第16卷第4期 2015年8月 空军工程大学学报(自然科学版) VoI.16 NO.4 Aug.2015 JOURNAL OF AIR FORCE ENGINEERING UNIVERSITY(NATURAL SCIENCE EDITION) 用于雷达回波信号实时模拟的 弹道目标RCS解析公式 王伟杰, 鞠智芹, 季明阳 (空军工程大学防空反导学院,西安,710051) 摘要 对弹道目标进行满足精度要求的雷达回波实时模拟是一项综合性较强的工程,是目标探 测、识别的关键。基于几何绕射理论(GTD)和物理光学法(P0),推导给出了某大型弹道目标在 微波频率下任意视线角的RCS解析公式。文中方法和FEKO软件的计算结果符合良好且计算 速度极快,利用文中方法得到的结果进行的一维距离像仿真与理论结果吻合较好,可以满足基 于目标电磁散射特征的再入大气层弹道目标雷达回波信号实时模拟的精度需要。 关键词 几何绕射理论;物理光学法;雷达截面积;弹道目标;回波模拟 DOI 10.3969/j.issn.1009—3516.201 5.04.010 中图分类号 TN955 文献标志码 A 文章编号 1009—3516(2015)04—0042—04 RCS Explicit Formulations of A Large Ballistic Target Used for Real Time Simulation of Radar Based on Reentry Ballistic Target Echo WANG weijie,JU Zhiqin,JI Mingyang (Air and Missile Defense College,Air Force Engineering University,Xi an 710051,China) Abstract:To meet the real—time simulation of ballistic target radar echo precision requirement is a stronger comprehensive project,it is a key to the target detection and recognition.In this paper,a calculation for— mula of a large ballistic target in explicit RCS arbitrary angle of sight is given under microwave frequency based on GTD and PO method.The results computed by using this method agree with that by using the FEKO software and the calculation speed is extremely high.Using the data obtained by this method to re— alize the High Resolution Range Profiles(HRRPs),the results of simulation and theory are in good agree— ment with each other,and can meet the need of real time simulation precision of radar based on reentry ballistic target echo signal of target electromagnetic scattering characteristics. Key words:GTD;PO;RCS;ballistic target;echo simulation 对电大尺寸目标进行满足精度要求雷达回波实 导弹防御系统及时探测、发现目标并做出准确及时 时模拟是高分辨雷达信号处理系统算法研究中的重 要环节,是一项综合性较强的工程,涉及到电磁计 反应具有重要意义 。文献[2]通过调用静态散射 场数据库实现对弹道目标宽带回波的仿真。文献[3 ~算,回波模拟和信号处理等多方面内容。其对弹道 4]采用矩量法模拟了进动目标的微多普勒运动回 收稿日期:2014—12—19 基金项目:国家自然科学基金资助项目(61372033);航空科学基金资助项目(20130196005) 作者简介:王伟杰(1989一),男,山西太原人,硕士生,主要从事目标与环境电磁散射特性研究.E—mail:1747439168@qq.corn S|甩格式:I伟杰,鞠智芹,季明阳.蹋f雷达回波信号实时模拟的弹道H标RCS解析公式[J .