角反射器的線性非均勻電磁波散射特性

梁子長， 高 偉

（電磁散射重點實驗室，上海200438）

0 引言

電磁波探測是獲取物體信息的重要手段，由于電磁波探測具有穿透性、無需接觸目標、可無損探測等優(yōu)點，其在目標特征參數(shù)獲取、隱藏目標探測等方面的應用日益廣泛。但電磁波在自由空間中存在的形式很多，按波陣面分主要有平面波、柱面波及球面波等，而按波陣面上的電磁場幅度分布又可分為均勻電磁波及非均勻電磁波，其中線性變化非均勻電磁波較容易產生，是具代表性的非均勻電磁波，其特點是其中心位置的切向場為零，并向外線性增加。

按波陣面上電磁場變化方式，線性變化非均勻電磁波可分為一維和二維兩種類型，這里主要介紹二維線性變化的類型。圖1給出了二維線性非均勻電磁波的電場矢量分布示意圖，包含旋轉對稱與軸對稱兩種主要切向場矢量分布形式，可認為其是兩種新的極化形式，后續(xù)分別記為X和S。

圖1 二維線性非均勻電磁波波陣面上電場矢量分布示意圖

長期以來，盡管人們已經在遠距離物體的跟蹤、近距離物體的局部掃描探測等方面間接或部分涉及非均勻電磁波，但人們研究這類問題的依據(jù)及方法仍主要基于均勻電磁波理論［1～12］，即將非均勻電磁波簡單地分為局部均勻電磁波，再按均勻電磁波理論進行研究；而對非均勻電磁波散射特性的研究十分少，僅文獻［11］和［12］中提出近場電磁散射中對稱極化的概念，即一種二維非均勻球面電磁波，但該研究認為，對稱極化散射截面是隨距離快速減小的量，未充分認識到這類非均勻電磁波在微波探測中的重要性。

本文主要在單位入射場條件給出目標非均勻電磁波散射截面的定義，指出其也可作為一種與觀測距離無關的特征極化量，并采用矩量法仿真角反射器的線性非均勻電磁波散射問題，比較分析不同情況下角反射器目標的散射截面。

1 線性非均勻電磁波及散射特性

實際上線性非均勻電磁波是普遍存在的，典型如天線在其方向圖凹點附近或快速變化區(qū)域輻射的電磁波，這里對偶極子天線方向圖凹點附近輻射的電磁波進行分析［14］，假設某電偶極子沿Z軸放置，在其凹點所在的兩極附近區(qū)域，其均勻電磁波項為零，若忽略3次及以上隨觀測距離衰減的高次項，則僅存在線性變化的非均勻電磁波項，即

式中：R 為觀測距離；Il為電偶極子的電流矩；l為觀測點至Z 軸的弧長；r、θ和φ 為以偶極子中心的球坐標系中的坐標方向矢量?？梢?，其區(qū)域電磁波的電場矢量E 呈軸對稱分布，且其切向分量幅度大小與l成正比，即呈軸對稱的線性非均勻球面電磁波，其在二維均呈線性變化。對應的，磁偶極在其兩極區(qū)域輻射的電磁波即為旋轉對稱的線性非均勻球面電磁波?？梢?，對固定尺寸目標，入射的線性非均勻球面電磁波電磁場強度是隨傳播距離平方衰減的。

在此基礎上，根據(jù)目前雷達散射截面的兩個主要定義條件［13］，即單位入射場規(guī)定和距離衰減因子的分離，定義非均勻電磁波下物體的散射截面。根據(jù)這一定義方式，先規(guī)定線性非均勻電磁波的大小，由于線性非均勻電磁波在遠場條件下存在均勻的徑向分量，一般可取為該徑向分量的幅度大小。對線性非均勻球面電磁波，根據(jù)能量守恒較易證明其大小將隨距離平方衰減。在此基礎上，定義物體對均勻或線性非均勻等不同電磁波的散射函數(shù)，這里記為χ，即

