王雅芬，江志浩，黃 猛，張振杰

（中國(guó)人民解放軍91977部隊(duì)，北京 102249）

0 引言

在現(xiàn)代信息化條件下的海戰(zhàn)中，由于各種先進(jìn)探測(cè)裝備和精確制導(dǎo)武器的廣泛應(yīng)用，艦船目標(biāo)被發(fā)現(xiàn)和被打擊的可能性大大提高，所面臨的威脅越來(lái)越大。為了提高自身的生存能力，并在作戰(zhàn)中獲得更多的戰(zhàn)術(shù)優(yōu)勢(shì)，進(jìn)行隱身設(shè)計(jì)已成為艦船目標(biāo)設(shè)計(jì)的客觀要求和發(fā)展的必然趨勢(shì)[1-2]。進(jìn)而也對(duì)海面環(huán)境下艦船目標(biāo)電磁散射特性的測(cè)試評(píng)估技術(shù)提出了更高的要求。本文在分析國(guó)內(nèi)外海面艦船電磁散射特性測(cè)試評(píng)估技術(shù)現(xiàn)狀的基礎(chǔ)上，結(jié)合我國(guó)現(xiàn)有技術(shù)基礎(chǔ)與研究條件，提出采用全尺寸測(cè)試、縮比模型試驗(yàn)和仿真建模相結(jié)合的方式，獲取具有一定置信度的海面環(huán)境條件下艦船目標(biāo) RCS特性，為艦船目標(biāo)隱身技術(shù)研究和探測(cè)制導(dǎo)技術(shù)研究提供支撐。

1 國(guó)內(nèi)外海面環(huán)境下艦船RCS測(cè)試建模技術(shù)現(xiàn)狀

在相當(dāng)一段時(shí)間里，由于理論基礎(chǔ)較為薄弱，研究者在研究水面艦船的電磁散射特性時(shí)，習(xí)慣將艦船目標(biāo)和波浪海面環(huán)境分為 2個(gè)獨(dú)立的分支領(lǐng)域分別開(kāi)展研究。但是，對(duì)海面目標(biāo)或低空飛行的海上目標(biāo)而言，海面散射場(chǎng)及目標(biāo)與海面之間的耦合散射場(chǎng)會(huì)對(duì)目標(biāo)散射回波特征造成顯著的影響，導(dǎo)致在應(yīng)用雷達(dá)檢測(cè)、識(shí)別目標(biāo)時(shí)出現(xiàn)虛警和漏警。此外，海面散射場(chǎng)及其與水面目標(biāo)的耦合散射場(chǎng)也給目標(biāo)的制導(dǎo)與跟蹤帶來(lái)很大的困難。

常用的海面目標(biāo) RCS測(cè)試評(píng)估方法有全尺寸測(cè)試、電磁縮比測(cè)試[4]以及以及理論建模數(shù)值仿真等3種方法。前2種方式獲取的數(shù)據(jù)置信度高，但測(cè)量周期較長(zhǎng)，需要配合測(cè)量的裝備較多，受環(huán)境因素影響大而且成本非常大；理論建模和數(shù)值仿真方式獲取海面目標(biāo)電磁散射特性數(shù)據(jù)更為容易且方便，但是置信度需要通過(guò)前2種方式來(lái)驗(yàn)證。

國(guó)外有關(guān)海面電磁散射的研究開(kāi)展較早，進(jìn)行了諸多的實(shí)驗(yàn)和理論研究，特別在粗糙海面考慮遮蔽效應(yīng)、多重散射和后向增強(qiáng)效應(yīng)方面取得了一些顯著的研究成果[3]，對(duì)于中、小入射角下，有關(guān)波浪導(dǎo)致的粗糙海面散射特性理論也較成熟，而且針對(duì)艦船在海面環(huán)境下的電磁散射特點(diǎn)建立了開(kāi)展相關(guān)研究的專用水面測(cè)試場(chǎng)。其中，比較具有代表性的有意大利艦船RCS海面試驗(yàn)場(chǎng)和美國(guó)MASK室內(nèi)試驗(yàn)場(chǎng)等[4-5]。意大利的艦船RCS試驗(yàn)場(chǎng)及測(cè)試系統(tǒng)可用于進(jìn)行模擬海面環(huán)境下的艦船縮比模型和上層建筑、部件的RCS試驗(yàn)研究。美國(guó)MASK試驗(yàn)場(chǎng)配置了造浪裝置以有效模擬粗糙海面雜波特性，最大可縮比模擬5級(jí)海況，為艦船與水面間相互耦合作用的研究提供了良好的技術(shù)條件。

