三角板角反射器在RCS定標測試中的應用

歐乃銘 白 明 梁 彬 苗俊剛

(北京航空航天大學 電子信息工程學院，北京100191)

目標的雷達散射截面(RCS，Radar Cross Section)是表征雷達目標對于照射電磁波散射能力的一個物理量.根據(jù)不同的應用需求，對雷達目標RCS 的測量［1］可分為單站和雙站［2］兩種.單站測試系統(tǒng)中的發(fā)射機和接收機處于同一位置，而雙站測試系統(tǒng)中的發(fā)射機和接收機則處于不同的位置.

絕對意義上的單站RCS測試，要求使用單一天線同時進行信號的收發(fā)，這種測試系統(tǒng)對發(fā)射、接收信號的隔離度要求比較高，且儀器系統(tǒng)成本較高;因此，很多單站RCS測試采用收發(fā)分離的形式，即使用兩個天線分別進行信號的發(fā)射和接收，這種測試系統(tǒng)需要盡可能減小兩天線間的串擾，同時要求定標體的RCS值在絕對單站和收發(fā)分離單站兩種情況下基本相同.

在測試時需要選擇與目標RCS量級相當?shù)亩梭w進行定標，以獲得更加精確的定標數(shù)據(jù).例如，標準定標球通常用于目標RCS值較小的定標測試，而三角板角反射器通常用于目標RCS值較大的定標測試.

三角板角反射器作為一種重要的器件，在微波電磁場領域具有多方面的應用［3－6］，關于三角板反射器散射特性也有著大量的研究［7－10］，同時它也是目標RCS定標測試中的一種重要的定標體.但人們普遍認為三角板角反射器只適用于絕對單站RCS定標測試，而在收發(fā)分離單站RCS定標測試中，其不能再作為定標體［11］.但本文通過對三角板角反射器的研究，根據(jù)其單站及小雙站角條件下的散射特性，進一步提出了其在收發(fā)分離單站RCS定標測試中的應用方案，擴展了其在RCS定標測試中的應用范圍.

1 RCS測試簡介

圖1為單站和雙站RCS測試的結構示意圖.RCS測試要求目標處于發(fā)射機/接收機的遠場范圍，即由發(fā)射機激勵的電磁波傳播到目標附近時應可以近似視為平面波.為滿足這一要求，有兩種技術途徑，外場測試和內(nèi)場緊縮場測試.其中，外場測試要求的場地范圍較大，同時對外界電磁環(huán)境的要求較高，它使得由發(fā)射機激勵的電磁波能夠傳播足夠遠的距離，從而可近似視為平面波;而緊縮場測試通常在室內(nèi)進行，通過各種類型的反射面天線將由發(fā)射機激勵的電磁波轉(zhuǎn)化為近似的平面波，從而滿足遠場測試條件.

圖1 單站和雙站測試系統(tǒng)結構圖

在測定目標RCS時，需要利用RCS值σr已知的定標體進行定標.在發(fā)射能量相同的前提下，首先，測定測試背景的散射能量Sb;其次，測定定標體的散射能量Sr;最后，測定目標物體的散射能量St.進而利用式(1)即可求得目標物體的RCS值.

2 三角板角反射器散射特性

為了研究三角板角反射器在單站及收發(fā)分離單站RCS定標測試中的應用，首先對三角板角反射器的單站散射特性、小雙站角散射特性及方位穩(wěn)定性進行分析.

2.1 單站散射特性

標準的三角板角反射器如圖2所示，假設其口面平行于YZ平面，邊BC平行于y軸.

圖2 三角板角反射器結構示意圖

圖3為邊長b=300 mm的三角板角反射器工作于10 GHz時，在入射角掃描范圍內(nèi)的后向RCS散射方向圖.從中可以看出，三角板角反射器后向RCS散射方向圖的主瓣很寬且很平坦.式(2)為主瓣部分峰值的經(jīng)驗公式［12］，其中b為三角板角反射器的邊長，λ為工作波長.利用該式得到的主瓣部分的峰值為15.76 dBsm，而圖3中通過數(shù)值仿真得到的主瓣部分的峰值為15.99 dBsm，兩者基本吻合.

