不同运动状态下的飞机目标雷达散射截面积统计特性分析

第29卷第12期 强激光与粒子束Vol.29，No. 12 2017 年 12 月HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS D e c. , 2017

不同运动状态下的飞机目标雷达散射

截面积统计特性分析

郑光勇，曾勇虎，高磊

(电子信息系统复杂电磁环境效应国家重点实验室，河南洛阳471003)

摘要：目标的运动状态对其动态雷达散射截面积（RCS)起伏特性具有十分重要的影响，同一目标在不同运动状态下，可能具有不同的R CS起伏模型。结合实测数据，对在平稳直线飞行和曲线机动飞行两种状态

下的飞机动态R C S进行统计分析。分析结果表明：在平稳直线飞行状态下，飞机目标的动态RCS起伏模型与

观测视角内的静态RCS起伏模型近似；在曲线机动飞行状态下，飞机目标的动态R C S起伏更显著、更随机，当

观测时间足够长、目标的运动随机性更大时，其起伏模型更接近于指数分布。

关键词：目标电磁散射特性；RCS起伏模型；对数正态分布；指数分布

中图分类号：TN957.5 1文献标志码：A doi：10. 11884/HPLPB201729. 170174目标雷达散射截面积（RCS)起伏特性在雷达检测识别等方面有重要作用，一直是一个备受关注的研究问 题[-4]。为了定量描述雷达目标的R C S起伏特性，研究人员建立了不同的概率分布模型，寻找能够很好拟合雷 达目标R C S起伏特性的概率分布函数和拟合方法[58]。许多文献都对典型飞机在运动过程中的动态R C S统 计特性进行研究，并通过实测数据或者仿真数据进行了验证，都能够较好地反映被研究目标在所处运行状态的 R C S特性[-14]。许多研究从特定的运行状态得到目标R C S的起伏模型，但是当同一目标的运动姿态或者运动 轨迹发生变化，采用以前适用的R C S起伏模型则有可能出现较大误差。而在实际的雷达探测过程中，被探测 目标作为非合作对象，其运动状态具有很强的不可预测的随机性，其R C S不可能是在一个固定的角度范围内 和姿态下获得的。因此，对于飞机目标探测，研究飞机目标在真实航路下R C S的起伏模型对飞机探测更具有 实际意义。本文采用实测数据，对运动飞机目标的动态R C S统计特性进行建模分析，根据飞机目标视角以及 运动姿态，进行分段处理，取得较好的拟合结果。

1目标RCS起伏模型

目前，广泛使用的雷达目标统计模型包括：Swerling模型、卡方分布模型、赖斯分布模型、对数正态分布模 型等[58]，文献[9]还提出了一种采用基于勒让德正交多项式的W阶中心矩的非参数拟合方法。各种统计模型 都有一定的适用背景和范围。

卡方分布是具有一定通用性、包含多种类型的目标模型，其概率密度函数为[1]

式中：r()为G a m m a分布函数;(7为雷达散射面积斤为R C S均值；々为双自由度值，当々取1,2等不同数值 时，卡方分布可以演化为不同的Sw el lin g模型。

赖斯分布表示由一个定常幅度R C S与多个瑞利散射子组合的目标，其概率密度函数为[1]

式中^表示稳定体与多个瑞利散射子组合的平均R C S之比，即稳定体在组合体目标中的权重；办为瑞利分布 部分的平均值；1。（*)是零阶一类修正贝塞尔函数。

对数正态分布表示由电大尺寸的不规则外形散射体组合的目标，其概率密度函数为[1]

/(〇0= exp

〇4nlnp

式中：％为R C S的中值；^为R C S均值中值比。4lnp

n2>0()

强 激光与 粒子束

2动态RCS 与目标运动姿态关联分析

外场测量和仿真计算，是获取飞机R C S 的最主要的方法。在进行外场R C S 测量时，被测飞机按照预定的 航向飞行，测量示意图如图1所示。在测量中如果能够准确获知飞机的姿态信息，便能够将测得的R C S 数据 投影到以飞机为中心的坐标系中。在测量过程中，测量设备只是获取了在对应时刻测量设备所在方位角的目 标R C S 数据。

通过仿真计算能够获得目标的全视角RCS 。图2为采用软件进行R C S 计算时，在以目标为中心的坐标系 中，不同俯仰和方位观测角度的示意图。目标全视角R C S 是动态R C S 起伏特性的基础。大量的静态测试和 仿真计算为研究目标的动态R C S 特性提供基础数据。在不考虑目标形变和活动部件时，在运动过程中，目标 R C S 起伏本质上是目标不同视角静态R C S 按照一定运动规律出现的结果。同一目标从不同视角、不同顺序 获取的R C S 序列可能呈现出不同的统计模型。

