異型多面體角反射器的電磁散射特性分析及應(yīng)用

趙非玉 于群 牛帥 張義 劉圓圓 張樂

（中國(guó)電子科技集團(tuán)公司光電研究院, 天津 300308）

0 引 言

雷達(dá)角反射器通常由三個(gè)互為垂直的金屬板制成.由于其特殊的結(jié)構(gòu)特性，入射電磁波可在其內(nèi)部產(chǎn)生多重反射，致使部分電磁波沿著入射方向反射回去，形成假目標(biāo)干擾，改變其所在處物體的電磁波散射特性.

當(dāng)探測(cè)雷達(dá)信號(hào)照射到雷達(dá)角反射器后，電磁波在雷達(dá)角反射器內(nèi)經(jīng)過(guò)多重反射后，具有強(qiáng)后向雷達(dá)散射截面積(radar cross section, RCS)，會(huì)對(duì)探測(cè)雷達(dá)產(chǎn)生明顯的干擾、欺騙作用[1].

表1 所示為常見軍事目標(biāo)的RCS，雷達(dá)角反射器通過(guò)構(gòu)成假目標(biāo)達(dá)到隱真示假的目的，利用大于真實(shí)目標(biāo)的RCS 來(lái)誘導(dǎo)雷達(dá)制導(dǎo)武器，從而降低我方重點(diǎn)目標(biāo)被敵方探測(cè)雷達(dá)偵察到的概率，進(jìn)而起到保護(hù)武器裝備和陣地的作用[2-5].

典型的雷達(dá)角反射器根據(jù)金屬板面的形狀，劃分為三角形、圓形和方形.隨著技術(shù)的發(fā)展，雷達(dá)角反射器的研究和應(yīng)用取得了許多新的成果.例如八面體角反射器將尺寸結(jié)構(gòu)相同的三角形或方形角反射器組合在一起，能夠反射各個(gè)方向的探測(cè)雷達(dá)波，產(chǎn)生一個(gè)在各探測(cè)方向上具有相同RCS 的假目標(biāo).美國(guó)戰(zhàn)略防御司令部裝備了一款十二面體網(wǎng)式角反射器，能夠反射各個(gè)方向的雷達(dá)波，適用于模擬大型橋梁等雷達(dá)信號(hào)反射較強(qiáng)的光標(biāo)信號(hào).此外毫米波雷達(dá)角反射器、合成孔徑雷達(dá)(synthetic aperture radar，SAR)壓制性干擾旋轉(zhuǎn)角反射器、對(duì)抗圓極化雷達(dá)角反射器等新型角反射器也得到了發(fā)展.

本文設(shè)計(jì)了一種異型多面體雷達(dá)角反射器，其由一個(gè)大尺寸角反射結(jié)構(gòu)與數(shù)個(gè)小尺寸角反射結(jié)構(gòu)組成.該角反射器在各入射方向上的RCS 并不相同，會(huì)在某個(gè)探測(cè)方向上形成突出的RCS.仿真結(jié)果表明，該異型雷達(dá)角反射器的方位面全向覆蓋性能優(yōu)良，且在X、Ku、Ka 波段的最大RCS 大于281.84 m2，可以在70°的方位角范圍內(nèi)具有突出RCS.異型多面體角反射器通過(guò)產(chǎn)生與真目標(biāo)相接近的電磁散射特性，來(lái)欺騙敵方雷達(dá)制導(dǎo)武器或敵方探測(cè)系統(tǒng)，從而保護(hù)我方需要保護(hù)的重點(diǎn)目標(biāo).

1 異型多面體角反射器的設(shè)計(jì)

1.1 基礎(chǔ)角反射器的RCS 特性

圖1 所示為三種典型雷達(dá)角反射器的結(jié)構(gòu)圖.雷達(dá)角反射器分別由三個(gè)等腰直角三角形、三個(gè)圓心角為90°的扇形和三個(gè)正方形金屬板組成.

