舰船目标雷达高分辨距离像的建模与仿真

 张  伟，  莫翠琼，  陈秋菊，  陈  慧

 （电子工程学院，合肥230037）

摘要：雷达高分辨距离像是舰船目标识别研究中的关键环节。针对大型舰船目标的雷达高分辨距离像难以进行实测和缩比测量的情况，采用理论建模计算方法获取舰船目标雷达高分辨距离像．，首先建立舰船目标三维CAD模型，采用面元法对模型进行剖分并对面元遮挡进行判别计算；然后利用电磁计算软件得到各个姿态角下舰船目标的频域响应；之后进行IFFT获得目标雷达高分辨距离像；最后结合实际舰船目标，给出了具体建模和仿真计算的案例，并对仿真结果进行分析。

关键词：舰船目标；几何建模；雷达散射截面积；高分辨距离像

中图分类号：TN955 文章编号：1671-637X(2016)02 -0047 -04

0引言

 近年来，随着现代先进武器系统的不断发展和战场环境的日趋复杂，基于高分辨率雷达的目标识别技术受到广泛的重视。在海战等实际作战中，当高分辨率雷达照射舰船这类大尺寸目标时，舰船上搭载的电子支援设备( ESM)如简单按质点模型处理，将无法准确获得舰船目标的复杂散射特性；而高分辨距离像能够反映出舰船目标在雷达视线方向上精细的几何结构特征，是雷达目标识别的有效特征矢量。

 在早期计算分析舰船目标电磁散射特性时，经常采用外场动态测量、缩比目标暗室测量的方法。虽然外场动态测量可以获取各种类型目标的真实回波数据，但其时间周期长，系统庞大，雷达参数、体制单一，对于非合作日标，几乎无法获得全姿态角下的数据。缩比目标暗室测量虽改善了外场动态测量的不足，但为了保证缩比模型保持电尺寸的不变，对测量设备要求过于苛刻。

 本文在对目标的几何外形结构进行理论建模的基础上，进一步进行电磁散射特性的计算，有着较强的通用性。因此，在一些实际条件无法满足的情况下，可以通过对目标进行几何建模，并利用电磁仿真软件（如XPATCH，XFDTD，FEKO等）计算目标的电磁散射特性。

1  舰船目标雷达高分辨距离像建模

首先建立舰船目标的几何模型，然后对几何模型进行面元剖分和遮挡面的判别，同时用145 MHz宽带信号照射舰船目标，利用电磁计算软件得到各个姿态角下舰船目标的频域响应，最后进行IFFT获得舰船目标雷达高分辨距离像，如图1所示。

1.1  几何建模与面元剖分

 分析舰船目标电磁散射特性时，目标精确的几何模型是准确计算目标电磁散射特性的基础。利用3DStudio Max建模软件建立舰船目标全尺寸几何模型，以FEKO软件为工具将目标划分为以三角形和四边形为基本单元的平板面元模型。为了尽量减少目标信息的丢失，在对目标表面曲面分块时需要考虑表面的曲率变化，在曲率较大的区域分割得密些，曲率较小的区域可以分得疏一点。采用面元法计算舰船目标散射特性时，存在面元遮挡的问题。遮挡计算包括自遮挡和互遮挡两部分。针对不同的遮挡问题需要采取不同的方法进行判断。

 1)判别后向面处理自遮挡。设某多边形的外法向矢量为n，视点所在的矢量为r，若r1．n≤0，则该多边形为前向面，该面元可见；若r2．n≥0，则该多边形为后向面，该面元不可见，如图2所示。

 2)深度缓冲器法处理互遮挡。深度缓冲器算法也称为Z-buffer算法，其基本原理是：定义沿雷达信号照射方向为Z轴，搜索被照射目标所有面元的Z轴坐标值，只有最接近雷达的目标表面面元才被提取出来进行散射计算。图3显示了深度缓冲器法判别可见面时的位置关系，图中从XY平面上点(x'，y') 出发的视线上有远近不同的3个面，其中S1上的对应中心点离视点最近，因而该面在（x'，y'）处是可见的。

 由于这种方法考虑了面元之间的遮挡效应，可以自动计入目标各组件之间的电磁耦合，因此采用面元法计算舰船目标的RCS具有很高的精度。

1.2  目标RCS计算

 目标电磁特性分析常用数值方法和高频方法。数值计算方法从完整的物理模型出发，严格按照电磁场理论求解目标电磁问题，精度高、适用范围广，但计算量大，只能处理电小尺寸目标的电磁散射问题。高频方法将目标电磁散射分解成一系列散射机理，分别利用相应的近似方法进行计算，然后将各种散射贡献进行叠加获取目标的散射场，计算速度快，但是精度不高，仅适用于大尺寸目标的电磁散射问题。