圖3 三角板角反射器單站RCS散射方向圖

2.2 小雙站角散射特性

很多內(nèi)場緊縮場RCS測試場地在進行單站RCS測試時均采用饋源收發(fā)分離的形式，這樣收發(fā)饋源間會形成一個小雙站角，因此需要對三角板角反射器在小雙站角條件下的散射特性進行分析.圖4為邊長b=300 mm三角板角反射器工作于 10 GHz，收發(fā)饋源小雙站角為 0°(單站)，1.2°，2.4°，3.6°，4.8°，6°時，在圖 2 所示入射角掃描范圍內(nèi)的小雙站角RCS散射方向圖.

圖4 三角板角反射器小雙站角RCS散射方向圖

從圖4中可以看出，在小雙站角逐漸增大的過程中，三角板角反射器RCS散射方向圖的主瓣部分明顯下降，且呈現(xiàn)較強的紋波，這說明無法利用主瓣峰值部分進行收發(fā)分離單站RCS定標測試.同時應注意到，其左右第一旁瓣十分穩(wěn)定，幾乎沒有變化，且左右第一旁瓣的峰值與主瓣峰值的量級相當.

2.3 方位穩(wěn)定性

在利用三角板角反射器進行定標測試時，其方位的擺放是一個很大的問題，因為通常情況下很難將三角板角反射器按照某一目標姿態(tài)精確的定位，這就需要對其方位穩(wěn)定性進行分析.

首先，分析三角板角反射器在擺放過程中相對標準方位繞z軸旋轉(zhuǎn)一定角度的情況，見圖5.圖6 ～圖 8 分別為雙站角 0°(單站)，2.4°，4.8°時，三角板角反射器繞z軸旋轉(zhuǎn)0°(標準方位)，1°，2°，4°的 RCS 散射方向圖的對比.

圖5 三角板角反射器繞z軸旋轉(zhuǎn)一定角度

其次，分析三角板角反射器在擺放過程中相對標準方位繞x軸旋轉(zhuǎn)一定角度的情況，見圖9.圖 10 ～ 圖 12 為雙站角 0°(單站)，2.4°，4.8°時，三角板角反射器繞x軸旋轉(zhuǎn)0°(標準方位)，1°，2°，4°的RCS散射方向圖的對比.

通過上面的分析可以看出，三角板角反射器RCS散射方向圖中主瓣及右側第一旁瓣具有很高的方位穩(wěn)定性，當三角板角反射器在擺放過程中出現(xiàn)一定的方位偏差時，這兩部分的變化幅度很小;而其左側第一旁瓣的方位穩(wěn)定性很低，當三角板角反射器出現(xiàn)方位偏差時，其變化明顯.

圖6 雙站角為0°(單站)時，三角板角反射器繞z軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

圖7 雙站角為2.4°時，三角板角反射器繞z軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

圖8 雙站角為4.8°時，三角板角反射器繞z軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

圖9 三角板角反射器繞x軸旋轉(zhuǎn)一定角度

2.4 結果分析

圖10 雙站角為0°(單站)時，三角板角反射器繞x軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

圖11 雙站角為2.4°時，三角板角反射器繞x軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

圖12 雙站角為4.8°時，三角板角反射器繞x軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

三角板角反射器的后向散射方向圖中有三個部分較為引人注意，分別為其主瓣部分、左側第一旁瓣部分及右側第一旁瓣部分，它們均具有很高的RCS值.圖13指出了這三部分對應的入射角的范圍.可以看出，左側第一旁瓣的峰值點對應于平面波入射方向垂直于BOC平面的情況，此時三角板角反射器可近似視為平板反射器，而該旁瓣部分所體現(xiàn)出來的小雙站角RCS值與單站RCS值的近似性、方位的不穩(wěn)定性、較小的寬度范圍，正是平板反射器的散射特性;右側第一旁瓣的峰值點對應于平面波入射方向平行于BOC平面的情況，此時三角板反射器可近似視為二面角反射器，而該旁瓣部分所體現(xiàn)出來的小雙站角RCS值與單站RCS值的近似性、方位的穩(wěn)定性、較小的寬度范圍，正是二面角反射器的散射特性;主瓣部分的峰值點對應于平面波入射方向垂直于ABC平面的情況，其體現(xiàn)出來的小雙站角RCS值與單站RCS值的非近似性、方位的穩(wěn)定性、較大的寬度范圍，正是三角板角反射器區(qū)別于其它定標體的主要特性.

