鳥類目標(biāo)雷達(dá)散射特性研究

李 翔

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

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鳥類目標(biāo)雷達(dá)散射特性研究

李 翔

(中國(guó)船舶重工集團(tuán)公司第723研究所，揚(yáng)州 225001)

鳥類目標(biāo)雷達(dá)散射特性研究逐漸受到重視。首先對(duì)鳥類目標(biāo)的雷達(dá)散射特性進(jìn)行了理論分析，利用實(shí)驗(yàn)室數(shù)據(jù)構(gòu)造的理論統(tǒng)計(jì)模型，估算單只鳥的雷達(dá)散射截面(RCS)量級(jí),然后詳細(xì)介紹了在實(shí)驗(yàn)室對(duì)鳥類雷達(dá)散射截面進(jìn)行測(cè)量的方法和測(cè)試結(jié)果。

鳥類；雷達(dá)橫截面；探測(cè)

0 引 言

雷達(dá)是一種可以用于觀察鳥類活動(dòng)的重要工具。與傳統(tǒng)的觀察人員用望遠(yuǎn)鏡進(jìn)行目視觀察的方法相比，雷達(dá)不僅能夠在更廣大空域里發(fā)現(xiàn)并識(shí)別各種鳥類，而且可以計(jì)算出大群鳥類飛行的速度和方向，長(zhǎng)期跟蹤記錄鳥類活動(dòng)規(guī)律，更重要的是可以在夜間如同白天一樣地進(jìn)行觀測(cè)。雷達(dá)系統(tǒng)在鳥情信息收集上具有自動(dòng)化程度高、數(shù)據(jù)便于分析存儲(chǔ)、受天氣和光線條件影響小等諸多優(yōu)點(diǎn)，利用雷達(dá)對(duì)鳥類目標(biāo)進(jìn)行探測(cè)也越來越趨于工程化。

雷達(dá)與被探測(cè)的目標(biāo)是緊密相關(guān)的，雷達(dá)的最終目的是為了獲取目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)軌跡信息以及幾何形狀、物理參數(shù)等特征信息，因此，對(duì)鳥類目標(biāo)雷達(dá)散射特性的研究逐漸受到重視。

近年來人們發(fā)現(xiàn)，利用雷達(dá)跟蹤海鳥來發(fā)現(xiàn)魚群，可以有效提高遠(yuǎn)洋漁船捕撈效率，本文也正是基于863課題“電子助漁技術(shù)裝備預(yù)研”的研究基礎(chǔ)，對(duì)鳥類目標(biāo)雷達(dá)散射特性進(jìn)行了研究分析，從理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室測(cè)量?jī)煞矫孀髁私榻B。

1 鳥類目標(biāo)雷達(dá)散射特性分析

鳥類目標(biāo)雷達(dá)散射特性主要體現(xiàn)在鳥類周向散射強(qiáng)度的變化(目標(biāo)閃爍)以及飛行過程中翅膀煽動(dòng)對(duì)雷達(dá)回波的影響。對(duì)鳥類目標(biāo)進(jìn)行計(jì)算機(jī)建模是理論計(jì)算鳥類RCS值的重要手段，但由于鳥類是復(fù)雜的生物體，對(duì)其進(jìn)行精確建模非常困難。Moon J R在文獻(xiàn)[1]中提出了一種水球建模方法，認(rèn)為鳥體重的65%由水組成，鳥類目標(biāo)RCS 主要是由其體內(nèi)的水反射形成的。但該方法過于粗糙，且對(duì)于多種鳥類和工作波長(zhǎng)來說，水球模型處于諧振區(qū)甚至瑞利區(qū)，該方法計(jì)算起伏太大，不適于工程應(yīng)用。文獻(xiàn)[2]在通過大量的工程實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)的基礎(chǔ)上，給出了單只鳥的RCS值理論計(jì)算公式：

(1)

通過該公式仿真，得到了頻率分別為3.05 GHz和9.41 GHz時(shí)單只鳥平均RCS值隨質(zhì)量的變化曲線，如圖1所示。表1列舉了部分不同種類成年鳥的典型質(zhì)量及其RCS值。

圖1 單只鳥的平均RCS值隨質(zhì)量變化曲線

表1 不同種類鳥的典型質(zhì)量及其RCS值

一般來說，電子助漁雷達(dá)是對(duì)鳥群進(jìn)行探測(cè)跟蹤，因此更感興趣的是鳥群的RCS值，而鳥群的RCS值直接與鳥群密度有關(guān)。文獻(xiàn)[3]給出了通常情況下不同種類鳥群的密度，如表2所示。

表2 通常情況下鳥群密度

鳥群的RCS值可以根據(jù)鳥群的密度推算得出。最簡(jiǎn)單的假設(shè)是每只鳥之間的間隔足夠大，且取向和分布隨機(jī)，忽略鳥之間的互耦影響，鳥群RCS值=單只鳥的平均RCS值×鳥的數(shù)量。

通過上述分析，可以計(jì)算得出，從S波段到X波段，鳥群的總體RCS值通常情況下大于1 m2，這為雷達(dá)估算距離提供了理論依據(jù)。

2 系統(tǒng)探測(cè)性能分析

由于計(jì)算誤差、建模方法等原因，理論分析得出的鳥類目標(biāo)雷達(dá)散射特性往往不太準(zhǔn)確。為了得到更加真實(shí)的數(shù)據(jù)，在實(shí)驗(yàn)室對(duì)鳥類目標(biāo)RCS值進(jìn)行了測(cè)試。目前在國(guó)內(nèi)，類似對(duì)活鳥進(jìn)行RCS測(cè)試的例子并不多見，因此測(cè)試過程遇到很多難題。