 舰船目标属于超大电尺寸的问题，并且舰船目标上还包括各种精细电子结构，如小型天线馈源等。针对不同的计算精度与速度要求，舰船目标RCS仿真计算包括两部分：一个是基于快速多极算法的高精度并行雷达目标特性计算；另一个是基于物理光学算法的高频近似目标特性计算。而FEKO软件将数值方法和高频方法较好地结合起来，为复杂目标的电磁散射计算提供了一种切实可行的解决方案。利用FEKO软件得到目标散射数据分为以下6个步骤。

 1)几何建模。设置模型参数，利用FEKO自带的建模模型，或者在主菜单下选择File→Import→Geome-try→…导入一定格式的CAD模型。

 2)参数设置。选择平面波入射，设置入射波的幅度、相位、极化方向和入射方向。

 3)网格划分。设定入射波的波长，利用2.1节的面元剖分方法确定模型的网格划分。

 4)求解远场散射。对于单站RCS，选择Calculatefields in wave incident direction.

 5)算法选择。在CADFEKO的菜单solution set-tings中进行设定，在关键部位选择快速多极算法的高精度并行算法，在其他区域使用物理光学算法，对舰船这样复杂的模型，还需要在EDITFEKO的选项卡中设置为多次发射。

 6)求解计算，显示结果。

 根据以上步骤，利用FEKO软件得到在不同方位角、俯仰角下目标的RCS强弱对比，如图4所示。

1.3高分辨距离成像

 舰船目标高分辨距离像的获得一般采用宽带信号照射目标的方法。当雷达接收宽带信号时，其径向距离分辨率远小于目标尺寸，舰船目标可以模型化为各自独立的散射中心的集合，这些散射中心在雷达径向距离上的分布情况被称为高分辨距离像。

 假设雷达发射信号为线性调频信号，则经过解线性调频后得到的目标频率响应可以表示为各个散射点的频率响应之和

2仿真实验

 利用上述方法，对某舰船进行高分辨距离像的建模与仿真。首先借助3DStudio Max得到舰船目标三维CAD模型，如图5所示。入射波为水平极化，中心频率为f= 16.5 C Hz，雷达信号带宽B=145 MHz，方位角变化范围为00~ 1800。选择快速多极算法和物理光学算法相结合，设置为二次散射，易知目标距离分辨率为1.034 m。当方位角为100，300，600时，RCS随方位角变化曲线如图6所示。

 由图1所示的高分辨距离成像流程可知，在不同的姿态角下用宽带雷达信号照射目标，得到目标各个姿态角下的频域响应，最后进行IFFT获得舰船目标雷达高分辨距离像。选取方位角为80、俯仰角为250的这一点舰船目标的高分辨距离像，如图7所示。

 由图6可以看出，目标的RCS值随姿态角的变化程度较大，在一定范围内，随着俯仰角增大，RCS也增大。图7中，145 MHz的宽带信号照射目标，对目标所成的高分辨距离像的分辨率为1. 034 m，反映出了目标精细的结构信息。由图可以看出，目标在雷达视线上的径向长度为160 m左右。在48 m处，散射强度最高，表明此处结构更复杂，包括很多形状不规则的设备。由图5目标的CAD模型可知，此处处于舰船嘹望台的前桅位置，主要装设号灯、无线电天线、雷达天线等，结构复杂，因此，图7的仿真结果与实际模型一致，验证了所提方法的有效性和准确性。

 对这些特征的细致分析对于进一步的目标识别具有重要价值。在实战中，通过对外军其他典型目标散射特性的建模，提取和处理目标信息，生成不同姿态角下目标高分辨特征数据，保存并建立数据库。在目标识别过程中，采用“预先计算一数据库查询”的方式，查询目标匹配所需的特征数据库，预测并识别目标。因此，这种方法具有很强的通用性，其仿真和计算结果可作为雷达目标探测与识别分析研究的数据源。

3结束语

 本文针对舰船目标研究了舰船目标高分辨距离像的建模仿真方法，给出了舰船目标的几何建模和理论建模流程。通过仿真结果分析，总结了目标RCS和高分辨距离像的特性，说明了高分辨距离像能够反映出舰船目标在雷达视线方向上的几何结构特征。同时，该方法对雷达目标，尤其是军事目标特征信号的分析和研究具有较强的通用性。