初步研究。文献[9-10]通过仿真实验分析了二十面体角反射器的电磁散射特性和频率特性。文献[11]利用3种不同的统计模型对二十面体角反射器的雷达截面积(radar cross section, RCS)进行精确建模。张俊等构建了基于物理光学和区域投影的典型三面角反射器全向RCS模型[12]，并分析了八面体角反射器的RCS统计特性[13]。然而现有文献并未对角反射器的极化散射特性开展研究。实际上,尽管海面角反射器在散射强度、几何尺寸等物理维度与舰船目标具有极为相近的特性,但二者具有显著不同的几何结构,通过深入挖掘和融合极化信息,将有望实现海面角反射器的准确鉴别和抑制。此外，复杂的海洋环境与海上目标存在相互耦合作用，从而影响目标的极化散射特性。上述研究都未涉及在海洋背景下的角反射器特性分析。

针对角反射器鉴别方法的研究,文献[14]利用目标雷达回波的微多普勒主频率特征实现了角反射器干扰的有效鉴别,但该方法对海面强杂波与目标运动变化敏感,对目标多普勒的观测本身需要的条件非常苛刻。文献[15-16]将Krogager极化分解方法应用于舰船和角反射器阵列的鉴别。然而，Krogager极化分解存在散射机理解译模糊问题,鉴别量性能不稳健。文献[17-18]利用极化不变量特征实现对角反和舰船的鉴别,但其部分极化不变量敏感于目标尺寸,可能导致实际鉴别效果有限。在分类器设计方面,随着深度学习理论和方法的不断发展与推广应用,数据样本驱动的深度学习分类器被用于角反射器的鉴别,获得了良好的鉴别性能[13,18-19],然而该方法受限于样本数量。当前，如何实现角反射器的高效鉴别仍然是一个具有挑战性的难题，研究海面角反射器的极化散射特性对于抗角反射器干扰具有重要的意义。

雷达目标的后向散射敏感于目标姿态与雷达视线的相对几何关系,这种散射多样性中蕴含着丰富的极化散射信息[20-22]。针对这一隐含信息,研究团队在绕雷达视线方向提出了极化旋转域的概念,将特定成像几何关系下获得的目标极化矩阵拓展到绕雷达视线的极化旋转域,提出了极化相干/相关特征旋转域可视化解译工具[23-24],建立了在极化旋转域解译目标散射机理的理论框架,并在舰船检测[24-25]、地物分类[26]、灾害评估[27]等领域获得成功应用。因此,本文以八面体和二十面体角反射器为研究对象,主要探索海面角反射器的极化旋转域特性演化规律,以期为极化雷达导引头抗角反射器干扰提供理论支撑。

1 极化相关方向图解译工具

1.1 极化矩阵及旋转处理

在水平和垂直极化基(H,V)下,极化雷达系统获取的目标全极化信息可以由极化散射矩阵表征:

(1)

式中：SHV是水平极化发射,垂直极化接收的后向散射系数；其他项类似定义。

极化散射矩阵S表征了原始成像几何下的极化散射信息,将S绕雷达视线方向旋转角度θ即得到极化旋转域的极化散射矩阵:

(2)

式中：θ∈[-π,π)；R2(θ)为二阶旋转矩阵,且

(3)

由于几何结构上具有显著不同的差异,舰船和角反射器将具有不同的散射机理。角反射器主要以奇次散射为主,而舰船主要以偶次散射为主,且包含表面散射、体散射、螺旋散射等多种散射机理。在Pauli分解中,共极化分量的组合(SHH+SVV)和(SHH-SVV)分别为奇次散射和偶次散射。在这种情况下,共极化分量SHH和SVV将作为本文研究重点,其在旋转域的表达式分别为

SHH(θ)=SHHcos2θ+SHVcosθsinθ+SVHcosθsinθ+SVVsin2θ

(4)

SVV(θ)=SHHsin2θ-SHVcosθsinθ-SVHcosθsinθ+SVVcos2θ

(5)

1.2 共极化相关方向图

不同极化通道之间的相关值是一个重要极化特征量[28-29]。传统的共极化相关值为

(6)

