無線電引信海面后向散射系數仿真分析

蘇益德，路 明，臧 偉

(1.海軍航空工程學院 a.研究生管理大隊； b.兵器科學與技術系， 山東 煙臺 264001；2.海軍92635部隊，山東 青島 266300)

【裝備理論與裝備技術】

無線電引信海面后向散射系數仿真分析

蘇益德1a，路 明1b，臧 偉2

(1.海軍航空工程學院 a.研究生管理大隊； b.兵器科學與技術系， 山東 煙臺 264001；2.海軍92635部隊，山東 青島 266300)

針對無線電引信在海雜波背景下目標檢測問題的需要，在分析入射余角、工作頻率、極化方式以及海面狀態對后向散射系數影響的基礎上，給出了海雜波對引信信雜比的影響，并對Morchin模型和雙尺度粗糙面復合模型兩類海面后向散射模型進行仿真和擬合；仿真結果表明：在大入射余角條件下，較雙尺度粗糙面復合模型，Morchin模型能夠取得更好的擬合效果，更有效地反映無線電引信超低空工作時海面后向散射系數。

無線電引信；海面后向散射系數；Morchin模型；雙尺度粗糙面復合模型

防空導彈在攻擊海上超低空目標時，由于海面的復雜性和多變性，海面對引信發出無線電波的后向散射會形成強烈的海雜波，對引信形成干擾，導致引信誤動作。為提高無線電引信超低空工作性能，要增強引信抑制海雜波、提取目標信號的能力[1]。要實現這個目標，首先要弄清海面的后向散射特性。

海面是動態變化的，不同時間、不同海面狀況，引信天線接收的海雜波特性都有很大的不同。同時海面后向散射強度與入射余角、工作頻率、極化方式等引信參數有關。因此，許多海面后向散射系數模型即使在相同條件下，計算結果也會相差幾十dB。現有的海面后向散射系數模型主要包括兩類：一類是基于統計特性，如TSC、GIT、Morchin模型等[2-4]；另一類是基于粗糙面散射理論，如小平面模型、雙尺度模型[5]。本文依據兩類模型中Morchin模型和雙尺度粗糙面復合模型，對不同海情條件下的海面后向散射特性進行仿真分析，并與實驗所得經驗公式的計算結果進行擬合，為研究無線電引信海面超低空工作性能提供參考。

1 海面后向散射系數

1.1 海面后向散射系數的特性

無線電引信利用目標的電磁散射特性對目標進行探測，海表面回波會干擾目標信號。海面屬于分布目標，它所呈現的有效散射面積是用引信波束的照射面積乘以散射系數σ0。即：

(1)

式(1)中，A為引信照射的海面面積，σ被照射面積的雷達散射截面。

σ0是兩種類型參數的函數：一種是引信參數，入射余角、工作頻率及極化方向；另一種是海洋環境參數，如浪高、風速、風向等[4]。

1) 入射余角的影響。海面后向散射系數與入射余角的關系是海雜波研究重要課題。后向散射系數σ0與入射余角φgr的關系如圖1所示。

圖1 后向散射系數與入射余角的關系

研究表明,海面后向散射特性隨入射余角的變化可粗略分成3個區域[6]:

準鏡面區：對電波的反射如同鏡面，且σ0值最大。在準鏡面區，后向散射系數與表面粗糙度成反比變化，在完全光滑的表面垂直入射得到最大后向散射系數。同時后向散射系數隨入射余角的增加而減小。

平直區：σ0隨入射余角的的變化不是很大，且σ0隨海面粗糙度的增加而增加。過渡角φt通常約為60°，它隨著海面粗糙度的變化而改變。

干涉區：在此區內直接回波和海面回波相互干涉，σ0隨入射余角的變小而急劇變小。臨界角φc通常φc<10°，且隨著海面粗糙度和頻率而改變。

2) 工作頻率的影響。海雜波與引信工作頻率的關系是相當復雜的且難以精確測量，一方面由于海面狀況的描述不夠充分且σ0對海環境的變化極為敏感，另一方面由于利用引信測量很難進行。

圖2給出了中等海面狀態，頻率范圍50 MHz到X波段，后向散射系數σ0與入射余角φgr的關系曲線。依據圖2可知，對于一定的入射角和相同的極化方向，σ0隨著頻率的增高而加大。

