基于ISAR水面舰船高频区散射中心特征提取仿真研究

丁 凡，廖章奇

(中国舰船研究设计中心，湖北 武汉430064)

0 引 言

随着探测技术的飞速发展，雷达成为现代战争中发现目标，定位目标的重要手段。军事目标均面临“发现即被摧毁”的严峻威胁，以舰船为代表的水面目标作为现代战争中的重要装备之一，必然会面临雷达的威胁。逆合成孔径雷达全天候、全天时获取远距离运动目标高分辨率图像的特点，是非合作运动目标探测识别的重要手段，通常搭载于预警机、无人机或导弹等平台，用于提取水面目标特征，对海上侦察、反潜、反舰等方面有重要意义，成为水面目标面临的主要威胁手段［1－2］。水面目标的雷达波散射特性决定了水面目标被敌方探测的暴露距离，亦是进行电磁对抗作战的基础，其作为运动目标在高频区呈现复杂散射特征，其散射中心是ISAR图像目标识别的重要特征。

本文从水面目标面临威胁特点出发，分析水面目标的散射特点，选取具有代表性的水面舰船目标散射中心模型，并构建三维仿真模型，首先采用传统射线追踪法(SBR)分析该目标的RCS 变化趋势，明确散射亮点区域。通过选用基于图像的ISAR目标散射中心特征提取方法，实现高频区水面舰船目标散射中心确定及判别。通过与SBR 方法定位的散射亮点对比，验证了本文提出的水面舰船ISAR散射中心特征提取方法适用于水面舰船散射特性研究。可用于指导同类目标的雷达波散射特征控制及信号检测。

1 水面目标面临的威胁

对于水面目标而言，面临的威胁有预警机探测、攻击飞机及反舰导弹等探测、识别和锁定。主要以空中威胁为主，威胁区域集中在上半空间，威胁频段主要集中在X和Ku 波段。

图1 雷达威胁示意图Fig.1 Radar threat schematic diagram

现代侦察飞机的飞行高度约为十千米级别，假定其距离地面目标十万米左右时开始对水面舰船实施捕获［3－4］。

按照式(1)，探测高度为10 km，探测距离为100 km 时，侦察雷达对水中目标的入射余角应在0.5°以下，此时水面舰船目标面临的威胁角域应为掠入射，基于对水面目标面临的威胁分析，以下分析均选取水平入射角0°进行散射特性分析，入射频率8～18 GHz，覆盖威胁频段X和Ku 全频段。雷达散射截面是表征雷达目标对照射电磁波散射能力的物理量［5－7］。用雷达方程来计算目标的雷达散射截面:

其中:Rmax为雷达最大作用距离;Pt为雷达发射机输出的脉冲功率;G为雷达天线增益;λ为雷达工作波长;σ为目标有效散射面积(雷达截面积);Pr为雷达接收的回波功率。只要测出Pr值，即可计算出雷达截面积。

2 水面目标雷达波散射特性

舰船目标的散射特性根据其作用原理可划分为一次散射及多次散射。对于水面目标雷达波散射特性而言，一次散射占一定比重。水面舰船水线以上结构通常由平板结构构成:上层建筑侧壁、甲板、烟囱等，还存在有大量镜面结构装置:武器发射装置外壁、海补装置等设备及其附属基座，上述结构均为典型镜面结构。多次散射是水面舰船主要特征，包括相互作用散射和凹形区域散射等。水面舰船的舰面布置复杂，桅杆、舰桥、舰面装置、开口结构间相互作用，是造成舰船雷达波多次散射特征复杂的重要原因。水面舰船还存在有其他类型散射，如边缘、拐角和尖端等的表面不连续性的散射;表面导体不连续性的散射;爬行波或阴影边界的绕射行波散射等散射类型。