空军I程大学学报:台然科学版,2015,16(4): 42—45.WANG Weijie,JU Zhiqin,JI Mingyang.RCS Explicit Formulations of A Large Ballistic Target Used[or Real me Sieulration of Radar Based on Reentry Ballistic Target EchogJ ̄.Journal ofAir Force Engineering University:Natural Science Edition,2015,16(4):42—45. 第4期 王伟杰,等:用于雷达回波信号实时模拟的弹道目标RCS解析公式43 波模型,并分析了自旋、锥旋对目标为多普勒特性的 影响。文献E5]将弹跳射线法和等效边缘电磁流法 与信号处理相结合,计算了复杂目标宽带雷达回波 信号。然而,上述方法在模拟电大尺寸目标回波时, 散射场计算所需的计算机内存和计算量非常大,对 计算机硬件和编程提出了很高的要求,无法实现雷 达回波信号的实时模拟。 某再气层弹道目标(以下简称弹道目标)的 轴长在数m以上,在高频波段属于复杂电大尺寸目 标。鉴于弹道目标上的一些主要部件(如除弹翼外 部分)是规则的几何不连续部分,可以考虑用GTD 得到其RCS;弹翼上起主要散射作用的多边形面可 以用PO得到其RCS。带翼弹道目标的RCS可以 用部件合成法得到。 1 理论推导 1.1弹道目标模型 图1是某再气层弹道目标模型的结构图。 在本文中,弹体直径2口 为1 m,弹体长度h。+矗 为 2.7 m。在微波波段,这是一个电大尺寸复杂目标。 图1弹道目标几何模型 Fig.1 The geometry model for target trajectory 应用高频近似方法,图1所示的带翼弹头远场 后向RCS为: 5 =I∑ 肌+ + =l P + e l (1) 式中: 为第i个绕射点的后向RCS; 、 、d 、 o分别为弹翼A、B、c、D的后向RCS。 该弹道目标在中段飞行过程中受到横向冲量矩 的作用以进动形式飞行。 1.2弹道目标电大光滑部分基于PO的RCS解析 公式 根据雷达目标散射截面RCS的定义,可得嘲: 一一j f47c J ( ×h i)e Jk—r・c 一 dS (2) 式中:k为波数;e 为接收器极化方向;,l为目标表 面单位法向矢量;hi为单位入射磁场;,为接收距 离矢量;i为人射方向;s为散射方向;S为目标表 面照明部分。 对于长、宽分别为a和b,高为h的任意直角三 角形纯导体平板弹翼A,本地坐标系下z>0的空 间,本文推导出了简洁的RCS解析计算公式: A —— _——————————— 16k 7c(bcos 一口sin ) L扫一 、 bcos(2aksinOsin ̄))csc。+ a(一1+cos(2bk sin0cos9))sec。 + (n sec sin(2bk sin0cos9)一 bcsccp sin(2aksinOsin ̄o)) ) (3) 图1所示的其他3个弹翼B、C、D,在各自的本 地坐标系下,其RCS解析计算公式同弹翼A。 将式(3)及其他3个弹翼B、C、D的RCS计算 公式应用于式(1),还需将A、B、C、D 4个弹翼的本 地坐标系转换为图1中的目标本体坐标系 。 1.3弹道目标几何不连续部分基于GTD的RCS 由文献 ],弹体边缘绕射场为: D=一 i dD。一9。 dD h (5) P—M sin r 1 D 一一l— n sintS p I, ̄ lc∞ ~∞ — os 一cos 二 !千 1 ] c。s 一c。s !± I (6) n 佗 l 式中:D称为并矢绕射系数;D。、D 称为标量绕射 系数,其中,D 为满足狄里希利边界条件的绕射系 数,D 为满足诺依曼条件的绕射系数。 由RCS的定义可得 图1中的5个边缘绕射 点的远场、// ( 一1,2,…,5)为: √ l — ■^: 、/面/ E(‘c∞ 一os 一1)-I干(干‘c∞。os 一 — cos -arcsin 1 ta —n1 J 厂__ /a 一 a1 , Z7r √ 一—■ 一√ ::: L Lc。 。 了一 ) 千 s警--COS arcsin ㈣ —— ~^ 、/ 面!二【 [(L(co0s 一1 —1)) 千 一 千 √ 3=== ( 。 --兀--COS ± )一 ](。) , ≤y0 ,0>y 44 空军工程大学学报(自然科学版) 平滑范围:0≤0≤y  ̄/ 1I,( 。 2了7【 壁4一 o 丁 ,0 一2 7【、~ 、 ≥ / 2 ㈣ ( o) : 1.4弹道目标进动下弹翼遮挡判断 由于弹道目标弹体和弹翼之间存在遮挡效应, 电磁波不能同时对全部弹翼产生照射作用,根据物 10,0<7c/2 专 l1一 }。 