目前，我國(guó)海面環(huán)境下艦船目標(biāo)復(fù)合電磁散射特性的實(shí)測(cè)和理論處于起步階段，基于海面環(huán)境的艦船電磁散射試驗(yàn)場(chǎng)基本沒(méi)有，尚不具備采用海上全尺寸測(cè)量或室內(nèi)造浪電磁縮比試驗(yàn)研究高海況條件下水面艦船電磁散射特性的條件。然而，經(jīng)過(guò)近20年的發(fā)展，我國(guó)在建模建庫(kù)與仿真計(jì)算方面已經(jīng)取得了一些進(jìn)展，在此基礎(chǔ)上，采用全尺寸測(cè)試、電磁縮比測(cè)試[4]以及以及理論建模數(shù)值仿真等3種方法相結(jié)合的方式獲取具有一定置信度的海面艦船RCS數(shù)據(jù)已經(jīng)成為可能。

2 海面環(huán)境下艦船RCS特點(diǎn)

艦船是多結(jié)構(gòu)區(qū)域、多種散射機(jī)制并存的超電大尺寸復(fù)雜目標(biāo)，舷體、上層建筑和桅桿構(gòu)成了全艦的主體，甲板上層布置的大量電子設(shè)備和建筑布置緊湊且樣式復(fù)雜各異（如煙筒、櫥柜、水管、加固扳、梯子、過(guò)道、艙口、雷達(dá)天線等）。在諸多結(jié)構(gòu)中，上層建筑主要由平板結(jié)構(gòu)組成，平面鏡面反射效應(yīng)最顯著，同時(shí)并存著繞射效應(yīng)；舷體主要由光滑曲面和平面（甲板和艦艇的舷墻）組成，以鏡面反射為主；桅桿尺寸相對(duì)較小，但其上面布置的大量天線導(dǎo)致了強(qiáng)烈的多次散射效應(yīng)和繞射效應(yīng)，這使該區(qū)域的雷達(dá)波散射特性異常復(fù)雜。此外，海面作為外部環(huán)境區(qū)域，也因其與大型水面艦船舷體之間的相互作用影響了全艦的RCS。

在艦船目標(biāo)與海面環(huán)境一體化復(fù)合電磁散射中，占主要成分的是艦船目標(biāo)本體電磁散射和艦船目標(biāo)與海面之間的互耦電磁散射[6]，如圖1所示。其中，艦船目標(biāo)本體電磁散射 RCS是在探測(cè)雷達(dá)波直接照射下，沿接收方向散射強(qiáng)度的度量，是艦船目標(biāo)在自由空間下的RCS。艦船目標(biāo)與海面之間的互耦電磁散射RCS主要包括以下3種情況[6]：

圖1 艦船與海面復(fù)合散射中的RCS分量Fig. 1 RCS components in composite scattering of ship and sea surface

1）艦船目標(biāo)在探測(cè)雷達(dá)波直接照射下，一部分散射方向指向海面，通過(guò)與海面發(fā)生相互作用而改變了傳播方向，進(jìn)而被探測(cè)天線接收；

2）探測(cè)雷達(dá)波經(jīng)過(guò)海面散射后照射目標(biāo)，沿接收方向被探測(cè)天線接收；

3）探測(cè)雷達(dá)波經(jīng)過(guò)海面散射后作用于目標(biāo)，目標(biāo)的散射能量又通過(guò)與海面發(fā)生作用后被探測(cè)天線接收。

