劉馨寧，黃 宇，孫協(xié)昌，李 勐

（航天恒星科技有限公司 北京　100086）

基于星載GNSS-R探測(cè)的目標(biāo)雙基RCS分析

劉馨寧，黃 宇，孫協(xié)昌，李 勐

（航天恒星科技有限公司 北京100086）

針對(duì)星載GNSS-R地（海）表探測(cè)應(yīng)用中的目標(biāo)雙基RCS進(jìn)行了分析：首先闡述了RCS的定義以及幾種典型目標(biāo)的單基站后向RCS計(jì)算方法；然后以此為基礎(chǔ)分析了雙基站目標(biāo)RCS的影響因素，并以散射收發(fā)角度為例通過(guò)圖示說(shuō)明其對(duì)這幾種典型目標(biāo)雙基RCS值的影響；最后通過(guò)將GNSS信號(hào)性質(zhì)代入雙基RCS運(yùn)算中得到了基于GNSS-R探測(cè)的幾種典型目標(biāo)的雙基站RCS，并通過(guò)仿真得到了這幾種目標(biāo)在GNSS-R遙感探測(cè)應(yīng)用背景下的雙基RCS與收發(fā)角度的關(guān)系圖。

雙基RCS；星載GNSS-R；被動(dòng)式探測(cè)；目標(biāo)識(shí)別；RCS仿真

星載GNSS-R（GlobalNavigationSatelliteSystem-Reflection，即全球衛(wèi)星導(dǎo)航系統(tǒng)反射信號(hào)）探測(cè)技術(shù)是依靠GNSS衛(wèi)星對(duì)地覆蓋的信號(hào)資源發(fā)展起來(lái)的新興遙感技術(shù)，通過(guò)將已有的GNSS衛(wèi)星作為信號(hào)源、接收并解析其地（海）表的反射回波來(lái)實(shí)現(xiàn)地（海）表各項(xiàng)物理參數(shù)測(cè)量以及大型目標(biāo)探測(cè)識(shí)別等應(yīng)用［1-3］。由于在這種無(wú)源被動(dòng)式探測(cè)過(guò)程中接收端不需要額外發(fā)射電磁波，因此該應(yīng)用具有全天候覆蓋、隱蔽性強(qiáng)、抗電子偵察等優(yōu)勢(shì)［4］。而其中目標(biāo)探測(cè)識(shí)別應(yīng)用所利用的性質(zhì)就是待探測(cè)目標(biāo)（主體多為金屬）與背景中土壤、海水等介質(zhì)的反射能力的巨大差異，而衡量這種物體反射能力的物理量就是RCS（Radar Cross Section），即雷達(dá)截面積［5-6］。

RCS是表征目標(biāo)在雷達(dá)探測(cè)波照射下的散射強(qiáng)度特性的物理量，金屬與背景不同的散射特性使得接收端可以通過(guò)計(jì)算對(duì)比某區(qū)域回波的功率強(qiáng)度來(lái)探測(cè)和識(shí)別目標(biāo)。除了材質(zhì)本身的電參數(shù)以外，目標(biāo)RCS還受包括發(fā)射波的頻率及波形、雷達(dá)波入射角度以及散射波接收角度、探測(cè)波的極化方式及接收天線極化方式、目標(biāo)的尺寸、形狀、噸位、（海面目標(biāo)）吃水深度等諸多因素的影響［7］。

目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)組成可以根據(jù)收發(fā)端位置關(guān)系分為單基站和多基站兩種。傳統(tǒng)的自發(fā)自收雷達(dá)便是典型的單基探測(cè)系統(tǒng)，安裝在雷達(dá)上的發(fā)射機(jī)主動(dòng)發(fā)射的電磁波經(jīng)過(guò)目標(biāo)反射后由同樣位于該雷達(dá)上的接收機(jī)來(lái)進(jìn)行接收，這種情況下的回波包含的信息對(duì)應(yīng)目標(biāo)的后向RCS。而在以GNSS-R系統(tǒng)為例的多基站探測(cè)系統(tǒng)中，GNSS各衛(wèi)星信號(hào)之間的正交性使得接收機(jī)在跟蹤某一顆衛(wèi)星的信號(hào)時(shí)可以很好地對(duì)其他衛(wèi)星信號(hào)進(jìn)行剔除，即可將其分化為多個(gè)雙基系統(tǒng)來(lái)處理，又由于雙基收發(fā)分置的性質(zhì)使其可以不局限于測(cè)量目標(biāo)的后向RCS。在本文所涉及的應(yīng)用中，由于將GNSS衛(wèi)星作為信號(hào)發(fā)射端，探測(cè)過(guò)程中利用的電磁波的頻率、波形、極化方式是確定的，而通過(guò)GNSS衛(wèi)星軌道高度以及發(fā)射功率易知目標(biāo)處入射波功率密度。以GPS衛(wèi)星L1信號(hào)為例，其軌道平均高度為20 200 km，發(fā)射的電磁波為中心頻率 1 575．42 MHz的BPSK右旋圓極化波，由于極化方式在反射時(shí)會(huì)發(fā)生變化，故對(duì)應(yīng)的接收天線為左旋圓極化接收天線［8］。

