海环境近区电磁散射特性模拟测试及统计分析

王晓冰 吴振森 张 元 岳 慧 梁子长

（1.西安电子科技大学理学院，陕西 西安710071；2.电磁散射重点实验室，上海200438）

引 言

国内外采用机载测试平台或者岸基长期观测的方式，对海环境的散射特性进行了大量的研究，得到了不同海况下的海环境电磁散射特性数据并统计其分布特性［1-8］.但在低空超低空状态，探测器距离海面高度仅几米范围，天线照射海面的区域范围较小，属于天线近区，同时由于测试平台及天线旁瓣等引起干扰较多、测试状态难以控制、海上实测代价较大等原因，目前实测数据非常有限.

海环境的实验室模拟测量是研究海环境及海环境背景下目标散射特性的一种有效手段［9］，利用实验室内海环境模拟系统，在造波水池内模拟生成满足不同海谱分布的不规则海浪，可实现模拟海环境的可控、精确电磁散射测量研究，同时测试代价相对较少.

通过人工造波的方式生成海浪，开展近距离照射下海面的后向电磁散射特性研究，采用距离波门截取技术有效消除界外杂波干扰，获取了近距离超低空状态下的海环境特性数据及统计规律.

1 海环境模拟及测量系统

1.1 海环境模拟系统

海环境模拟系统由五大部分组成［10］——海杂波模拟设施、交会运动设施、海杂波测量系统、信号采集处理系统、目标装定设施.主要设施如图1所示，其中造波池长40m、宽30m、深5m，海环境的模拟采用液压摇板造波技术，能模拟0.1m～0.8m的规则波和开阔洋面的1～3级海情的粗糙海面.

图1 海环境模拟系统

1.2 海环境静态测量系统

海环境静态测量系统以Agilent 8362B高性能矢量网络分析仪为核心，采用连续波、双天线准单基测量，工作频段X、Ku频段，发射功率18dBm，系统动态范围90dB，接收机灵敏度-93dBm，收发天线采用喇叭天线，天线主波束宽度10°，天线入射角由天线转台控制。

1.3 海环境后向散射特性测量

海环境后向散射特性测量时，将喇叭天线固定在转台上，通过转台旋转调节入射角，升降平台改变测试高度，测试获取不同入射角和高度时海环境的散射回波信号。静态测量定标采用相对比较法进行定标，将单位面积下海面测试回波信号功率与相同状态下已知雷达散射截面的定标体测试功率比较，得到海面的散射系数。海环境后向散射系数定标公式为［11］

式中：σ为海环境后向散射系数；σ0为标准体的理论散射截面；Pr为海面的回波功率；Pr0为标准体的回波功率；R为天线到海面的距离；R0为天线到标准体的距离；A为照射面积。

测试过程中，观测天线主瓣照射海面区域的散射回波通常与其它干扰杂波混叠在一起，如收发子系统间泄露、造波池岸及运动机构等的反射回波、天线旁瓣杂波等。采用软件距离波门的截取技术滤除测试区域以外的背景干扰信号［11］。软件距离门截止技术主要通过将扫频测试数据变换成时域，并进行时域加窗滤波，最后反变换成频域数据来实现。

依据雷达方程，海环境静态测量系统在作用距离10m时最小可检测雷达散射截面（RCS）约为-55dBsm，而照射海环境后向散射信号在入射角60度时最小约为-45dBsm.根据精度需要量与测量精度之间的关系［12］，海环境电磁散射特性测量精度3dB.

2 海环境测试结果分析

对多种海情海面的近场静态后向散射特性进行了测试.在不同入射角和风向角下，测试了海环境后向散射系数，统计获得了海环境在Ku频段的后向散射系数随入射角、风向角的变化关系.

实验当日水温约为20℃，测试水体为淡水，依据Debye公式［13］，在16GHz时复相对介电常数为45.1＋37.5i.参考文献［14］分析了1～40GHz频段内采用淡水代替海水引起的误差情况，在5GHz以上频率下的误差小于0.5dB，对于更高精度的测试可以采取向水中添加工业盐的方式模拟不同含盐量的海水.

图2为海环境的后向散射特性测量现场及照射面积示意图.天线高度H 为5m，喇叭天线主波束宽度10°，主波束照射区域近似为椭圆形区域，椭圆形区域大小与入射角度有关.当主波束45°入射时，照射区域的长轴a为1.8m，对应0.15～0.3个海浪波周期.同时，测量过程中每一入射角度下测量样本数达200以上，并对获取的散射数据时间序列，剔除其中的5%最大值和5%最小值后进行统计.

图2 海环境后向散射特性测试现场及照射面积示意图

2.1 海面散射回波随时间的变化关系

由于海浪是一个随时间变化的电磁散射体，特别是在近距离窄波束照射下，海浪回波信号变化剧烈，如图3所示，是收发天线入射角30°、VV极化情况下海浪回波信号曲线.图3（a）是PM谱海浪的电磁散射信号随时间的变化曲线，横轴表示采样点数，纵轴分别是经定标后的海面后向RCS、归一化幅值和回波信号相位.可以看出，信号幅度随海浪的变化有很大的起伏，变化范围大于30dB；回波信号的相位变化剧烈.图3（b）是对该测试数据样本的归一化幅值统计分布，在近距离照射情况下，后向散射特性比较符合对数正态的振幅分布.

图3 海浪回波信号时间序列及统计分布

2.2 散射系数与入射角的关系

测量获取的散射系数随入射角的变化关系如图4，统计了测试样本中散射系数的最大值、平均值、最小值随入射角的变化趋势.在天线垂直入射时反射都很强，当偏离垂直方向后回波强度迅速减小，散射系数变化范围大于30dB.对于PM谱海面，同一入射角度下散射系数的平均值和最大值相差10dB左右，最大值和最小值相差30dB以上，这说明在近距离窄波束照射情况下，同一入射角下海面的散射回波起伏剧烈，对于时间敏感的近程探测系统，必须考虑海面的时变特性.

图4 海环境后向散射系数随入射角变化

2.3 散射系数与频率的关系

海环境后向散射系数随测试频率和入射角关系测试结果如图5所示.扫频测试中心频率16GHz，带宽250MHz，步长5MHz，2级海情.同一波段不同频点下的散射系数变化关系趋于一致.

图5 海环境后向散射系数-频率-入射角关系

2.4 散射系数与风向角的关系

探测器天线位置和入射角固定，天线在水平面内旋转，测试获取天线主波束与海浪前进方向不同夹角下的海面后向散射系数.试验结果如图6所示，入射角45°.在近距离窄波束照射下，迎浪和顺浪方向比侧浪情况下海面后向散射系数高约10dB，该数据与雷达手册给出的在机载挂飞条件下平均散射系数变化量约为5dB有一定的差异，表明在近距离窄波束照射下的特殊性.

图6 海环境后向散射系数随风向角变化

3 结 论

在近距离窄波束照射情况下，海面后向散射呈现剧烈的时变特性，散射系数变化范围更大.海面回波信号幅度随海浪的变化有很大的起伏，变化范围大于30dB.同一入射角度下散射系数的最大值和最小值相差30dB以上.在迎浪和顺浪方向比侧浪情况下海面后向散射系数高约10dB.

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