前向雷達(dá)目標(biāo)回波成分與特性分析

趙曉彤,郭琨毅,盛新慶,屈泉酉

(北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院電磁仿真中心,北京 100081)

?

前向雷達(dá)目標(biāo)回波成分與特性分析

趙曉彤,郭琨毅,盛新慶,屈泉酉

(北京理工大學(xué)信息與電子學(xué)院電磁仿真中心,北京 100081)

一般認(rèn)為雙基地雷達(dá)在前向散射區(qū)(雙基地角為135°～180°)的RCS較其他方向更大,前向雷達(dá)的應(yīng)用正是建立在此優(yōu)勢(shì)的基礎(chǔ)上。然而某些實(shí)際場(chǎng)景下天線所接收的電磁波并非散射波,而是散射波與發(fā)射天線輻射波的復(fù)矢量疊加。由于相位和電磁場(chǎng)極化方向的差異,總場(chǎng)表現(xiàn)出與散射場(chǎng)不同的變化特性。用全波法計(jì)算了擴(kuò)展目標(biāo)分別在近場(chǎng)、遠(yuǎn)場(chǎng)觀測(cè)條件下前向區(qū)散射場(chǎng)、總場(chǎng)隨距離和方位的變化,分析和總結(jié)了總場(chǎng)與散射場(chǎng)的數(shù)值特性差異。

雙基地; 前向; 散射特性; 全波法

0　引　言

前向散射雷達(dá)是指工作在前向散射區(qū)的雙基地雷達(dá)[1]。前向散射雷達(dá)相較于其他的雷達(dá)有以下特點(diǎn)[2]:當(dāng)目標(biāo)靠近基線,即雷達(dá)發(fā)射機(jī)和接收機(jī)之間的連線時(shí),雷達(dá)截面積(radar cross section,RCS)會(huì)有大幅度上升。相較于單基地雷達(dá),前向雷達(dá)截面積可增大20～40 dB;由于前向散射的特點(diǎn),測(cè)得目標(biāo)的遠(yuǎn)場(chǎng)RCS在高頻區(qū)受目標(biāo)的吸波涂層的影響很小。這些優(yōu)勢(shì)使前向散射雷達(dá)可以解決傳統(tǒng)的單站雷達(dá)難以解決的問(wèn)題,例如小型低空目標(biāo)、隱身目標(biāo)的探測(cè)。近年來(lái),前向雷達(dá)的功能得到了很大的開(kāi)發(fā),在目標(biāo)檢測(cè)、跟蹤與目標(biāo)識(shí)別[1,3-8]雷達(dá)目標(biāo)成像[9-11]等方面,前向散射雷達(dá)都有很廣泛的應(yīng)用;由于自身體制原因帶來(lái)的雜波,文獻(xiàn)[12-13]進(jìn)行了建模與分析。

實(shí)際前向雷達(dá)所接收的回波信號(hào)的成分可能會(huì)包含發(fā)射天線直達(dá)波的影響,如對(duì)于寬波束雷達(dá),在較寬的接收角度范圍內(nèi),雷達(dá)接收的回波信號(hào)是總場(chǎng),即散射電磁場(chǎng)與入射電磁場(chǎng)的復(fù)矢量疊加結(jié)果。由于相位和電磁場(chǎng)極化方向的差異,總場(chǎng)表現(xiàn)出與散射場(chǎng)不同的變化特性。

目前,前向散射一般采用陰影理論進(jìn)行近似計(jì)算[14]。然陰影理論僅在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下、光學(xué)區(qū)散射、正前向很小的角度范圍內(nèi)有效,其他情況下的計(jì)算結(jié)果會(huì)與實(shí)際結(jié)果相去甚遠(yuǎn)。因此,采用陰影理論近似計(jì)算結(jié)果研究前向雷達(dá)回波特性會(huì)存在問(wèn)題。鑒于此,本文采用全波法-合元極技術(shù)(FE-BI-MLFMA)[15],計(jì)算了擴(kuò)展目標(biāo)在遠(yuǎn)場(chǎng)和近場(chǎng)觀條件下的散射場(chǎng)和總場(chǎng),分析了各成分隨方位角、距離、雙基地角、極化等參數(shù)改變的規(guī)律,總結(jié)了散射場(chǎng)和總場(chǎng)的變化特性差異。