圖1 三種典型角反射器Fig.1 Three typical corner reflectors

電磁波沿雷達(dá)角反射器對(duì)稱軸入射時(shí)可得到角反射器反射電磁波的最大RCS，其理論值[6-9]為

式中，Ar為與電磁波垂直的投影面積.

圖2 所示為三角形角反射器的投影示意圖.三角形角反射器三個(gè)頂點(diǎn)附近的區(qū)域?qū)欠瓷淦鱎CS 影響較小，RCS 最大值取決于角反射器內(nèi)的六邊形區(qū)域，該六邊形邊長(zhǎng)為l/3，且隨著電磁波入射角度的變化而變化，最大值有效面積[10-12]為

式中，l為特征尺寸，即角反射器的邊長(zhǎng)，一般大于3～4 個(gè)波長(zhǎng).

最終可以得到三角形角反射器的最大RCS 為

角反射器有效區(qū)域的大小和形狀會(huì)隨著視角的變化而改變，在實(shí)際使用中以最大RCS 方向?qū)?zhǔn)來(lái)襲目標(biāo)實(shí)現(xiàn)對(duì)重點(diǎn)目標(biāo)的保護(hù)效能.

雷達(dá)角反射器形狀不同，其雷達(dá)反射性能也不同[13-16]，各型雷達(dá)角反射器的性能參數(shù)見表2.

表2 三種雷達(dá)角反射器的基本性能Tab.2 Fundamental characteristics of 3 corner reflectors

從表2 可以看出，三角形角反射器最大RCS 和平均RCS 均小于另外兩種角反射器，但其方向圖寬度最大，即當(dāng)入射角度變化時(shí)，三角形角反射器RCS 的減縮速率最小，能夠在更大的入射角度范圍內(nèi)獲得較大的回波功率能量.

因本文設(shè)計(jì)的角反射器需要在大角度方位上具有突出RCS，為達(dá)到最佳的干擾效果，本文選擇方向圖寬度最大的三角形角反射器為異型多面體角反射器的基本結(jié)構(gòu)單元.

1.2 異型多面體角反射器的設(shè)計(jì)

圖3 所示為本文設(shè)計(jì)的異型多面體雷達(dá)角反射器的結(jié)構(gòu)圖.可以看出，異型多面體角反射器由一個(gè)大尺寸角反射結(jié)構(gòu)與數(shù)個(gè)小尺寸角反射結(jié)構(gòu)組成，其尺寸為537 mm×551 mm×457 mm.

圖3 異型多面體角反射器的結(jié)構(gòu)示意圖Fig.3 Schematic of heterotype polyhedron corner reflector

1.2.1 大尺寸角反結(jié)構(gòu)的RCS 特性

圖4 所示為本異型多面體角反射器的基本組成單元——大尺寸角反結(jié)構(gòu)與小尺寸角反結(jié)構(gòu)，(a)中大角反結(jié)構(gòu)邊長(zhǎng)為537 mm.

圖4 角反結(jié)構(gòu)的基本組成單元示意圖Fig.4 Schematic of corner reflector

利用式(3)計(jì)算得到的大尺寸角反射結(jié)構(gòu)在不同頻段下的最大RCS 如表3 所示.

表3 大尺寸角反結(jié)構(gòu)的最大RCSTab.3 Numerical value of RCSmax of large size reflector

從表3 可以看出，理論上大尺寸角反結(jié)構(gòu)在X、Ku、Ka 頻段范圍，在方位角360°范圍內(nèi)可實(shí)現(xiàn)最大RCS 大于200 m2.

1.2.2 小尺寸角反結(jié)構(gòu)的RCS 特性

圖4(b)中小尺寸角反結(jié)構(gòu)的邊長(zhǎng)為332 mm.利用式(3)計(jì)算得到的小尺寸角反結(jié)構(gòu)在不同頻段下的最大RCS 如表4 所示.

