路東偉　闕肖峰　綦　鑫　聶在平

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院　成都　610054)

米波頻段飛機(jī)目標(biāo)全極化散射仿真與特性分析

路東偉*闕肖峰綦鑫聶在平

(電子科技大學(xué)電子工程學(xué)院成都610054)

該文基于全極化雷達(dá)對空探測和目標(biāo)識(shí)別的應(yīng)用需求，研究了飛機(jī)目標(biāo)全極化散射特性，特別是交叉極化散射的產(chǎn)生原理和可利用性。在米波頻段對隱身和非隱身飛機(jī)目標(biāo)開展了數(shù)值建模和仿真計(jì)算；分析對比了不同飛機(jī)目標(biāo)的極化散射空域分布特性，分析了不同的外形結(jié)構(gòu)產(chǎn)生強(qiáng)交叉極化的條件。結(jié)果表明：非隱身飛機(jī)具有較豐富的極化散射特性，有利于雷達(dá)目標(biāo)的極化識(shí)別。

全極化雷達(dá)；電磁散射；交叉極化；隱身目標(biāo)

引用格式：路東偉, 闕肖峰, 綦鑫, 等.米波頻段飛機(jī)目標(biāo)全極化散射仿真與特性分析[J].雷達(dá)學(xué)報(bào), 2016, 5(2): 182–189.DOI: 10.12000/JR16030.

Reference format: Lu Dongwei, Que Xiaofeng, Qi Xin, et al..Simulation and analysis of the fully polarimetric scattering characteristics of aircraft in UHF band[J].Journal of Radars, 2016, 5(2): 182–189.DOI: 10.12000/JR16030.

1　引言

雷達(dá)目標(biāo)極化散射特性是近年來研究的熱點(diǎn)。由于目標(biāo)全極化散射回波中有著與目標(biāo)相關(guān)的豐富信息，例如目標(biāo)的幾何形狀、材料、介電常數(shù)等[1]，因此隨著電磁波極化特性的加入，使得處理接收到的目標(biāo)回波信號(hào)時(shí)擴(kuò)展了信息維度，能夠?qū)δ繕?biāo)進(jìn)行更加精細(xì)的識(shí)別和分析[2]。目前在電磁波極化的科學(xué)研究和工程應(yīng)用中，全極化SAR研究取得了較大進(jìn)展，技術(shù)較為成熟[3]。對于全極化雷達(dá)對空探測的研究則主要集中在極化信息處理，例如極化濾波[4]，相干斑去噪[5]，極化目標(biāo)特征提取等[6]。相關(guān)研究仍然面臨著較大的挑戰(zhàn)，如通常情況下，雷達(dá)目標(biāo)散射回波中的交叉極化分量電平遠(yuǎn)小于主極化電平，這使得雷達(dá)難以接收到全極化信息；另外，對于目標(biāo)極化散射機(jī)理研究不夠深刻，傳統(tǒng)的研究通常將電磁散射歸結(jié)為平面、二面角、球標(biāo)等標(biāo)準(zhǔn)體目標(biāo)的散射[7,8]，而人造目標(biāo)的復(fù)雜性導(dǎo)致的變極化效應(yīng)難以進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。根據(jù)電磁散射理論，對于常規(guī)飛行目標(biāo)，米波頻段為電磁散射的諧振區(qū)，目標(biāo)的散射截面積(RCS)劇烈震蕩，回波得以增強(qiáng)[9]。因此在諧振頻段目標(biāo)的極化散射特性是需要進(jìn)一步研究的內(nèi)容。

本文首先分析了典型結(jié)構(gòu)的極化散射機(jī)理；然后采用基于積分方程––多層快速多極子算法(MultiLevel Fast Multipole Algorithm, MLFMA)對隱身和非隱身飛機(jī)目標(biāo)在米波頻段開展了極化散射數(shù)值建模計(jì)算；分析對比了隱身和非隱身飛機(jī)目標(biāo)的結(jié)構(gòu)和遠(yuǎn)場極化散射特性的差異，揭示全極化回波特別是強(qiáng)交叉極化回波的產(chǎn)生機(jī)理，為目標(biāo)全極化信息利用和特征識(shí)別提供了一定的參考。