1　前向雷達(dá)接收回波的計(jì)算

前向雷達(dá)與目標(biāo)的幾何位置關(guān)系如圖1所示,其中發(fā)射天線為非窄波束天線[2]。當(dāng)波束寬度較大時(shí),在很大的雙站角范圍內(nèi),接收雷達(dá)處于總場(chǎng)接收區(qū),此時(shí)入射波會(huì)對(duì)接收回波信號(hào)造成干擾。

圖1　前向雷達(dá)幾何結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1　Geometry of FSR

前向散射場(chǎng)的近似計(jì)算多基于陰影理論。該理論首先用巴比涅簡(jiǎn)化原問(wèn)題,得到更簡(jiǎn)單卻等效的問(wèn)題。巴比涅原理的等效過(guò)程為:首先用與目標(biāo)輪廓形狀相同的不透明平板代替目標(biāo),然后再用一塊無(wú)限大的互補(bǔ)屏(其空隙與平板相同)代替平板。由巴比涅原理可知,原目標(biāo)的散射問(wèn)題與無(wú)限大縫隙平板的散射問(wèn)題(其縫隙與目標(biāo)輪廓形狀完全相同)等效。于是,對(duì)于不透明空隙平板,利用惠更斯原理計(jì)算其前向散射場(chǎng)[16],進(jìn)而得到目標(biāo)的雙站RCS為

(7)

式(7)的積分作用在與目標(biāo)投影輪廓相同的縫隙上。其中,λ為波長(zhǎng);k為散射場(chǎng)波數(shù)矢量;ρ為孔徑平面內(nèi)任一點(diǎn)的徑向矢量;A為孔徑面。雙基地角為180°時(shí),式(7)就簡(jiǎn)化為

(8)

該近似方法存在明顯的局限性:該方法將立體目標(biāo)直接等效為平板目標(biāo)的近似很不嚴(yán)格;目標(biāo)尺寸需遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于自由空間波長(zhǎng);計(jì)算散射場(chǎng)時(shí)沒(méi)有考慮極化問(wèn)題;目標(biāo)相對(duì)于發(fā)設(shè)計(jì)和接收機(jī)都處在遠(yuǎn)場(chǎng)范圍內(nèi),即,R≥2D2/λ,其中R為目標(biāo)與接收機(jī)(發(fā)射機(jī))之間的距離,D為目標(biāo)的最大尺度。

因此,當(dāng)目標(biāo)為擴(kuò)展目標(biāo),其散射成分包括非光學(xué)散射貢獻(xiàn),且雷達(dá)處于目標(biāo)散射的非遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)時(shí),采用近似法計(jì)算目標(biāo)的前向RCS會(huì)存在難以估計(jì)的誤差,為了保證計(jì)算精度采用全波法計(jì)算。

為了說(shuō)明近似法的誤差,下文給出了某隱身飛機(jī)的遠(yuǎn)場(chǎng)雙基地RCS計(jì)算結(jié)果。基于前向近似理論的近似法與全波法的計(jì)算結(jié)果如圖2所示。入射方向?yàn)闄C(jī)頭方向;入射頻率為1.3 GHz;接收方向?yàn)閤oy平面的前向散射區(qū);全波法的極化方式為VV極化。由圖可見(jiàn),即使?jié)M足遠(yuǎn)場(chǎng)條件下,僅在β=180°±1.5°的較小范圍內(nèi)近似法與全波法的計(jì)算結(jié)果相吻合,誤差小于3 dB,而其他角度下存在很大誤差,雙站角為181.8°時(shí),誤差約為15 dB。