表4 小尺寸角反結(jié)構(gòu)的最大RCSTab.4 Numerical value of RCSmax of small size reflector

從表4 可以看出，理論上小尺寸角反結(jié)構(gòu)能夠在X、Ku、Ka 頻段范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)最大RCS 大于30 m2.

2 異型多面體角反射器的RCS 特性分析

本節(jié)利用商業(yè)仿真軟件CST 建立本文角反射器的電磁仿真模型，對(duì)RCS 特性進(jìn)行仿真計(jì)算.需要設(shè)置的參數(shù)有：頻點(diǎn)、角域、步長(zhǎng)、收斂精度和迭代余量等[17-20].

2.1 異型多面體角反射器的全向RCS 特性分析

設(shè)電磁計(jì)算的俯仰角為0°～90°，方位角為0°～360°，角度步進(jìn)為1°，入射頻率為10 GHz.

圖5 和圖6 為仿真分析得到的水平極化和垂直極化下異型多面體角反射器的全向RCS 分布特性.可以看出：異型多面體角反射器的RCS 關(guān)于xOz平面是對(duì)稱的，與本文模型的幾何形狀相符；異型多面體角反射器結(jié)構(gòu)在俯仰角θ 大于30°后，會(huì)在大尺寸角反結(jié)構(gòu)處形成與其余方向不同的突出RCS，其最大RCS 為24.5 dB，能夠達(dá)到200 m2，具有優(yōu)良的后向RCS 特性.

圖5 水平極化下異型多面體角反射器的全向RCSFig.5 Omnidirectional RCS of heterotype polyhedron corner reflector in horizontal polarization mode

圖6 垂直極化下異型多面體角反射器的全向RCSFig.6 Omnidirectional RCS of heterotype polyhedron corner reflector in vertical polarization mode

2.2 異型多面體角反射器的周向RCS 特性分析

圖7 為不同電磁波入射俯仰角下異型多面體角反射器的周向RCS 分布特性，電磁仿真條件與上文一致.可以看出，異型多面體角反射器在不同俯仰角下角反結(jié)構(gòu)形成的電磁散射特性有很大差異.

圖7 異型多面體角反射器在不同俯仰角下的周向RCSFig.7 Circumferential RCS of heterotype corner reflector under different angle of pitch

從圖7 可以看出，大尺寸角反結(jié)構(gòu)所處方位會(huì)產(chǎn)生突出RCS，其方位角范圍可到70°，其余方位角內(nèi)RCS 分布均勻.此外，還可以看出本角反射器在不同極化模式下的電磁散射特性能保持基本一致，對(duì)極化不敏感，不會(huì)受入射電磁波極化狀態(tài)的影響，具有抗極化干擾的優(yōu)勢(shì).

2.3 異型多面體角反射器的異向RCS 特性分析

除極化不敏感的優(yōu)勢(shì)外，本文異型多面體角反射器還具有一般角反射器不具有的異向RCS 優(yōu)勢(shì)，當(dāng)雷達(dá)制導(dǎo)武器從不同方向來(lái)襲時(shí)，接收到的角反射器RCS 特性也不同.圖8 所示為本文規(guī)定的異型多面體角反射器的來(lái)襲方向，以大尺寸角反結(jié)構(gòu)所在方位為正向，入射電磁波俯仰角為45°，角度步進(jìn)為1°，入射頻率選擇10 GHz，研究雷達(dá)制導(dǎo)武器從正向、后向、側(cè)向來(lái)襲時(shí)接收到的RCS 特性，結(jié)果如圖9 所示.

圖8 異型多面體角反射器的方向示意圖Fig.8 Direction diagram of heterotype corner at different directions of incidence

圖9 異型多面體角反射器在不同方向威脅來(lái)襲時(shí)的異向RCSFig.9 RCS of heterotype corner reflector at different directions

從圖9 可以看出，在不同的威脅來(lái)襲方向下，雷達(dá)制導(dǎo)武器所接收到異型多面體角反射器的RCS 特性是不同的.一般多面體角反射器的RCS 在各方向上均勻分布，該類目標(biāo)的特征信號(hào)較易被制導(dǎo)武器偵查識(shí)別.而異型多面體角反射器不具備這類缺點(diǎn)，會(huì)根據(jù)威脅方向的不同而具有不同特征的電磁散射特性，此類特征信號(hào)較難被制導(dǎo)武器偵查識(shí)別，能夠更有效地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)無(wú)源干擾效能，保護(hù)我方重點(diǎn)目標(biāo).

