近距离水声模拟测量舰船目标雷达一维距离像

张明敏,卢建斌,程广利

(海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033)



近距离水声模拟测量舰船目标雷达一维距离像

张明敏,卢建斌,程广利

(海军工程大学 电子工程学院，湖北 武汉 430033)

摘要：雷达目标回波特性测量所需的远场条件给实验室条件下的目标缩比测量带来困难，为此研究了舰船目标由于水面波动引起波场起伏和目标摆动，降低目标各散射点之间的相干性，从而降低远场测量距离要求的问题。分别从波场起伏和目标摆动起伏两个方面推导了接收场强表达式，以反平方规律变化为条件给出了动态测量实验条件下的远场判据，所给出的远场条件大幅降低了实验要求。通过水声模拟测量舰船目标雷达一维距离像实验, 并与电磁仿真计算结果进行了比对，证明了理论推导结论的正确性。

关键词：模拟测量；随机起伏；舰船目标；一维距离像；远场条件

网络出版地址：http://www.cnki.net/kcms/detail/23.1390.u.20160421.1040.012.html

水面舰船目标的雷达一维距离像是对海雷达在距离维上获取的高分辨图像，它包含了目标的形状及结构特征等多种可用于目标识别的信息，因而最近十几年以来受到了广泛的关注和重视[1]。然而雷达目标识别通常都是针对非合作军事目标，测量获取此类目标的高分辨图像通常只能采用微波暗室中缩比模型的测量方法。但是，对于水面舰船这类超大电尺寸目标在低掠射角下的测量，经水面反射引起的多径效应不可忽视，同时受相似性原理和远场条件的约束，使得在微波暗室中对水面舰船的缩比测量难以进行。因此，舰船目标高分辨距离像先验信息的获取问题，成为当前对海雷达目标识别的瓶颈。

在满足波动相似性原理的条件下，将空气-水介质互易，利用水中声波相对电磁波频率低、波长短、传播速度慢等特点，用水中声波模拟大气中电磁波，测量气-水分界面下的舰船目标一维距离像，是解决该问题的一条路径[2-4]。俄罗斯在20世纪70年代开始研究利用声波模拟目标电磁散射的实验方法，已取得一定的研究成果[5]，并建立了一套对雷达目标散射截面进行声学模拟测量的系统。英国电气仪表电子公司也建立了超声波水介质中缩比模型测量系统[6]，专门提供模拟电子引信与飞机目标在各种交会弹道下的雷达散射截面值，以便建立数学模型来评估武器系统的效能。西北工业大学曾文琪通过对比电磁场和声学场的基本理论，研究了利用水介质中目标的声散射来测量目标散射截面问题[7]。但上述研究都是针对理想环境下目标散射特性的测量，这些问题也都可以利用微波暗室来解决，只是在实验成本上更具有优势。而针对舰船目标计及界面波动影响的水声模拟测量的研究尚不多见。

在静态条件下，为消除目标不同部位产生的反射波因干涉在接收点出现起伏，确保测量的精度，要求相距最大的部位间的反射波的相位差要足够小。为了满足测量的远场条件，此时接收信号的平均功率与距离成反比[8]，对于一长度为100 m的水面舰船，即使将其缩比100倍，在水中用1.5 MHz的超声波进行测量，满足该远场测量条件的距离也要在1 km以上。实际中，由于海面的波动作用，经海面反射的多径波场受到随机扰动，舰船目标也处在摆动中，这些随机的波动必然在一定程度上影响目标各个部分的反射回波之间的相干性，从而缩小对测量距离的要求。

本文分别从波场起伏和目标摆动起伏推导了接收场强表达式，以反平方规律变化为条件给出了动态测量实验条件下的远场距离条件公式，为实验室环境中，近距离测量水面舰船目标的一维距离像提供理论依据，并通过水声模拟测量实验予以了验证。