RCS作為目標(biāo)探測(cè)的理論基礎(chǔ)有著比較重要的研究?jī)r(jià)值，目前針對(duì)單基應(yīng)用中的RCS的研究比較多，雙基應(yīng)用中的RCS由于推導(dǎo)比較復(fù)雜，展開的相關(guān)探討也較少。但在越來(lái)越多的被動(dòng)式雙基探測(cè)雷達(dá)逐步開始研制和推廣后，有關(guān)于雙基RCS的理論研究需求也就日益凸顯。本文就是以GNSS衛(wèi)星信號(hào)作為發(fā)射端，低軌星載接收機(jī)作為接收端的GNSS-R雙基目標(biāo)探測(cè)作為應(yīng)用背景，有針對(duì)性地研究該應(yīng)用中典型目標(biāo)RCS。在文章結(jié)構(gòu)安排上，文中第2節(jié)主要介紹了RCS的定義、幾種簡(jiǎn)單目標(biāo)的單基RCS計(jì)算方法；第3節(jié)中推導(dǎo)了GNSS-R探測(cè)應(yīng)用中幾種簡(jiǎn)單目標(biāo)的RCS計(jì)算方法；第4節(jié)對(duì)前文的RCS計(jì)算公式進(jìn)行了仿真；最后第5節(jié)對(duì)全文進(jìn)行總結(jié)，并討論下一步的研究方向。

1　RCS定義及計(jì)算基礎(chǔ)

1.1RCS定義

電磁波在傳播過(guò)程中遇到粗糙障礙物（目標(biāo)）時(shí)便會(huì)發(fā)生散射，此時(shí)的散射波按照計(jì)劃方式來(lái)劃分可分為主極化（Principal Polarization，PP）和正交極化（Orthogonal Polarization，OP）兩部分，其中主極化代表與接收天線相同的極化方式，而主極化波的散射能量也決定了由接收天線觀測(cè)的目標(biāo)RCS值［9］。當(dāng)目標(biāo)被探測(cè)信號(hào)照射時(shí)，可將其看作一個(gè)新的信號(hào)源，故目標(biāo)散射場(chǎng)也存在近似于球形波陣面的近場(chǎng)以及近似平面波陣面的遠(yuǎn)場(chǎng)。由于在星載GNSS-R應(yīng)用中接收端距離海面目標(biāo)較遠(yuǎn)，在本應(yīng)用中目標(biāo)散射波的接收可直接按遠(yuǎn)場(chǎng)情況進(jìn)行處理。

圖1　GNSS-R探測(cè)結(jié)構(gòu)Fig．1　Satellite-borne GNSS-R remote sensing system

GNSS-R探測(cè)結(jié)構(gòu)如圖1所示，其中R表示接收機(jī)與目標(biāo)的距離，Pi表示探測(cè)波到達(dá)目標(biāo)附近的功率密度。假設(shè)接收衛(wèi)星與海面目標(biāo)距離為R，目標(biāo)處的入射探測(cè)信號(hào)功率密度為Pi，在接收機(jī)方向上的目標(biāo)附近散射回波功率密度Pr可表示為：

其中σ表示在特定入射角度和接收角度條件下的雙基探測(cè)散射截面積，而若將與目標(biāo)距離為R的接收端處的散射回波功率密度設(shè)為Por，則有：

由式（1）和（2）可得：

又已知接收天線位于散射場(chǎng)的遠(yuǎn)場(chǎng)區(qū)域，因此可得目標(biāo)在雷達(dá)信號(hào)特定發(fā)射角度和接收角度條件下的雙基探測(cè)RCS為：

