袁晴晴，阮開(kāi)智，聶 丁，汪書(shū)閣，王冠坤

(1.上海機(jī)電工程研究所，上海 201109； 2.西安電子科技大學(xué)物理與光電工程學(xué)院，陜西 西安 710071)

0 引言

復(fù)雜海洋背景環(huán)境中掠海目標(biāo)電磁散射機(jī)理及多徑效應(yīng)的研究是地海環(huán)境中目標(biāo)信號(hào)識(shí)別和雜波信號(hào)分離技術(shù)的關(guān)鍵所在，與精確制導(dǎo)、低飛目標(biāo)和艦艇目標(biāo)的識(shí)別技術(shù)緊密相關(guān)，其應(yīng)用涉及雷達(dá)成像、遙感技術(shù)、制導(dǎo)和預(yù)警等眾多領(lǐng)域，是目前急需重點(diǎn)研究和解決的基礎(chǔ)課題。在低空環(huán)境下，由于海背景的復(fù)雜性，目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)性能會(huì)因?yàn)榄h(huán)境雜波引起的多徑干擾而嚴(yán)重退化。本文基于散射機(jī)理的動(dòng)態(tài)海雜波模型，開(kāi)展海面背景下低空目標(biāo)電磁散射特性仿真技術(shù)研究工作。

1 動(dòng)態(tài)海面幾何建模及散射特性分析

1.1 復(fù)雜海洋場(chǎng)景幾何建模

傳統(tǒng)海浪幾何建模方法主要是以線性海浪理論為基礎(chǔ)，從嚴(yán)格意義上來(lái)說(shuō)，該類方法只能對(duì)單純的風(fēng)浪或者涌浪進(jìn)行模擬，沒(méi)有對(duì)更細(xì)微的波浪之間相互作用的非線性效應(yīng)進(jìn)行細(xì)致考慮。而實(shí)際海浪多以復(fù)合形態(tài)存在，即大尺度重力波和小尺度毛細(xì)波(如圖1所示)，另外加上風(fēng)、浪及波-波間作用的非線性效應(yīng)，海浪波面起伏在一定程度上會(huì)偏離高斯分布。由于考慮了波浪間的非線性水動(dòng)力作用和長(zhǎng)波、短波間的相互運(yùn)動(dòng)，非線性海面的形狀和統(tǒng)計(jì)特性與線性海面是不同的，因而進(jìn)一步通過(guò)海面起伏、波面斜率等信息對(duì)海面的電磁散射產(chǎn)生影響。本文基于Choppy Wave Model (CWM)建模方法模擬非線性海面，從基本的流體動(dòng)力學(xué)方程出發(fā)，在水動(dòng)力方程零階解的基礎(chǔ)上，通過(guò)希爾伯特變換運(yùn)算來(lái)考慮相位擾動(dòng)，最終通過(guò)該擾動(dòng)項(xiàng)來(lái)計(jì)及海浪之間的非線性相互作用。

圖1 復(fù)合尺度海面幾何建模示意圖

圖2為一維線性海面和非線性海面起伏對(duì)比，風(fēng)速為6 m/s。從圖2可以看出，模擬的非線性海面呈現(xiàn)出了明顯的斯托克斯非線性波特性：相對(duì)于線性海面而言，波峰高而陡峭，波谷淺而平坦。同一維海面的情況類似，圖3中非線性海面波峰處(實(shí)線圈標(biāo)記)較為尖銳而波谷處(虛線圈標(biāo)記)較為平緩的特點(diǎn)同樣得到了體現(xiàn)，只是該效果在二維海面的情況下體現(xiàn)得更加充分。