圖13 三角板角反射器RCS散射方向圖中主瓣及左右第一旁瓣對應的平面波入射方向

3 定標應用方案

本節(jié)提出三角板角反射器在單站及收發(fā)分離單站RCS定標測試中的應用方案，并對其在定標測試中的優(yōu)越性進行說明.

3.1 單站定標應用方案

通過第2節(jié)的分析可知，三角板角反射器后向RCS散射方向圖的主瓣部分很寬且很平坦，并具有較強的方位穩(wěn)定性，因此其非常適合作為單站RCS定標測試的定標體.定標過程中，只需使三角板角反射器的口面垂直于平面波的入射方向，進行單次測量即可(這主要是利用了主瓣部分寬且平坦的特點，即使三角板角反射器的擺放角度和方位出現(xiàn)一定的偏差，其測量值也不會有很大變化)，如圖14所示.

圖14 三角板角反射器在單站定標中的應用方案

3.2 收發(fā)分離單站定標應用方案

若某一定標體能用來進行收發(fā)分離單站RCS定標測試，其必須滿足兩方面的要求:①定標體目標方位的RCS值在單站和小雙站角兩種情況下沒有明顯變化;②定標體目標方位的RCS值具有很高的方位穩(wěn)定性.

從第2節(jié)的分析可知，對于三角板角反射器，收發(fā)饋源間呈現(xiàn)的小雙站角會導致其散射方向圖主瓣部分明顯下降，且呈現(xiàn)較強的紋波;同時，其左側第一旁瓣的方位穩(wěn)定性很低.這說明三角板角反射器的主瓣部分和左側第一旁瓣部分均不能作為收發(fā)分離單站RCS測試的定標參考點.但三角板角反射器后向散射方向圖的右側第一旁瓣在收發(fā)饋源呈現(xiàn)小雙站角時沒有明顯變化，同時具有很高的方位穩(wěn)定性，故可考慮將其作為收發(fā)分離單站RCS測試的定標參考點.

利用該峰值點進行定標時應注意:右側第一旁瓣的寬度較窄，為了能夠準確找到該峰值點，需對三角板角反射器進行角度掃描測試，將測量范圍集中于圖15所示的入射角度掃描范圍內(nèi)，同時盡可能減小角度掃描間隔.另外，根據(jù)大量仿真結果的總結與驗證，于式(3)中給出了該峰值點的解析數(shù)值，定標過程中可直接應用.

圖15 三角板角反射器在收發(fā)分離單站定標中的應用方案

3.3 三角板角反射器的優(yōu)越性

從上述分析可看出，三角板角反射器與其它常用的RCS值較大的定標體(如平板反射器和二面角反射器)相比，在絕對單站測試條件下，無需花費大量的時間來調(diào)整定標體方位，只需粗略確定口面指向，進行單次測量即可，這也是它相對于平板反射器和二面角反射器的最大優(yōu)勢.另外，根據(jù)本文的分析，三角板角反射器同樣適用于收發(fā)分離單站RCS定標測試，這也進一步體現(xiàn)了三角板角反射器在RCS定標測試中的廣泛的適用性.

4 結論

本文對三角板角反射器的散射特性進行分析，提出了其在單站及收發(fā)分離單站RCS定標測試中的應用方案.三角板角反射器后向散射方向圖的主瓣部分很寬且很平坦，同時具有很高的方位穩(wěn)定性，很適于單站RCS定標測試;對于收發(fā)分離的單站RCS定標測試，由于小雙站角的存在，三角板角反射器散射方向圖的主瓣部分明顯下降，且呈現(xiàn)較強的紋波，而其左側第一旁瓣的峰值雖然在存在小雙站角時沒有明顯變化，但其方位穩(wěn)定性極差，故三角板角反射器散射方向圖的主瓣部分和左側第一旁瓣部分均不適用于收發(fā)分離的單站RCS定標測試.其右側第一旁瓣的峰值不但不會由于小雙站角的存在出現(xiàn)明顯的下降，而且具有很高的方位穩(wěn)定性，故可利用其進行收發(fā)分離的單站RCS定標測試，從而有效擴展了三角板角反射器在RCS定標測試中的應用范圍.

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