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 張  偉，  莫翠瓊，  陳秋菊，  陳  慧

 （電子工程學(xué)院，合肥230037）

摘要：雷達(dá)高分辨距離像是艦船目標(biāo)識(shí)別研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié)。針對(duì)大型艦船目標(biāo)的雷達(dá)高分辨距離像難以進(jìn)行實(shí)測(cè)和縮比測(cè)量的情況，采用理論建模計(jì)算方法獲取艦船目標(biāo)雷達(dá)高分辨距離像．，首先建立艦船目標(biāo)三維CAD模型，采用面元法對(duì)模型進(jìn)行剖分并對(duì)面元遮擋進(jìn)行判別計(jì)算；然后利用電磁計(jì)算軟件得到各個(gè)姿態(tài)角下艦船目標(biāo)的頻域響應(yīng)；之后進(jìn)行IFFT獲得目標(biāo)雷達(dá)高分辨距離像；最后結(jié)合實(shí)際艦船目標(biāo)，給出了具體建模和仿真計(jì)算的案例，并對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：艦船目標(biāo)；幾何建模；雷達(dá)散射截面積；高分辨距離像

中圖分類號(hào)：TN955 文章編號(hào)：1671-637X(2016)02 -0047 -04

0引言

 近年來(lái)，隨著現(xiàn)代先進(jìn)武器系統(tǒng)的不斷發(fā)展和戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境的日趨復(fù)雜，基于高分辨率雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別技術(shù)受到廣泛的重視。在海戰(zhàn)等實(shí)際作戰(zhàn)中，當(dāng)高分辨率雷達(dá)照射艦船這類大尺寸目標(biāo)時(shí)，艦船上搭載的電子支援設(shè)備( ESM)如簡(jiǎn)單按質(zhì)點(diǎn)模型處理，將無(wú)法準(zhǔn)確獲得艦船目標(biāo)的復(fù)雜散射特性；而高分辨距離像能夠反映出艦船目標(biāo)在雷達(dá)視線方向上精細(xì)的幾何結(jié)構(gòu)特征，是雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別的有效特征矢量。

 在早期計(jì)算分析艦船目標(biāo)電磁散射特性時(shí)，經(jīng)常采用外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量、縮比目標(biāo)暗室測(cè)量的方法。雖然外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量可以獲取各種類型目標(biāo)的真實(shí)回波數(shù)據(jù)，但其時(shí)間周期長(zhǎng)，系統(tǒng)龐大，雷達(dá)參數(shù)、體制單一，對(duì)于非合作日標(biāo)，幾乎無(wú)法獲得全姿態(tài)角下的數(shù)據(jù)�？s比目標(biāo)暗室測(cè)量雖改善了外場(chǎng)動(dòng)態(tài)測(cè)量的不足，但為了保證縮比模型保持電尺寸的不變，對(duì)測(cè)量設(shè)備要求過(guò)于苛刻。

 本文在對(duì)目標(biāo)的幾何外形結(jié)構(gòu)進(jìn)行理論建模的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步進(jìn)行電磁散射特性的計(jì)算，有著較強(qiáng)的通用性。因此，在一些實(shí)際條件無(wú)法滿足的情況下，可以通過(guò)對(duì)目標(biāo)進(jìn)行幾何建模，并利用電磁仿真軟件（如XPATCH，XFDTD，F(xiàn)EKO等）計(jì)算目標(biāo)的電磁散射特性。

1  艦船目標(biāo)雷達(dá)高分辨距離像建模

首先建立艦船目標(biāo)的幾何模型，然后對(duì)幾何模型進(jìn)行面元剖分和遮擋面的判別，同時(shí)用145 MHz寬帶信號(hào)照射艦船目標(biāo)，利用電磁計(jì)算軟件得到各個(gè)姿態(tài)角下艦船目標(biāo)的頻域響應(yīng)，最后進(jìn)行IFFT獲得艦船目標(biāo)雷達(dá)高分辨距離像，如圖1所示。

1.1  幾何建模與面元剖分

 分析艦船目標(biāo)電磁散射特性時(shí)，目標(biāo)精確的幾何模型是準(zhǔn)確計(jì)算目標(biāo)電磁散射特性的基礎(chǔ)。利用3DStudio Max建模軟件建立艦船目標(biāo)全尺寸幾何模型，以FEKO軟件為工具將目標(biāo)劃分為以三角形和四邊形為基本單元的平板面元模型。為了盡量減少目標(biāo)信息的丟失，在對(duì)目標(biāo)表面曲面分塊時(shí)需要考慮表面的曲率變化，在曲率較大的區(qū)域分割得密些，曲率較小的區(qū)域可以分得疏一點(diǎn)。采用面元法計(jì)算艦船目標(biāo)散射特性時(shí)，存在面元遮擋的問(wèn)題。遮擋計(jì)算包括自遮擋和互遮擋兩部分。針對(duì)不同的遮擋問(wèn)題需要采取不同的方法進(jìn)行判斷。

