雷达运动目标回波分析

雷达运动目标回波分析许正荣，昂志敏，张晓丰（联系方式：zhengrong_xu@163.net，合肥工业大学661#信箱许正荣230009）（合肥工业大学计算机与信息学院，安徽合肥230009）稿件类型：综述焦点摘要：本文详细分析了表征运动目标回波特性的主要参数，提出了动目标回波的模拟方法，并且用实例说明可用不同站点的雷达来观测隐身目标，对进一步研究运动目标和反隐身有较强的工程应用价值。关键字：动目标特性；雷达截面积（RCS）；回波模拟；隐身目标theAnalysisofRadarMovingTargets’EchoXUzheng-rong，ANGzhi-min，ZHANGxiao-feng(SchoolofComputerandInformationEngineering，HeFeiUniversityofTechnology，HeFei230009，China)Abstract:Thispaperparticularizestheprimeparameterswhichrepresentatetheechoofmovingtargets,andprovidesamethodtosimulatetheecho.Itgivesanexampletoshowhowtoobservethehiddentargetsbyradarsindifferentradarsites.Theintroductionisusefultoengineeringapplication.Keywords:CharactersofMovingTargets;RadarCrossSection;theSimulationofEcho;HiddenTargets1引言雷达运动目标特征信号是一门新兴专业。在防空导弹体系中，从发现、跟踪、识别、拦截直到引爆杀伤目标等过程中，都要根据来袭目标的特征信号来设计探测系统、跟踪制导系统和引信战斗部署系统的参数。此外，随着隐身目标的出现，传统的雷达探测器必须结合隐身目标的特性在频域、空间和体制等方面加以扩充。一些仿真实验证明，某些观测角下隐身目标的特性是可以分析的。因此，为了改善雷达检测目标的能力，并且提高雷达的抗干扰能力，就必须首先掌握运动目标的回波特性。2运动目标回波的特性分析运动目标的特征信息[1]主要包括目标的位置状况，例如：目标的距离、方位角、府仰角和径向速度等，以及目标自身特征的状况，例如：目标的尺寸、形状和姿态等。有关目标位置状况的参量一般用于目标位置的测量，而目标自身特征状况的参量一般用于目标识别。对于雷达系统来说，目标的信息源是目标在雷达接收方向的电磁辐射的散射，空间任意一点的散射信号，可以展开为一个频谱，在任一给定的时间，每个频率分量都对应着一定的幅度和相位。动目标的回波特性非常复杂，与许多因素有关，为了便于分析，不妨把动目标回波用幅度、相位以及飞行随机抖动来近似描述：Sr(t)＝F(t)exp(jφt)θt式中，F(t)：目标回波的反射率函数，表征运动目标的幅度特性；exp(jφt)：目标回波的相位信息；θt：动目标的飞行随机抖动。2.1动目标回波的幅度特性动目标回波的幅度F(t)是一个复杂函数，主要涉及两个方面：（1）与雷达探测的关系，如雷达站位置、发射功率、天线增益、天线转速、脉冲重频和水平/垂直波束形状等；（2）与动目标散射特性的关系，运动目标散射回波本身就是频率、极化、时间和姿态的复杂函数。通常，在确定好雷达站位置和雷达参数后，将实验测量的飞行状态或理论计算的飞行状态转换到雷达坐标系中进行计算分析。无论是实验测量还是理论计算，都要从以下的几个主要因素来考虑，分析如下：1）目标散射原理与雷达截面积[2]理论计算和实验测量均表明，在高频区，运动目标总的电磁散射可以认为是某些局部位置上的电磁散射的合成，这些局部性的散射源通常被称为等效多散射中心，或简称多散射中心。目标散射中心是目标在高频区散射的基本特征之一。雷达技术的发展，使得人们能够利用宽带信号技术来获得目标散射中心在径向距离上的高分辨率，从而得到赖以对多散射中心目标进行分类的大量信息，依据一定的分类识别算法就可以对这些目标进行分类。雷达运动目标回波的强弱主要取决于雷达散射截面积(RadarCrossSection)（亦称为雷达截面积）σ的大小。对单个目标来说，σ可以看作是当发生各向同性的散射时与接受到的实际目标产生相同能量回波的假想拦截面积。雷达截面积是下列因素的函数：（1）目标结构；（2）频率；（3）入射场极化形式；（4）接受天线极化形式；（5）目标对于来波方向的角向位置。因此，一般来说，σ可以表示为σij(,),式中i和j表示入射场和接受天线的极化方向，而(,)则表示球坐标下的视角。通常，雷达在探测运动目标时(如飞机)，最关心飞机的前端视向（目标飞近）。飞机的雷达截面积测量值表格中有时给出其前向、尾向和侧面三个数值。如果截面积数值是在动态下（动目标）测得的，那么这个值是一般都是在某段时间内起伏数值的平均值；否则，就是某一特定视向上的静态值。2）雷达截面积（RCS）的起伏由于目标的瞬间截面积是视角的函数，而运动目标的视向是随机变化的，所以它的截面积也将随时间随机的起伏。要正确地描述雷达截面积起伏，必须知道它的概率密度函数（它与目标的类型、典型的航路有关）和相关函数。但是，运动目标十分复杂而且多种多样，很难准确地得到各种目标截面积的概率分布和相关函数。研究表明，可以用一个接近而又合理的模型来估计起伏的影响并进行数学上的分析。通常飞机幅度起伏模型为SwerlingI型，其概率密度函数为：（式中的是平均截面积）。3)RCS的计算分析原则上，所有求解电磁场散射的理论和方法都可能用于雷达截面积的分析计算。对于处于高频区的动目标，由局部场原理可知，通过计算雷达所照射到的构成散射体的各散射中心的截面积，可以得到总的散射截面积。根据电磁场理论，每个散射中心都相当于斯特拉顿-丘（Stratton-Chu）积分中的一个数学不连续处。从几何观点来分析，就是一些曲率不连续处与表面不连续处，它们可以应用物理光学和几何光学法来求解。然而，对于实际雷达而言，其回波的强弱变化不仅取决于构成目标散射中心所形成的雷达截面积，而且与雷达的分辨率直接有关。对于脉冲式雷达来说，分辨率与雷达的脉冲宽度5结束语本文系统分析了动目标回波的复杂性、动目标回波的模拟方法，并以隐身目标为例，给出了隐身目标的回波特性，为隐身目标的建模提供了比较实用的理论基础；对研究雷达探测和抗干扰有一定的参考价值。作为深入研究，RCS的计算和反隐身技术需要进一步分析。图2不同方位角下的雷达散射截面测试结果[参考文献][1]张有为，李少洪雷达系统分析北京航空学院：国防工业出版社，1981[2]阮颖铮雷达截面与隐身技术北京：国防工业出版社，1998[3]罗宏动态雷达目标的建模与识别研究[D]航天总公司第二研究院博士论文，1999，3[4]R.L.米切尔雷达系统模拟北京：科学出版社，1982[5]何国瑜，王振