Vol. 17 No. 9 系 统 仿 真 学 报 Sept. 2005 JOURNAL OF SYSTEM SIMULATION • 2047 • 舰船目标雷达回波特征信号的建模与仿真 1 国防科技大学电子科学与工程学院 ATR 重点实验室 湖南长沙 410073; 2 通信指挥学院, 湖北武汉 430010 李为民 1,2 石志广 1 付 强 1 摘 要 目标建模与特征信号仿真是雷达对目标进行探测与识别的重要前提和基础 针对宽带条件 下大型舰船目标的雷达特征信号难以进行实测和缩比测量的难点 采用面元法对目标的雷达散射截 面(RCS)进行了有效的预估 通过多频点 RCS 成像方法获得目标的一维距离像特征信号 给出了具 体建模和仿真计算的实例 并进行了详尽的结果分析 关键词 雷达目标 几何建模 雷达散射截面 一维距离像 文章编号 1004-731X(2005)09-2047-04 中图分类号 TN957 文献标识码 A Modeling and Simulation of Radar Signature of Ship Targets (1 ATR Lab., School of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China; 2 Comanding Communication College, Wuhan 430010, China) LI Wei-min1,2, SHI Zhi-guang1, FU Qiang1 Abstract: Target modeling and signature simulation are important prerequisites and groundwork for the radar to detect and to recognize a target. Due to the difficult problems of actual measuring and scaling measuring for the signature of large-scale naval vessel under the condition to wideband, an effective approach of computing high-frequency radar cross section (RCS) to the naval ships based on the plate element method was presented in advance, and then the target's one dimension range profile was obtained by adopting multiple-frequency-point imaging method. The concrete modeling and simulation and calculating examples were illustrated and the experimental results were analyzed. Key words: radar targets; geometry modeling; RCS; range profile 引 言 在雷达波束的照射下目标所表现出来的回波特性是雷 达进行目标探测与识别的根本特征信息 加强对这些特征信 息的分析和认识是实现精确制导的重要前提 雷达目标特征 信息包括目标的雷达散射截面(RCS) 角闪烁 极化以及一 维和多维像信息等[1] 通常 目标特征信息获取有三种方法 (1)外场实测法 即在给定雷达工作频率 极化方式及环境 背景条件下 进行全尺寸的真实目标测量 (2)紧凑场测量 法 即在微波暗室内对缩比目标进行紧凑场的目标特性测 量 (3)理论建模预估法 即根据目标的几何外形描述进行 理论建模和电磁特征预测 这些方法各有其特点 外场实测 法可测量真实雷达目标在确定条件下的电磁散射特性 但许 多真实目标无法获取 需要的测试场地非常庞大 且由于目 标回波信号较弱途中易受干扰 测量的精确性难以保证 紧 缩场法改善了外场实测法的缺点 但测量要求是要保持其电 尺寸比例 目标尺寸与测量波长之比 不变 对高波段下的 大型或超大型舰船目标很难适用 建模预估法通用性强 需 要考虑各种理论预估和计算方法对计算精度的影响 收稿日期 2004-08-04 修回日期 2004-10-10 基金项目 国防预研基金项目(413010701 作者简介 李为民(1963-) 男 湖南娄底人 博士 研究方向为雷达信 号处理与自动目标识别技术 石志广(1975-) 男 山东淄博人 博士生 研究方向为雷达信号处理和自动目标识别技术 付 强(1962-) 男 湖 南长沙人 教授 博导 研究方向为精确制导总体技术 信息处理和自 动目标识别技术等 413030401) 众所周知 如果要对大型或超大型舰船目标进行远场电 磁散射特性测量 所需要的测试场地和平台将是惊人的 其 