 1)判別后向面處理自遮擋。設(shè)某多邊形的外法向矢量為n，視點(diǎn)所在的矢量為r，若r1．n≤0，則該多邊形為前向面，該面元可見(jiàn)；若r2．n≥0，則該多邊形為后向面，該面元不可見(jiàn)，如圖2所示。

 2)深度緩沖器法處理互遮擋。深度緩沖器算法也稱為Z-buffer算法，其基本原理是：定義沿雷達(dá)信號(hào)照射方向?yàn)閆軸，搜索被照射目標(biāo)所有面元的Z軸坐標(biāo)值，只有最接近雷達(dá)的目標(biāo)表面面元才被提取出來(lái)進(jìn)行散射計(jì)算。圖3顯示了深度緩沖器法判別可見(jiàn)面時(shí)的位置關(guān)系，圖中從XY平面上點(diǎn)(x'，y') 出發(fā)的視線上有遠(yuǎn)近不同的3個(gè)面，其中S1上的對(duì)應(yīng)中心點(diǎn)離視點(diǎn)最近，因而該面在（x'，y'）處是可見(jiàn)的。

 由于這種方法考慮了面元之間的遮擋效應(yīng)，可以自動(dòng)計(jì)入目標(biāo)各組件之間的電磁耦合，因此采用面元法計(jì)算艦船目標(biāo)的RCS具有很高的精度。

1.2  目標(biāo)RCS計(jì)算

 目標(biāo)電磁特性分析常用數(shù)值方法和高頻方法。數(shù)值計(jì)算方法從完整的物理模型出發(fā)，嚴(yán)格按照電磁場(chǎng)理論求解目標(biāo)電磁問(wèn)題，精度高、適用范圍廣，但計(jì)算量大，只能處理電小尺寸目標(biāo)的電磁散射問(wèn)題。高頻方法將目標(biāo)電磁散射分解成一系列散射機(jī)理，分別利用相應(yīng)的近似方法進(jìn)行計(jì)算，然后將各種散射貢獻(xiàn)進(jìn)行疊加獲取目標(biāo)的散射場(chǎng)，計(jì)算速度快，但是精度不高，僅適用于大尺寸目標(biāo)的電磁散射問(wèn)題。

 艦船目標(biāo)屬于超大電尺寸的問(wèn)題，并且艦船目標(biāo)上還包括各種精細(xì)電子結(jié)構(gòu)，如小型天線饋源等。針對(duì)不同的計(jì)算精度與速度要求，艦船目標(biāo)RCS仿真計(jì)算包括兩部分：一個(gè)是基于快速多極算法的高精度并行雷達(dá)目標(biāo)特性計(jì)算；另一個(gè)是基于物理光學(xué)算法的高頻近似目標(biāo)特性計(jì)算。而FEKO軟件將數(shù)值方法和高頻方法較好地結(jié)合起來(lái)，為復(fù)雜目標(biāo)的電磁散射計(jì)算提供了一種切實(shí)可行的解決方案。利用FEKO軟件得到目標(biāo)散射數(shù)據(jù)分為以下6個(gè)步驟。

 1)幾何建模。設(shè)置模型參數(shù)，利用FEKO自帶的建模模型，或者在主菜單下選擇File→Import→Geome-try→…導(dǎo)入一定格式的CAD模型。

 2)參數(shù)設(shè)置。選擇平面波入射，設(shè)置入射波的幅度、相位、極化方向和入射方向。

 3)網(wǎng)格劃分。設(shè)定入射波的波長(zhǎng)，利用2.1節(jié)的面元剖分方法確定模型的網(wǎng)格劃分。

 4)求解遠(yuǎn)場(chǎng)散射。對(duì)于單站RCS，選擇Calculatefields in wave incident direction.