圖2 一維線性海面和非線性海面起伏對(duì)比

圖3 二維線性海面和非線性海面起伏對(duì)比

1.2 海背景的電磁散射特性分析

小斜率近似方法(SSA)是將散射幅度或雷達(dá)散射截面對(duì)粗糙面的斜率作冪級(jí)數(shù)展開(kāi)，方法的精確度可以通過(guò)保留級(jí)數(shù)的項(xiàng)數(shù)來(lái)決定。作為一個(gè)統(tǒng)一理論模型， SSA很好地統(tǒng)一了微擾法(SPM)和基爾霍夫近似方法(KA)，很適合計(jì)算具有大-中-小復(fù)合尺度粗糙度的海面散射問(wèn)題，這非常有利于在多種電磁頻段下對(duì)海面散射特性進(jìn)行預(yù)估。此外SSA具有較高的計(jì)算精度，尤其在較大入射角情況下，比KA和SPM精確許多，并且相對(duì)于矩量法和積分方程等方法，計(jì)算公式相對(duì)簡(jiǎn)單，計(jì)算效率高。對(duì)于粗糙面電磁散射計(jì)算，一階SSA(SSA-I)已經(jīng)被證明有較高的精確度。二階SSA(SSA-II)相對(duì)于SSA-I，表達(dá)式相對(duì)復(fù)雜，計(jì)算效率會(huì)有所下降，但其計(jì)算結(jié)果更加精確，且由于在SSA-I基礎(chǔ)上考慮了更高階項(xiàng)的影響，因此能夠更好地對(duì)海面微尺度結(jié)構(gòu)的散射特性進(jìn)行考慮。在海面精確建模的基礎(chǔ)上，本文針對(duì)傳統(tǒng)的SSA進(jìn)行了算法改進(jìn)，使之能夠適用于對(duì)非線性海面進(jìn)行電磁建模。下面基于改進(jìn)型小斜率近似方法完成多種入射角度下、不同海況時(shí)海背景的電磁散射特性分析，分析了不同雷達(dá)頻率下的動(dòng)態(tài)海面低掠角散射特性。

對(duì)海面電磁建模得到的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行驗(yàn)證，驗(yàn)證模型包括精確數(shù)值計(jì)算方法(MOMI)和研究領(lǐng)域內(nèi)認(rèn)可度較高的經(jīng)過(guò)機(jī)載測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證通過(guò)的SASS_II模型。圖4為SSA-II和精確數(shù)值算法MOMI計(jì)算的一維線性海面雙站散射系數(shù)隨散射角的變化對(duì)比，仿真條件為風(fēng)速7 m/s,入射角60°，入射頻率3 GHz。圖5為利用模型SSA-II和基于機(jī)載測(cè)量試驗(yàn)驗(yàn)證過(guò)的SASS_II模型的海面后向散射系數(shù)NRCS隨散射角的變化對(duì)比。入射頻率設(shè)置為14 GHz。從圖4、圖5的對(duì)比結(jié)果可以看出，SSA-II計(jì)算結(jié)果與測(cè)量數(shù)據(jù)和理論模型數(shù)據(jù)吻合良好，體現(xiàn)了較好的計(jì)算精度和較強(qiáng)的多頻段計(jì)算性能。

圖4 SSA-II和MOMI方法計(jì)算的一維線性海面雙站散射系數(shù)對(duì)比圖

圖5 SSA-II模型和SASS_II模型計(jì)算的海面后向散射系數(shù)對(duì)比圖

圖6對(duì)不同電磁波頻率入射時(shí)的海面雙站散射系數(shù)NRCS隨散射角的變化進(jìn)行了展示。其中風(fēng)速為5 m/s，入射頻率為1～26 GHz，覆蓋了L、X、Ku和K波段。

2 類反艦彈與海面的復(fù)合散射特性仿真

2.1 目標(biāo)與海面的復(fù)合電磁散射算法

本文通過(guò)GO-PO方法考慮目標(biāo)與海背景耦合場(chǎng)的作用機(jī)理和多徑效應(yīng)，進(jìn)行目標(biāo)與海面的復(fù)合電磁散射建模。電磁波投射到目標(biāo)或海面上，不僅考慮在反射方向產(chǎn)生的一次散射場(chǎng)，而且對(duì)反射方向進(jìn)行追蹤，直至到達(dá)下一個(gè)反射面，再次計(jì)算新的反射方向上的散射場(chǎng)。相比于傳統(tǒng)精確數(shù)值方法，該方法計(jì)算效率明顯提高，而計(jì)算精度并沒(méi)有太多損失，適合進(jìn)行高頻段目標(biāo)和海面復(fù)合電磁散射特性評(píng)估。下面采用GO-PO方法來(lái)對(duì)本文目標(biāo)電磁散射的計(jì)算方法進(jìn)行驗(yàn)證。圖7中給出的是利用基于彈跳射線法的GO-PO方法計(jì)算得到的球-板目標(biāo)組合體的復(fù)合單站RCS，入射電磁波的頻率為10 GHz，可以看出計(jì)算得到的組合體目標(biāo)RCS與實(shí)驗(yàn)測(cè)量值吻合良好，體現(xiàn)了算法的有效性。