图2 一次散射示意图Fig.2 Specular scattering schematic diagram

图3 多次散射示意图Fig.3 Multiple scattering schematic diagram

3 计算分析方法

水面目标相对雷达转动除自身转动外，还有目标与雷达之间的切向平动，从而使目标上方位向位置不同的散射点的多普勒频率各异，实现方位向分辨，利用该等效转动实现ISAR 成像。ISAR 成像是通过获取目标二维投影，投影平面被称为目标的图像投影平面IPP (Image Projection Plane)，决定了三维目标在ISAR图像中的呈现形式，即散射中心分布。

图4 IPP与RLOS和∑的关系Fig.4 The connection of IPP、RLOS and ∑

IPP的确定取决于雷达视线RLOS (radar line of sight)指向与目标相对于雷达的转动矢量方向。如图4所示，假设RLOS 沿X 轴，矢量表示为，其单位矢量为;目标相对于雷达的总转动矢量为∑，∑引起的目标上某一散射点A的速度为则该散射点回波的多普勒频率fd为

由上述可知，IPP 包含RLOS，垂直于由→R(RLOS)和决定的平面，目垂直于。ISAR 对目标所成的像就是目标在IPP 内的投影，距离向平行于RLOS，方位向沿方向。

4 计算实例与结果分析

4.1 典型水面目标RCS模型

选取典型水面目标，船长尺度大于160 m，船宽20 m，为外飘型单体船，一体化上层建筑，首、中、尾部上层建筑一体化，上层建筑高度为12 m，机库高度6 m。上层建筑左右舷倾斜角为10°，其他侧壁均倾斜15°。桅杆侧壁设置倾斜角，采用圆台筒形桅杆。上建后部对称布置有4 座圆柱体烟囱排风口。船体首部布置一座武器发射装置，上建后部对称布置2 座武器发射装置。上建右舷有小艇收放开口。其中:上层建筑各侧壁，桅杆侧壁，船体外表面，烟囱排风口侧壁，武器发射装置各侧壁贡献的镜面散射;右舷小艇收放部位开口形成的腔体散射结构;桅杆、烟囱排风口、武器发射装置之间，设备与船体之间的相互散射;桅杆、上层建筑、武器发射装置棱边的边缘散射等。综上所述，该典型水面目标可覆盖2 节描述的水面目标的散射特点。利用Rhinoceros 构建典型水面目标的三维数字模型(见图5)。

图5 典型水面目标数字模型Fig.5 The typical sea target mathematical model building

采用通用有限元网格处理软件Hypermesh 对三维数字模型进行修复，保证面与面间闭合，对闭合的几何模型进行非均匀网格剖分，生成电磁计算的网格模型(见图6)。

4.2 结果分析

选取频率10 GHz，VV 极化，对方位角0°～360° (0°指向舰首方向，180°指向尾向方向)，俯仰角0°的入射波下雷达波散射截面进行仿真。

图6 典型水面目标数字模型Fig.6 The typical sea target simulation model

图7 RCS 方向图Fig.7 RCS pattern

由图7 可看出，该水面目标在船体右舷散射峰值较大，分布在第三、四象限，对220°方位角采用SBR法进行散射亮点分析。

图8 SBR法定位散射亮点Fig.8 The location scattering center of SBR method

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

图7和图8 是分别采用SBR法和ISAR 成像计算的假象舰船目标的RCS 散射中心，其中0°方向为船首方向，180°为船尾方向，－90°为右舷方向。由图7 可看出，220°方位角的散射峰值产生的原因主要是由于小艇补给部位的空腔散射及上层建筑侧壁的镜面散射造成。采用ISAR 成像提取的散射中心位置也分布在小艇补给部位。

5 结 语

通过对某假想水面目标进行ISAR 成像散射中心提取计算，通过与SBR法散射亮点定位结果对比分析，可以看出对舰船目标，ISAR 成像散射中心提取方法适用于水面舰船散射特性研究。可用于指导同类目标的雷达波散射特征控制及信号检测。

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