1理论推导

为便于分析，将被测目标视为与测量场相垂直布放于x轴的一维线性反射体(见图1)，图中l为线性反射体的长度，R为目标上某散射源点x到接收点O的距离，θ为目标中心点沿x方向摆动起伏产生的偏移ξ所对应的摆动角，R0为被测目标到接收点的距离。

图1　被测目标与接收点坐标示意图Fig.1　Schematic diagram of coordinates for target and receiving point

1.1波场随机起伏

考虑单向接收情况．设入射声波均匀照射到目标上，由目标上某一反射点x产生的反射声压在接收点表示为

(1)

因此，接收点的总反射声压：

(2)

由于R0≫l，因此有

(3)

将式(4)代入到式(3)中可以得到：

(4)

式中：C1为常数。由式(4)得到接收声场的声强：

(5)

设起伏的空间相关函数服从高斯分布，即

近似有：

(6)

将式(6)代入到式(5)中，得

(7)

作变量替换，令x1-x2=2t1，x1+x2=2t2后，并考虑积分公式[9]：

(8)

式(7)最终可简化为

(9)

(10)

简化可得

(11)

式(11)即为波场存在随机起伏时被测目标与接收点间应满足的距离判定公式。当波场不存在起伏时，式(11)退化为静态条件下的远场公式[8]：

(12)

式中：λ是测量信号的波长，K为系数，1≤K≤3。

1.2目标随机摆动起伏

同样，只考虑一维随机摆动起伏(沿x方向)情况。在接收点接收到的目标反射声压：

(13)

(14)

设随机摆动服从高斯分布，有

(15)

式中：D2是摆动角的方差。将式(15)代入式(14)得

(16)

仿照式(7)的计算过程，式(15)的结果为

三价铁离子的氧化作用使铜变为二价铜离子[见（4）式]，铜与氯化铁发生还原反应生成氯化铜和氯化亚铁，铜版逐步被腐蚀，溶液中形成铜、氯化铜和氯化亚铁等混合物的沉淀[见（5）式]。当然，还会形成一些副反应，如：

(17)

(18)

由此得到：

(19)

式(19)即为被测目标存在随机摆动时，目标与接收点间应满足的距离判定公式。当目标不存在摆动时，式(19)也退化为静态条件下的远场公式(见式(12))。

1.3波场与目标同时波动起伏

当波场与目标同时存在随机波动起伏情况，综合式(11)、(19)，可以得到此时被测目标与接收点间应满足的距离判定公式：

(20)

比较式(20)和式(12)可见，测量波场的随机波动和目标的随机摆动使静态条件下试验的远场要求发生了很大的变化。特别是摆动角的影响，对于舰船这样的大电尺度目标，通常kl是远远大于1的，因此只要目标存在1°左右的摆动，就会使远场距离要求发生数量级上的缩减，从而为近距离下进行舰船目标雷达散射特性测量提供了条件。这一结论对实验室中进行模拟测量十分重要。如静态情况下，当使用波长为10 cm的雷达测量一艘长100 m的舰船，根据式(12)给出的远场条件，其测量距离应大于100 km。如果目标处于随机摆动状态，假设角度摆动服从高斯分布并且均方根值为0.035 rad，那么根据式(23)测量距离降为不小于1 km。如果采用水声模拟测量，舰船目标模型的缩比因子为1∶100，按相似性原理，水声信号的频率为1.5 MHz，相应的测量距离仅为约10 m，这就使在实验水池中进行水面目标雷达散射特性模拟测量成为可能。

2试验验证

接收采集到的目标回波信号经滤波、脉冲压缩处理得到被测目标的一维距离像。图3～5分别给出三组不同姿态角下的实验结果，在每组图的(a)图注有对该舰船模型水线以上部分进行几何建模的图形及实验测量中模型艏艉轴线相对入射波的姿态，图中曲线为试验测量得到的目标一维距离像，每组图的(b)图给出了该几何模型按实际尺寸及相应的雷达波频率用物理光学法[10]仿真计算得到该型舰船的雷达目标一维距离像[11]。限于篇幅只给出了三个典型角度下的试验和仿真结果对比，其他角度下同样二者吻合得很好。