圖2　全波法與近似法的雙基地RCS計(jì)算結(jié)果對(duì)比Fig.2　RCS comparison of different methods

2　典型目標(biāo)的前向雷達(dá)回波計(jì)算

本文以3種典型擴(kuò)展目標(biāo)為例,詳細(xì)計(jì)算了在不同入射距離、接收距離和方位處的入射場(chǎng)、目標(biāo)散射場(chǎng)、總場(chǎng)的結(jié)果。3個(gè)目標(biāo)分別為圓錐和兩種不同的飛機(jī),這3種目標(biāo)對(duì)于空中飛行目標(biāo)具有一定的代表性。目標(biāo)的尺寸參數(shù)如表1,數(shù)值算例共有3組,具體的計(jì)算參數(shù)設(shè)置見(jiàn)表2。

表1　目標(biāo)的尺寸參數(shù)

表2　目標(biāo)的計(jì)算參數(shù)

圖3　目標(biāo)幾何位置示意圖Fig.3　Geometry of the targets

2.1遠(yuǎn)場(chǎng)入射、接收及接收方位變化

入射和接收距離滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件,3個(gè)目標(biāo)的散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨雙站角β變化的情況,如圖4～圖6所示。

圖4展示了圓錐目標(biāo)在前向散射區(qū)(雙站角在180°±45°之間)的入射場(chǎng)、散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度的大小關(guān)系。由圖4可見(jiàn),散射場(chǎng)幅度僅僅在β=180°的正前向很大,約為2.43 V/m,稍稍偏離便迅速減小,如偏離2°則衰減為β=180°時(shí)幅度的1/10;由于散射場(chǎng)與入射場(chǎng)的復(fù)矢量疊加效果,總場(chǎng)幅度在β=180°±3°范圍內(nèi)劇烈振蕩,幅度達(dá)4 dBV/m,始終大于散射場(chǎng)幅度。圖5和圖6為飛機(jī)目標(biāo)在前向散射區(qū)散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨雙站角變化圖。與圓錐類似,散射場(chǎng)幅度僅僅在β=180°很大,稍稍偏離則迅速減小:圖5在β=180°+6°時(shí)減小為1/6,圖6在β=180°±7°時(shí)減小為1/7;總場(chǎng)曲線振蕩區(qū)域更寬,例如圖6總場(chǎng)振蕩的幅度達(dá)7 dBV/m,并且總場(chǎng)幅度大于散射場(chǎng)幅度。

圖4　圓錐的散射場(chǎng)總場(chǎng)幅度隨β變化Fig.4　Comparison of electric field scattered by the cone between different components

圖5　民用飛機(jī)的散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨β變化Fig.5　Comparison of electric field scattered by the plane between different components

圖6　隱身飛機(jī)的散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨β變化Fig.6　Comparison of electric field scattered by X22 between different components

2.2近場(chǎng)入射,接收距離由近及遠(yuǎn)變化

在近場(chǎng)入射條件下,3個(gè)目標(biāo)的散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨接收距離的變化,如圖7～圖9所示。

圖7　圓錐在近場(chǎng)入射下的前向散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨Rr變化Fig.7　Comparison of electric field scattered by the cone under near field incidence between different components

圖8　民用飛機(jī)近場(chǎng)入射的前向散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨Rr變化Fig.8　Comparison of electric field scattered by the plane under near field incidence between different components

圖9　隱身飛機(jī)近場(chǎng)入射的前向散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨Rr變化Fig.9　Comparison of electric field scattered by X22 under near field incidence between different components

圖7可見(jiàn),圓錐在接收距離Rr<0.4 km的非遠(yuǎn)場(chǎng)接收區(qū),散射場(chǎng)幅度有很大振蕩,總場(chǎng)也隨之振蕩;在逐漸進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)接收區(qū)后,散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度大小趨于穩(wěn)定,總場(chǎng)大于散射場(chǎng)。經(jīng)計(jì)算,在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)(Rr=1 km),散射場(chǎng)和總場(chǎng)的RCS分別為-13.8 dB、-5.7 dB,差別約為7.9 dB。圖8可見(jiàn),民用飛機(jī)目標(biāo)總場(chǎng)幅度大于散射場(chǎng)幅度,在遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)(Rr=50 km),散射場(chǎng)和總場(chǎng)的RCS分別為33.4 dB、38.2 dB,相差4.4 dB。由圖9所示,隱形飛機(jī)目標(biāo)與其他目標(biāo)不同,散射場(chǎng)幅度大于總場(chǎng)幅度,散射場(chǎng)和總場(chǎng)的RCS分別為33.5 dB、36.8 dB,相差3.3 dB。

