张 艳， 岳 慧， 薛正国

（1.海军驻上海地区航天系统军事代表室，上海201109；2.电磁散射重点实验室，上海200438）

0 引言

海面近似于一个导电的粗糙面，由于对照射电磁波的散射，使探测海面或低空目标雷达的设计与使用，与对空雷达有较大差异。粗糙海面的前向双站散射是海面目标或者低空目标多路径电磁散射重要路径之一，早就受到关注［1-2］。但是，海面的前向双站电磁散射受到诸如海面海情、发射天线的照射角、接收天线的接收角等因素的影响。为了研究粗糙海面电磁散射特性，国内外众多学者开发了电磁散射理论算法［3-10］，除了计算海面的电磁散射外，综合考虑了超低空目标与海面复合电磁散射特性。对于粗糙海面的实际前向双站电磁散射特性模拟测量，通常采用架设在海岸边的模拟测量系统［11-12］。在校验粗糙海面电磁散射特性理论模型的精确模拟测量试验研究方面，限于试验条件难以开展。美国海军作战中心借助MASK 水槽完成了一系列粗糙海面电磁散射模拟测量［13］，为粗糙海面电磁散射模型提供了可供校验的数据。

为了获取能够用于粗糙海面双站前向电磁散射理论模型校验数据，借助人工造波水池构造可控的粗糙海面，可以开展不同海情的一维粗糙海面双站前向电磁散射模拟测量。采用程序控制粗糙海面波长与波高构造不同海情粗糙海面，设置不同照射角与接收角组合，开展双站前向静态RCS模拟测量，获取前向散射系数。统计模拟海面前向散射系数随模拟海面粗糙程度和天线照射角、接收角度变化的特性。

1 测量系统与测量方法

下面介绍粗糙海面双站前向电磁散射系数测量系统和测量方法。

1.1 人工海浪模拟系统

模拟测量试验在某实验室的人工造波池（如图1）进行。造波池是一个长39 m、宽30 m 的矩形水池，在液压摇板往复推动下使水池中的水产生波动，通过控制摇板的摆动幅度和摆动频率生成不同浪高和波长的一维粗糙海面。在水池偏东的位置布置浪高仪，采集记录波浪高度数据［14］。

试验过程中分别构造2 级规则海面和满足PM 谱分布的2级不规则模拟海面。模拟海面海浪的波长和波高，如表1所示。采集一维模拟海面浪高剖面如图2所示。

表1 试验测量的模拟海环境

图1 人工造波水池

图2 一维海面剖面

1.2 粗糙海面前向电磁散射特性测量系统与方法

模拟海环境前向静态电磁散射特性测量系统如图3所示。测量系统的发射通道由合成信号源、放大器和发射天线组成，合成信号源提供的微波测试信号经放大器放大后由发射天线辐射到模拟海面上。散射信号经接收天线送到混频器与本振源信号混频为兆赫兹级信号（图中未画出），由PNA 网络分析仪采集数据。系统通过计算机程序控制，实现远程自动化控制和数据采集、存贮、分析和处理。

图3 模拟海环境双站前向电磁散射特性测量系统组成示意图

模拟测试采用X 波段测量系统，收发天线设置为水平极化（HH 极化）状态。发射天线置于造波池一端，与信号源和放大器相连，以10°～15°照射角照射模拟海面。接收天线搭载于造波池上方横梁一侧，与发射天线相对，由转台控制接收角度。为减小造波池壁造成的测量误差，采用窄波束平板裂缝天线。为使接收天线全面接收模拟海面对照射信号散射的电磁波，要求接收天线主波束与海面相交椭圆覆盖发射天线主波束与海面相交椭圆。通过升降横梁调整接收天线距离模拟海面的高度，可改变接收角度。为统计模拟海浪特性，应获得足够多的数据。每个角度测量10次，每次测量获得16 001个数据。

1.3 定标方法

模拟海环境前向电磁散射截面的标定方法：照射天线与接收天线对准，接收天线直接接收发射天线辐射的电磁能量为基准。将模拟海环境测试数据与基准进行比较，获取海杂波的前向电磁散射截面。前向电磁散射系数的计算式为

式中：u为被测海面的回波电压；u0为照射与接收天线对准时接收天线接收到的电压；r1为发射天线沿辐射方向与海面的距离；r2为接收天线沿接收方向与海面的距离；r0为照射与接收天线对准时天线间的距离；A 为天线主波束照射的面积。

2 测量结果与数据处理

模拟海环境前向静态电磁散射特性测量试验按3种海情，60种天线照射角与接收角组合进行测量。对测得的千余条数据进行处理，获得模拟海环境前向静态散射系数。X 波段，HH 极化状态下的平静海面、2级规则波和2 级PM 谱模拟海面，照射角10°～15°，接收角10°～20°时的前向散射系数分别如图4（a）～4（c）所示。

图4 不同粗糙度与不同分布的模拟粗糙海面前向散射系数与天线收发角度关系曲线

由图4可见，模拟海面的前向散射系数随角度变化，由弱渐强，接收角接近照射角时达到最大值，然后呈下降趋势。整体来讲，低照射角情况下的前向散射系数较小。相对于粗糙海面，平静海面的前向散射系数较大。在某一照射角度下，平静海面前向散射系数随接收角度变化较缓。为了更直观地说明前向散射特性，将各种海情在同一照射角（15°）条件下的前向散射系数进行对比，如图5所示。

图5 照射角15°时不同海情模拟海面前向散射系数

由图5可见，在电磁波以15°照射角照射模拟海面时，平静海面前向散射系数最大，散射系数随接收角变化最为平缓，变化范围最小。满足PM谱分布的不规则波模拟海面的前向散射系数及其随接收角的变化范围，在平静海面、规则海面和不规则海面三种海情中处于中间水平。规则波模拟海面前向散射系数最小，随接收角的变化最显著。

3 结论

利用实验室人工造波池构造不同形式的一维模拟海面，利用电磁散射测量系统进行双站前向电磁散射系数模拟测量。通过改变天线照射角与接收角，获得了海面前向电磁散射系数随照射角、接收角、海面粗糙度的变化规律。

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