基于星載GNSS-R探測的目標雙基RCS分析

劉馨寧，黃 宇，孫協昌，李 勐

（航天恒星科技有限公司 北京　100086）

基于星載GNSS-R探測的目標雙基RCS分析

劉馨寧，黃 宇，孫協昌，李 勐

（航天恒星科技有限公司 北京100086）

針對星載GNSS-R地（海）表探測應用中的目標雙基RCS進行了分析：首先闡述了RCS的定義以及幾種典型目標的單基站后向RCS計算方法；然后以此為基礎分析了雙基站目標RCS的影響因素，并以散射收發角度為例通過圖示說明其對這幾種典型目標雙基RCS值的影響；最后通過將GNSS信號性質代入雙基RCS運算中得到了基于GNSS-R探測的幾種典型目標的雙基站RCS，并通過仿真得到了這幾種目標在GNSS-R遙感探測應用背景下的雙基RCS與收發角度的關系圖。

雙基RCS；星載GNSS-R；被動式探測；目標識別；RCS仿真

星載GNSS-R（GlobalNavigationSatelliteSystem-Reflection，即全球衛星導航系統反射信號）探測技術是依靠GNSS衛星對地覆蓋的信號資源發展起來的新興遙感技術，通過將已有的GNSS衛星作為信號源、接收并解析其地（海）表的反射回波來實現地（海）表各項物理參數測量以及大型目標探測識別等應用［1-3］。由于在這種無源被動式探測過程中接收端不需要額外發射電磁波，因此該應用具有全天候覆蓋、隱蔽性強、抗電子偵察等優勢［4］。而其中目標探測識別應用所利用的性質就是待探測目標（主體多為金屬）與背景中土壤、海水等介質的反射能力的巨大差異，而衡量這種物體反射能力的物理量就是RCS（Radar Cross Section），即雷達截面積［5-6］。

RCS是表征目標在雷達探測波照射下的散射強度特性的物理量，金屬與背景不同的散射特性使得接收端可以通過計算對比某區域回波的功率強度來探測和識別目標。除了材質本身的電參數以外，目標RCS還受包括發射波的頻率及波形、雷達波入射角度以及散射波接收角度、探測波的極化方式及接收天線極化方式、目標的尺寸、形狀、噸位、（海面目標）吃水深度等諸多因素的影響［7］。

目標探測系統的結構組成可以根據收發端位置關系分為單基站和多基站兩種。傳統的自發自收雷達便是典型的單基探測系統，安裝在雷達上的發射機主動發射的電磁波經過目標反射后由同樣位于該雷達上的接收機來進行接收，這種情況下的回波包含的信息對應目標的后向RCS。而在以GNSS-R系統為例的多基站探測系統中，GNSS各衛星信號之間的正交性使得接收機在跟蹤某一顆衛星的信號時可以很好地對其他衛星信號進行剔除，即可將其分化為多個雙基系統來處理，又由于雙基收發分置的性質使其可以不局限于測量目標的后向RCS。在本文所涉及的應用中，由于將GNSS衛星作為信號發射端，探測過程中利用的電磁波的頻率、波形、極化方式是確定的，而通過GNSS衛星軌道高度以及發射功率易知目標處入射波功率密度。以GPS衛星L1信號為例，其軌道平均高度為20 200 km，發射的電磁波為中心頻率 1 575．42 MHz的BPSK右旋圓極化波，由于極化方式在反射時會發生變化，故對應的接收天線為左旋圓極化接收天線［8］。

RCS作為目標探測的理論基礎有著比較重要的研究價值，目前針對單基應用中的RCS的研究比較多，雙基應用中的RCS由于推導比較復雜，展開的相關探討也較少。但在越來越多的被動式雙基探測雷達逐步開始研制和推廣后，有關于雙基RCS的理論研究需求也就日益凸顯。本文就是以GNSS衛星信號作為發射端，低軌星載接收機作為接收端的GNSS-R雙基目標探測作為應用背景，有針對性地研究該應用中典型目標RCS。在文章結構安排上，文中第2節主要介紹了RCS的定義、幾種簡單目標的單基RCS計算方法；第3節中推導了GNSS-R探測應用中幾種簡單目標的RCS計算方法；第4節對前文的RCS計算公式進行了仿真；最后第5節對全文進行總結，并討論下一步的研究方向。