一 ̄/ 5= 一 (11) b ,0< < /2一y 【0 ,0≥Ⅱ/2一y 2惫(n一口1)sin0 竺二竺 ! 刊z圳 咖 (12) 平滑范围: 一0 ≤0≤兀,2k(口一口1)sin0 。 一2.44 在0=7c/2附近, e + 一一 = h 兰 垒! 兰 矿j。 一 。 。一 。i坩 (13) khcos0 平滑范围:0 ≤0≤7c/2,khcosO :=:2.25 在鼻锥方向0—0及其附近入射时: 2 (口一n1)sin e + P === [(c。 一c。s )一 1 I .2tan0.2 】——sin—— :::_= J1(2是(口一口 )si的)± (cos 一1)一 J 2(2k(n—n1)sin )e—j ^c。 ] (14) 理光学法中凸曲面驻像点自身遮挡效应的判断方 法,即判断散射点处雷达视线方向豇 与弹翼所在面 元法向矢量,l的内积是否为负,如果 i,l<0,那么 弹翼被雷达波照射,否则弹翼被弹体遮挡。 2数值结果 为验证本文提出的弹道目标全空域、全频域 RCS解析公式的有效性和正确性,将本文计算结果 与FEKO进行了对比研究,并利用本文计算结果对 进动弹道目标进行了一维距离像序列仿真。 计算平台:联想P4,CPU E52OO主频2.50 GHz,内存2 GB。 2.1无翼弹道目标的RCS计算 主要考察1.3节解析公式的有效性和正确性。 图1的弹道目标,在无弹翼A、B、C、D的情况下, 用本文方法和FEKO软件在频率f一10 GHz时, 分别计算过 轴任意 平面的 ( )曲线,见图2。 0 O/(。) 图2无弹翼弹道目标RCS计算结果 Fig.2 Wingless ballistic target RCS calculation 2.2带翼弹道目标的RCS计算和一维距离像序列 仿真 图1所示的弹道目标,分别用本文方法和FE— KO软件计算在频率,一10 GHz时,过z轴 — 45。平面的 ( )曲线,见图3。 用本文方法算得的数据对图1中的弹道目标的 一维距离像序列进行仿真n ,雷达发射信号为 LFM信号,自旋角速度叫 一4 ̄rad/s,锥旋角速度 。一2 ̄rad/s,进动角0—6。。结果见图4。 由图2、图3对比可见,图1所示的弹道目标的 弹翼对RCS的贡献较小。因此,计算弹翼对弹道目 标RCS的贡献时,只需考虑弹翼的三角形导体表面 PO场即可,不必计及弹翼棱边的GTD场对RCS 的贡献。 第4期 王伟杰,等:用于雷达回波信号实时模拟的弹道目标RCS解析公式 45 目∞m弓\=u 一一 图3弹道目标RCS计算结果 Fig.3 The calculation results of ballistic target RCS 1 枉匣 -叵 ×10 5 慢时间/ms 图4弹道目标一维距离像序列 Fig.4 HRRPs for ballistic target 在高频区,入射波长远小于物体尺寸,散射变成 了局部效应,个散射单元散射能量,而与其他部 分无关。这样就大大简化了感应场的计算和表面电 流的积分。此外,与SBR、PO等高频方法相比,本 文采用了GTD理论计算弹体RCS,节省了射线追 踪和面积分的过程,在微波波段计算全空域RCS分 布瞬间即可完成。实验结果表明,使用本文方法在 Matlab上完成图3仅用时0.056 S,而FEKO商业 软件采用高频计算方法用时59 min。2种方法计算 时间相差巨大,但计算结果符合良好。从图4可以 看出,由于弹道目标的姿态变化,导致目标的雷达视 线角发生改变,散射点模型产生了变化。对于绕射 机理所产生的散射点,其移动只和进动有关,所以它 的变化曲线基本上是按照进动周期在移动;对于弹 翼散射,由于弹体自旋和自旋引起的遮挡对回波影 响,所以弹翼的一维距离像序列移动更快,而且出现 周期性的消失现象,与理论结果基本相符。因此,本 文所推导出的弹道目标解析公式基本满足了雷达回 波实时计算的精度和时间要求。 3 结语 本文基于几何绕射理论和物理光学法,推导出 了弹道目标全解析RCS计算公式。在微波f一10 GHz时,将本文方法和FEKO软件的计算结果进 行了对比,并利用本文计算结果对图1所示的弹道 目标进行了一维距离像序列仿真。本文方法和FE— KO软件的计算结果符合良好;本文方法计算速度 极快,在微波波段计算全空域一个平面的RCS分布 只需O.056 S;利用本文方法所得数据成的一维距离 像序列与理论分析结果基本吻合,可以满足基于目 标电磁散射特征的再气层弹道目标雷达回波信 号实时模拟的需要。 参考文献(References): [1] 王胜.动态目标雷达回波实时模拟技术及应用[D].长沙:国 防科学技术大学,2011. 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