2　典型結(jié)構(gòu)全極化散射機(jī)理

從雷達(dá)極化學(xué)的角度，電磁波與目標(biāo)的作用可以表示為[10]：

式(1)中，S表示全極化散射矩陣，為目標(biāo)的固有屬性并且是與目標(biāo)姿態(tài)角有關(guān)的參量，其中下標(biāo)x, y代表任意的正交極化基，矩陣中的每個(gè)元素刻畫了目標(biāo)對不同極化電磁波的散射特性；主對角線元素的模值反映了主極化散射分量電平強(qiáng)度，次對角線元素模值反映了交叉極化散射分量電平強(qiáng)度。Ei為入射波，Es為散射波。給定散射矩陣，入射波方向改變，RCS也會(huì)變化。同樣目標(biāo)姿態(tài)變化也會(huì)引起RCS的波動(dòng)，這種波動(dòng)會(huì)在某些角度上達(dá)到最大值，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)目標(biāo)極化自適應(yīng)匹配照射[11]。此時(shí)如果接收天線極化方向與散射電場極化方向相同，可以使得接收到的目標(biāo)散射回波功率最大，滿足極化自適應(yīng)匹配接收條件[12]。極化信息利用的一大難點(diǎn)在于目標(biāo)全極化散射回波中，通常情況下主極化散射分量遠(yuǎn)大于交叉極化散射分量，這使得全極化信息利用遇到了極大的限制。但是由于目標(biāo)運(yùn)動(dòng)時(shí)具有不同的姿態(tài)，雷達(dá)波照射角度也不盡相同，交叉極化散射回波在某些照射條件下較大，可以實(shí)現(xiàn)極化信息的有效應(yīng)用。

針對交叉極化的產(chǎn)生機(jī)理，考察了典型結(jié)構(gòu)，如金屬二面角和偶極子的極化散射特性。如圖1所示的垂直放置二面角散射回波中，主極化分量占絕對優(yōu)勢，交叉極化為零。將二面角旋轉(zhuǎn)一定角度后，入射波方向不變，交叉極化散射回波可以得到顯著增強(qiáng)[13]。圖1(a)到圖1(b)中二面角散射矩陣變換關(guān)系為：

這里的R(θ)為旋轉(zhuǎn)矩陣，旋轉(zhuǎn)角θ=p/4時(shí)，散射回波中只有交叉極化分量，主極化分量為零。對金屬偶極子也能得到類似的結(jié)論。圖2(a)到圖2(b)中金屬偶極子散射矩陣變換過程為[14]：

圖1　二面角Fig.1　Dihedrals

圖2　金屬偶極子Fig.2　Mental dipole

3　基于積分方程的極化散射數(shù)值分析

為準(zhǔn)確分析目標(biāo)全極化散射特性，采用了基于積分方程MLFMA的數(shù)值分析方法。對于3維導(dǎo)體目標(biāo)，首先建立電場積分方程[15]:

式(5)中，S表示目標(biāo)表面，r和r'表示場點(diǎn)和源點(diǎn)位置矢量；t表示目標(biāo)表面S上切向矢量，Ei表示入射電場，R=|r–r'|。并矢格林函數(shù)為：

其中，ri和rj表示場點(diǎn)和源點(diǎn)矢量，rjm, rim'表示場點(diǎn)和源點(diǎn)所在組的組中心矢量，αmm'為轉(zhuǎn)移因子。在采用迭代方法求解以上的積分方程中，涉及大量的矩矢相乘運(yùn)算。MLFMA將矩矢運(yùn)算按照一定互耦關(guān)系分組分層，層間嵌套，逐層遞推實(shí)現(xiàn)快速運(yùn)算。MLFMA將傳統(tǒng)矩量法的計(jì)算復(fù)雜度從O(N2)量級降低至O(NlogN)[16]。

圖3　飛機(jī)目標(biāo)幾何示意圖Fig.3　Airplanes

4　飛機(jī)目標(biāo)全極化散射分析

如圖3所示隱身和非隱身飛機(jī)目標(biāo)幾何示意圖，目標(biāo)均為全尺寸模型，飛機(jī)機(jī)頭正對x軸正方向。頻率450 MHz雷達(dá)波照射角度為：(θ, φ)[45°, 135°]×[0°, 180°]。其中θ和φ為球坐標(biāo)系下的坐標(biāo)變量。