1　RCS定義及計算基礎

1.1RCS定義

電磁波在傳播過程中遇到粗糙障礙物（目標）時便會發生散射，此時的散射波按照計劃方式來劃分可分為主極化（Principal Polarization，PP）和正交極化（Orthogonal Polarization，OP）兩部分，其中主極化代表與接收天線相同的極化方式，而主極化波的散射能量也決定了由接收天線觀測的目標RCS值［9］。當目標被探測信號照射時，可將其看作一個新的信號源，故目標散射場也存在近似于球形波陣面的近場以及近似平面波陣面的遠場。由于在星載GNSS-R應用中接收端距離海面目標較遠，在本應用中目標散射波的接收可直接按遠場情況進行處理。

圖1　GNSS-R探測結構Fig．1　Satellite-borne GNSS-R remote sensing system

GNSS-R探測結構如圖1所示，其中R表示接收機與目標的距離，Pi表示探測波到達目標附近的功率密度。假設接收衛星與海面目標距離為R，目標處的入射探測信號功率密度為Pi，在接收機方向上的目標附近散射回波功率密度Pr可表示為：

其中σ表示在特定入射角度和接收角度條件下的雙基探測散射截面積，而若將與目標距離為R的接收端處的散射回波功率密度設為Por，則有：

由式（1）和（2）可得：

又已知接收天線位于散射場的遠場區域，因此可得目標在雷達信號特定發射角度和接收角度條件下的雙基探測RCS為：

1.2典型目標RCS

1）導體圓球

在其他影響因素一定的條件下，假設圓球的半徑為a，探測波的波長為λ，則導體圓球的RCS與2πa/λ存在如下關系：

圖2　導體圓球RCS與頻率及半徑關系Fig．2　Relationship between conducting sphere RCS and frequency，radius

由圖2可知，在雷達波波長一定時，導體圓球的RCS計算可按照圓球尺寸不同分為3種情況：瑞利散射區、梅氏諧振區、光學（高頻）區，由于在本應用中所采用的GPS的L1波段波長約為0．190 m，帶入后可知當導體球半徑滿足a＜0．030 m時，處于瑞利區；當0．030 m＜a＜0．30 m時，處于諧振區；當a＞0．30 m時，處于光學區。鑒于海面探測應用中的被探測目標尺寸較大，因而可以按光學（高頻）區來進行后續的RCS處理，可知此時有：

2）導體矩形平面

當尺寸一定時，導體矩形平板的RCS主要受探測信號波長以及入射角影響。對于邊長為a，b的導體矩形平板，當其在以入射角θ1被探測信號照射并以在散射角θ2方向上接收時的RCS可以通過如下公式計算：

需要提及的是，在大入射角（即探測信號入射方向與平板法線方向夾角過大）的情況下，需要應用幾何繞射理論或等效電流法來計算RCS值。

3）導體（橢）圓柱

圖3　導體橢圓柱Fig．3　Conducting elliptic cylinder

如圖3所示，設橢圓柱高為H，截面短半軸、長半軸分別為r1、r2，為由原點指向接收端的方向向量，φ和θ分別表示與x軸以及z軸的夾角，則此時有：

當r1=r2時（即圓柱），可由（7）推導出（8）：

2　典型目標雙基RCS

在上一節中已對幾種典型目標的單基RCS進行了簡要的介紹，在本節中將對這幾種目標基于雙基探測條件下的RCS進行分析。

2.1導體圓球

由于雙基探測應用中收發端的位置不同，此時目標RCS除了與前文提到的單基RCS影響因素有關，還需要參考發射端和接收端相對于目標的位置。當一個半徑為0.3 m的金屬球被探測信號照射且探測信號頻率固定時，其RCS值與發射-接收夾角的關系如圖4所示。

圖4　導體圓球雙基RCSFig.4　Bistatic RCS of conducting sphere

2.2導體矩形平面

設矩形平面尺寸為2 m*2 m，電磁波由與垂直該平面方向入射，則可得到該平板RCS值與發射-接收夾角的關系如圖5所示。

圖5　導體矩形平面雙基RCSFig.5　Bistatic RCS of conducting rectangular plate

2.3導體圓柱

設圓柱橫截面半徑為0.5 m，高為2，電磁波由垂直軸心方向入射，則可得到該平板RCS值與發射-接收夾角的關系如圖6所示。

圖6　導體圓柱雙基RCSFig.6　Bistatic RCS of conducting cylinder

3　基于GNSS-R探測的目標雙基RCS仿真

前文闡述了幾種典型目標的單基RCS計算公式以及雙基RCS與收發端夾角的關系，本節中將對已知收發夾角的GNSS-R應用中目標雙基RCS進行仿真，由于雙基RCS的影響因素較為復雜，這里只選擇了收發角度作為自變量來觀測其對RCS的影響，即在分析過程中假定其他影響因素是恒定不變的。即固定目標形狀、尺寸以及探測信號發射頻率和極化方式等影響因素后通過仿真來說明目標雙基RCS與收發角度的關系。參數設置如表1所示：

