雷達(dá)散射截面積研究

李京娓

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065）

雷達(dá)散射截面積研究

李京娓

（四川大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院，成都 610065）

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積對雷達(dá)工作性能的發(fā)揮影響很大。介紹雷達(dá)作用距離與目標(biāo)雷達(dá)散射截面積的關(guān)系以及縮減目標(biāo)雷達(dá)散射截面積的一些技術(shù)手段，此外還介紹一些簡單和復(fù)雜目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積特性，并進(jìn)行實(shí)驗(yàn)仿真。

雷達(dá)散射截面；雷達(dá)作用距離；RCS縮減

0 引言

雷達(dá)的基本任務(wù)是探測感興趣的目標(biāo)，測定有關(guān)目標(biāo)的距離、方問、速度等狀態(tài)參數(shù)。雷達(dá)信號照射到目標(biāo)上時(shí)，一般會(huì)朝各個(gè)方向折射或散射。這些散射波中一部分與雷達(dá)接收天線具有相同極化，而另一部分具有不同極化，雷達(dá)接收天線不會(huì)對其做出響應(yīng)。目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積（Radar Cross Section，RCS）就由與接收天線具有相同極化的后向散射能量強(qiáng)度來定義。雷達(dá)目標(biāo)通過應(yīng)用隱身技術(shù)可以大大降低自身的雷達(dá)散射截面積，影響雷達(dá)性能的發(fā)揮。即便沒有應(yīng)用隱身技術(shù)，目標(biāo)在運(yùn)動(dòng)過程中，由于姿態(tài)變化或背景因素的影響，其雷達(dá)散射截面也會(huì)隨其相對雷達(dá)入射波的姿態(tài)角變化而變化，因此雷達(dá)的探測距離也會(huì)不斷受到縮減或放大，從而對目標(biāo)追蹤的性能產(chǎn)生影響。為了維護(hù)雷達(dá)工作的性能，對目標(biāo)的RCS特性進(jìn)行研究就十分必要。

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面是表征雷達(dá)目標(biāo)對照射電磁波散射能力的一個(gè)物理量，是描述雷達(dá)目標(biāo)信息最重要、最基本的一個(gè)參數(shù)。

1 雷達(dá)作用距離

雷達(dá)最大作用距離Rmax示如下：

其中:Pt為發(fā)射功率；G為天線增益；λ為雷達(dá)工作波長；σ為目標(biāo)的雷達(dá)散射截面；n為脈沖數(shù)；Ei（n）是整合效率；k=1.38×10-23J/K為波爾茲曼常數(shù)；T0=290°為標(biāo)準(zhǔn)溫度；Bn為接收方的帶寬；Fn為噪聲因數(shù)；S/N為單個(gè)脈沖的信噪比。

由公式可知，雷達(dá)的探測距離Rmax的四次方與目標(biāo)的散射截面積σ成正比。所以目標(biāo)RCS的縮減將會(huì)縮短雷達(dá)作用距離，影響雷達(dá)性能的發(fā)揮。

2 RCS縮減技術(shù)

目前已有各種有效的技術(shù)手段能夠減少目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積，例如正在迅猛發(fā)展的隱身技術(shù)。隱身技術(shù)即低可探測技術(shù)，通過利用各種不同的技術(shù)手段改變目標(biāo)的可探測性信息特征，最大程度降低目標(biāo)被探測系統(tǒng)發(fā)現(xiàn)的概率。進(jìn)行科學(xué)的外形設(shè)計(jì)或使用雷達(dá)吸收材料制造目標(biāo)或覆蓋目標(biāo)表面，能大大降低目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積，這也是隱身技術(shù)的一個(gè)熱門研究領(lǐng)域。

外形設(shè)計(jì)是減小雷達(dá)散射截面積的主要方式。對于外形方面的設(shè)計(jì)，其主要是高頻散射機(jī)理，通過改變目標(biāo)的幾何外形達(dá)到使電磁波不返回發(fā)射源的目的。目前，外形設(shè)計(jì)主要基于融合式設(shè)計(jì)思想與平面設(shè)計(jì)思想兩種設(shè)計(jì)理念。

使用雷達(dá)吸收材料是另一種有效實(shí)現(xiàn)RCS縮減的方法。雷達(dá)吸收材料能夠吸收或衰減入射波，從而實(shí)現(xiàn)沒有或只有極少的電磁反射波被反射回雷達(dá)。通過使用雷達(dá)吸收材料覆蓋目標(biāo)表面形成反雷達(dá)涂層或使用能吸收雷達(dá)回波的復(fù)合材料制作目標(biāo)，都能有效縮減目標(biāo)RCS。反雷達(dá)涂層根據(jù)對電磁波吸收原理的不同，可以分為吸收型涂層、干涉型涂層、諧振型涂層和放射性同位素涂層四類。

此外還可以使用無源對消和有源對消技術(shù)實(shí)現(xiàn)目標(biāo)雷達(dá)散射截面積的縮減。無源對消技術(shù)又稱自適應(yīng)阻抗加載技術(shù)。一般通過精密加工，在目標(biāo)表面形成孔洞或縫隙等，在不影響目標(biāo)啟動(dòng)外形的前提下，改變目標(biāo)表面的電流分布，被動(dòng)地產(chǎn)生與雷達(dá)回波頻率振幅相等，相位相反的附加波，與雷達(dá)回波相抵消。有源對消技術(shù)通過在飛行器上裝備有源對消設(shè)備，對入射波進(jìn)行處理，通過相消干涉減弱或消除反射波。這一方法要求飛行器上具有能夠探測入射雷達(dá)波頻率、入射角、波形和強(qiáng)度的高性能傳感器等設(shè)備，并實(shí)時(shí)產(chǎn)生對消所需的電磁波信號，技術(shù)難度較高。