3 異型多面體角反射器的應(yīng)用

為使異型多面體角反射器智能化，可將其與控制器、驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)等組合成角反射器無(wú)源干擾系統(tǒng).角反射器無(wú)源干擾系統(tǒng)作為一種典型樣式布置在重點(diǎn)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)，根據(jù)保護(hù)目標(biāo)接受的威脅情況，接收控制器的指令來(lái)控制角反射器的翻轉(zhuǎn)來(lái)產(chǎn)生或隱藏假目標(biāo)，干擾敵方雷達(dá)制導(dǎo)武器，保護(hù)重要目標(biāo).

3.1 異型多面體角反射器模擬地面重點(diǎn)目標(biāo)

地面的技術(shù)裝備或靜止目標(biāo)等重點(diǎn)目標(biāo)的偽裝可以利用電磁散射特性與其相接近的角反射器來(lái)實(shí)現(xiàn)，如裝甲車輛、導(dǎo)彈發(fā)射井等.圖10 所示為異型多面體角反射器模擬地面重點(diǎn)目標(biāo)的應(yīng)用示意圖.將異型多面體角反射器配置在我方重點(diǎn)目標(biāo)附近，能夠起到?jīng)_淡式干擾的效果，異型多面體角反射器依據(jù)自身特性將探測(cè)電磁波反射回去，從而使敵方雷達(dá)制導(dǎo)武器導(dǎo)引頭捕捉到異型多面體角反射器的電磁散射特性，干擾對(duì)我方重點(diǎn)目標(biāo)的探測(cè)，降低我方重點(diǎn)目標(biāo)被探測(cè)到的概率，起到保護(hù)重點(diǎn)目標(biāo)的作用.

圖10 異型多面體角反射器模擬地面重點(diǎn)目標(biāo)示意圖Fig.10 Diagram of application of heterotype corner reflector simulate ground key targets

敵方雷達(dá)制導(dǎo)武器探測(cè)目標(biāo)的數(shù)量是有限的，可根據(jù)我方重點(diǎn)目標(biāo)的實(shí)際需求布置異型多面體角反射器的數(shù)量和排列方式.本文異型多面體角反射器也可以根據(jù)需要調(diào)整方向來(lái)布置，即使雷達(dá)制導(dǎo)武器在來(lái)襲時(shí)根據(jù)目標(biāo)情形進(jìn)行機(jī)動(dòng)，本文異型多面體角反射器也可以根據(jù)實(shí)際作戰(zhàn)需要來(lái)進(jìn)行方位調(diào)整，使其能夠在一定時(shí)間內(nèi)獲得不穩(wěn)定的RCS，進(jìn)一步干擾敵方雷達(dá)制導(dǎo)武器.雷達(dá)制導(dǎo)武器在識(shí)別真目標(biāo)時(shí)，由于真假目標(biāo)均在探測(cè)范圍內(nèi)，造成嚴(yán)重的假目標(biāo)干擾，從而降低了保護(hù)目標(biāo)被探測(cè)到的概率.

3.2 異型多面體角反射器模擬海岸重點(diǎn)目標(biāo)

海岸的重點(diǎn)目標(biāo)如岸防導(dǎo)彈、岸防雷達(dá)等是海岸防御的重要組成部分，在敵方攻擊來(lái)襲時(shí)提高生存能力、保持作戰(zhàn)效能是當(dāng)前海岸防御的重點(diǎn).

