鳥類目標雷達散射特性研究

李 翔

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

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鳥類目標雷達散射特性研究

李 翔

(中國船舶重工集團公司第723研究所，揚州 225001)

鳥類目標雷達散射特性研究逐漸受到重視。首先對鳥類目標的雷達散射特性進行了理論分析，利用實驗室數據構造的理論統計模型，估算單只鳥的雷達散射截面(RCS)量級,然后詳細介紹了在實驗室對鳥類雷達散射截面進行測量的方法和測試結果。

鳥類；雷達橫截面；探測

0 引 言

雷達是一種可以用于觀察鳥類活動的重要工具。與傳統的觀察人員用望遠鏡進行目視觀察的方法相比，雷達不僅能夠在更廣大空域里發現并識別各種鳥類，而且可以計算出大群鳥類飛行的速度和方向，長期跟蹤記錄鳥類活動規律，更重要的是可以在夜間如同白天一樣地進行觀測。雷達系統在鳥情信息收集上具有自動化程度高、數據便于分析存儲、受天氣和光線條件影響小等諸多優點，利用雷達對鳥類目標進行探測也越來越趨于工程化。

雷達與被探測的目標是緊密相關的，雷達的最終目的是為了獲取目標的運動軌跡信息以及幾何形狀、物理參數等特征信息，因此，對鳥類目標雷達散射特性的研究逐漸受到重視。

近年來人們發現，利用雷達跟蹤海鳥來發現魚群，可以有效提高遠洋漁船捕撈效率，本文也正是基于863課題“電子助漁技術裝備預研”的研究基礎，對鳥類目標雷達散射特性進行了研究分析，從理論計算和實驗室測量兩方面作了介紹。

1 鳥類目標雷達散射特性分析

鳥類目標雷達散射特性主要體現在鳥類周向散射強度的變化(目標閃爍)以及飛行過程中翅膀煽動對雷達回波的影響。對鳥類目標進行計算機建模是理論計算鳥類RCS值的重要手段，但由于鳥類是復雜的生物體，對其進行精確建模非常困難。Moon J R在文獻[1]中提出了一種水球建模方法，認為鳥體重的65%由水組成，鳥類目標RCS 主要是由其體內的水反射形成的。但該方法過于粗糙，且對于多種鳥類和工作波長來說，水球模型處于諧振區甚至瑞利區，該方法計算起伏太大，不適于工程應用。文獻[2]在通過大量的工程實驗測量數據的基礎上，給出了單只鳥的RCS值理論計算公式：

(1)

通過該公式仿真，得到了頻率分別為3.05 GHz和9.41 GHz時單只鳥平均RCS值隨質量的變化曲線，如圖1所示。表1列舉了部分不同種類成年鳥的典型質量及其RCS值。

圖1 單只鳥的平均RCS值隨質量變化曲線

表1 不同種類鳥的典型質量及其RCS值

一般來說，電子助漁雷達是對鳥群進行探測跟蹤，因此更感興趣的是鳥群的RCS值，而鳥群的RCS值直接與鳥群密度有關。文獻[3]給出了通常情況下不同種類鳥群的密度，如表2所示。

表2 通常情況下鳥群密度

鳥群的RCS值可以根據鳥群的密度推算得出。最簡單的假設是每只鳥之間的間隔足夠大，且取向和分布隨機，忽略鳥之間的互耦影響，鳥群RCS值=單只鳥的平均RCS值×鳥的數量。

通過上述分析，可以計算得出，從S波段到X波段，鳥群的總體RCS值通常情況下大于1 m2，這為雷達估算距離提供了理論依據。

2 系統探測性能分析

由于計算誤差、建模方法等原因，理論分析得出的鳥類目標雷達散射特性往往不太準確。為了得到更加真實的數據，在實驗室對鳥類目標RCS值進行了測試。目前在國內，類似對活鳥進行RCS測試的例子并不多見，因此測試過程遇到很多難題。

由于海鳥難以捕捉，也難以固定，測試時用體積與海鳥差不多的鴨子作為替代。鴨子重量為1.6 kg，可以作為中小尺寸海鳥的代表。

本次測試的難點之一在于如何將被測的鴨子長時間固定在測試臺上。考慮到測試臺旋轉，選擇介電常數與空氣相當的泡沫作為固定件，將鴨子兩只腳固定在泡沫上后綁在測試臺上，可以控制住鴨子不跑，如圖2所示。

圖2 鴨子固定照

測試的另一難點在于如何保持鴨子被測時的姿態。由于測試臺較高，鴨子被固定后縮成一團，腦袋耷拉。在文獻[4]中提到，鴨子脖子的伸縮會對測量值有3～4 dB的影響，在測試時用泡沫將鴨脖支撐住，保證鴨脖抬起。另一方面，鳥類翅膀多為羽毛，雷達散射截面較小，同時文獻[4]中也強調翅膀的伸展與折疊對測試結果影響不大，因此測試時沒有將鴨子翅膀展開。

實際測試時，分別選取S波段和X波段作為測試頻段，S波段收發極化方式為水平極化，X波段收發極化方式為垂直極化。鴨頭放置在0°，繞鴨身水平旋轉360°，測試鴨子一圈的RCS值，得到測量結果分別如圖3和圖4所示。

圖3 S波段海鳥RCS實測值

圖4 X波段海鳥RCS實測值

通過上述測試數值，可以看出一只1.6 kg鴨子在頻段為S波段時，水平RCS最大值為0.13 m2，在頻段為X波段時，垂直RCS最大值為0.095 m2。

根據文獻[4]中的介紹，當雷達正對鳥的正前方向時RCS測試值最大，也就是說我們測試時0°的位置應出現最大值，但是通過圖3、圖4發現測試最大值并不是出現在預期的0°位置，這可能與鴨子固定在測試臺上時鴨頭的偏置有關。

本次測量實驗，是依托某課題開展的實驗室鳥類散射特性測試的初步嘗試。測量值為雷達探測鳥類目標、提取鳥類信息提供了參考依據，測量方法也為后續實驗室進行鳥類RCS測試提供了經驗。

3 結論與展望

鳥類目標雷達散射特性研究有著重要的現實意義，有經驗的水手會根據不同時期出現的不同種類鳥群判斷魚群的位置與種類。作為鳥類探測系統，雷達可以搜集鳥類目標的多普勒信息和雷達回波圖象，根據不同鳥群目標雷達散射特性建立數據庫，雷達探測時可實時與數據庫比對，進行鳥類目標的識別，這樣會更容易發現魚群，提高遠洋捕撈效率。

[1] MOON J R.Effects of birds on radar tracking systems[C]//IEE:Radar Conference,2002:300-304.

[2] ANTONUCCI J.A Statistical Model of Radar Bird Clutter at the DEW Line.AD242202[R].[S.I.:s.n],1991.

[3] VAUGHN C R.Birds and insects as radar targets:a review[J].Proceedings of The IEEE,1985,73(2):205- 227.

[4] BLACKSMITH P J,MACK R B.On measuring the radar cross sections of ducks and chickens[J].Processing of IEEE,1965(8):1125-1128.

Research into The Scattering Characteristics of Bird Targets

LI Xiang

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001，China)

The study of radar scattering characteristics of bird targets becomes more and more important.This article firstly analyzes the radar scattering characteristics of bird targets in theory,and estimates the radar cross section(RCS) of a single bird by means of theory statistical model based on the data measured in lab,then introduces the method and result measuring birds RCS in lab in detail.

birds;radar cross section;detection

2016-07-13

TN957.52

A

CN32-1413(2016)05-0053-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.013