2.3遠(yuǎn)場(chǎng)入射,接收距離由近及遠(yuǎn)變化

在遠(yuǎn)場(chǎng)入射條件下,3種目標(biāo)的的散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨接收距離的變化,如圖10～圖12所示。

圖10　圓錐遠(yuǎn)場(chǎng)入射的前向散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨Rr變化Fig.10　Comparison of electric field scattered by the cone under far field incidence between different components

圖11　民用飛機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)入射前向散射場(chǎng)入射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨Rr變化Fig.11　Comparison of electric field scattered by the plane under far field incidence between different components

圖12　隱身飛機(jī)遠(yuǎn)場(chǎng)入射的前向散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度隨Rr變化Fig.12　Comparison of electric field scattered by X22 under far field incidence between different components

從圖10 (a)可以看出,在近場(chǎng)接收區(qū),散射場(chǎng)幅度振蕩起伏很大,進(jìn)而造成總場(chǎng)的起伏振蕩。由圖10 (b)可以觀察到,在遠(yuǎn)場(chǎng)接收區(qū)(Rr=1 km),散射場(chǎng)和總場(chǎng)幅度的振蕩趨于平穩(wěn)。經(jīng)計(jì)算,散射場(chǎng)和總場(chǎng)的RCS分別為46.8 dB、53.0 dB,差別約為6.2 dB。由圖11和圖12可見(jiàn),在逐漸進(jìn)入遠(yuǎn)場(chǎng)接收區(qū),兩種飛機(jī)目標(biāo)的總場(chǎng)和散射場(chǎng)曲線趨于穩(wěn)定,總場(chǎng)幅度大于散射場(chǎng)。民用飛機(jī)的散射場(chǎng)和總場(chǎng)的RCS分別為44.1 dB、53.8 dB,差別約為9.7 dB。在遠(yuǎn)場(chǎng)接收區(qū)(Rr=50 km),隱身飛機(jī)的散射場(chǎng)和總場(chǎng)的RCS分別為41.5 dB、52.1 dB,差別約為10.6dB;綜上,在遠(yuǎn)場(chǎng)入射遠(yuǎn)場(chǎng)接收的條件下,前向散射場(chǎng)和總場(chǎng)求出的RCS值相差在6dB以上。三目標(biāo)在近、遠(yuǎn)場(chǎng)條件下、正前向和偏離正前向3度時(shí),總場(chǎng)與散射場(chǎng)的RCS數(shù)值差異,見(jiàn)表3所示。可見(jiàn),總場(chǎng)與散射場(chǎng)的差異程度隨距離和方位而劇烈變化,當(dāng)總場(chǎng)中散射分量很小時(shí),顯然會(huì)造成雷達(dá)回波有效信號(hào)分離的困難。

表3　不同情況下總場(chǎng)與散射場(chǎng)RCS差值

3　結(jié)　論

本文采用矩量法,以3個(gè)典型擴(kuò)展目標(biāo)為例,計(jì)算與分析了近、遠(yuǎn)場(chǎng)條件下目標(biāo)前向散射區(qū)總場(chǎng)與散射場(chǎng)數(shù)據(jù),并得到一些有意義的結(jié)論,對(duì)前向雷達(dá)的應(yīng)用具有一定的參考價(jià)值。