根據(jù)被保護(hù)目標(biāo)的電磁特性確定雷達(dá)角反射器的數(shù)量和朝向，再將其組合起來(lái)布置在海岸線上，通過(guò)形成相當(dāng)大的目標(biāo)回波產(chǎn)生假目標(biāo)，偽裝出我方海岸目標(biāo).異型雷達(dá)角反射器組顯示出的巨大目標(biāo)信號(hào)將會(huì)被敵方飛機(jī)的雷達(dá)顯示器接收到，欺騙敵方飛機(jī)的探測(cè)雷達(dá)，引誘敵方作出錯(cuò)誤判斷對(duì)其進(jìn)行攻擊，對(duì)其有限的彈藥量進(jìn)行消耗，降低敵方雷達(dá)系統(tǒng)對(duì)目標(biāo)的捕捉概率，保護(hù)我方岸防導(dǎo)彈、岸防雷達(dá)等重點(diǎn)目標(biāo)，保持海岸防御效能.

3.3 異型多面體角反射器模擬海上目標(biāo)

水面艦艇應(yīng)用雷達(dá)角反射器可以采用長(zhǎng)繩索在艦艇背后拖曳的方式或?qū)⑵渫渡涑鋈?lái)實(shí)現(xiàn)其應(yīng)用.將異型多面體角反射器制作成超大尺寸的充氣式結(jié)構(gòu)，可達(dá)上萬(wàn)平方米的RCS，形成艦用假目標(biāo)，保護(hù)我方軍艦.

相較于艦船目標(biāo)而言，角反射器通常對(duì)極化不敏感，本異型多面體角反射器充氣結(jié)構(gòu)除單個(gè)應(yīng)用外，還可以將多個(gè)異型多面體角反射器結(jié)構(gòu)串聯(lián)組合使用，模擬出艦船對(duì)極化的敏感特性，從而更好地應(yīng)用于作戰(zhàn)場(chǎng)景，保護(hù)我方重點(diǎn)目標(biāo).

在海軍戰(zhàn)術(shù)應(yīng)用中，為保護(hù)我方水面艦艇等重要目標(biāo)，可以把裝有充氣式異型多面體角反射器的無(wú)人駕駛船充作誘餌，尾隨艦艇后面迷惑雷達(dá)制導(dǎo)武器，可以使導(dǎo)彈偏離我方目標(biāo)而攻擊無(wú)人駕駛船；也可以將充氣式異型多面體角反射器投射到艦船等重點(diǎn)目標(biāo)附近，以誘導(dǎo)敵方雷達(dá)制導(dǎo)武器偏離目標(biāo)，保護(hù)我方艦艇免受攻擊.

4 結(jié) 論

本文設(shè)計(jì)出一種異型多面體雷達(dá)角反射器，該結(jié)構(gòu)由一個(gè)大尺寸角反射結(jié)構(gòu)與數(shù)個(gè)小尺寸角反射結(jié)構(gòu)組成，具有較好的后向RCS 特性.理論設(shè)計(jì)與仿真結(jié)果表明，本文設(shè)計(jì)的異型多面體角反射器的方位面全向覆蓋性能優(yōu)良且極化不敏感，可以在70°的方位角范圍上具有突出RCS.此外，本異型多面體角反射器還具有一般角反射器不具有的異向RCS 優(yōu)勢(shì)，當(dāng)雷達(dá)制導(dǎo)武器從不同方向來(lái)襲時(shí)，異型多面體角反射器會(huì)根據(jù)威脅方向的不同而產(chǎn)生不同特征的電磁散射特性，能夠有效地實(shí)現(xiàn)雷達(dá)無(wú)源干擾效能，保護(hù)我方重點(diǎn)目標(biāo).本異型多面體角反射器可在多種場(chǎng)景下產(chǎn)生假目標(biāo)，當(dāng)敵方雷達(dá)制導(dǎo)武器類威脅來(lái)臨時(shí)，產(chǎn)生的巨大回波信號(hào)可以隱藏我方重點(diǎn)目標(biāo)，提高生存能力，實(shí)現(xiàn)雷達(dá)無(wú)源干擾對(duì)抗.