基于ISAR水面艦船高頻區(qū)散射中心特征提取仿真研究

丁 凡，廖章奇

(中國艦船研究設(shè)計中心，湖北 武漢430064)

0 引 言

隨著探測技術(shù)的飛速發(fā)展，雷達成為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中發(fā)現(xiàn)目標(biāo)，定位目標(biāo)的重要手段。軍事目標(biāo)均面臨“發(fā)現(xiàn)即被摧毀”的嚴(yán)峻威脅，以艦船為代表的水面目標(biāo)作為現(xiàn)代戰(zhàn)爭中的重要裝備之一，必然會面臨雷達的威脅。逆合成孔徑雷達全天候、全天時獲取遠(yuǎn)距離運動目標(biāo)高分辨率圖像的特點，是非合作運動目標(biāo)探測識別的重要手段，通常搭載于預(yù)警機、無人機或?qū)椀绕脚_，用于提取水面目標(biāo)特征，對海上偵察、反潛、反艦等方面有重要意義，成為水面目標(biāo)面臨的主要威脅手段［1－2］。水面目標(biāo)的雷達波散射特性決定了水面目標(biāo)被敵方探測的暴露距離，亦是進行電磁對抗作戰(zhàn)的基礎(chǔ)，其作為運動目標(biāo)在高頻區(qū)呈現(xiàn)復(fù)雜散射特征，其散射中心是ISAR圖像目標(biāo)識別的重要特征。

本文從水面目標(biāo)面臨威脅特點出發(fā)，分析水面目標(biāo)的散射特點，選取具有代表性的水面艦船目標(biāo)散射中心模型，并構(gòu)建三維仿真模型，首先采用傳統(tǒng)射線追蹤法(SBR)分析該目標(biāo)的RCS 變化趨勢，明確散射亮點區(qū)域。通過選用基于圖像的ISAR目標(biāo)散射中心特征提取方法，實現(xiàn)高頻區(qū)水面艦船目標(biāo)散射中心確定及判別。通過與SBR 方法定位的散射亮點對比，驗證了本文提出的水面艦船ISAR散射中心特征提取方法適用于水面艦船散射特性研究?？捎糜谥笇?dǎo)同類目標(biāo)的雷達波散射特征控制及信號檢測。

1 水面目標(biāo)面臨的威脅

對于水面目標(biāo)而言，面臨的威脅有預(yù)警機探測、攻擊飛機及反艦導(dǎo)彈等探測、識別和鎖定。主要以空中威脅為主，威脅區(qū)域集中在上半空間，威脅頻段主要集中在X和Ku 波段。

圖1 雷達威脅示意圖Fig.1 Radar threat schematic diagram

現(xiàn)代偵察飛機的飛行高度約為十千米級別，假定其距離地面目標(biāo)十萬米左右時開始對水面艦船實施捕獲［3－4］。

按照式(1)，探測高度為10 km，探測距離為100 km 時，偵察雷達對水中目標(biāo)的入射余角應(yīng)在0.5°以下，此時水面艦船目標(biāo)面臨的威脅角域應(yīng)為掠入射，基于對水面目標(biāo)面臨的威脅分析，以下分析均選取水平入射角0°進行散射特性分析，入射頻率8～18 GHz，覆蓋威脅頻段X和Ku 全頻段。雷達散射截面是表征雷達目標(biāo)對照射電磁波散射能力的物理量［5－7］。用雷達方程來計算目標(biāo)的雷達散射截面:

其中:Rmax為雷達最大作用距離;Pt為雷達發(fā)射機輸出的脈沖功率;G為雷達天線增益;λ為雷達工作波長;σ為目標(biāo)有效散射面積(雷達截面積);Pr為雷達接收的回波功率。只要測出Pr值，即可計算出雷達截面積。

