基于FSV技術的復雜水面目標電磁散射評估研究

祝祥，鄭東

（1.海軍駐武漢地區第五軍事代表室，武漢 430205； 2.武漢船舶通信研究所，武漢 430205）

簡介

近來，特征選擇性驗證技術逐漸應用于判定試驗結果與仿真的一致性。特征選擇性驗證技術主要分為兩個部分，幅度差異測量(ADM)和調整差異測量(FDM)，以及二者被整合成一個針對數據全局一致性的判定（GDM）。詳細概念性說明可以在相關文獻[1-4]中找到。

另一方面，隨機粗糙表面的探測一直是業界研究的重點。多年來，粗糙面的微波散射研究，例如類海洋表面，被廣泛的發表在各種文獻資料中。其中，絕大部分研究成果集中于海面或者海面上目標的散射。如文獻[5]針對隨機粗糙表面電磁散射與逆散射中的若干問題重點研究了一維和二維隨機粗糙表面的時諧波、超寬帶脈沖波的電磁散射，給出了粗糙表面的逆散射重構和統計參數反演方法；文獻[6]詳細介紹了隨機粗糙表面電磁散射微擾法和基爾霍夫近似方法(KA)在內的經典的解析計算方法。但是，關于利用FSV技術評估湖面或湖面艦船目標的電磁散射研究相對不多。

在本研究中，我們首先介紹了兩類典型的湖面和海面理論模型，隨后仿真分析了湖面和海面的電磁散射特征，再考慮加上典型艦船目標，利用特征選擇性驗證技術FSV對縮比湖面和海面表面散射進行仿真計算分析和結果一致性評估。

1 理論模型

隨機粗糙表面的理論模型主要包含湖面模型和海面模型，前者以風驅湖譜模型為代表，后者以JONSWAP海譜模型為代表。海面是一個不規則的隨時間變化的粗糙面，一般通過基于海譜的統計特性來模擬粗糙海面，從海洋學現有觀測和研究成果，海譜能很好地描述充分發展海面的頻域特性，海譜模型主要是通過對在海上獲取的實驗數據擬合而得到的，它是研究海面模型、電磁散射模型和海面回波仿真的基礎。JONSWAP海譜模型為描述海面特征的基本模型之一，是國際標準海洋譜。本文中主要將美國密歇根湖的典型風驅譜模型引入粗糙湖面的電磁散射計算之中，JONSWAP海譜模型則被用于計算粗糙海面的散射。

1.1 湖面模型

基于密歇根湖附近Muskegon塔觀測得出的風驅湖譜模型，為一個有限深度的經驗模型，如公式（1）所示：

式中，

1.2 海面模型

典型的Jonswap海譜模型是波數，k等變量的函數，如公式（2）所示。

式中：

g—重力加速度；0

ω—尖峰頻率；

γ—尖峰因子，其均值一般為3.3，尖峰參數，α= 0.076x?-0.22是與風速和相關長度相關的參數；

1.3 FSV技術

特征選擇性驗證技術即FSV技術，FSV技術通常要求數據集的數目保持一致，該方法要求被比較數據具有類似的形式，并且不受采樣的約束和影響。FSV的動機和目標就是模擬一種視覺上的比較，一旦插值并不明顯影響結果，那么方法就是完全可接受的。經過過濾和變換后的數據集被用于計算幅度差異測量值ADM和調整差異測量值FDM，以及最后合成為一致性的判定值GDM。

2 結果比較

基于雷達散射截面積RCS這一電磁散射特征量，可以用計算機仿真手段得到。圖1所示為考慮粗糙面的復雜艦船目標電磁模型。圖2為垂直極化VV條件下，復雜艦船目標在湖面（150 GHz）和海面（50 GHz）的雷達散射截面積RCS值。圖3為水平極化HH條件下，復雜艦船目標在湖面（150 GHz）和海面（50 GHz）的雷達散射截面積RCS值。圖2和圖3中,橫坐標表示角度，縱坐標為雷達散射截面積RCS值，虛線表示是150 GHz時湖面仿真結果，對應縮比比例1:150，而實線表示是50 GHz時海面仿真結果，對應縮比比例1: 50。正如我們所知，二者間對應的RCS縮比系數應為9。而且，為了便于比較，在圖2和3中以縮比轉換后結果繪制出來。在0～360 °全角域范圍內，兩種場景下的RCS量值幾乎完全一致，僅僅是在個別角度上有所差異，如在某些零點位置，這種差異可能超過3 dB。當重點考慮均值時，這種差異不會帶來明顯區別。

圖1 考慮粗糙面的復雜艦船目標電磁模型

圖2 復雜艦船目標在湖面和海面條件下RCS值（VV極化）

圖3 復雜艦船目標在湖面和海面條件下RCS值（HH極化）

利用前述FSV方法處理圖2與圖3中數據，分別得到圖4與圖5中對應的結果。圖4為基于FSV技術的垂直極化條件下復雜艦船目標在湖面和海面條件下RCS值的ADM、FDM和GDM結果。圖5為基于FSV技術的水平極化條件下復雜艦船目標在湖面和海面條件下RCS值的ADM、FDM和GDM結果。在圖4與圖5的GDM柱狀圖中，尖峰可以迅速被識別，而且兩極分化趨勢明顯，這是數據集動態范圍較大且變化劇烈所致，具體表現為，有時候吻合得很好，而有時候符合得較差。FDM和ADM柱狀圖也展示出了類似的趨勢特點。值得注意的是，雖然在兩幅圖（圖2、圖3），對比曲線都較為相近，但是從圖4、圖5中的柱狀圖對比可以看出，VV極化情況下數據的吻合程度要好于HH極化情況下的結果。

圖4 基于FSV技術的復雜艦船目標在湖面和海面條件下RCS值的ADM、FDM和GDM結果（VV極化）

圖5 基于FSV技術的復雜艦船目標在湖面和海面條件下RCS值的ADM、FDM和GDM結果（HH極化）

3 結論

本文在介紹風驅湖面模型和Jonswap海譜模型的基礎上，基于特征選擇性驗證FSV技術應用于艦船復合電磁散射數據，進行了初步的研究探討。研究結果表明，電磁散射初始數據與其FSV值的尖峰對應吻合得較好，兩極分化的趨勢也比較顯著。這反映出數據集間部分吻合得很好，而部分吻合程度很差。為了更好理解FSV級數在復合散射領域的應用，還需要做更為細致的研究工作。