雖然前向散射區(qū)為β=180°±45°以內(nèi)的很大角度,然而由彈頭類目標(biāo)、民航飛機(jī)、隱身飛機(jī)的散射場(chǎng)幅度隨接收角度變化的結(jié)果可知,散射場(chǎng)僅僅在正前向附近非常小的角度內(nèi)較大,偏離此范圍則急劇下降,而且不同目標(biāo)的前向散射效應(yīng)的角度范圍也不同:圓錐目標(biāo)的角度范圍為3°,民用飛機(jī)目標(biāo)的角度范圍為13°,隱身飛機(jī)目標(biāo)的角度范圍為11°。因此,前向雷達(dá)是否可以獲得比單站雷達(dá)更強(qiáng)目標(biāo)散射信號(hào),需要先對(duì)具體目標(biāo)散射方位特性預(yù)先計(jì)算。

由三目標(biāo)的前向散射場(chǎng)幅度隨接收距離的變化結(jié)果來(lái)看,在近場(chǎng)接收區(qū)總場(chǎng)與散射場(chǎng)幅度隨接收距離劇烈振蕩,而且兩者的振蕩特性存在明顯差異?？梢?jiàn),在非遠(yuǎn)場(chǎng)條件下散射場(chǎng)和總場(chǎng)的差異隨具體目標(biāo)而異,無(wú)統(tǒng)一性的規(guī)律?？倛?chǎng)幅度甚至為弱于散射場(chǎng)幅度,這會(huì)對(duì)分離雷達(dá)回波的有效信號(hào)造成困難。

依據(jù)遠(yuǎn)場(chǎng)入射和接收條件下三目標(biāo)散射場(chǎng)和總場(chǎng)RCS定量計(jì)算結(jié)果可知:正前向觀測(cè)時(shí),圓錐的散射場(chǎng)比總場(chǎng)小約為6.2 dB;民用飛機(jī)的散射場(chǎng)比總場(chǎng)小約9.7 dB。隱身飛機(jī)的散射場(chǎng)比總場(chǎng)小約10.6 dB。當(dāng)偏離正前向3°時(shí),三目標(biāo)的散射場(chǎng)和總場(chǎng)RCS差別則變?yōu)?5.3 dB,13.2 dB,15.4 dB?？梢?jiàn)總場(chǎng)與散射場(chǎng)的差異隨雙站角而劇烈變化,很多情況下相差會(huì)達(dá)10 dB以上。當(dāng)總場(chǎng)中散射場(chǎng)幅度分量越小,造成分離雷達(dá)回波的有效信號(hào)的困難越大,特別對(duì)于低、小、慢目標(biāo),此問(wèn)題更為嚴(yán)重。

[1] Wang H J.The disquisition of targets tracking in the bistatic forward scattering radar[D].Xian:Xidian University,2009.(王輝軍.雙基地前向散射雷達(dá)目標(biāo)跟蹤研究[D].西安：西安電子科技大學(xué),2009.)

[2] Blyakhman A B,Runova I A.Forward sattering radiolocation bistatic RCS and target detection[C]//Proc.of the IEEE Radar Conference,1999:20-22.

[3] Cherniakov M,Abdullah R S,Jancovic A R,et al.Automatic ground target classification using forward scattering radar[J].IEE Radar,Sonar and Navigation,2006,153(5):427-437.

[4] Chen X L,Hu C,Zeng T.Automatic vehicle classification based on forward scattering radar[J].Science in China,Series F:Information Sciences,2012(11):1471-1480.(陳新亮,胡程,曾濤.一種基于前向散射雷達(dá)的車(chē)輛目標(biāo)自動(dòng)識(shí)別方法[J].中國(guó)科學(xué)(信息科學(xué)),2012(11):1471-1480.)

[5] Blyakhman A B,Myakinkov A V,Ryndyk A G.Measurement of target coordinates in three-dimensional bistatic forward-scattering radar[J].Journal of Communications Technology and Electronics,2006,51(4):397-402.

[6] Suberviola I,Mayordomo I,Mendizabal J.Experimental results of air target detection with a GPS forward-scattering radar[J].IEEE Trans.on Geoscience and Remote Sensing Letters,2012,9(1):47-51.

[7] Gashinova M,Daniel L,Sizov V,et al.Phenomenology of Doppler forward scatter radar for surface targets observation[J].IEE Radar,Sonar and Navigation,2013,7(4):422-432.