4.1非隱身飛機(jī)全極化散射分析

圖4給出給定角度域內(nèi)不同極化雷達(dá)波照射時(shí)的單站RCS?？梢钥闯?，主極化散射較強(qiáng)的區(qū)域?qū)?yīng)于目標(biāo)前下方、側(cè)向和后向側(cè)照射等，如圖4(a)和圖4(d)中φ[70°, 110°]––側(cè)面照射時(shí)RCS達(dá)到峰值；相對而言交叉極化散射分量小于主極化分量。但是對應(yīng)于飛機(jī)前下方和側(cè)下方照射，在(θ, φ)[95°, 130°]×[0°, 40°](區(qū)域1)和(θ, φ)[100°, 135°]×[100°, 140°](區(qū)域2)范圍內(nèi)，對應(yīng)于飛機(jī)側(cè)下方照射時(shí)，交叉極化散射分量也達(dá)到了15 dBsm；而且φθ和θφ極化回波RCS分布相同。如圖5所示，選取θ=100°, φ[0°, 15°](區(qū)域1內(nèi))和θ=114°, φ[110°, 125°](區(qū)域2內(nèi))作圖，可以看出在該角度范圍內(nèi)，交叉極化分量與主極化大小相當(dāng)。

非隱身飛機(jī)具有較多的典型強(qiáng)散射源：進(jìn)氣道、掛彈、翼面邊緣等，飛機(jī)的整體散射由各結(jié)構(gòu)散射共同產(chǎn)生。以下對其極化散射特性進(jìn)行分析[17]：

(1)邊緣散射

目標(biāo)機(jī)翼和垂尾對不同極化的電磁波照射非常敏感。入射波電場矢量與機(jī)翼前緣平行時(shí)會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)散射，電場矢量與翼面垂直時(shí)在機(jī)翼后緣的散射較強(qiáng)。電磁波斜入射時(shí)，電場可以矢量分解為平行和垂直于翼面的兩個(gè)分量。散射回波經(jīng)過矢量疊加后在與入射波垂直的極化方向上有一定的投影，產(chǎn)生交叉極化。

(2)面結(jié)構(gòu)散射

目標(biāo)表面法向與入射波方向平行時(shí)會(huì)產(chǎn)生極大的面散射。目標(biāo)翼面、機(jī)身部分都會(huì)有面散射而產(chǎn)生強(qiáng)主極化分量。如圖7所示，外掛物上的翼面會(huì)產(chǎn)生角反射器，外掛物與機(jī)翼也會(huì)形成多次反射，同樣形成角反效應(yīng)。隨著目標(biāo)姿態(tài)的變化，角反射器旋轉(zhuǎn)，從而產(chǎn)生很強(qiáng)的交叉極化。

(3)表面電磁缺陷散射

金屬目標(biāo)表面不連續(xù)結(jié)構(gòu)截?cái)嚯娏鲝亩a(chǎn)生電磁波反射。由于電流矢量方向受到目標(biāo)介質(zhì)或者結(jié)構(gòu)的影響，產(chǎn)生變極化效應(yīng)，如圖8(a)所示的不連續(xù)結(jié)構(gòu)。

(4)進(jìn)氣道和隔道散射

目標(biāo)進(jìn)氣道和進(jìn)氣道與機(jī)身之間存在的隔道也會(huì)產(chǎn)生較強(qiáng)的后向散射回波。機(jī)身與進(jìn)氣道之間的隔道實(shí)際上形成了一個(gè)腔體，容易產(chǎn)生諧振引起回波。隨著腔體內(nèi)表面曲率的變化，從而產(chǎn)生復(fù)雜的回波極化分量。

圖4　非隱身目標(biāo)的全極化散射特性Fig.4　Fully polarimetric scattering characteristics of non-stealth aircraft

圖5　較強(qiáng)交叉極化散射區(qū)域雷達(dá)散射回波Fig.5　Cross-polarimetric RCS curves

以上的強(qiáng)散射源在雷達(dá)波照射下產(chǎn)生很強(qiáng)的主極化散射回波。目標(biāo)在空中運(yùn)動(dòng)時(shí)，其相對于雷達(dá)的空間位置會(huì)不斷改變。類似之前分析的二面角和金屬偶極子產(chǎn)生交叉極化的原理，這些強(qiáng)散射源旋轉(zhuǎn)后，雷達(dá)波入射后產(chǎn)生較強(qiáng)的交叉極化回波。