在飞机飞行过程中，测量雷达在以飞机为中心的

坐标系中的视角随着飞机运动不断地变化。当目标平

稳飞行时，目标可以近似看作匀速直线运行。此时，雷

达所获得的动态R C S 序列可以近似为目标在被观测

视角内的R C S 遍历出现，此时获得的目标动态RCS

的起伏模型与所观测视角内目标的R C S 统计模型相

似，如图3(a )所示。当目标做转弯或者曲线等机动飞

行时，雷达所获得的动态R C S 序列是随着目标运动姿

态变化而变化，而不再是对目标被观察视角内的RCS

的遍历，随着运动而带有一定的随机性，如图3(b )所

示。随着观测时间的增长，雷达获得飞机的R C S 序列

的随机性增大。Fig. 2 Observation angle of RCS calculation

图2

R C S 软件计算时的观测角度示意图(a) aircraft flying in straight (b) aircraft flying in level stable state maneuvering state Fig. 3 Sketch map of observation angle in RCS measurement 图3 R C S 测量中，测量设备在以目标为中心的视角变化示意图

3测试数据分析

本文采用R C S 测量系统，对在空中飞行的民用小型飞机进行了 R C S 测量，获取外场实测数据。在RCS 测试中，目标飞机在出航段和返航段的飞行状态具有较大的差别。飞机的飞行航迹如图4所示。

飞机在出航段和返航段时，飞行姿态、飞行高度、俯

仰角度等参数都不同，其R C S 的起伏变化也不同。飞行

中的R C S 直方图和概率密度拟合如图5、图6所示。

在出航段时，飞机沿直线平稳飞行，飞机的侧后方向

对准雷达，雷达相对于飞机的方位角度变化不大，如图4

所示。此时，尾翼与机身的连接处等会产生较大的反射，

飞机可以视为由不规则外形散射体组成的目标，均值中

值比较大，本段数据中均值中值比为2. 463 7,符合对数

正态分布的规律。

郑光勇等：不同运动状态下的飞机目标雷达散射截面积统计特性分析

Fig. 5 RCS data of departing plane

图5出航段飞机R C S数据

在返航段时，飞机作较多的曲线飞行，飞行航向时常变化，雷达测量飞机更多方位的RCS。因此，测试的 R C S可以视为一个不同姿态下的随机过程，当测量次数足够大、飞机姿态变化足够多，随机性更大，参考中心 极限定理，可以将飞机的R C S视为一个高斯过程，即回波幅度服从瑞利分布，R C S服从指数分布。在本段数 据中，均值中值比为1.485 8,符合施威林I模型的参数特征，印证了飞机R C S的概率分布更趋近于指数分布。

4结论

由于目标运动轨迹和运动姿态的不同，雷达获得目标在不同的运动状态下的动态R C S数据的统计特性不 同。目标在平稳、直线飞行状态下和在机动飞行状态下的动态R C S的起伏特性有着明显的差别。本文通过对 平稳直线和曲线机动的两种飞行状态的R C S数据进行了分析。分析结果可以看出，在平稳直线飞行状态下，目标动态R C S统计模型与观测角度内的静态R C S较为相似；在机动飞行状态下，目标动态R C S起伏波动更 大，统计模型更接近于指数分布。在一定的角度范围内，目标的起伏模型反映了其散射点强弱的分布情况。因此，在得知目标的姿态情况下，可以通过目标的起伏模型，进行目标的散射点分布推测，结合已有的计算分析结 果，将有助于对目标进行分类与识别。

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Radar cross section statistical characteristic of aircraft in different movement state

Z heng G u a n g y o n g，Z c n g Y o n g h u，G ao L t i

(S t a l e K e y L a b o r a t o r y o f C o m p l e x E l e c t r o m a g n e t i c E n v ir o n m e n t E ffects, on E l e c t r o n ic a n d I n f o r m a t i o n S y s t e m，

L u o y a n g471003?C h in a)

Abstract：T'he s tatistical ch a r a cte ris tic o f an a i r c r a f t7s d y nam ic radar c ro s s s c c t i o n(R C S)is affected by its m o v e m e n t state greatly. T'he s a m e a ircratt in differe nt flying sta te p re s e n ts differe nt R C S s ta tistica l m odel. In th is p a p e r，th e R C S obtained from

th e surve ying radar is analyzed in b oth s ta te s of s tra ig h t level s ta b le flying and m a ne u v erin g flying.

s tatistical ch a r a cte ris tics o f d y nam ic R C S of th e tw o flight s ta te s are different. T h e s tatistical c h a ra cte ris tic of d y nam ic R C S of the

a irc ra tt th at fly s tra ig h tly and lc v il sta

b ly is a p p r o x im a te ly th e s a m e as sta ti

c R C S. T h e fluctuant c h a ra cte ri th e a ircratt in th e sta te o f m ane uv erin g flight is re m a r k a b le an

d sto c h a s tic. A s th

e m e a s u re m e n t

cal c h a ra cte ris tic of dy nam ic R C S o f th e a irc ra tt in th e sta te of m a ne u v erin g flight is m o re close to exp onential distribution.

Keywords: e le c tro m a g n e tic s c a tt e r c h a r a c t e r is t ic; R C S fluctuation m o d e l; lo g-n o rm a l d is trib u tio n; exp onential distri-

b ution

PACS：23.20.-g;41.20.J b