王曉冰 吳振森 張 元 岳 慧 梁子長

（1.西安電子科技大學(xué)理學(xué)院，陜西 西安710071；2.電磁散射重點實驗室，上海200438）

引 言

國內(nèi)外采用機載測試平臺或者岸基長期觀測的方式，對海環(huán)境的散射特性進(jìn)行了大量的研究，得到了不同海況下的海環(huán)境電磁散射特性數(shù)據(jù)并統(tǒng)計其分布特性［1-8］.但在低空超低空狀態(tài)，探測器距離海面高度僅幾米范圍，天線照射海面的區(qū)域范圍較小，屬于天線近區(qū)，同時由于測試平臺及天線旁瓣等引起干擾較多、測試狀態(tài)難以控制、海上實測代價較大等原因，目前實測數(shù)據(jù)非常有限.

海環(huán)境的實驗室模擬測量是研究海環(huán)境及海環(huán)境背景下目標(biāo)散射特性的一種有效手段［9］，利用實驗室內(nèi)海環(huán)境模擬系統(tǒng)，在造波水池內(nèi)模擬生成滿足不同海譜分布的不規(guī)則海浪，可實現(xiàn)模擬海環(huán)境的可控、精確電磁散射測量研究，同時測試代價相對較少.

通過人工造波的方式生成海浪，開展近距離照射下海面的后向電磁散射特性研究，采用距離波門截取技術(shù)有效消除界外雜波干擾，獲取了近距離超低空狀態(tài)下的海環(huán)境特性數(shù)據(jù)及統(tǒng)計規(guī)律.

1 海環(huán)境模擬及測量系統(tǒng)

1.1 海環(huán)境模擬系統(tǒng)

海環(huán)境模擬系統(tǒng)由五大部分組成［10］——海雜波模擬設(shè)施、交會運動設(shè)施、海雜波測量系統(tǒng)、信號采集處理系統(tǒng)、目標(biāo)裝定設(shè)施.主要設(shè)施如圖1所示，其中造波池長40m、寬30m、深5m，海環(huán)境的模擬采用液壓搖板造波技術(shù)，能模擬0.1m～0.8m的規(guī)則波和開闊洋面的1～3級海情的粗糙海面.

圖1 海環(huán)境模擬系統(tǒng)

1.2 海環(huán)境靜態(tài)測量系統(tǒng)

海環(huán)境靜態(tài)測量系統(tǒng)以Agilent 8362B高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心，采用連續(xù)波、雙天線準(zhǔn)單基測量，工作頻段X、Ku頻段，發(fā)射功率18dBm，系統(tǒng)動態(tài)范圍90dB，接收機靈敏度-93dBm，收發(fā)天線采用喇叭天線，天線主波束寬度10°，天線入射角由天線轉(zhuǎn)臺控制。

1.3 海環(huán)境后向散射特性測量

海環(huán)境后向散射特性測量時，將喇叭天線固定在轉(zhuǎn)臺上，通過轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)入射角，升降平臺改變測試高度，測試獲取不同入射角和高度時海環(huán)境的散射回波信號。靜態(tài)測量定標(biāo)采用相對比較法進(jìn)行定標(biāo)，將單位面積下海面測試回波信號功率與相同狀態(tài)下已知雷達(dá)散射截面的定標(biāo)體測試功率比較，得到海面的散射系數(shù)。海環(huán)境后向散射系數(shù)定標(biāo)公式為［11］

式中：σ為海環(huán)境后向散射系數(shù)；σ0為標(biāo)準(zhǔn)體的理論散射截面；Pr為海面的回波功率；Pr0為標(biāo)準(zhǔn)體的回波功率；R為天線到海面的距離；R0為天線到標(biāo)準(zhǔn)體的距離；A為照射面積。

測試過程中，觀測天線主瓣照射海面區(qū)域的散射回波通常與其它干擾雜波混疊在一起，如收發(fā)子系統(tǒng)間泄露、造波池岸及運動機構(gòu)等的反射回波、天線旁瓣雜波等。采用軟件距離波門的截取技術(shù)濾除測試區(qū)域以外的背景干擾信號［11］。軟件距離門截止技術(shù)主要通過將掃頻測試數(shù)據(jù)變換成時域，并進(jìn)行時域加窗濾波，最后反變換成頻域數(shù)據(jù)來實現(xiàn)。

依據(jù)雷達(dá)方程，海環(huán)境靜態(tài)測量系統(tǒng)在作用距離10m時最小可檢測雷達(dá)散射截面（RCS）約為-55dBsm，而照射海環(huán)境后向散射信號在入射角60度時最小約為-45dBsm.根據(jù)精度需要量與測量精度之間的關(guān)系［12］，海環(huán)境電磁散射特性測量精度3dB.