為了進(jìn)一步分析主極化散射和交叉極化散射關(guān)于目標(biāo)姿態(tài)照射角度的關(guān)系，將交叉極化RCS值與主極化RCS值相減。僅選取主極化RCS值大于–20 dBsm的結(jié)果進(jìn)行作圖。從圖9中可以看出，非隱身飛機(jī)的交叉極化較強(qiáng)區(qū)域的分布較廣。

4.2隱身飛機(jī)目標(biāo)全極化散射分析

對于圖3(b)中的隱身飛機(jī)目標(biāo)采用同樣的方法進(jìn)行分析，得到如圖10所示的全極化散射回波結(jié)果?？梢钥闯?，經(jīng)過外形隱身設(shè)計(jì)，威脅角度范圍內(nèi)的回波RCS得到了較大縮減，即使在米波頻段的主極化分量也在0 dBsm左右。強(qiáng)散射分布在側(cè)向和尾向，如圖10(a)和圖10(d)中的黑框部分角度。對于交叉極化散射分量，較強(qiáng)交叉極化散射點(diǎn)相比非隱身飛機(jī)大為減少，僅在(θ, φ)∈[0°, 80°]×[60°, 100°] (圖10(b)和圖10(c)中虛線框部分)等側(cè)向以及斜后方角度范圍內(nèi)分布，主要是由機(jī)翼、垂尾與機(jī)身形成的二面角在電磁波斜入射時(shí)產(chǎn)生。同時(shí)強(qiáng)交叉極化散射點(diǎn)分布比較離散，數(shù)目較少并且強(qiáng)度比非隱身飛機(jī)弱。如圖11所示，在θ=46°, φ∈[80°, 100°]的角度內(nèi)，交叉極化較高，但是其仍然不超過主極化RCS值。經(jīng)過外形隱身優(yōu)化的目標(biāo)，其強(qiáng)散射源較少，即使目標(biāo)位置變化，產(chǎn)生的交叉極化分量比非隱身目標(biāo)小很多。

圖6　目標(biāo)翼面Fig.6　Wings

圖7　目標(biāo)外掛物(導(dǎo)彈)Fig.7　Cruise missle

圖8　目標(biāo)表面不連續(xù)結(jié)構(gòu)和隔道Fig.8　Discontinuous surface and bump inlet

圖9　交叉極化與主極化RCS差值(主極化大于–20 dBsm)Fig.9　The difference between the cross-polarimetric and the main-polarimetric RCS of non-stealth aircraft (The strength of main-polarimetric RCS is greater than –20 dBsm)

圖10　隱身目標(biāo)的全極化散射特性Fig.10　Stealth aircraft full-polarimetric scattering characteristics

圖12對隱身飛機(jī)的交叉極化與主極化分量差值進(jìn)行分析?？梢钥闯?，隱身目標(biāo)在前向和側(cè)向(主要威脅方向)幾乎沒有形成強(qiáng)的交叉極化散射，特別是對于φ極化。較強(qiáng)交叉極化散射多數(shù)集中在目標(biāo)側(cè)后向區(qū)域。

圖11　隱身目標(biāo)RCS曲線(θ=46°，φ[80°, 100°])Fig.11　Stealth aircarft RCS curves

圖12　隱身目標(biāo)交叉極化與主極化RCS差值(主極化大于–20 dBsm)Fig.12　The difference between the cross-polarimetric and the main-polarimetric RCS of steath aircraft (The strength of main-polarimetric RCS is greater than –20 dBsm)

從兩類飛機(jī)極化散射仿真結(jié)果可以看出，非隱身目標(biāo)外形結(jié)構(gòu)復(fù)雜，構(gòu)成多種強(qiáng)散射源。在其運(yùn)動(dòng)姿態(tài)角度變化時(shí)能夠激勵(lì)起較強(qiáng)的全極化回波，其中產(chǎn)生強(qiáng)交叉極化的原因可以認(rèn)為是典型散射結(jié)構(gòu)在電磁波斜入射時(shí)等效為原散射矩陣與旋轉(zhuǎn)因子相乘，使得次對角線元素不為零，增強(qiáng)了交叉極化散射。對于隱身目標(biāo)，氣動(dòng)外形結(jié)構(gòu)簡單平滑，強(qiáng)散射結(jié)構(gòu)較少。不僅威脅方向RCS極低，交叉極化分量也僅在目標(biāo)側(cè)向和上、下側(cè)后方向有一定分布。

