基于動態RCS的艦船雷達回波仿真與分析

(華中師范大學物理科學與技術學院， 湖北武漢 430079)

0 引言

雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)是研究目標電磁散射特性的重要參數之一。目標結構、形狀、運動狀態及電磁散射機理的復雜性都影響RCS的計算精度[1]。動態RCS是指在靜態測量所獲得的目標全方位RCS信息的基礎上，通過插值得到目標在運動過程中隨方位角變化的RCS信息[2]。目前，RCS的仿真計算主要是全靜態極化數據插值和根據靜態測量數據結合雷達與目標極化關系生成RCS[3]。這兩種方法都存在測量和插值的誤差，并且仿真的工作量大。因此，近年來基于電磁建模的動態RCS仿真成為研究的主要方面。

針對非合作的大型復雜艦船目標，電磁仿真是獲取動態數據的可行途徑，有著廣泛的應用前景和現實意義。關于動態特性對RCS分布的影響是近年來的研究熱點，其中不同頻率、不同極化方式以及不同入射方向的雷達入射電磁波對RCS的影響[4]，快速運動目標的雷達回波信號分析通用起伏模型的研究[5]，不同海雜波擾動對散射系數的影響[6]等都說明了海面艦船RCS計算的復雜性。傳統的電磁建模方法，譬如傳統矩量法(MoM)雖然計算精度高但是難以滿足電大目標及復雜海況下的計算效率要求。為了能快速仿真計算海面艦船的RCS特性，近年來不斷提出各種改進的算法，其中包括運用MEC計算棱邊繞射[7]、基于圖形電磁學的近遠場RCS加速算法[8]、采用改進GO算法的三角面RCS高效預估[9]等。由于海面情況復雜，存在多次復合散射等復雜情況，艦船目標RCS的計算與雷達回波特性的研究得到了人們的關注。

本文結合物理光學法、彈跳射線法等，采用艦船動態分布特性的SwerlingⅡ隨機起伏模型，提出了一種高精度的動態RCS計算方法。對不同雷達入射角度和運動狀態下的艦船目標進行仿真計算，通過雷達回波信號進行對比分析，驗證了動態RCS計算精度高、可靠性高的特點。

1 雷達回波信號及RCS計算

1.1 雷達回波信號基本模型

雷達在t時刻接收到的回波信號可表示為[10]

r(t)=s(t)+c(t)+n(t)

(1)

式中，s(t)為被測目標的回波信號，c(t)為海雜波信號，n(t)為噪聲信號。

(2)

(3)

圖1為本軟件中海雜波的等級設置對話框，通過對式(3)中參數的控制，可以生成不同等級的海況模擬真實海情。

圖1 海況等級設置對話框

n(t)=Re{[n1(t)-jn2(t)]ejωct}

(4)

(a) 參數設置

(b) 采樣波形圖2 噪聲設置

1.2 動態RCS計算

大型水面艦船的雷達波散射機制主要體現在鏡面反射、多次散射及繞射[11]，本文采用物理光學法、綜合物理繞射法、彈跳射線法等進行計算。相對傳統的電磁建模方法，可以在保證精度的條件下提高運算效率。該方法具有普遍適用性，可用于不同目標的RCS計算和分析。

導電平板的散射場計算[12]如式(5)所示：

(5)

式中：r0為平板面元局部坐標系原點在全局坐標系中的位置矢量；am為平板面元第m個邊緣的長度和方向矢量，這些邊緣從頭到尾沿周界分布；rm為第m個邊緣中點的位置矢量；W=i-s，i，s分別為入射和散射方向單位矢量；T為W在平板面元上的投影長度；P=N×W/|n×W|為平板面元上垂直于W的單位矢量；M為平板邊緣的數目，這里取為3，即為三角形面元。

海面艦船目標上布置有大量電子設備，例如：面陣天線、鞭天線及衛星通信天線等，散射特性較為復雜。電子設備與船體及設備之間存在多次散射，彈跳射線法是針對射線管內的電磁參數和目標在射線管內彈射軌跡的追蹤實現的，計算艦船目標多次散射更具有效性[13]。入射平面波(具有ejωt的時間因子)表達式為

Ei=Aieiejφ0

(6)

式中，Ai為電場強度，ei為極化方向單位矢量，φ0為初始相位。

(7)

(8)

對目標范圍內所有射線管進行以上的計算可以獲得所有方向和相位的值，然后進行積分運算可得到目標的總散射場。

1.3 典型艦船RCS分布圖

本文選取了3種形狀、尺寸不同的船模進行仿真計算。按照船模的規模從小到大命名為船模1，2，3。在該軟件的計算參數設置框內，設置模型的RCS全向方位圖(單位：dBsm)計算步長為1°，面元剖分尺寸為1 cm，計算并發數為4，工作頻率為10 GHz。同時，船頭方向入射為0°方位角。

1) 船模1如圖3所示。該艦船長34 m，寬6.7 m，高7.7 m。對應RCS全向方位圖如圖4所示(RCS單位：dBsm)。

圖3 船模1模型

圖4 船模1全向方位圖

2) 船模2如圖5所示。該艦船長140 m，寬20.21 m，高30.06 m。對應RCS全向方位圖如圖6所示(RCS單位：dBsm)。

圖5 船模2模型

圖6 船模2全向方位圖

3) 船模3如圖7所示。該艦船長302.51 m，寬74.12 m,高63.17 m。對應RCS全向方位圖如圖8所示(RCS單位：dBsm)。

圖7 船模3模型

圖8 船模3全向方位圖

圖9為武漢大學電磁工程實驗室開發的復雜目標可視化預估系統(SCTE)[14]中的船模RCS計算結果。該船模長約300 m，寬約 70 m，與本文所設的船模3大小類似。

