光电/红外侦察卫星目标散射特性提取研究
2021-08-30
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第46卷第4期 Vo1.46 No.4 红外与激光工程 Infrared and Laser Engineering 2017年4月 Apr.2017 光电/红外侦察卫星目 标散射特性提取研究 龚俊斌,丁凡 (中国舰船研究设计中心,湖北武汉430064) 摘 要:卫星雷达波散射特征是对其进行监测、识别及打击的重要依据,其特征控制同时也是卫星总 体设计的重要内容。针对光电传感器侦察卫星的载荷搭载特点和面临的威胁,确定侦察卫星构型约束 条件,分析卫星散射结构组成,对不同雷达波散射特性仿真方法进行分析,提出红外侦察卫星结构的 RCS仿真方法。以美国DSP卫星为例,对卫星结构剖分,构建电磁仿真模型,采用射线追踪法、物理光 学近似法及等效边缘电流法,对DSP卫星进行目标散射特性提取,从入射频率、极化形式等方面分析 散射特点,提出光电侦察卫星的散射亮点部位及隐身改进建议,可用于对光电侦察类卫星的监测、识 别及打击和指导该类卫星雷达波隐身总体设计。 关键词:雷达波散射截面; 物理光学法; 光电侦察卫星目标;散射结构 中图分类号:TN973.1 文献标志码:A DOI:10.3788/IRLA201745.0417006 Extracting scattering characteristic from photoelectric/IR reconnaissance satellites targets Gong Junbin,Ding Fan (China Ship Development and Design Center,Wuhan 430064,China) Abstract:Satellites targets scattering characteristics is the basis of the monitoring,identiication and fstirking for the military objectives,the scattering characteristic controlling is also the important part of system design for satellites.Firstly,the boundary conditions of photoelectric reconnaissance satellites configuration was determined,based on the threat of satellites facing and the load characteristics of satellites loading,the composition and character of the complicated satellites scattering construction were nalayzed.The scattering characteristic of typical satellites target was simulated by SBR method,PO method and EEC method on different frequency and angle.The Defense Support Program was taken as n example to build the staructure mesh model,electromagnetic simulation mode1.Based on the scattering simulation conclusion of DSP model for frequency,polarity and incidence angle,the scattering characteristic of photoelectric/IR reconnaissance satellites trgetas was extracted.The scattering highlights and stealth improvement suggestions were given,which could be used to guide the trget detaection and stealth design for satellites targets. Key words:radar wave scattering cross section;PO method;photoelectric satellites targets; scattering construction 收稿日期:2016—08-05; 修订日期:2016-09-03 基金项目:海装预研基金 作者简介:龚俊斌(1978一),男,高级工程师,博士,主要从事图像处理、计算机视觉应用、飞行器精确导航技术方面的研究。 