从各组图的实验数据来看(测量信号由图左侧向右入射)，距离像中主要峰值出现的位置都与被测模型的主要部件在测量方向上的相对位置相一致，与仿真计算的结果相比，由于实验误差以及仿真中近似计算等原因，峰值幅度上存在一定的偏差，但总体上保持了较好的一致性．实测与仿真结果表明，测量波场的随机波动和目标的随机摆动降低了目标各反射元反射声场之间的相干性，使静态条件下的目标各个部分的反射回波的相干叠加退化为非相干叠加，相当于目标的总尺度被分解了，从而使实验测量的距离大大缩短，也说明本文所给理论的正确性。

图2　水声模拟测量实验示意图Fig.2　Schematic diagram of measurement using underwater acoustic simulation

(a) 试验结果　　　　　　　　　　　　　　　(b)仿真结果 图3　入射方向与舰艏方向成0°角的一维距离像Fig.3　1D-range profile when angel between sound wave incidence and target′s bow is 0°

(a) 试验结果　　　　　　　　　　　　　　　(b)仿真结果 图4　入射方向与舰艏方向成88.2°角的一维距离像Fig.4　1D-range profile when angel between sound wave incidence and target′s bow is 88.2°

(a) 试验结果　　　　　　　　　　　　　　　(b)仿真结果 图5　入射方向与舰艏方向成135°角的一维距离像Fig.5　1D-range profile when angel between sound wave incidence and target′s bow is 135°

3结论

1)理论推导结果表明，考虑实际海面波动和目标摆动作用，使得目标各组成部分回波之间的相干性减弱，使得水声模拟实际测量中对测量距离的要求大幅减小，这为在试验内开展水声模拟测量雷达目标RCS试验提供了理论指导。

2)试验结果与电磁仿真计算结果对比，证明了理论推导结论的正确性，以及试验平台设计的有效性，为在实验室环境中获取舰船目标的雷达散射特性，开展雷达舰船目标分类识别研究奠定了理论和试验基础。

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本文引用格式：

张明敏,卢建斌,程广利. 近距离水声模拟测量舰船目标雷达一维距离像[J]. 哈尔滨工程大学学报， 2016, 37(6): 855-859.

ZHANG Mingmin，LU Jianbin，CHENG Guangli. High-resolution range profile of ship measured by underwater acoustic simulation in close range[J]. Journal of Harbin Engineering University, 2016, 37(6): 855-859.

收稿日期：2015-04-17.

基金项目：国家自然科学基金项目(61501486)；国防科学技术工业委员会基础研究基金项目(4040201010201).

作者简介：张明敏(1957-)，男，教授，博士生导师； 程广利(1976-)，男，副教授，硕士生导师. 通信作者：程广利，E-mail:sonarcgl@126.com.

DOI:10.11990/jheu.201504025

中图分类号：P631

文献标志码：A

文章编号：1006-7043(2016)06-0855-05

High-resolution range profile of ship measured by underwater acoustic simulation in close range

ZHANG Mingmin，LU Jianbin，CHENG Guangli

(College of Electronic Engineering, Naval University of Engineering, Wuhan 430033, China)

Abstract：The far-field condition of the echo characteristics for radar targets is a difficult problem to the scale-model measurement in the laboratory. Through analysis of the wave fluctuation and swing of a target in a waving sea surface, the demand of the measurement range can be reduced for the surface ship because the coherence of ship’s scatters is decreased evidently. We derive a formula for determining field intensity based on wave fluctuation and target swing circumstances. Based on the inverse square law, we determine far-field conditions via a dynamic measurement experiment and significantly reduce experimental requirements. We perform underwater acoustic experiments to measure the high-resolution range profile of a ship in the tank and compare the results with those of electromagnetic simulations to confirm the correctness of our theoretically derived conclusions.

Keywords：simulation measurement; random fluctuation; ship target; high-resolution range profile; far-field condition

网络出版日期：2016-04-21.