表1　仿真參數設置Tab.1 Simulation parameters setting

在本應用中頻率取GPS系統L1波段，即1 575.42 MH，對應波長λ約為0.190 m。通過仿真可以得到在GPS信號照射下導體圓球雙基RCS與圓球（a為半徑）尺寸關系圖，如圖7所示；導體矩形平面的雙基RCS與入射角度關系圖，如圖8所示；導體橢圓柱的雙基RCS與入射角度關系圖，如圖9所示。

圖7　GPS信號照射下導體圓球雙基RCSFig.7　Bistatic RCS of conducting sphere illuminated by GPS signal

圖8　GPS信號照射下導體矩形平面雙基RCSFig．8　Bistatic RCS of conducting rectangular plate illuminated by GPS signal

圖9　GPS信號照射下導體橢圓柱雙基RCSFig．9　Bistatic RCS of conducting cylinder illuminated by GPS signal

4　結束語

文中分析了幾種典型目標的單站、雙站RCS，并通過將GNSS信號性質代入運算得到了這幾種目標在GNSS-R遙感探測應用背景下的雙基RCS，在仿真階段利用仿真圖說明了在GNSS-R探測應用中目標RCS與收發端角度的關系。在后續的工作中，會繼續研究其他因素對GNSS-R背景下的雙基RSC的影響，并著手分析復雜形狀目標的雙基RCS計算方法，建立對應的數據庫，從而增強計算模型的實用性，為后續的GNSS-R目標探測識別應用提供幫助。

［1］Jeffrey A．Smith，Adriano Camps，Christopher W．Fairall，et a1．Airborne GNSS-R wind retrievals using delay-doppler maps［J］．IEEE Transcactions on Geoscience and Remote Sensing，January 2013，51（1）:626-641．

［2］Park H，Valencia E，Camps A，et a1．Delay tracking in spaceborne GNSS-R ocean altimetry［J］．IEEE Transcactions on Geoscience and Remote Sensing，2013，10（1）:57-61．

［3］Park H，Camps A，Valencia E，IEEE Geoscience and Remote SensingSociety2012，InternationalConferenceCenter，Munich，2012［C］//Munich，German:IEEE Computer Society．

［4］Li C，Huang W．Simulating GNSS-R Delay-Doppler map of oil slicked sea surface under general［J］．Progress In Electromagnetics Research B，2013（48）:61-76．

［5］閆偉，杜衛民，董群鋒，等．基于ISAR成像的目標大角度RCS外推［J］．計算機仿真，2012，29（4）:35-37．

［6］Gleason S，Towards sea ice remote sensing with space detected GPS signals:demonstration of technical feasibility and initial consistency check using low resolution sea ice information［J］．Remote Sens．，2011，2:2017-2039，2011．

［8］許小劍，李曉飛，刁桂杰，等．時變海面雷達目標散射現象學模型［M］．北京:國防工業出版社，2013．

［9］HUANG Pei-Kang，NING Chao，XU Xiao-Jian，et a1．Solution forpolarimetricradarcrosssectionmeasurementand calibration［J］．JournalofSystemsEngineeringand Electronics，2014，25（2）:211-216．

Analysis of the target RCS in satellite-borne GNSS-R remote sensing

LIU Xin-ning，HUANG Yu，SUN Xie-chang，LI Meng
（Space Star Technology CO.，LTD，Beijing 100086，China）

In this work，the bistatic target RCS in satellite-borne GNSS-R remote sensing is analyzed:in the first place，the definition of RCS and the RCS of several kinds of basic targets is stated；secondly，the affecting factors of the bistatic target RCS is illustrated with the example of scattering angle；finally，the properties of the GPS signal is induced into calculating formulas to get the bistatic RCS of these targets in satellite-borne GNSS-R remote sensing，and the relationship between the bistatic RCS and the scattering angle is shown in the simulations．

bistatic RCS；satellite-borne GNSS-R remote sensing；passive detecting；target identification；RCS simulation

TN951

A

1674－6236（2016）02-0124-04

2015-04-15稿件編號：201504156

總裝預研基金項目（9140A21010114HT05064）。

劉馨寧（1990—），女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生。研究方向：信號處理，圖像處理。