Email:gongjunbin@foxmail.com 04170O6一l 红外与激光工程 4 WWW.ida.ca 盯lim R2 as ~0引言 航天技术迅速发展,太空成为新的战场,空间对 l~im R 雠 im尺。雠 l~抗重要性日益提高,航天飞行器的生存能力成为掌 握太空赢得信息战争的关键,掌握卫星隐身技术尤 为重要,通过降低卫星的雷达波、红外、可见光等物 理场的目标特性,可以降低敌方发现概率及探测距 离,提升自身防御能力。美国、欧洲、日本及俄罗斯等 式中:si、Ss为入射电场和散射电场的功率密度;Ei、 为入射电场和入射磁场;Es、 为散射电场和散射磁 场;R为目标到雷达天线的距离。 2卫星目标雷达波散射特性 卫星构型通常姿态控制方法:自旋稳定卫星通 发达国家均将隐身技术及航天技术列为国防高技 术。美国早在1963年就提出隐身卫星研究技术,其 Misty—l、Misty一2卫星均为隐身卫星。俄罗斯及其他 航天强国均在研制隐身卫星 】。国内南京航天航空大 学对微小卫星从外形设计方面开展过相关研究 。以 常采用球形、方形、圆柱体或多面柱体;重力梯度稳 定卫星需要通过加载杆状物使卫星结构形成足够重 力梯度力矩;三轴稳定卫星形式相对多样。卫星还有 太阳能电池板等框架结构。以DSP卫星为例,DSP 美国预警卫星系统国防支援计划(Defense Suppo ̄ Program,DSP)卫星为代表的大型光电侦察卫星,用 于弹道导弹防御,实现预警、信息保障,对精度、灵敏 度及载荷提出更高要求,与以科学技术试验为用途 的微小卫星相比,具有独有的目标特性。国内针对类 似卫星尚未开展散射特性研究。 卫星面临的探测威胁主要有雷达波和光学两种嘲, 卫星采取抗激光致盲技术,由红外望远镜、传感器、 探测器、星敏感器、仪器舱、星体、太阳能面板组成, 如图1所示[5]。 其中雷达波散射特性是对敌作战的基础。侦察卫星 通常搭载射频或光电传感器,文中分析光电传感器 卫星的雷达波散射结构组成及特点,提出此类卫星 结构的RCS仿真方法。以DSP卫星结构模型为例, 利用PO算法计算卫星目标镜面散射,利用SBR法 计算多次散射,利用EEC法计算边缘散射,对不同 频率及姿态下散射特性进行分析。 图1 DSP卫星结构示意图 Fig.1 Sketch map of DSP satellites structure 以射频传感器为主的侦察卫星通常为有源体 1卫星目标面临的威胁 太空站情况下卫星面对的硬摧毁威胁主要为眵]: 一制,采用放大和变频功能转发器转发无线信号,其散 射贡献主要以电磁类设备散射为主。以光电传感器 为主的侦察卫星通常利用可见光、红外线进行照相 是敌方定向武器攻击;二是高能辐射、电磁脉冲等 攻击。软杀伤威胁主要为电子对抗、网络对抗。针对 或者连续影像录制,主要通过光电相机进行侦察和 识别。光电侦察卫星因未携带大型传感器,其散射贡 献不同于射频传感器探测卫星,其雷达波物理特征 主要由以下五类散射构成,如图2所示【6】:一是镜面 两种攻击模型,主要采用技术隐身、战术隐身及技术 防护等模式进行防护。一是通过信号管制、藏匿、规 避等方式;二是通过电子对抗隐身技术对卫星进行 构型、材料隐身设计,减少卫星的目标特性;三是提 高电子对抗能力。通过上述措施实现敌方难以发现, 发现后难以击中。 散射,主要由卫星目标的各散射体结构外表面贡献, 如太阳能面板、星体外表面;二是边缘散射,主要由 卫星边缘等表面不连续造成的,多面体卫星的棱边、 雷达波散射截面是用来表征雷达目标对电磁波 散射能力的物理量,通常采用RCS表征 】: 圆柱体卫星底部边缘都会造成边缘散射,如星体底 面、望远镜底面;三是多次散散,主要是由于卫星结 O4l7o06—2 构埂其附 结构f1身或卡【j q 之川造成的A接或fHj接 的角反射休结构造成, 太阳能面板 体构成的 荇细长射线管传播,每个射线管在腔体内经多次反 射,最终返回口径处。射线经 次反射并积分后等到 总的散射远场为: 』接二 角、 体r1身的腔体; 是 波散射, 的鞭状、卡r状附属结卡句造成的,lH1 敏感期托状支 撑结构;n足爬行波敞射, 『f]丁球体、 托休或 , 簪i圭=1. ×;×Ms(r')+;×Js(r'))× exp[jkr ×(s-i)]ds (3) 为第 个射线管在积分面上的投影面积。 并}}II 结ff、J的1 j 形式造成,f』l 体。射频传感 任 】结构敞射的¨时,作为辐射器还会造成■次辐射,以 为载倚的 敞射贞献 ,散射贞献除f:述f 类外, 有电磁 式中: 3.3等效边缘电流法 边缘的EEC绕射场町表示为: £ )=簪f× ;× (4) f (r , ̄o)lei dl ,式 }J:E E (r∞)为 处的EEC绕射电场; 为边缘C 的 方向;r 为边缘积分点位置矢量;dl为边缘沿C 的弧长增量 . 