根據(jù)效度檢驗(yàn),各項(xiàng)目的相應(yīng)潛變量的因子荷載值介于0.723～0.957之間(表3),說(shuō)明問(wèn)卷的構(gòu)想效度良好;測(cè)試題項(xiàng)與整體的相關(guān)系數(shù)的絕對(duì)值均大于0.3 (表3),說(shuō)明,觀測(cè)變量可信,量表內(nèi)容具有良好的內(nèi)容效度。

3 艦船目標(biāo)與海面之間的互耦電磁散射建模方法[3，5，7-12，17]

通過(guò)建立艦船目標(biāo)與海面之間的互耦電磁散射模型，可以將復(fù)雜的海面與艦船目標(biāo)電磁散射耦合問(wèn)題分解為粗糙海面表面電磁特性與艦船表面精細(xì)結(jié)構(gòu)電磁散射特性問(wèn)題；而海面電磁特性與艦船表面電磁特性均是可以采用外場(chǎng)實(shí)測(cè)或內(nèi)場(chǎng)實(shí)測(cè)進(jìn)行測(cè)量的。這樣，就可以建立一種“半確定性”的海面環(huán)境下艦船目標(biāo)的電磁散射測(cè)試評(píng)估方法，可以在不具備海洋環(huán)境下全尺寸測(cè)試或造浪模擬粗糙海面條件下縮比測(cè)試條件時(shí)，對(duì)海面艦船的耦合電磁散射特性進(jìn)行定量評(píng)估。

3.1 艦船電磁物理模型推斷

基于艦船目標(biāo)基礎(chǔ)電磁物理模型輸入，開(kāi)展目標(biāo)在典型頻段和角度下的電磁散射特性計(jì)算與散射機(jī)理診斷分析，確定目標(biāo)強(qiáng)散射部件和敏感散射源；基于散射機(jī)理可類比的國(guó)內(nèi)外艦船電磁建模經(jīng)驗(yàn)，結(jié)合診斷分析結(jié)果，對(duì)當(dāng)前艦船目標(biāo)開(kāi)展電磁逆向修模和模型敏感散射源的不確定參量分布推斷，構(gòu)建不確定散射源部件的電磁耦合傳遞效應(yīng)，最終形成目標(biāo)電磁散射特性分布模型。物理模型推斷流程見(jiàn)圖2。

圖2 艦船電磁散射物理模型推斷過(guò)程Fig. 2 Inference process of physical model of ship electromagnetic scattering

3.2 海洋表面對(duì)艦船雷達(dá)反射率的影響

基于推斷的艦船目標(biāo)電磁模型和典型海面背景散射模型，利用目標(biāo)與背景一體化電磁散射建模方法，精細(xì)刻畫(huà)艦船目標(biāo)與不同海況下動(dòng)態(tài)海面的多跳耦合散射效應(yīng)，構(gòu)建艦船目標(biāo)與典型海場(chǎng)景的耦合散射特性模型。

根據(jù)四路徑原理[7]，艦船目標(biāo)與典型海場(chǎng)景的耦合散射特性模型幾何關(guān)系如圖 3所示，海洋表面對(duì)艦船雷達(dá)反射率的影響利用四路徑方法進(jìn)行估計(jì)。

圖3 雷達(dá)與艦船海面復(fù)合模型的幾何關(guān)系Fig. 3 Geometric relationship between radar and ship sea surface composite model

圖3中：R0是雷達(dá)初始位置距離坐標(biāo)原點(diǎn)的距離；H是雷達(dá)距離水平面高度；θ是俯角；R為雷達(dá)到目標(biāo)的距離；p（x0，y0，z0）為艦船目標(biāo)所處位置。