3 簡單物體的雷達(dá)散射截面積

下面將介紹幾個(gè)簡單形狀物體的雷達(dá)散射截面積特性，并對其進(jìn)行仿真。

假設(shè)物體的極坐標(biāo)為（ρ，θ，φ），則距離雷達(dá)為ρ的目標(biāo)的RCS是關(guān)于（θ，φ）的函數(shù)。令（θs，φs）為散射波的傳播方向。則目標(biāo)的RCS為：

假設(shè)橢球體中心在(0，0，0)，由下式描述：

橢球體的雷達(dá)散射截面積為：

當(dāng)a=b=c時(shí)，橢球體將變成球體，σ=πc2定義了球體的雷達(dá)散射截面積。

圖1給出了橢球體（a，b，c）=（0.1，0.2，0.6）m時(shí)，分別取φ=0°，45°，90°時(shí)，橢球體的RCS關(guān)于視角θ的變化情況。

圖1 橢球體RCS與視角的關(guān)系

考慮一個(gè)中心在原點(diǎn)，半徑為r的圓形平板。由于圓具有對稱性，所以圓板的RCS與φ無關(guān)，只與視角θ有關(guān)。

當(dāng)法線入射即θ=0^°時(shí)，圓板的RCS為：

其他情況下則有：

其中，k=2π/λ，J1（α）為第一階球貝塞爾函數(shù)在α處的計(jì)算值。

當(dāng)取半徑r=0.3m，入射頻率為109Hz時(shí)，圓板的RCS與視角的關(guān)系如圖所示：

圖2 圓板RCS與視角的關(guān)系

假設(shè)一個(gè)橢圓截面的圓柱體，其截面短軸半徑為r1，長軸半徑為r2，高為H。其法向入射的RCS為：

非法向入射RCS為：

當(dāng)r1=r2時(shí)，圓柱體變?yōu)閳A截面圓柱體，上式可化簡為其對應(yīng)的RCS公式。

當(dāng)取截面半徑r1=0.125，r2=0.25，圓柱體高H= 0.5m，且φ=45°、入射頻率為109Hz時(shí)，圓柱體的RCS與視角的關(guān)系如圖所示:

圖3 圓柱體RCS與視角的關(guān)系

4 復(fù)雜目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積

復(fù)雜目標(biāo)的RCS可以視為由分布在目標(biāo)表面的多個(gè)散射點(diǎn)的貢獻(xiàn)構(gòu)成。其中，散射點(diǎn)通常被稱為散射中心。復(fù)雜目標(biāo)的RCS可以通過將組成目標(biāo)的簡單形狀的RCS相干組合來計(jì)算。

例如，假設(shè)有一個(gè)兩端為兩個(gè)理想導(dǎo)電圓板的圓柱體。該物體是可以用很多相同的散射中心進(jìn)行建模，即它是Swerling I或II型目標(biāo)。

Swerling I是自由度為2的χ2分布，其概率密度函數(shù)為：

其中σav表示總的目標(biāo)起伏的平均RCS。

令圓板與圓柱體截面的半徑r=0.25m，圓柱體高為H=0.75m。則這個(gè)目標(biāo)RCS與視角的關(guān)系如圖所示:

圖4 帶有圓板的圓柱體RCS與視角的關(guān)系

綜合圖與圖可以看出，在視角接近0°或180°時(shí)，目標(biāo)的RCS主要由圓板決定，當(dāng)視角接近90°時(shí)，目標(biāo)RCS則主要由圓柱體決定。

5 結(jié)語

目標(biāo)RCS的縮減將會(huì)影響雷達(dá)工作的性能，但通過對目標(biāo)RCS特性的仿真可以看出，目標(biāo)RCS變化與雷達(dá)視角有關(guān)，因此通過進(jìn)行雷達(dá)組網(wǎng)，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行多重覆蓋能夠增強(qiáng)雷達(dá)對目標(biāo)的探測能力。

[1]雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)MATLAB仿真[M].電子工業(yè)出版社，2009.

[2]多源信息融合[M].清華大學(xué)出版社，2006.

[3]雷達(dá)信號處理和數(shù)據(jù)處理技術(shù)[M].電子工業(yè)出版社，2008.

[4]雷達(dá)數(shù)據(jù)處理及應(yīng)用[M].電子工業(yè)出版社，2006.

[5]曾勇虎,王國玉,陳永光,等.動(dòng)態(tài)雷達(dá)目標(biāo)RCS的統(tǒng)計(jì)分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2007,22(4):610-613.

[6]郭琳,周德云,汪凌霄.低可探測性飛機(jī)威脅建模及航跡規(guī)劃仿真研究[J].計(jì)算機(jī)仿真,2009(2):89-92.

[7]David C J.Radar and Laser Cross Section Engineering[J]，1995.

[8]曾勇虎,王國玉,陳永光,等.基于χ~2分布的目標(biāo)RCS起伏特性分析[J].雷達(dá)科學(xué)與技術(shù)，2007(2):115-117.

Research on Radar Cross Section

LI Jing-wei

（College of Computer Science,Sichuan University，Chengdu 610065）

Radar cross section reduction has a huge impact on the performance of radar.Describes the relationship between RCS and radar range, and introduces some techniques for RCS reduction.It also analyzes characteristics of some simple and complex targets,and does the sim-ulation.

Radar Cross Section;Radar Range;RCS Reduction

1007-1423（2016）08-0021-04

10.3969/j.issn.1007-1423.2016.08.004

李京娓（1990-），女，山東煙臺(tái)人，碩士研究生，研究方向?yàn)樾畔⑻幚砑夹g(shù)

2016-01-08

2016-03-08