远场条件达数百公里乃至数千公里(随雷达发射频率而变 化) 这样大的范围 电磁波在途中必然要受到各种各样的 电磁辐射和杂波的干扰和影响 即使有足够大的测试场地 其测量误差也难以忽视 根本无法保证测量精度[2] 最困难 的是有时根本无法找到能进行合作测量的可用目标或替代 目标 如果对这类目标进行缩比尺寸模型的测量 为了保证 与实际目标有相同的电参数和特性 即保持其电尺寸的不变 性 必须将工作波长也相应按同一比例缩小 然而这样的信 号产生设备又无法满足 因此 在这样许多研究条件无法满 足的情况下 进行合理精度范围内的建模 仿真和计算是一 种最切实际和适用的手段 早期对复杂目标采用分部件的简 单体组合法 尽管简单快速 但对目标的几何外形描述过于 粗糙 误差很大 目前主要采用或嵌入 CAD 三维建模的方 法改善了对目标几何特征的描述精度 图形电磁学方法 (GRECO)[3-4]和国际上开发的多种目标散射特征软件(如 XPatch Epsilon 等)都基于此法[5-6] 针对有关实际应用背景 根据实验计算结果和工程精度 允许范围 本文给出了关于舰船目标建模和 RCS 预估及一 维距离成像结果的仿真计算实例 并对结果进行了较为详细 的分析 

• 2048 • Vol. 17 No. 9 系 统 仿 真 学 报 Sept. 2005 1 目标特征信号建模与仿真 利用面元法计算目标 RCS 的方法是 在建立了目标的 三维几何模型后 进行合理剖分 即用小面元和尖劈来描述 实际目标外形 然后采用物理光学法(PO)计算得到小面元的 散射场 利用物理绕射理论(GTD)计算尖劈的绕射场 最后 模型的数据表示 计算程序即可读取并进行 RCS 预估[7] 模型数据文件包含各面元的以下内容 顶点表 以顶点的编号为序存放各顶点的坐标值 面 表 以表面编号为序存放多面体各面的顶点序号 并按逆时针方向排列 该方向与表面的外法向矢量成右手关 系 把散射场表示为表面的物理光学贡献和边缘的绕射贡献之 劈 表 以劈号为序存放各劈的参数 包括劈的起始和 和 由于这种方法考虑了面元之间的遮挡效应 可以自动计 终止端点的顶点号 劈的左 右表面号 入目标各部件之间的电磁耦合 因此计算精度较高 目标一 维距离像特征信号的计算基本思路是 通过高频预估的方法 (面元法)计算目标某确定姿态下的 RCS 然后在此姿态下通 过一定带宽范围内的多频点 RCS 预估和计算方法进行一维 距离成像 具体过程如图 1 所示 几何建模 剖分数据 计算程序 RCS 预估 一维成像 标准体验证 图 1 面元法建模计算整体框图 1.1 几何建模与面元剖分 (1)几何建模 几何建模是电磁建模的基础 是对目标外形进行全尺寸 和比较精确的三维模拟 目标几何建模是利用其几何剖面 图 用解析的方法获取各个剖面的型值点数据 再利用剖面 型值点数据在 3DStudioMax 或 AutoCAD 环境下生成各个剖 面精确的二维图形 将各剖面的二维图形转换成标准图形文 件 然后绘出目标各部件的三维放样控制线 对各部件进行 三维放样 在得到各部件的三维图形后通过求交 求并等布 尔运算完成各部件融合的一体图 得到一个具有足够精度的 目标几何模型 具体流程见图 2 搜集目标 有关资料 绘制目标 三视图 绘制船体 的线型图 绘制 NURBS 样条曲线 放样得到 NURBS 曲面模型 等距的 POLYGON 多边形船体曲面 布尔运算 手工合并 优化去杂 尺寸校正 输出图形 图 2 面元法建模的基本流程 (2)面元剖分 面元剖分直接关系到电磁计算的复杂度与精度 原来整 体目标无法满足的远场条件 通过面元的合适剖分使其弹目 tg )( ta )( R ta )( P tr )( ta )( P ta )( T tf )( (5) 距离在几十至几百米处就可以得到满足 按三维目标模型的 几何拓扑关系进行分析化简 并按三角面元网格对目标进行 网格划分 产生三角面元(采用建模软件自带网格剖分功能 或某些有限元网格剖分的相关软件进行合理剖分)并将剖分 结果转换成包含各面元顶点 劈 面等数据列表文件 几何 )(taT 为发射机和发射天 )(taR 为接收机和接收天线的冲激响应 其中 )(tr 为目标的冲激响应函数 线的冲激响应 taP )( 表示信号在雷达与目标之间的传播 R 为雷达与目标之间的距离 c 为光速 为分析方便 设 1)( =taP RcRt ( 因此 /)/ =d 1.2 RCS 预估 (1)导电平板的散射场计算 对于任意的多边形平板面元模型 其 RCS 的平方根公 式为[8] = s po ˆˆ()sin(/2) n ehka W ˆ i p T exp()()exp( jkrWpajkr W ) ˆ 0 M = m 1 m m m ka W m / 2 (1) 其中 0r 是平板面元局部坐标系原点在全局坐标系中的位置 矢量 ma 是平板面元第 m 个边缘的长度和方向矢量 这些 边缘从头到尾沿周界分布 mr 是第 m 个边缘中点的位置矢 s 分别为入射和散射方向单位矢量 T 量 ˆ =· 是 W 在平板面元上的投影长度 ˆˆˆ 是 pnWn