1.2典型目標(biāo)RCS

1）導(dǎo)體圓球

在其他影響因素一定的條件下，假設(shè)圓球的半徑為a，探測(cè)波的波長(zhǎng)為λ，則導(dǎo)體圓球的RCS與2πa/λ存在如下關(guān)系：

圖2　導(dǎo)體圓球RCS與頻率及半徑關(guān)系Fig．2　Relationship between conducting sphere RCS and frequency，radius

由圖2可知，在雷達(dá)波波長(zhǎng)一定時(shí)，導(dǎo)體圓球的RCS計(jì)算可按照?qǐng)A球尺寸不同分為3種情況：瑞利散射區(qū)、梅氏諧振區(qū)、光學(xué)（高頻）區(qū)，由于在本應(yīng)用中所采用的GPS的L1波段波長(zhǎng)約為0．190 m，帶入后可知當(dāng)導(dǎo)體球半徑滿足a＜0．030 m時(shí)，處于瑞利區(qū)；當(dāng)0．030 m＜a＜0．30 m時(shí)，處于諧振區(qū)；當(dāng)a＞0．30 m時(shí)，處于光學(xué)區(qū)。鑒于海面探測(cè)應(yīng)用中的被探測(cè)目標(biāo)尺寸較大，因而可以按光學(xué)（高頻）區(qū)來(lái)進(jìn)行后續(xù)的RCS處理，可知此時(shí)有：

2）導(dǎo)體矩形平面

當(dāng)尺寸一定時(shí)，導(dǎo)體矩形平板的RCS主要受探測(cè)信號(hào)波長(zhǎng)以及入射角影響。對(duì)于邊長(zhǎng)為a，b的導(dǎo)體矩形平板，當(dāng)其在以入射角θ1被探測(cè)信號(hào)照射并以在散射角θ2方向上接收時(shí)的RCS可以通過(guò)如下公式計(jì)算：

需要提及的是，在大入射角（即探測(cè)信號(hào)入射方向與平板法線方向夾角過(guò)大）的情況下，需要應(yīng)用幾何繞射理論或等效電流法來(lái)計(jì)算RCS值。

3）導(dǎo)體（橢）圓柱

圖3　導(dǎo)體橢圓柱Fig．3　Conducting elliptic cylinder

如圖3所示，設(shè)橢圓柱高為H，截面短半軸、長(zhǎng)半軸分別為r1、r2，為由原點(diǎn)指向接收端的方向向量，φ和θ分別表示與x軸以及z軸的夾角，則此時(shí)有：

當(dāng)r1=r2時(shí)（即圓柱），可由（7）推導(dǎo)出（8）：

2　典型目標(biāo)雙基RCS

在上一節(jié)中已對(duì)幾種典型目標(biāo)的單基RCS進(jìn)行了簡(jiǎn)要的介紹，在本節(jié)中將對(duì)這幾種目標(biāo)基于雙基探測(cè)條件下的RCS進(jìn)行分析。

2.1導(dǎo)體圓球

由于雙基探測(cè)應(yīng)用中收發(fā)端的位置不同，此時(shí)目標(biāo)RCS除了與前文提到的單基RCS影響因素有關(guān)，還需要參考發(fā)射端和接收端相對(duì)于目標(biāo)的位置。當(dāng)一個(gè)半徑為0.3 m的金屬球被探測(cè)信號(hào)照射且探測(cè)信號(hào)頻率固定時(shí)，其RCS值與發(fā)射-接收夾角的關(guān)系如圖4所示。