将共极化相关值拓展到极化旋转域,可得到共极化相关方向图[27]:

(7)

1.3 极化旋转域特征提取

2 实验场景与仿真数据

当前,在实际应用中使用最多的是英国的“橡皮鸭”无源诱饵[5,30]和美国的MK59 Mod0充气式角反射器系统[7,31],其分别为八面体三角形和二十面体三角形结构。结构模型如图2所示。模型边长L设置为1 m。在实际应用场景中,海面与目标之间存在复合散射。为了研究角反射器和不同海况的海面的复合极化散射特性,利用高斯谱产生3种三维随机粗糙面。粗糙面的大小为6 m×6 m,相对介电常数为74。粗糙面相关长度为lx=ly=0.15 m,均方根高度分别设置为0.01 m、0.06 m和0.2 m。3种海面的波峰和波谷的最大高度差分别为0.1 m、0.6 m、1.5 m。依据浪高和海况关系,3种粗糙面分别对应1～3级海况。同时，利用相同尺寸的平面表征0级海况进行对比。组合模型如图3和图4所示。利用CST Studio电磁仿真软件进行计算,电磁计算的俯仰角设置为30°,方位角为-180°～180°,角度步进为0.2°。电磁计算的频率设置为8～12 GHz,频率步进为0.02 GHz。

3 角反射器极化旋转域特性分析

本节将基于极化旋转域特征分析两种角反射器的极化旋转域特性。详细分析两种角反射器的极化旋转域特征随方位角度、频率和海况等级的变化规律。

3.1 方位角度的影响

图7给出了八面体角反射器和二十面体角反射器的RCS分布。从图7中可以看出,两种角反射器的主极化通道的RCS整体上要高于交叉极化通道。二十面体角反射器主极化通道的RCS随着方位角波动较大;八面体角反射器主极化通道的RCS变化较为平缓,但在±45°和±135°附近出现剧烈起伏,且达到最大值。根据八面体角反射器的结构可知,在±45°和±135°附近角反射器由三面角结构变为二面角结构,因此RCS起伏剧烈。对于八面体角反射器,随着方位角的变化交叉极化通道RCS始终较弱且低于0 dB。而对于二十面体角反射器,其交叉极化响应随着方位角波动较大,在±30°、±44°、±102°、±116°和±174°附近交叉极化通道RCS达到最大且与共极化通道RCS接近。这是由于在上述方位角度下,出现不同取向性的二面角结构,使得交叉极化通道RCS增大。

3.2 频率的影响

本节研究不同雷达频率对角反射器极化旋转域特征的影响。图8和图9给出了频率分别为8 GHz、9 GHz、10 GHz、11 GHz和12 GHz的极化旋转域特征随方位角的变化。在5个不同频率下,八面体角反射器满足旋转不变的方位角区域分别为88.60%、89.57%、90.03%、89.60%和88.81%;二十面体角反射器满足旋转不变的方位角区域分别为94.46%、94.46%、95.84%、95.84%和95.84%。可以看出,相对于方位角度的影响,雷达频率对极化旋转域特征影响较小。不同频率下各极化旋转域特征呈现一致的规律,仅在特定角度下略有差异。实验结果表明，在X波段范围内角反射器的极化旋转域特性对雷达频率不敏感,两种角反射器仍在大角度范围内满足极化旋转不变。

3.3 海况的影响

4 极化旋转域特征可分性分析

为验证上述极化旋转域特征可以有效对舰船和角反射器进行区分,本节对比分析了舰船目标的极化旋转域特性。舰船模型如图14所示，舰船长为154 m,宽为18 m,高为40 m。图15为舰船目标的极化旋转域特征随方位角的变化。从图15中可以看出,相比于八面体角反射器和二十面体角反射器,舰船目标的极化旋转域特征起伏剧烈,其在整个方位角内有大量为旋转变化性的区域。这是由于舰船目标通常结构更为复杂,具有多个强散射中心,其散射特性不具备旋转不变性。通过计算可得舰船目标仅有11.63%的方位角区域满足旋转不变性。

表1 极化旋转域特征的可分性

5 结 论