2.2 類反艦彈目標(biāo)與海面復(fù)合雙站前向散射情況

類反艦彈目標(biāo)幾何形狀示意如圖8所示。彈體頭部采用了2種平面結(jié)構(gòu)對(duì)接組成。采用該平面結(jié)構(gòu)而非傳統(tǒng)曲面結(jié)構(gòu)的彈頭旨在對(duì)比計(jì)算出相應(yīng)的散射強(qiáng)點(diǎn)分布。彈體尾部采用了凹形結(jié)構(gòu)。2級(jí)海況時(shí)對(duì)應(yīng)的仿真海面尺寸為20 m×20 m，而當(dāng)海況等級(jí)增大時(shí)，海浪的起伏程度有所增加，對(duì)應(yīng)的仿真海面尺寸增加為30 m×30 m。仿真中目標(biāo)頭部沿X軸正向放置，電磁波從后方投射到目標(biāo)所在區(qū)域，觀察方向位于目標(biāo)前向。圖9給出了僅考慮目標(biāo)和海面單次散射的計(jì)算結(jié)果和考慮多次散射耦合場(chǎng)的計(jì)算結(jié)果對(duì)比，計(jì)算條件為2級(jí)海況(風(fēng)速5 m/s)。可以發(fā)現(xiàn)在遠(yuǎn)離鏡像散射方向區(qū)域(漫反射作用區(qū)域)，考慮多次散射的回波RCS明顯高于單次散射結(jié)果，體現(xiàn)了多次散射在低掠角情況下“目標(biāo)+海面”復(fù)合散射計(jì)算中的必要性。

圖6 海面雙站散射系數(shù)NRCS隨散射角的變化圖

圖10 給出了 1GHz、2級(jí)海況(風(fēng)速5 m/s)時(shí)入射角分別為0°、30 °、45°、 70°、80°、85°時(shí)，類反艦彈和海面復(fù)合雙站前向RCS隨散射角的變化對(duì)比。

當(dāng)雷達(dá)波以小于70°入射角到達(dá)目標(biāo)與海面時(shí)，入射面內(nèi)的絕大多數(shù)散射角度對(duì)應(yīng)的復(fù)合散射回波RCS與海面的RCS量值差異很小，這就意味著這些角度下彈體的散射回波將湮沒(méi)于海雜波之中。而入射角逐漸增大至70°時(shí)，HH極化情況下復(fù)合散射在遠(yuǎn)離鏡向散射的角度(小于-50°)時(shí)才能體現(xiàn)出目標(biāo)回波特征。

圖7 球-板目標(biāo)組合體的單站RCS與實(shí)測(cè)值的對(duì)比

圖8 類反艦彈目標(biāo)幾何結(jié)構(gòu)示意圖

圖9 “類反艦彈+海面”復(fù)合散射的單次散射和多次散射結(jié)果對(duì)比

圖10 “類反艦彈+海面”復(fù)合雙站前向RCS隨散射角的變化對(duì)比

3 結(jié)束語(yǔ)

本文建立了基于散射機(jī)理的動(dòng)態(tài)海雜波模型和復(fù)雜海洋場(chǎng)景的回波模擬，分析多種雷達(dá)電磁波極化方式下，雷達(dá)參數(shù)(尤其是低掠角情況下)和海環(huán)境參數(shù)對(duì)海雜波特性的影響，開(kāi)展復(fù)雜低空目標(biāo)反艦彈和動(dòng)態(tài)海洋環(huán)境在低掠角情況下的電磁散射機(jī)理研究，獲取目標(biāo)與海背景的相干散射模型和特征參數(shù)。相比較于陸地背景雜波，海雜波具有明顯的動(dòng)態(tài)特性，因此可以對(duì)海雜波和運(yùn)動(dòng)目標(biāo)回波的多普勒回波信號(hào)進(jìn)一步開(kāi)展深入研究?！?/p>