圖2 中等海面狀態下后向散射系數σ0曲線

4) 海面狀態的影響。海面狀態以風速、浪級和風向對σ0的影響最大，而浪級又與風速有關。風越大海浪越大，海面越粗糙，在平直區對電波的散射越強。即σ0隨風速的加大而增大；海面無風平靜時，σ0很小。但對于接近垂直入射時，正好相反。海面平靜時構成鏡面反射，σ0很大；而當風速加大時，反射迅速減弱，σ0變小。

1.2 海雜波對引信探測信雜比的影響

海雜波的出現，改變了引信輸入與接收機輸出的信雜比，使引信的啟動特性受到破壞，導致引信與戰斗部的配合效率降低[8]。

根據雷達方程，在假定目標和雜波的方向圖因子均為1的情況下，信雜比可寫成：

(2)

式(2)中，σ1為目標雷達散射截面，σ0海面后向散射系數，A為引信照射的海面面積。

在目標的雷達散射截面和引信照射面積一定的情況下，引信的信雜比與海面的后向散射系數成反比關系。即海面后向散射系數越大，信雜比越小，目標信號檢測能力越弱。引信探測目標時，實時探測信雜比必須大于最小可檢測信雜比，因此海面的后向散射系數必須小于一定的值，否則嚴重影響目標檢測能力。

2 海面后向散射系數的模型

海面后向散射系數的模型包括兩類：一類基于實驗數據分析擬合建立模型，利用統計學方法對動態海面的回波信號進行建模；另一類基于粗糙面散射理論建立模型，對海雜波強度與環境參數、引信參數關系進行建模。在此分別選取兩類建模方式中的Morchin模型和雙尺度粗糙面復合模型進行仿真分析。

2.1 Morchin模型

Morchin模型[4]是一種較為簡化的海雜波模型，是基于實驗數據的擬合分析建立的模型，易于工程實踐，不考慮極化方向對海雜波的影響，但考慮了接近垂直照射時的鏡面反射分量。其表達式為

(3)

式(3)中：ss為海情級數(0～5級)；φg為雷達波束的入射角；he≈0.025+0.046ss1.72，單位是m，表示海面粗糙度，在五級海情時，he≈0.75；φc=arcsin(λ/4πhe)，單位是rad；β=[2.44(ss+1)1.08]/57.29，單位是rad。

2.2 雙尺度粗糙面復合模型

模型將粗糙海面簡化為兩種尺度粗糙表面，認為海面是由大尺度的風浪和浪涌疊加小尺度的波紋、泡沫和浪花構成的。入射角較大時，散射特性由小尺度粗糙度支配，主要散射形式是Bragg散射；當入射角較小時(一般小于30°)，散射特性由大尺度粗糙度支配，主要散射形式是鏡面散射[9]。

后向散射系數：

(4)

鏡面散射部分：

(5)

式(5)中：φg是入射角，s2為海面的均方斜率，R(0)是垂直入射時的Fesnel反射系數。

Bragg散射部分：

(6)

式(6)中：k=2π/λ為雷達波束，λ是雷達波長；αpq為不同極化時的偏振因子。

水平極化時：

(7a)

垂直極化時：

(7b)

ξr為海面復相對介電常數。

W(K,θ)為方向海譜：

(8)

θ為入射雷達波在水平面上的投影與風向的夾角，r為與風速相關的常數，b為常數0.29；

W(K)為波束譜：

(9)

2.3 經驗公式

針對X波段工作頻率，在不同海面特性和風速條件下進行試驗，得到無線電引信后向散射系數的經驗公式[10]為

(10)

式(10)中：φg為入射角(rad);U為風速(m/s)

3 仿真實驗結果與分析

3.1 仿真結果

依據防空導彈無線電引信實際工作的海面環境，選取在1級、3級和5級海況等級下對Morchin模型和雙尺度粗糙面修正復合模型進行仿真。由道格拉斯海況表得風速分別為3 m/s、7 m/s、11 m/s。依據經驗公式適用條件，工作頻率定為X波段，選取f=10 GHz；極化方式設置為垂直極化和水平極化；入射角變化范圍0°～90°。由于經驗公式在5級海況條件下并不適用，故在1級和3級海況條件下將兩類模型與經驗公式進行對比分析。具體仿真結果如下：

1) 不同海情等級下兩類模型的仿真結果如圖3、圖4、圖5所示。

圖3 1級海情下兩類模型的仿真結果

圖4 3級海情下兩類模型的仿真結果

圖5 5級海情下兩類模型的仿真結果

由仿真結果可知：

兩類模型均能體現入射余角對海面后向散射系數的影響，Morchin模型仿真結果符合已知的研究結論，即散射系數隨入射余角的關系分為3個區，且過渡角和臨界角隨海面粗糙度改變而變化。而雙尺度粗糙面復合模型仿真結果表明，隨著海情級數的提高散射系數與入射余角的關系更加復雜。