2 水面目標(biāo)雷達波散射特性

艦船目標(biāo)的散射特性根據(jù)其作用原理可劃分為一次散射及多次散射。對于水面目標(biāo)雷達波散射特性而言，一次散射占一定比重。水面艦船水線以上結(jié)構(gòu)通常由平板結(jié)構(gòu)構(gòu)成:上層建筑側(cè)壁、甲板、煙囪等，還存在有大量鏡面結(jié)構(gòu)裝置:武器發(fā)射裝置外壁、海補裝置等設(shè)備及其附屬基座，上述結(jié)構(gòu)均為典型鏡面結(jié)構(gòu)。多次散射是水面艦船主要特征，包括相互作用散射和凹形區(qū)域散射等。水面艦船的艦面布置復(fù)雜，桅桿、艦橋、艦面裝置、開口結(jié)構(gòu)間相互作用，是造成艦船雷達波多次散射特征復(fù)雜的重要原因。水面艦船還存在有其他類型散射，如邊緣、拐角和尖端等的表面不連續(xù)性的散射;表面導(dǎo)體不連續(xù)性的散射;爬行波或陰影邊界的繞射行波散射等散射類型。

圖2 一次散射示意圖Fig.2 Specular scattering schematic diagram

圖3 多次散射示意圖Fig.3 Multiple scattering schematic diagram

3 計算分析方法

水面目標(biāo)相對雷達轉(zhuǎn)動除自身轉(zhuǎn)動外，還有目標(biāo)與雷達之間的切向平動，從而使目標(biāo)上方位向位置不同的散射點的多普勒頻率各異，實現(xiàn)方位向分辨，利用該等效轉(zhuǎn)動實現(xiàn)ISAR 成像。ISAR 成像是通過獲取目標(biāo)二維投影，投影平面被稱為目標(biāo)的圖像投影平面IPP (Image Projection Plane)，決定了三維目標(biāo)在ISAR圖像中的呈現(xiàn)形式，即散射中心分布。

圖4 IPP與RLOS和∑的關(guān)系Fig.4 The connection of IPP、RLOS and ∑

IPP的確定取決于雷達視線RLOS (radar line of sight)指向與目標(biāo)相對于雷達的轉(zhuǎn)動矢量方向。如圖4所示，假設(shè)RLOS 沿X 軸，矢量表示為，其單位矢量為;目標(biāo)相對于雷達的總轉(zhuǎn)動矢量為∑，∑引起的目標(biāo)上某一散射點A的速度為則該散射點回波的多普勒頻率fd為

由上述可知，IPP 包含RLOS，垂直于由→R(RLOS)和決定的平面，目垂直于。ISAR 對目標(biāo)所成的像就是目標(biāo)在IPP 內(nèi)的投影，距離向平行于RLOS，方位向沿方向。

4 計算實例與結(jié)果分析

4.1 典型水面目標(biāo)RCS模型

選取典型水面目標(biāo)，船長尺度大于160 m，船寬20 m，為外飄型單體船，一體化上層建筑，首、中、尾部上層建筑一體化，上層建筑高度為12 m，機庫高度6 m。上層建筑左右舷傾斜角為10°，其他側(cè)壁均傾斜15°。桅桿側(cè)壁設(shè)置傾斜角，采用圓臺筒形桅桿。上建后部對稱布置有4 座圓柱體煙囪排風(fēng)口。船體首部布置一座武器發(fā)射裝置，上建后部對稱布置2 座武器發(fā)射裝置。上建右舷有小艇收放開口。其中:上層建筑各側(cè)壁，桅桿側(cè)壁，船體外表面，煙囪排風(fēng)口側(cè)壁，武器發(fā)射裝置各側(cè)壁貢獻的鏡面散射;右舷小艇收放部位開口形成的腔體散射結(jié)構(gòu);桅桿、煙囪排風(fēng)口、武器發(fā)射裝置之間，設(shè)備與船體之間的相互散射;桅桿、上層建筑、武器發(fā)射裝置棱邊的邊緣散射等。綜上所述，該典型水面目標(biāo)可覆蓋2 節(jié)描述的水面目標(biāo)的散射特點。利用Rhinoceros 構(gòu)建典型水面目標(biāo)的三維數(shù)字模型(見圖5)。