式中：Rs為觀測點離物體中心的距離；E1i為物體所在位置入射的線性非均勻電磁波大?。ê群拖辔唬?；E1s為觀測點處的散射線性非均勻電磁波大小；E0i為物體所在位置入射的均勻電磁波大??；E0s為觀測點處的散射均勻電磁波大小。對應地，仍沿用雷達散射截面的概念，將均勻波與非均勻波下散射截面統(tǒng)一寫為

為記述簡便，這里以σpq表示不同極化組合下的雷達散射截 面，p、q 可 分 別 取v、h、s、x 四 種 極 化類型。

可見，研究非均勻電磁波下物體散射特性，在同一觀測方向可獲取的目標散射特征信息量將較大增加，在觀測角度有限的情況下，這是十分有利的。

2 角反射器散射特性仿真

為分析非均勻電磁波散射特性，這里主要采用矩量法分別計算角反射器單雙站及頻率變化特性。

2.1 單站散射特性

假定二面角反射器的單面尺寸為0.4 m×0.1m，如圖2所示，入射電磁波頻率取為3GHz，采用矩量法比較計算角反射器目標在二維線性非均勻與均勻電磁波下散射特性。

圖2 觀測示意圖

圖3給出了角反射器目標在旋轉對稱二維線性非均勻電磁波（即x 極化電磁波）下散射特性，并與垂直極化RCS（即σvv）進行對比。

圖3 角反射器的x極化后向散射特性

可見，非均勻電磁波下目標的后向RCS有較大不同，其中非均勻同極化散射截面σxx整體較小，但變化趨勢與σvv較為一致；而非均勻交叉極化散射截面σvx整體較大，且變化趨勢與σvv相反，即σvv較大時，σvx相對較小，反之亦然。

圖4為角反射器目標在軸對稱二維線性非均勻電磁波（即s極化電磁波）下的散射特性，并與水平極化RCS（即σhh）進行比較。與σhh相比，非均勻同極化σss與交叉極化σhs均整體較大，且變化趨勢相反。

圖4 角反射器的s極化后向散射特性

2.2 雙站散射特性

這里仍選定圖1所示的目標為觀測對象，并假定入射電磁波方向平行于水平面，入射角取為45°，入射電磁波頻率仍取為3GHz，分別計算四種極化電磁波照射下角反射器的雙站散射特性。

圖5給出了非均勻電磁波入射下角反射器水平面內的雙站散射特性，由于該角反射器目標關于水平面對稱，與垂直極化相關的交叉極化RCS均為零，這里不再給出。

圖5 非均勻電磁波入射下角反射器的雙站散射特性

可見，非均勻電磁波入射情況下，同極化RCS中σss比σxx大，這主要由于目標形狀趨于放射型，而不是圓對稱型；而與水平極化相關的兩種交叉極化RCS較為類似。

圖6給出了均勻電磁波入射下角反射器水平面內的雙站散射特性。其中與非均勻電磁波相關的交叉極化RCS中，σsh遠大于σsv，這主要因為水平面方向上角反射器目標的尺寸較大。

2.3 頻率變化特性

圖7給出了1GHz、2GHz和3GHz電磁波頻率下角反射器目標的非均勻電磁波波后向散射截面?？梢?，其非均勻波同極化、交叉極化散射截面σss和σhs均整體隨頻率減小而減小，其中σss隨頻率的減小趨勢更快。

圖6 均勻電磁波入射下角反射器的雙站散射特性

圖7 不同頻率下角反射器的非均勻波散射特性

3 結束語

本文按單位入射場條件給出目標二維線性非均勻電磁波散射截面的定義，指出其也可作為一種與觀測距離無關的特征極化量，其研究可提供更多的目標信息量；并采用矩量法計算分析角反射器單雙站，不同頻率下非均勻電磁波同極化或交叉極化下散射截面特性，并與常規(guī)的垂直或水平極化RCS進行比較，表明其對目標特征探測的潛在優(yōu)勢。

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