W s= ˆ Wi ˆ i /| ˆ | 平板面元上垂直于 W 的单位矢量 M 是平板边缘的数目 这里取为 3 即为三角形面元 当 T = 0 时 式(1)变为 )ˆˆ(ˆ he n -= s r i po jkA p exp( jkr 0 W ) (2) (2)金属劈的散射场计算 由 GTD 可推得劈的 RCS 平方根公式为[1] b ) b + etetfh tht g ()() isi sin sin(cos cos LkL p ()( s ) 2 kL gtd = b s jkWr c e (3) e h 分别是电场和磁场的极化单位矢量 下标 i 和 s 表 示入射场和散射场 cr 是全局坐标系原点到尖劈边缘中心的 位置矢量 t 是沿尖劈边缘的单位矢量 L 是尖劈边缘的长 度 =b (3)总的散射场计算 假定复杂目标共被剖分为 M 块面元和 N 个尖劈 则复 f 和 g 是物理绕射系数 arccos( i ) t 杂目标总的 RCS 平方根可以由下式来确定 s M = = 0 m ( s ) m po N + = n 0 ( s ) n gtd . (4) 1.3 目标一维距离成像 设雷达发射信号为 )(t f 假设目标与雷达间没有相对运 动 其回波可表示为[9] = · - - · * * * * * - 

Vol. 17 No. 9 Sept. 2005 李为民, 等 舰船目标雷达回波特征信号的建模与仿真 • 2049 • = { ta )( R tg )( ta )( T } t )( f tr )( (6) ta )( R ta )( T f t )( (7) (4)目标一维距离像 设 得到 ~ f t )( = = ~ f t )( tr )( tg )( ~ f 为布莱克曼窗函数 即 选择 )( t (8) 入射角为 50 方位角为 0~360变化 中心频率 10GHz 发射带宽为 20MHz 发射与接收均为水平极化 图 6 和图 7 为计算得到的目标一维距离像 雷达照射波 入射角分别为 10和 20 从驱逐舰目标迎头和侧向方向照 射(即方位角分别为 0和 90) 其中 中心频率 10GHz 发 射带宽为 20MHz 发射与接收均为水平极化 并设输入信 噪比(SNR)为 10dB 图 3 正方形金属平板 RCS 理论值与预估值 (11) g t 视频同相和正交分量 二者均为实 q t 是 ( ) ( ) { p tf 2 cos + i t 其中 ( ) 函数 可写为 = = (13) )(tp 为 )(tg 的包络 即目标的一维距离像 其 (12) tq ti (/)( arctan[ tq )( })] 这里 tg )( tp )( tp )( t )( + 0 2 i 2 计算公式为 jq ti )( + t )( = 2 ~ fF ( + f 2/ f 2/ fRf ( ) 0 + ef ) 0 2 p ft j df (14) 其中 ( ) fR 为 的傅氏变换 dt tr )( = etr )( fR ( i p2 ft ) (15) 根据目标 RCS 的复数定义形式 可以得到 图 4 目标的三维几何模型 fR ( ) = ) s 2 f ( p (16) 远场条件下目标 RCS 的复数定义为[8] s ( f ) = lim ¥>- R 2 p R s ˆ eE r E 0 exp( jkR ) (17) 将(9)式和(16)式计算得到的数据代入(14)式即可得到目 标的一维距离像 2 建模与计算实例 (1)标准体验证 为了检验计算方法的准确性 先对标准体的仿真计算结 图 5 目标 0~360 RCS 分布图 果进行验证 图 3 给出的是一边长为 a=b=1m 的正方形金属 平板在频率 f=15GHz 的垂直入射平面波(HH 极化)照射下的 单站 RCS 分布 可以看出 几何建模后的 RCS 计算值和理 论值非常接近 说明了该方法的有效性和准确性 (2)目标建模与剖分结果 图 4 是建立的驱逐舰计算机三维几何模型图 (3)目标 RCS 预估结果 利用上述建模和计算方案 进行了典型方位和俯仰上的 舰船目标 RCS 预估 图 5 是驱逐舰目标的 RCS 全向图(随 方位角变化) 计算时的主要参数选取条件是 雷达照射波 图 6 SNR=10dB 下迎头的目标一维距离像 * * * * * * D D - ¥ ¥ - - v 