雙尺度粗糙面復合模型體現后向散射系數與極化方式的關系，該模型仿真結果表明隨著海情級數的提高，入射余角的增大，散射系數趨向于與極化方式無關，符合已知的研究結論。

在同一海情條件下，中等入射角(10°<φgr<60°)時兩類模型的平均偏差最小；兩類模型的平均偏差隨海況的變化而改變，3級海情時平均偏差最小。

2) 不同海情下兩類模型與經驗公式的對比結果如圖6、圖7所示。

圖6 1級海情時仿真結果

圖7 3級海情時仿真結果

由仿真結果可知：

在同一海情下，入射余角越大，兩類模型與經驗公式的數據吻合程度越高；在不同海情下，海情級數越高，海面粗糙程度越大，兩類模型與經驗公式的數據吻合程度越高；與雙尺度粗糙面復合模型相比，Morchin模型與經驗公式數據擬合程度更高。

3.2 仿真結果分析

本文所采用經驗公式是針對X波段工作頻率在不同海面特性和風速條件下試驗所得，Morchin模型是基于試驗數據的分析擬合而建立的。由于海表面是一個動態的、不斷變化的平面，即使同一條件下，對海面多次測量所得結果仍不一致。因此，Morchin與經驗公式必然存在差距。對于雙尺度粗糙面復合模型而言，海洋粗糙面參數獲取困難，且鏡面散射和Bragg散射對后向散射都存在貢獻，但貢獻比例分配可能更加復雜，因此會出現誤差。

防空導彈在攻擊低空或超低空目標時都是采用俯沖攻擊，即由高處向目標和地海面接近，引信天線波束的入射角逐漸減小直至垂直照射海面，主要受海面鏡面散射的影響。由仿真結果可知，隨著入射角的減小和海情級數提高，兩類模型與經驗公式的數據吻合程度提高，同時當入射角小于30°時，Morchin模型與經驗公式的數據擬合程度更高。因此，在防空導彈攔截超低空目標時，Morchin模型能夠更加有效地反映海面后向散射強度。

4 結論

海雜波能夠降低無線電引信的信雜比，是制約無線電引信超低空能力的重要因素。而引信的工作頻率、極化方式、波束指向以及海面狀態均直接影響海面后向散射強度。在分析影響海面后向散射系數因素基礎上，對兩類海雜波后向散射模型進行仿真。結果表明：在大入射余角(φgr>60°)條件下，兩類模型均能有效的反映海面后向散射系數，且Morchin模型的數據擬合程度更高，為無線電引信超低空技術的研究提供了仿真基礎。

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(責任編輯 周江川)

Simulation and Analysis of the Sea Surface Backscattering Coefficient for Radio Fuze

SU Yi-de1a， LU Ming1b， ZANG Wei2

(1.Graduate Students Brigade; b.Department of Ordnance Science and Technology, Naval Aeronautical and Astronautical University, Yantai 264001, China; 2.The 92635thTroop of PLA, Qingdao 266300, China)

Aim at the problem of target detection in the sea clutter background of radio fuze, the influence of sea clutter on fuze SINR was proposed based on the analysis of the effects of incident angle, frequency, polarization mode and sea surface state on the backscattering coefficient. The simulation and fitting of two types sea clutter backscattering model, Morchin model and double-scale rough surface compound model, were completed. The simulation results show that the Morchin model can achieve the best fit effect under the large incident cosine condition and it can reflect the sea surface backscattering coefficient of the radio fuze at low altitude, and is more effectively than double-scale rough surface compound model.

radio fuze; sea surface backscattering coefficient; Morchin model; double-scale rough surface compound model

2016-12-25；

2017-01-26 作者簡介：蘇益德(1992—),男,主要從事軍用目標近程探測、識別與干擾研究。

路明(1966—)，男，碩士，副教授，主要從事海軍導彈引信技術研究。

10.11809/scbgxb2017.05.012

format:SU Yi-de，LU Ming，ZANG Wei.Simulation and Analysis of the Sea Surface Backscattering Coefficient for Radio Fuze[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(5):52-55.

TJ43+4

A

2096-2304(2017)05-0052-04

本文引用格式：蘇益德，路明，臧偉.無線電引信海面后向散射系數仿真分析[J].兵器裝備工程學報，2017(5):52-55.