通過(guò)分析，可以將雷達(dá)接收到的艦船目標(biāo)回波歸為4條路徑：

1）路徑 1指從艦船目標(biāo)直接回波，即雷達(dá)-目標(biāo)-雷達(dá)：2R 。

2）路徑2指二次散射回波，即雷達(dá)-海面-目標(biāo)-雷達(dá)：

3.3 多普勒特性

艦船目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性包括航速、航向、最大航速、航跡、橫搖、縱搖等參數(shù)。航行中的艦船會(huì)隨著時(shí)間和航線變化位置不同，同時(shí)由于海面作用，艦船會(huì)發(fā)生六自由度的晃動(dòng)。根據(jù)力學(xué)原理，運(yùn)動(dòng)目標(biāo)可分解為平動(dòng)和轉(zhuǎn)動(dòng)分量[8]，轉(zhuǎn)動(dòng)分量反應(yīng)目標(biāo)相對(duì)質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)信息，引起不同時(shí)間下散射場(chǎng)的差異。通過(guò)逐個(gè)時(shí)間點(diǎn)準(zhǔn)靜態(tài)艦船模型電磁散射場(chǎng)的仿真，得到回波序列，再通過(guò)傅里葉變換獲取其多普勒譜。多普勒譜中包含了艦船目標(biāo)動(dòng)態(tài)信息。

1）多普勒譜：多普勒譜針對(duì)艦船的平動(dòng)及質(zhì)心的移動(dòng)。根據(jù)不同時(shí)間艦船距離雷達(dá)的位置、入射角和接收角度的相對(duì)變化，得到準(zhǔn)靜態(tài)下目標(biāo)的散射回波，通過(guò)傅里葉變換得到目標(biāo)多普勒譜[11]。

2）時(shí)間-多普勒譜：考慮艦船在不同時(shí)間，相對(duì)質(zhì)心的轉(zhuǎn)動(dòng)，獲取不同準(zhǔn)靜態(tài)下目標(biāo)各部件幾何位置，從而計(jì)算目標(biāo)轉(zhuǎn)動(dòng)下回波，通過(guò)傅里葉變換得到時(shí)間-多普勒譜。

3）微多普勒譜：艦船上有很多活動(dòng)部件，即便在艦船沒(méi)有運(yùn)動(dòng)的情況下也會(huì)發(fā)生位置變化，如螺旋槳等。不同時(shí)間點(diǎn)下，根據(jù)不同部件的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，更新艦船幾何模型坐標(biāo)信息，獲取回波，傅里葉變換得到微多普勒譜。

3.4 半確定性電磁復(fù)合散射模型[14，16]

半確定性電磁復(fù)合散射模型對(duì)目標(biāo)外形、海面環(huán)境大尺度起伏采用確定性描述[5]，對(duì)微尺度結(jié)構(gòu)（隨機(jī)海浪）采用隨機(jī)散射模型化描述，實(shí)現(xiàn)海面與艦船目標(biāo)的電磁復(fù)合散射建模，如圖4所示。

圖4 半確定性復(fù)合電磁散射建模原理框圖Fig. 4 Block diagram of semi-deterministic composite electromagnetic scattering modeling principle

根據(jù)建模的模型進(jìn)行目標(biāo)電磁散射特性仿真計(jì)算，利用測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行目標(biāo)電磁散射特性置信度驗(yàn)證，并不斷進(jìn)行模型迭代修正。

4 結(jié)束語(yǔ)

隨著軍事需求和科技的不斷發(fā)展，需要構(gòu)建艦船目標(biāo)動(dòng)態(tài)特性測(cè)試體系，同時(shí)不斷完善和補(bǔ)充水中、地（艦）基、機(jī)載、球載和星載信息獲取平臺(tái)以及實(shí)驗(yàn)室模擬測(cè)量系統(tǒng)，進(jìn)一步開(kāi)展目標(biāo)與背景的復(fù)合建模技術(shù)和基于目標(biāo)特性的數(shù)據(jù)挖掘技術(shù)研究，為艦船目標(biāo)的隱身設(shè)計(jì)提供技術(shù)支撐和數(shù)據(jù)保障。