圖9 SCTE系統中船模計算結果

通過圖8、圖9對比可知，本文設計的RCS計算軟件與SCTE系統計算結果總體趨勢一致，并具有更高的角度靈敏特性。

2 不同場景海面目標雷達回波分析

以下仿真結果均在已設置的雷達參數下進行，具體參數情況如表1所示。示例中各場景布局中，目標最遠距離目標不超過5 km，故將雷達最遠探測距離限定在5 km內。場景圖中目標大小是按比例放大后展示的，相對位置和屬性均不改變。

2.1 采用RCS均值計算的雷達回波信號

場景一：如圖10所示，在同一海面隨機放置船模1,2,3各一艘。設定船模1,2,3的RCS均值分

表1 雷達參數設置表

別為38.75 dBsm，40.79 dBsm，41.76 dBsm帶入仿真中。雷達掃描完成后的PPI視圖如圖11所示，不同船模所占屏幕像素點不同。每艘船模對應的雷達回波信號如圖12所示。

圖10 場景一

圖11 雷達掃描圖

(a) 船模1雷達回波信號(PRI:1)

(b) 船模2雷達回波信號(PRI:1)

(c) 船模3雷達回波信號(PRI：1)圖12 場景一對應的雷達回波信號

從圖12(a)、(b)、(c)對比可得：形狀、大小等結構不同的目標，其回波信號存在很大差別。在仿真過程中，僅用RCS均值帶入計算，表示電大復雜目標的特征識別量是不夠精確的。可能由于目標與雷達相對位置的變化或者姿態的擾動導致結果失真。在下面的仿真中將引入動態RCS計算來分析其有效性。

2.2 入射角度對艦船目標 RCS 的影響

場景二：如圖13所示，在同一海面放置兩艘船模3，航速都為0 m/s，其中目標一相對雷達入射角為30°，目標二相對雷達入射角為90°(目標一為圖中右邊艦船，目標二為圖中左邊艦船)。圖14為雷達PPI視圖。

圖13 場景二

圖14 雷達掃描圖

從圖15可得，目標一和目標二的雷達回波信號的起伏變化和浮動范圍及PPI視圖的明暗對比，可以得出雷達對于目標的不同入射角從時間跨度和幅度都有明顯區別。在仿真過程中，如果采用平均RCS值計算雷達回波，在某些入射角度會有明顯誤差，可能導致錯誤的結論。而動態RCS計算值是考慮了入射角度等因素后得出的，能更加真實地反映目標特性。

(a) 目標一雷達回波信號

(b) 目標二雷達回波信號圖15 場景二對應的雷達回波信號

2.3 艦船運動中RCS的變化分析

場景三：如圖16所示，在海面放置一艘船模3，初始方位為90°，航向180°，航速為30 m/s，并設置天線轉數為4.00 r/s進行仿真。

圖16 場景三

圖17(a)、(b)分別為第一次和第二次照射到目標時的雷達回波信號，由于艦船在不斷運動中，雷達相對目標的入射角度、距離都在不斷變化。目標第一次被照射與第二次被照射的幅值差值很大。這是由于艦船的運動導致相對雷達入射角度不斷變化，并且綜合考慮了海雜波的擾動和噪聲的干擾。因此，通過動態RCS計算的仿真結果能更精確反映艦船真實運動過程中的情況。

(a) 第一次照射雷達回波信號

(b) 第二次照射雷達回波信號圖17 場景三對應的雷達回波信號

2.4 模擬海面艦隊

本文設計的軟件采用動態RCS計算的方法，能夠模擬海面艦隊的雷達回波。場景如圖18所示，放置船模1，2，3，并設置統一的航速為70 m/s，航向為0°。雷達的PPI視圖如圖19所示。

圖18 海面艦隊

圖19 PPI視圖

圖20為不同雷達入射角的PPI視圖，圖21為對應入射角的回波信號。由圖20(a)及圖21(a)所示，當雷達入射角為10°時，該方位角上僅有一艘船模1，該方位角目標回波信號較小并受海雜波影響，在雷達PPI視圖中無法顯示。圖20(b)所示，當雷達入射角為341°時，該方位角能檢測到兩個目標回波信號，檢測到的目標類型都為船模2，由圖21(b)看出目標相對雷達入射角度和姿態不同，回波信號顯示有很大區別。由于海洋環境復雜，目標距離密集，存在多次疊加散射。而在目標群中，有些目標由于體積小、散射弱、距離遠等原因會被淹沒，采用動態RCS算法可以體現這一特性。

(a) 雷達入射角為10° (b) 雷達入射角為341°圖20 不同角度雷達視圖

(b) 第341幀雷達回波圖21 對應雷達入射角度回波信號

3 結束語

由于海面環境的多變性、測試條件難以實現、電磁計算方法不完善等因素制約著海面電大復雜目標的雷達散射特性研究。因此利用計算機技術建模仿真，分析目標雷達回波特性是十分必要的。由于海面環境的隨機性和艦船的運動特性，采用本文設計的動態RCS計算方法能準確高效地模擬目標特性。本文設計的基于動態RCS計算的雷達回波仿真軟件能針對不同結構的目標，在指定的雷達參數和海面環境下仿真計算雷達回波信號，實現了在復雜的環境中精確反映目標特性，為仿真獲取實時數據提供可靠途徑。