由于海鳥難以捕捉，也難以固定，測(cè)試時(shí)用體積與海鳥差不多的鴨子作為替代。鴨子重量為1.6 kg，可以作為中小尺寸海鳥的代表。

本次測(cè)試的難點(diǎn)之一在于如何將被測(cè)的鴨子長(zhǎng)時(shí)間固定在測(cè)試臺(tái)上?？紤]到測(cè)試臺(tái)旋轉(zhuǎn)，選擇介電常數(shù)與空氣相當(dāng)?shù)呐菽鳛楣潭?，將鴨子兩只腳固定在泡沫上后綁在測(cè)試臺(tái)上，可以控制住鴨子不跑，如圖2所示。

圖2 鴨子固定照

測(cè)試的另一難點(diǎn)在于如何保持鴨子被測(cè)時(shí)的姿態(tài)。由于測(cè)試臺(tái)較高，鴨子被固定后縮成一團(tuán)，腦袋耷拉。在文獻(xiàn)[4]中提到，鴨子脖子的伸縮會(huì)對(duì)測(cè)量值有3～4 dB的影響，在測(cè)試時(shí)用泡沫將鴨脖支撐住，保證鴨脖抬起。另一方面，鳥類翅膀多為羽毛，雷達(dá)散射截面較小，同時(shí)文獻(xiàn)[4]中也強(qiáng)調(diào)翅膀的伸展與折疊對(duì)測(cè)試結(jié)果影響不大，因此測(cè)試時(shí)沒有將鴨子翅膀展開。

實(shí)際測(cè)試時(shí)，分別選取S波段和X波段作為測(cè)試頻段，S波段收發(fā)極化方式為水平極化，X波段收發(fā)極化方式為垂直極化。鴨頭放置在0°，繞鴨身水平旋轉(zhuǎn)360°，測(cè)試?guó)喿右蝗Φ腞CS值，得到測(cè)量結(jié)果分別如圖3和圖4所示。

圖3 S波段海鳥RCS實(shí)測(cè)值

圖4 X波段海鳥RCS實(shí)測(cè)值

通過上述測(cè)試數(shù)值，可以看出一只1.6 kg鴨子在頻段為S波段時(shí)，水平RCS最大值為0.13 m2，在頻段為X波段時(shí)，垂直RCS最大值為0.095 m2。

根據(jù)文獻(xiàn)[4]中的介紹，當(dāng)雷達(dá)正對(duì)鳥的正前方向時(shí)RCS測(cè)試值最大，也就是說我們測(cè)試時(shí)0°的位置應(yīng)出現(xiàn)最大值，但是通過圖3、圖4發(fā)現(xiàn)測(cè)試最大值并不是出現(xiàn)在預(yù)期的0°位置，這可能與鴨子固定在測(cè)試臺(tái)上時(shí)鴨頭的偏置有關(guān)。

本次測(cè)量實(shí)驗(yàn)，是依托某課題開展的實(shí)驗(yàn)室鳥類散射特性測(cè)試的初步嘗試。測(cè)量值為雷達(dá)探測(cè)鳥類目標(biāo)、提取鳥類信息提供了參考依據(jù)，測(cè)量方法也為后續(xù)實(shí)驗(yàn)室進(jìn)行鳥類RCS測(cè)試提供了經(jīng)驗(yàn)。

3 結(jié)論與展望

鳥類目標(biāo)雷達(dá)散射特性研究有著重要的現(xiàn)實(shí)意義，有經(jīng)驗(yàn)的水手會(huì)根據(jù)不同時(shí)期出現(xiàn)的不同種類鳥群判斷魚群的位置與種類。作為鳥類探測(cè)系統(tǒng)，雷達(dá)可以搜集鳥類目標(biāo)的多普勒信息和雷達(dá)回波圖象，根據(jù)不同鳥群目標(biāo)雷達(dá)散射特性建立數(shù)據(jù)庫，雷達(dá)探測(cè)時(shí)可實(shí)時(shí)與數(shù)據(jù)庫比對(duì)，進(jìn)行鳥類目標(biāo)的識(shí)別，這樣會(huì)更容易發(fā)現(xiàn)魚群，提高遠(yuǎn)洋捕撈效率。

[1] MOON J R.Effects of birds on radar tracking systems[C]//IEE:Radar Conference,2002:300-304.

[2] ANTONUCCI J.A Statistical Model of Radar Bird Clutter at the DEW Line.AD242202[R].[S.I.:s.n],1991.

[3] VAUGHN C R.Birds and insects as radar targets:a review[J].Proceedings of The IEEE,1985,73(2):205- 227.

[4] BLACKSMITH P J,MACK R B.On measuring the radar cross sections of ducks and chickens[J].Processing of IEEE,1965(8):1125-1128.

Research into The Scattering Characteristics of Bird Targets

LI Xiang

(The 723 Institute of CSIC,Yangzhou 225001，China)

The study of radar scattering characteristics of bird targets becomes more and more important.This article firstly analyzes the radar scattering characteristics of bird targets in theory,and estimates the radar cross section(RCS) of a single bird by means of theory statistical model based on the data measured in lab,then introduces the method and result measuring birds RCS in lab in detail.

birds;radar cross section;detection

2016-07-13

TN957.52

A

CN32-1413(2016)05-0053-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2016.05.013