2 DSP l Ii 散射 意 Fig.2 Sketch map of DSP satellites scattering DSP 从第2节对红外成像侦察卫星散射贡献组成可 以看…,红外成像侦察卫星[10-12]的散射特性主要山 结构特点造成的,物理光学近似法、射线追踪法及 3计算分析方法 3.1物理光学近似法 等效边缘电流法基本缀盖了此类卫星的散射特性 . 物 光 法足汁算人 寸复杂 的有效 4计算实例与结果分析 4.1典型卫星目标RCS模型 选用Rhinoceros构建数字模型,采用通用有限 兀 格处理软件Hypermesh对数字模型进行网格剖 法,通过对¨标表【Ai感应场积分近似求散射场 ”, 根据I岛频场JI6郎性原婵,忽略ll1标表而 I州感应电 流之 的卡H 作川 、假没入射电磁波照射刽封『利表 lfjf,I!『J『j怀表面被 叫邮分,J 观测点P处的总场 分,选刚二角面元进行非均匀网格剖分,生成电磁计 算的网格模型见图3。为保证隐身性能,红外望远镜 衷 渡有会属导电膜,保证表面的电连续性,仿真中 将整个 早当作金属处理。 选取典 频点l()GHz、VV极化、0。入射角,对 以丧爪为人射场和散射场之和 、根据物删光学法, ¨标柴… 几【 的电磁场是入射到 I 的场币”按儿 fIlJ光 定律从山尢反射出的场的向埘和: E = 等 ( rr)+Z,;×Js(r r))× exp[jkr ×(s—i)]ds (2) 式 fI:k=wlA为自由夺问波数;Ms(, )为磁流密度;z【 为『】【fJ fuJ波 抗;J (r )为表面感心电流密度; 和 分别为人射方 和散射 阳的 化欠艟;S表示}1 标衷面的照 部分。 3.2射线追踪法 射线追踪法 于几何光学原理,将入射的均匀 图3典型p星电磁模型 Fig 3 Typical satellites electromagnetic model 平 波划分为密集的射线箭,f岛频电磁波的能量沿 04l7(】()(】-3 红外与激光工程 第4期 WWW.ida.ca 第46卷 红外成像侦察卫星目标的散射特性进行RCS仿真 分析。如图4所示。 极化形式两个方面对其特性进行分析。对0。-360。的 RCS仿真数据进行统计分析,变化趋势见图6,各频 点对应散射量值见表1。 鼍 U 图4典型卫星目标RCS随入射频率及极化变化趋势 Fig.4 Typical satellites RCS VS incidence frequeccy and polar 其中水平坐标为角度坐标,垂直坐标为幅度 值,由图4可以看出,卫星目标在方位角一140。—-20。 图6典型卫星目标RCS随入射频率及极化变化趋势 (实线为W极化, 为唧极化) 角域范围存在较大的散射量值,在120。~140。角域 散射量值也较大,采用射线追踪法,定位对上述角 田 /a 尊 口警目锄葺量苗u诅 域的散射亮点,颜色变化趋势表征能量大小分布, Fig.6 Typical satellites RCS VS incident frequency and polarity(solid line is—VV polarity, is HH polarity) 表1典型卫星目标RCS随频率变化量值 Tab.1 Typical satellites RCS with frequency varying Frequen—Polarity Frequen. PO1aritY 颜色较深区域为能量较强的位置,散射亮点分布图 见图5。 “ 柏站 M cy/GHz 40 39 38 37 VV 45.14 44.89 44.67 44.64 HH 45.33 45.04 44.73 44.42 cy/GHz 2O l9 18 l7 VV 39.42 39.21 38.74 38.24 HH 39.51 38.88 38.6S 38.O4 36 44.35 43.94 43.84 44.21 44.23 43.74 l6 15 14 37.92 36.91 36.70 37.66 37.29 36.73 图5典型卫星目标散射亮点lOGHz、w极化、O。入射角、 -35 34 80。方位角 Fig.5 Typical satellites scattering highlights 10 GHz,VV 33 polarity,0。incidence angle,-80。azimuth angle 43.68 43.37 42.97 42.82 43.69 43.30 43.22 42.99 l3 12 l1 1O 36.34 35.54 35.16 33.98 36.oo 35.40 34.42 34.19 32 由图5可以看出,一80。角域的散射峰值主要为 卫星顶部的红外望远镜镜面散射及顶部仪器舱凹腔 3l 3O 的多次散射构成的。可以看出传统设计中对红外望 远镜头的镀导电膜处理并没有减缩出红外成像侦察 卫星的散射特征,红外望远镜头由于其较大的物理 尺度,在典型角域形成较大的镜面散射。另一方面, 29 42.61 42.59 9 33.15 33.23 28 27 26 42.39 42.23 41.77 42.27 41.86 41.78 8 7 6 32.57 31.57 30.34 32.51 31.18 30.41 由于仪器舱形成的凹腔结构,造成电磁波多次散射, 对整体隐身性能产生破坏。 