2 海環(huán)境測試結(jié)果分析

對多種海情海面的近場靜態(tài)后向散射特性進(jìn)行了測試.在不同入射角和風(fēng)向角下，測試了海環(huán)境后向散射系數(shù)，統(tǒng)計獲得了海環(huán)境在Ku頻段的后向散射系數(shù)隨入射角、風(fēng)向角的變化關(guān)系.

實驗當(dāng)日水溫約為20℃，測試水體為淡水，依據(jù)Debye公式［13］，在16GHz時復(fù)相對介電常數(shù)為45.1＋37.5i.參考文獻(xiàn)［14］分析了1～40GHz頻段內(nèi)采用淡水代替海水引起的誤差情況，在5GHz以上頻率下的誤差小于0.5dB，對于更高精度的測試可以采取向水中添加工業(yè)鹽的方式模擬不同含鹽量的海水.

圖2為海環(huán)境的后向散射特性測量現(xiàn)場及照射面積示意圖.天線高度H 為5m，喇叭天線主波束寬度10°，主波束照射區(qū)域近似為橢圓形區(qū)域，橢圓形區(qū)域大小與入射角度有關(guān).當(dāng)主波束45°入射時，照射區(qū)域的長軸a為1.8m，對應(yīng)0.15～0.3個海浪波周期.同時，測量過程中每一入射角度下測量樣本數(shù)達(dá)200以上，并對獲取的散射數(shù)據(jù)時間序列，剔除其中的5%最大值和5%最小值后進(jìn)行統(tǒng)計.

圖2 海環(huán)境后向散射特性測試現(xiàn)場及照射面積示意圖

2.1 海面散射回波隨時間的變化關(guān)系

由于海浪是一個隨時間變化的電磁散射體，特別是在近距離窄波束照射下，海浪回波信號變化劇烈，如圖3所示，是收發(fā)天線入射角30°、VV極化情況下海浪回波信號曲線.圖3（a）是PM譜海浪的電磁散射信號隨時間的變化曲線，橫軸表示采樣點數(shù)，縱軸分別是經(jīng)定標(biāo)后的海面后向RCS、歸一化幅值和回波信號相位.可以看出，信號幅度隨海浪的變化有很大的起伏，變化范圍大于30dB；回波信號的相位變化劇烈.圖3（b）是對該測試數(shù)據(jù)樣本的歸一化幅值統(tǒng)計分布，在近距離照射情況下，后向散射特性比較符合對數(shù)正態(tài)的振幅分布.

圖3 海浪回波信號時間序列及統(tǒng)計分布

2.2 散射系數(shù)與入射角的關(guān)系

測量獲取的散射系數(shù)隨入射角的變化關(guān)系如圖4，統(tǒng)計了測試樣本中散射系數(shù)的最大值、平均值、最小值隨入射角的變化趨勢.在天線垂直入射時反射都很強，當(dāng)偏離垂直方向后回波強度迅速減小，散射系數(shù)變化范圍大于30dB.對于PM譜海面，同一入射角度下散射系數(shù)的平均值和最大值相差10dB左右，最大值和最小值相差30dB以上，這說明在近距離窄波束照射情況下，同一入射角下海面的散射回波起伏劇烈，對于時間敏感的近程探測系統(tǒng)，必須考慮海面的時變特性.

圖4 海環(huán)境后向散射系數(shù)隨入射角變化

2.3 散射系數(shù)與頻率的關(guān)系

海環(huán)境后向散射系數(shù)隨測試頻率和入射角關(guān)系測試結(jié)果如圖5所示.掃頻測試中心頻率16GHz，帶寬250MHz，步長5MHz，2級海情.同一波段不同頻點下的散射系數(shù)變化關(guān)系趨于一致.

圖5 海環(huán)境后向散射系數(shù)-頻率-入射角關(guān)系

2.4 散射系數(shù)與風(fēng)向角的關(guān)系

探測器天線位置和入射角固定，天線在水平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)，測試獲取天線主波束與海浪前進(jìn)方向不同夾角下的海面后向散射系數(shù).試驗結(jié)果如圖6所示，入射角45°.在近距離窄波束照射下，迎浪和順浪方向比側(cè)浪情況下海面后向散射系數(shù)高約10dB，該數(shù)據(jù)與雷達(dá)手冊給出的在機載掛飛條件下平均散射系數(shù)變化量約為5dB有一定的差異，表明在近距離窄波束照射下的特殊性.

圖6 海環(huán)境后向散射系數(shù)隨風(fēng)向角變化

3 結(jié) 論

在近距離窄波束照射情況下，海面后向散射呈現(xiàn)劇烈的時變特性，散射系數(shù)變化范圍更大.海面回波信號幅度隨海浪的變化有很大的起伏，變化范圍大于30dB.同一入射角度下散射系數(shù)的最大值和最小值相差30dB以上.在迎浪和順浪方向比側(cè)浪情況下海面后向散射系數(shù)高約10dB.

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