圖4　導(dǎo)體圓球雙基RCSFig.4　Bistatic RCS of conducting sphere

2.2導(dǎo)體矩形平面

設(shè)矩形平面尺寸為2 m*2 m，電磁波由與垂直該平面方向入射，則可得到該平板RCS值與發(fā)射-接收夾角的關(guān)系如圖5所示。

圖5　導(dǎo)體矩形平面雙基RCSFig.5　Bistatic RCS of conducting rectangular plate

2.3導(dǎo)體圓柱

設(shè)圓柱橫截面半徑為0.5 m，高為2，電磁波由垂直軸心方向入射，則可得到該平板RCS值與發(fā)射-接收夾角的關(guān)系如圖6所示。

圖6　導(dǎo)體圓柱雙基RCSFig.6　Bistatic RCS of conducting cylinder

3　基于GNSS-R探測(cè)的目標(biāo)雙基RCS仿真

前文闡述了幾種典型目標(biāo)的單基RCS計(jì)算公式以及雙基RCS與收發(fā)端夾角的關(guān)系，本節(jié)中將對(duì)已知收發(fā)夾角的GNSS-R應(yīng)用中目標(biāo)雙基RCS進(jìn)行仿真，由于雙基RCS的影響因素較為復(fù)雜，這里只選擇了收發(fā)角度作為自變量來(lái)觀測(cè)其對(duì)RCS的影響，即在分析過(guò)程中假定其他影響因素是恒定不變的。即固定目標(biāo)形狀、尺寸以及探測(cè)信號(hào)發(fā)射頻率和極化方式等影響因素后通過(guò)仿真來(lái)說(shuō)明目標(biāo)雙基RCS與收發(fā)角度的關(guān)系。參數(shù)設(shè)置如表1所示：

表1　仿真參數(shù)設(shè)置Tab.1 Simulation parameters setting

在本應(yīng)用中頻率取GPS系統(tǒng)L1波段，即1 575.42 MH，對(duì)應(yīng)波長(zhǎng)λ約為0.190 m。通過(guò)仿真可以得到在GPS信號(hào)照射下導(dǎo)體圓球雙基RCS與圓球（a為半徑）尺寸關(guān)系圖，如圖7所示；導(dǎo)體矩形平面的雙基RCS與入射角度關(guān)系圖，如圖8所示；導(dǎo)體橢圓柱的雙基RCS與入射角度關(guān)系圖，如圖9所示。

圖7　GPS信號(hào)照射下導(dǎo)體圓球雙基RCSFig.7　Bistatic RCS of conducting sphere illuminated by GPS signal

圖8　GPS信號(hào)照射下導(dǎo)體矩形平面雙基RCSFig．8　Bistatic RCS of conducting rectangular plate illuminated by GPS signal

圖9　GPS信號(hào)照射下導(dǎo)體橢圓柱雙基RCSFig．9　Bistatic RCS of conducting cylinder illuminated by GPS signal

4　結(jié)束語(yǔ)

文中分析了幾種典型目標(biāo)的單站、雙站RCS，并通過(guò)將GNSS信號(hào)性質(zhì)代入運(yùn)算得到了這幾種目標(biāo)在GNSS-R遙感探測(cè)應(yīng)用背景下的雙基RCS，在仿真階段利用仿真圖說(shuō)明了在GNSS-R探測(cè)應(yīng)用中目標(biāo)RCS與收發(fā)端角度的關(guān)系。在后續(xù)的工作中，會(huì)繼續(xù)研究其他因素對(duì)GNSS-R背景下的雙基RSC的影響，并著手分析復(fù)雜形狀目標(biāo)的雙基RCS計(jì)算方法，建立對(duì)應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)，從而增強(qiáng)計(jì)算模型的實(shí)用性，為后續(xù)的GNSS-R目標(biāo)探測(cè)識(shí)別應(yīng)用提供幫助。

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Analysis of the target RCS in satellite-borne GNSS-R remote sensing

LIU Xin-ning，HUANG Yu，SUN Xie-chang，LI Meng
（Space Star Technology CO.，LTD，Beijing 100086，China）

In this work，the bistatic target RCS in satellite-borne GNSS-R remote sensing is analyzed:in the first place，the definition of RCS and the RCS of several kinds of basic targets is stated；secondly，the affecting factors of the bistatic target RCS is illustrated with the example of scattering angle；finally，the properties of the GPS signal is induced into calculating formulas to get the bistatic RCS of these targets in satellite-borne GNSS-R remote sensing，and the relationship between the bistatic RCS and the scattering angle is shown in the simulations．

bistatic RCS；satellite-borne GNSS-R remote sensing；passive detecting；target identification；RCS simulation

TN951

A

1674－6236（2016）02-0124-04

2015-04-15稿件編號(hào)：201504156

總裝預(yù)研基金項(xiàng)目（9140A21010114HT05064）。

劉馨寧（1990—），女，黑龍江哈爾濱人，碩士研究生。研究方向：信號(hào)處理，圖像處理。