 5)算法選擇。在CADFEKO的菜單solution set-tings中進(jìn)行設(shè)定，在關(guān)鍵部位選擇快速多極算法的高精度并行算法，在其他區(qū)域使用物理光學(xué)算法，對(duì)艦船這樣復(fù)雜的模型，還需要在EDITFEKO的選項(xiàng)卡中設(shè)置為多次發(fā)射。

 6)求解計(jì)算，顯示結(jié)果。

 根據(jù)以上步驟，利用FEKO軟件得到在不同方位角、俯仰角下目標(biāo)的RCS強(qiáng)弱對(duì)比，如圖4所示。

1.3高分辨距離成像

 艦船目標(biāo)高分辨距離像的獲得一般采用寬帶信號(hào)照射目標(biāo)的方法。當(dāng)雷達(dá)接收寬帶信號(hào)時(shí)，其徑向距離分辨率遠(yuǎn)小于目標(biāo)尺寸，艦船目標(biāo)可以模型化為各自獨(dú)立的散射中心的集合，這些散射中心在雷達(dá)徑向距離上的分布情況被稱為高分辨距離像。

 假設(shè)雷達(dá)發(fā)射信號(hào)為線性調(diào)頻信號(hào)，則經(jīng)過(guò)解線性調(diào)頻后得到的目標(biāo)頻率響應(yīng)可以表示為各個(gè)散射點(diǎn)的頻率響應(yīng)之和

2仿真實(shí)驗(yàn)

 利用上述方法，對(duì)某艦船進(jìn)行高分辨距離像的建模與仿真。首先借助3DStudio Max得到艦船目標(biāo)三維CAD模型，如圖5所示。入射波為水平極化，中心頻率為f= 16.5 C Hz，雷達(dá)信號(hào)帶寬B=145 MHz，方位角變化范圍為00~ 1800。選擇快速多極算法和物理光學(xué)算法相結(jié)合，設(shè)置為二次散射，易知目標(biāo)距離分辨率為1.034 m。當(dāng)方位角為100，300，600時(shí)，RCS隨方位角變化曲線如圖6所示。

 由圖1所示的高分辨距離成像流程可知，在不同的姿態(tài)角下用寬帶雷達(dá)信號(hào)照射目標(biāo)，得到目標(biāo)各個(gè)姿態(tài)角下的頻域響應(yīng)，最后進(jìn)行IFFT獲得艦船目標(biāo)雷達(dá)高分辨距離像。選取方位角為80、俯仰角為250的這一點(diǎn)艦船目標(biāo)的高分辨距離像，如圖7所示。

 由圖6可以看出，目標(biāo)的RCS值隨姿態(tài)角的變化程度較大，在一定范圍內(nèi)，隨著俯仰角增大，RCS也增大。圖7中，145 MHz的寬帶信號(hào)照射目標(biāo)，對(duì)目標(biāo)所成的高分辨距離像的分辨率為1. 034 m，反映出了目標(biāo)精細(xì)的結(jié)構(gòu)信息。由圖可以看出，目標(biāo)在雷達(dá)視線上的徑向長(zhǎng)度為160 m左右。在48 m處，散射強(qiáng)度最高，表明此處結(jié)構(gòu)更復(fù)雜，包括很多形狀不規(guī)則的設(shè)備。由圖5目標(biāo)的CAD模型可知，此處處于艦船嘹望臺(tái)的前桅位置，主要裝設(shè)號(hào)燈、無(wú)線電天線、雷達(dá)天線等，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，因此，圖7的仿真結(jié)果與實(shí)際模型一致，驗(yàn)證了所提方法的有效性和準(zhǔn)確性。

 對(duì)這些特征的細(xì)致分析對(duì)于進(jìn)一步的目標(biāo)識(shí)別具有重要價(jià)值。在實(shí)戰(zhàn)中，通過(guò)對(duì)外軍其他典型目標(biāo)散射特性的建模，提取和處理目標(biāo)信息，生成不同姿態(tài)角下目標(biāo)高分辨特征數(shù)據(jù)，保存并建立數(shù)據(jù)庫(kù)。在目標(biāo)識(shí)別過(guò)程中，采用“預(yù)先計(jì)算一數(shù)據(jù)庫(kù)查詢”的方式，查詢目標(biāo)匹配所需的特征數(shù)據(jù)庫(kù)，預(yù)測(cè)并識(shí)別目標(biāo)。因此，這種方法具有很強(qiáng)的通用性，其仿真和計(jì)算結(jié)果可作為雷達(dá)目標(biāo)探測(cè)與識(shí)別分析研究的數(shù)據(jù)源。

3結(jié)束語(yǔ)

 本文針對(duì)艦船目標(biāo)研究了艦船目標(biāo)高分辨距離像的建模仿真方法，給出了艦船目標(biāo)的幾何建模和理論建模流程。通過(guò)仿真結(jié)果分析，總結(jié)了目標(biāo)RCS和高分辨距離像的特性，說(shuō)明了高分辨距離像能夠反映出艦船目標(biāo)在雷達(dá)視線方向上的幾何結(jié)構(gòu)特征。同時(shí)，該方法對(duì)雷達(dá)目標(biāo)，尤其是軍事目標(biāo)特征信號(hào)的分析和研究具有較強(qiáng)的通用性。