5　結(jié)論

本文首先分析了典型結(jié)構(gòu)的極化散射產(chǎn)生機(jī)理，運(yùn)用積分方程數(shù)值方法對隱身和非隱身飛機(jī)目標(biāo)在米波頻段進(jìn)行極化散射仿真計(jì)算?？梢钥闯?，通常情況下目標(biāo)散射場的主極化分量大于交叉極化分量。但是對于非隱身目標(biāo)，電磁波在一定角度照射時(shí)，其交叉極化散射回波較強(qiáng)。而經(jīng)過外形優(yōu)化設(shè)計(jì)的隱身目標(biāo)，減少了能夠引起強(qiáng)散射的幾何結(jié)構(gòu)，交叉極化散射特性較弱。本文研究內(nèi)容為目標(biāo)全極化信息利用和特征識(shí)別提供重要參考。

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路東偉(1992–)，男，甘肅蘭州人，于2014年獲得電子科技大學(xué)電子信息工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，并于同年成為電子科技大學(xué)微波工程系在讀碩士生。目前從事電磁散射與逆散射、雷達(dá)目標(biāo)特性、極化雷達(dá)成像等方面的研究。

E-mail: bookwormldw@qq.com

闕肖峰(1977–)，男，重慶梁平人，于2001年和2008年獲得電子科技大學(xué)電磁場與微波技術(shù)學(xué)士和博士學(xué)位，目前為電子科技大學(xué)副教授，IEEE會(huì)員。主要從事計(jì)算電磁學(xué)、雷達(dá)目標(biāo)特性、電磁散射與逆散射、天線理論與技術(shù)等的研究。

E-mail: quexiaofeng@163.com

綦鑫(1990–)，男，山東青島人，于2014年獲得電子科技大學(xué)電子信息工程專業(yè)學(xué)士學(xué)位，同年保送進(jìn)入電子科技大學(xué)微波工程系攻讀博士學(xué)位。目前從事計(jì)算電磁學(xué)、雷達(dá)目標(biāo)特性、電磁散射與逆散射等的研究。

E-mail: qixin9098@qq.com

聶在平(1946–)，男，陜西西安人，教授，博士生導(dǎo)師，中國電子學(xué)會(huì)以及IEEE會(huì)士，1981年獲電子科技大學(xué)碩士學(xué)位，1987～1989年在美國伊利諾伊大學(xué)電磁研究室從事研究工作。長期致力于電磁散射與輻射、非均勻介質(zhì)中的場與波、計(jì)算電磁學(xué)的研究，先后主持并且圓滿完成國家重點(diǎn)科技攻關(guān)項(xiàng)目、國家863以及自然科學(xué)基金重點(diǎn)項(xiàng)目，國防973項(xiàng)目等數(shù)十個(gè)研究課題，并且取得了多項(xiàng)重要成果。發(fā)表學(xué)術(shù)論文超過300篇，同時(shí)也是我國《天線工程手冊》副主編。

E-mail: zpnie@uestc.edu.cn

Simulation and Analysis of the Fully Polarimetric Scattering Characteristics of Aircraft in UHF Band

Lu DongweiQue XiaofengQi XinNie Zaiping
(School of Electronic Engineering, University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 610054, China)

This study is based on the application requirements of fully polarimetric radar for aircraft detection and target recognition.We focus on fully polarimetric scattering characteristics of air targets, particularly the cross-polarimetric scattering mechanism and its availability.In the ultra-high frequency band, we conduct numerical modeling and simulation of stealth and non-stealth aircraft targets.The spatial distribution characteristics of polarimetric scattering for different aircraft targets are studied and compared, and the structures that could cause strong cross polarization are analyzed.The results of this study suggest that nonstealth aircraft have more polarimetric characteristics; this will help people use polarimetric radar for detecting aircraft.

Fully polarimetric radar; Electromagnetic scattering; Cross-polarimetric; Stealth aricraft

TN958

A

2095-283X(2016)02-0182-08

10.12000/JR16030

2016-01-31；改回日期：2016-04-07；網(wǎng)絡(luò)出版：2016-04-20

路東偉bookwormldw@qq.com

國家自然科學(xué)基金(61490695, 61231001)

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61490695, 61231001)