圖5 典型水面目標(biāo)數(shù)字模型Fig.5 The typical sea target mathematical model building

采用通用有限元網(wǎng)格處理軟件Hypermesh 對三維數(shù)字模型進行修復(fù)，保證面與面間閉合，對閉合的幾何模型進行非均勻網(wǎng)格剖分，生成電磁計算的網(wǎng)格模型(見圖6)。

4.2 結(jié)果分析

選取頻率10 GHz，VV 極化，對方位角0°～360° (0°指向艦首方向，180°指向尾向方向)，俯仰角0°的入射波下雷達波散射截面進行仿真。

圖6 典型水面目標(biāo)數(shù)字模型Fig.6 The typical sea target simulation model

圖7 RCS 方向圖Fig.7 RCS pattern

由圖7 可看出，該水面目標(biāo)在船體右舷散射峰值較大，分布在第三、四象限，對220°方位角采用SBR法進行散射亮點分析。

圖8 SBR法定位散射亮點Fig.8 The location scattering center of SBR method

圖9 ISAR法定位的散射中心Fig.9 The location scattering center of ISAR method

圖7和圖8 是分別采用SBR法和ISAR 成像計算的假象艦船目標(biāo)的RCS 散射中心，其中0°方向為船首方向，180°為船尾方向，－90°為右舷方向。由圖7 可看出，220°方位角的散射峰值產(chǎn)生的原因主要是由于小艇補給部位的空腔散射及上層建筑側(cè)壁的鏡面散射造成。采用ISAR 成像提取的散射中心位置也分布在小艇補給部位。

5 結(jié) 語

通過對某假想水面目標(biāo)進行ISAR 成像散射中心提取計算，通過與SBR法散射亮點定位結(jié)果對比分析，可以看出對艦船目標(biāo)，ISAR 成像散射中心提取方法適用于水面艦船散射特性研究。可用于指導(dǎo)同類目標(biāo)的雷達波散射特征控制及信號檢測。

［1］汪玲，朱兆達，朱岱寅.機載ISAR 艦船側(cè)視和俯視成像時間段選擇［J］.電子信息學(xué)報，2003，30(12):2835－2839.WANG Ling，ZHU Zhao-da，ZHU Dai-yin.Interval selections for side-view or top-view imaging of ship targets with airborne ISAR［J］.Journal of Electronics＆ Information Technology，2003，30(12):2835－2839.

［2］莫翠瓊，劉文術(shù)，陳秋菊.基于散射中心模型的ISAR 回波仿真方法［J］.航天電子對抗，2008(4):62－64.MO Cui-qiong，LIU Wen-shu，CHEN Qiu-ju.ISAR echo simulation method based on scattering center model［J］.Aerospace Electronic Warfare，2008(4):62－64.

［3］劉佳，渠慎豐，王寶發(fā).基于GRECO的復(fù)雜目標(biāo)多次散射RCS 計算［J］.北京航空航天大學(xué)學(xué)報，2010，36(5):614－616.LIU Jia，QU Shen-feng，WANG Bao-fa.Multiple scattering RCS computation of complex targets on GRECO［J］.Journal of Beijing University of Aeronautics and Astronautics，2010，36(5):614－616.

［4］李杰，郭立新，何瓊，等.復(fù)合電磁散射分析中的精確幾何建模［J］.西安電子科技大學(xué)學(xué)報(自然科學(xué)版)，2012，39(6):92－98.LI Jie，GUO Li-xin，HE Qiong，et al.Accurate geometry modeling in analysis of composite EM scattering［J］.Journal of Xi' an University of Science and Technology(Natural Science Edition)，2012，39(6):92－98.

［5］張友益，張殿友.艦艇雷達波隱身技術(shù)研究綜述［J］.艦船電子對抗，2007，30(2):5－11.ZHANG You-yi，ZHANG Dian-you.Summary of stealth technology about radar wave in naval ship［J］.Shipboard Electronic Countermeasure，2007，30(2):5－11.

［6］黃培康，殷紅成，許小劍.雷達目標(biāo)特性［M］.北京:電子工業(yè)出版社，2005:30－60.

［7］丁鷺飛，耿富錄.雷達原理［M］.西安:西安電子科技大學(xué)出版社，2006.