• 2050 • Vol. 17 No. 9 系 统 仿 真 学 报 Sept. 2005 电大尺寸目标以及处于光学区的电磁散射特性理论是完全 相符的 这些特征的细致分析对雷达的系统参数设计以及探 测与识别方案是息息相关的 具有极其重要的价值 因此 可以得出结论 上述目标建模 仿真 预估及一维距离成像 方法是一种有效的目标特征信号获取途径 这种方法具有很 强的通用性 其仿真和计算结果可作为宽带宽带条件下雷达 进行目标探测与识别分析和研究的数据源 4 结论 图 7 SNR=10dB 下侧向的目标一维距离像 和识别方法的研究必须与目标的特征信号分析和处理进行 目前绝大多数实际应用背景都要求对雷达目标的探测 3 目标特征分析与结论 舰船目标 RCS 与舰船类型 上层建筑 雷达照射目标 的方位角及视线角 极化方式有关 通过大量仿真计算 对 上述驱逐舰目标的 RCS 结果进行观察和分析 得出其方位 俯仰 极化和频率特性如下 (a)RCS 方位特性 目标的侧向 RCS 最强 首向和尾向较弱 随方位角变 化 RCS 起伏明显 极差(最强和最弱值之差)达 37dB 但全 向平均 RCS 值基本保持为 30dBsm 左右 (b)RCS 俯仰特性 目标侧向 RCS 随俯仰角增大略呈上升趋势 尤其在俯 仰角 20~40时峰值明显 迎头方向 RCS 较小 变化平坦 稳定性较强 尾追方向亦有类似特征 (c)RCS 极化特性 目标水平极化(HH)方式下的平均 RCS 值略大于垂直极 化(VV)方式下的平均 RCS 值 (d)RCS 频率特性 目标在 X Ku Ka 等波段下 随中心频率的提高变化 不再敏感 平均 RCS 仅稍有提高 舰船目标一维距离像也与舰船的几何特征 雷达发射波 的多种参数及目标与雷达的相对姿态形类型等因素有关 通 过大量仿真计算 对驱逐舰目标的一维距离像进行观察和分 析 可以得知 一维距离像能确切反映目标的几何结构信息 而且随着分辨力的提高 其反映的结构信息越精细 在不同 姿态下距离像差别很大 反映了随姿态的敏感性很强 信噪 比越高 反映的目标结构越清晰 显然 以上这些表现特性与驱逐舰本身的几何结构 为 有机结合 本文的方法对雷达目标尤其是军事目标的特征信 号的分析和研究具有较强的通用性 有关的外场试验也验证 了该方法具有实用性和良好的精度 但是应当看到 由于没 有考虑二面角和腔体结构的多次散射 目标 RCS 预估值应 当是较为保守的 尤其舰船这种大型目标上层结构和各型设 备非常复杂和繁多 如腔体和多次散射等强散射源应当对其 RCS 有更大的贡献 特征会更加明显 还有建模 剖分 预估 成像和仿真计算及分析的软件一体化实现也是非常值 得研究的问题 这些恰是我们需要完善和正在进行的工作 参考文献 [1] 黄培康. 雷达目标特征信号[M]. 北京 宇航出版社, 1993. [2] 夏应清等. 超电大复杂目标 RCS 缩比模型预估方法[J]. 微波学报, [3] [4] 2003, 19(1): 8-11. Rius J M, Ferrando M, Jofre L. High Frequency RCS of Complex Radar Targets in Real-time[J]. IEEE Transaction on Antennas and Propagation, 1993, 41(9): 1308-1319. Rius J M, Ferrando M, Jofre L. GRECO: Graphical Electromagnetic Computing for RCS Prediction in Real Time[J]. IEEE Antennas and Propagation Magazine, 1993, 35(2): 7-17. [6] [5] Andersh D, Moore J, et al. Xpatch 4: the next generation in high frequency electromagnetic modeling and simulation software[C]. IEEE International Radar Conference, 2000. 844-849. Jiang Xin, Wang BaoFa. RCS analysis and calculation system in all-band region based on object-oriented and visualization design[C]. CIE International Conference on Radar Proceedings, 2001. 869-873. ]. 国 [7] 韩明华. 光学区复杂目标 RCS 特征信号计算及实验研究[ 防科技大学, 1999. E F Knott, 等. 雷达截面 — — 预估 测量和减缩[M]. 阮颖铮等译. 北京, 电子工业出版社, 1981. Smith C R, Paul M G. Radar target identification[J]. IEEE AP Magazine, 1993, 35(2): 27-38. [8] [9] ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 广告索引 分布交互式仿真及其可视化的完整解决方案[赛四达科技有限公司].………………….封 2 实时仿真/测试系统全面的解决方案[上海科梁科技发展有限公司].……………………封 3 基于 HLA 的分布交互式仿真及其可视化解决方案[北京华力创通公司]………………封 4 dSPACE控制系统开发一体化解决方案[北京恒润科技有限公司]………………………插页