[8] Kovalev A N,Kovalev F N.Determination of the difference of the distances to a moving object in the forward-scatter radar systems with diversity reception[J].Radiophysics and Quantum Electronics,2014,57(6):441-445.

[9] Cao Y H,Zhang T,Luo B F.Experimental imaging results for forward scattering hedge radar[J].Modem Radar,2009,31(1):18-20.(曹運(yùn)合,張濤,羅斌鳳,等.前向散射雷達(dá)目標(biāo)成像實(shí)驗(yàn)研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2009,31(1):18-20.)

[10] Cheng H,Xiao L L,Teng L.An accurate SISAR imaging method of ground moving target in forward scatter radar[J].Science in China,Series F:Information Sciences,2012(55):2269-2280.

[11] Cheng H,Chao Z,Tao Z,et al.Radio holography signal reconstruction and shadow inverse synthetic aperture radar imaging in ground-based forward scatter radar:theory and experimental results[J].IEE Radar,Sonar and Navigation,2014,8(8):907-916.

[12] Hu C,Liu C J,Zeng T,Statistical analysis and simulation method of forward scattering clutter in bistatic radar[J].Journal of Signal Processing,2013(3):293-303.(胡程,劉長(zhǎng)江,曾濤,等.雙基地前向散射雷達(dá)雜波分析與模擬方法[J].信號(hào)處理,2013(3):293-303.)

[13] Gashinova M,Kabakchiev K,Daniel L,et al.Measured forward-scatter sea clutter at near-zero grazing angle:analysis of spectral and statistical properties[J].IEE Radar,Sonar and Navigation,2014,8(2):132-141.

[14] Glaser J I.Bistatic RCS of complex objects near forward scatter[J].IEEE Trans.on Aerospace and Electronic Systems,1985,21(1):70-78.

[15] Sheng X Q.A brief treatise on computational electromagnetics[M].2nd ed.Hefei:Press of University of Science and Technology of China,2008:17-42.(盛新慶.計(jì)算電磁學(xué)要論[M].2版.合肥:中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)出版社,2008:17-42.)

[16] Gordon W.Far-field approximations to the Kirchoff-Helmholtz representations of scattered fields[J].IEEE Trans.on Antennas and Propagation,1975,23(4):590-592.

Characteristics analysis on forward scattering radar echoes

ZHAO Xiao-tong,GUO Kun-yi,SHENG Xin-qing,QU Quan-you

(Center for Electromagnetic Simulation,Beijing Institute of Technology,Beijing 100081,China)

Lots of applications are based on the bistatic radar system for its enhanced radar cross section (RCS)when the transmitter works on the forward scattering area (bistatic angle is larger than 135°).For radar in some practical situation,echoes include scattering signal and incident signal at a considerable range of the bistatic angle.The total field differs with the scattering field in many characteristics like phase,which will have influence on the applications of the forward scatter radar (FSR).The echoes of some FSR objects are simulated when the bistatic angle and distance between the receiver and the object changes.The echoes composition and characteristics are analyzed and the drawbacks of the shadow theory will be listed.

bistatic radar; forward scatter; echo characteristics; full-wave numerical method

2015-11-26；

2016-06-02；網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版日期：2016-07-14。

國(guó)家自然科學(xué)基金-面上項(xiàng)目(61471041)資助課題

TP 18

ADOI:10.3969/j.issn.1001-506X.2016.11.12

趙曉彤(1992-),女,博士研究生,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)特性。

E-mail:694360944@qq.com

郭琨毅(1976-),女,碩士研究生導(dǎo)師,副研究員,博士,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)特性。

E-mail:guokunyi@bit.edu.cn

盛新慶(1968-),男,教授,博士研究生導(dǎo)師,博士,主要研究方向?yàn)殡姶庞?jì)算。

E-mail:xsheng@bit.edu.cn

屈泉酉(1988-),男,博士,主要研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)特性。

E-mail:1426802347@qq.com

網(wǎng)絡(luò)優(yōu)先出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/11.2422.TN.20160714.1456.014.html