选用2-40GHz(步长为l GHz)频点,0。入射角 25 24 41.19 41.28 41.55 40.97 5 4 29.72 28.17 29.8l 28.06 情况进行RCS仿真。该卫星沿中轴线与z轴呈60。 夹角。仿真计算中未考虑天线带来的电磁散射影响。 对该卫星目标的散射特征进行统计,从入射频率和 23 22 21 40.65 40.33 40.08 40.7l 4O.27 39.89 3 2 26.68 26.04 26.48 26.06 04170O6—4 红外与激光工程 WWW.irla.cn …I 6 I叮以行f¨,该为1 J. 【I标随入射频率的 增JJl1,RCS敞射} ( 递增越协;州㈦频 锹 『J杯探洲, 以 I J. fj标为例,进行敞身1』特性提取仿 , j血过采川PO算法、SBR算法、EEC算法,选圾 5结论 化的做射 ff[略小 j 水 擞化刈陔I 水 lf及化的探测力‘ 曼优r 微化 埘2-40 GHz的iJ. RCS ‘…I ,按照能 分 、板 为频半,颜色丧 能}l;=人小, 剑随 频 频点及极化形式,计算该类}{标的惯达波散射特 , 『f『川』 指 红外成像侦察 f¨I标的散射特性提 率增JJII,iJ RCS能 }变化趋势 _皋1 7,分忻 下 取 文【fJ通过对典 711域进行敞射亮点定化,发现J 红外 远镜、IJ 顶部仪器舱lI『1腔破坏r I 的 簸 ■●■ ¨勰 "¨ n 6 0 3 6 0 3 6 0 3 6 O ■■两■■■骊 骼体隐身 ,I 述结论l】』川f指导卜刁类I 的甫达 :3 5 6 8 0l波隐身性波汁 参考文献 Kang Kaihua.Study on abroad stealthy satellite J J.Space International,2()I4(1):36—4t)(in Chinese) 7 2~4ll GHz、VV撇化、0 。入q 们州,I RCS,j I I 埭 :16-4{) 2 外隐吁I J.艰技术研究[J】旧际太峰 Fig.7 RCS of satellites(2—4()GHz,VV polal‘izaton. 0。incidence angle) 【一iu Bin,Zhang Xiang,Zhou Jianjiang et al A shape design scheme )r radar—stealth minisatellite… Journal Astronautics,21)l1,32(12):2628—2634 (in Chinese) … 7 II『以行Hj, }发化入射时,该I jt lJ 顶邴的火l I1I 域仔 较人的敞射 fIlf,陔 分的 献 熨址ffl lJ 红外 远镜 卡勾构成的 造成,一】35。-45。 域fⅥ :多个敞射f 『fJ效心 fxl 刘碱,帐 建7I ,等.一种I1J实现饼达隐身的微小I 外肜没汁t… :航 :撤,2【)l1,:j2(12):2628—2634(in Chinese) Wang Caiyun,Liao Wenhe.Development status and 域,陔部分贞献ii 址…J:I 顶邴仪 舱lI【】腔构 application in space attack—defense of stealthy satellite『J1 成多次敞时效心造成 红外成像侦察1 _l11 隐身没 _汁 j, * -Aerospace Electronic Warfare,21)lI,27(4):1 7-19(in Chinese) J・彩 ÷,廖文和隐身 的现状及J£ hIJ攻防【f】的心 点针埘红外 远镜的构 I!l进i 肜,’j 力 还 婴对顶邮仪 舱ll1】腔结卡勾进行遮敞,避 1. jlJ【J】m℃火f包,x,j抗,201 l,27(4):l 7—19. Rao Peng.Wang Chengliang Optics simulation of the 免 多个,『】域地…f 造成姒敞射, ㈨ , 剑水 锨 化的能f 变化 8 payload ol、U.S Detense Suppo ̄Program(DSP)Satellites I J1.Optics&Optoelectronic Technology,20l4,l 2(5):83— 86(in Chinese) 饶鹏,{ 成良.荚 防支援汁划预臀I J. 红外仃效城倚 的光。’ :仿真I Jl_光 j光l乜技术,2t)l4,12(5):83—86 Ding Lufc J Gen Fulu,Principles of Radar fM]Xi an: Xidian Press,200()(in Chinese) 】 畿E,耿寓 .僻达 j 【M J.两 瑟: j{:版社,2t)06. 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