梁子長(zhǎng),岳 慧,王曉冰,蔡 昆

(環(huán)境電磁特征國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200438)

0 引言

RCS定義中隱含了觀測(cè)距離趨于無(wú)窮大、入射電磁波為均勻平面波的假定條件[1～3]。一般,常根據(jù)被觀測(cè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)入射電磁波等相位面符合平面條件與否,近似地將R=2D2/λ作為近場(chǎng)散射與遠(yuǎn)場(chǎng)散射的劃分界線。此處：R為觀測(cè)距離;D為被觀測(cè)目標(biāo)最大尺寸;λ為入射電磁波波長(zhǎng)。上述假定條件定義的RCS也被視為遠(yuǎn)場(chǎng)RCS。在近場(chǎng)散射條件下,被觀測(cè)目標(biāo)區(qū)域內(nèi)的入射電磁波等相位面為非平面,同時(shí)其在等相位面上的電場(chǎng)幅值也趨于非均勻分布。長(zhǎng)期以來(lái)對(duì)近場(chǎng)RCS定義進(jìn)行大量研究,但仍存在較大爭(zhēng)議[4～10]。文獻(xiàn)[4～6]在近場(chǎng)RCS定義中引入了天線方向圖,認(rèn)為其與觀測(cè)天線相關(guān);文獻(xiàn)[7～9]認(rèn)為近場(chǎng)RCS是遠(yuǎn)場(chǎng)RCS定義在均勻球面波入射條件下的推廣?？梢?jiàn)這些定義存在不確定性或難以完整描述近場(chǎng)電磁散射,需作進(jìn)一步研究。另外,測(cè)試結(jié)果表明近場(chǎng)局部照射時(shí),根據(jù)這些定義采用的天線方向圖等效近似的近場(chǎng)電磁散射模型存在較大誤差,也需深入研究。

為此,本文根據(jù)電磁場(chǎng)疊加原理,給出了一種與觀測(cè)天線無(wú)關(guān)的廣義RCS定義,引入對(duì)稱極化等多種極化散射特征量,計(jì)算了近距離觀測(cè)時(shí)金屬平板目標(biāo)的極化RCS曲線;同時(shí)根據(jù)廣義RCS的定義,在近場(chǎng)電磁散射建模中進(jìn)行照射場(chǎng)分解及接收合成,提出了一種有效的近場(chǎng)電磁散射建模方法,比較了方向圖等效近似和場(chǎng)分解合成兩種方法計(jì)算的金屬平板目標(biāo)的近場(chǎng)散射結(jié)果。

1 廣義RCS

1.1 定義

根據(jù)電磁場(chǎng)疊加原理,入射電磁場(chǎng)均可分解為無(wú)限小理想電或磁偶極子輻射場(chǎng)的組合。若將理想偶極子作為照射及接收的觀測(cè)條件,則廣義RCS可定義為

式中：Ri,Rs分別為照射偶極子和接收偶極子與目標(biāo)中心的距離;k為電磁波波數(shù),且k=2π/λ;l為與目標(biāo)散射特性、偶極子類型及指向有關(guān)的散射復(fù)函數(shù);j為虛數(shù);下標(biāo)u,v=e,m表示照射及接收偶極子電或磁類型。若入射電磁波為理想電偶極子輻射的非均勻球面波,則

若入射電磁波為理想磁偶極子輻射的非均勻球面波,則

式中：η為自由空間的波阻抗;I d l,IΔs分別為照射電和磁偶極子的強(qiáng)度;Rv(Es),Ρv(Es)分別為單位強(qiáng)度的接收電或磁偶極子對(duì)散射電場(chǎng)的作用函數(shù)。在以偶極子中心為原點(diǎn)、指向?yàn)閆軸的坐標(biāo)系中,當(dāng)目標(biāo)處于偶極子天線輻射區(qū)(Rs?λ)時(shí),Ρv(Es)可分別寫(xiě)為

式中：Es(γ,φ)為從(γ,φ)方向傳播至接收偶極子的散射電磁波電場(chǎng)矢量;γ,φ分別為散射電磁波傳播方向的俯仰角和方位角;eγ,eφ為對(duì)應(yīng)球坐標(biāo)單位矢量。

同時(shí),在以被觀測(cè)目標(biāo)中心為原點(diǎn)的球坐標(biāo)系中,處于位置(r,θ,φ)處的任意指向偶極子均可分解為eθ,eφ,er指向的同類型偶極子組合,因此為滿足廣義RCS描述散射特性的完整性,照射或接收偶極子將分別有6種類型：電偶極子的垂直、水平和對(duì)稱極化(對(duì)應(yīng)eθ,eφ,er指向的電偶極子)及磁偶極子的垂直、水平和對(duì)稱極化(對(duì)應(yīng)eφ,eθ,er指向的磁偶極子),對(duì)應(yīng)的廣義RCS將有6×6=36種極化組合,分別記為σuvpq。此處：下標(biāo)p,q=V,H,S。其中：V,H,S分別表示照射及接收偶極子的垂直、水平和對(duì)稱三種正交指向。廣義RCS與遠(yuǎn)場(chǎng)RCS見(jiàn)表1。

可見(jiàn),式(1～5)定義的廣義RCS既能適于天線輻射區(qū)不同觀測(cè)距離的電磁散射,又可與觀測(cè)天線去相關(guān),且當(dāng)觀測(cè)距離趨于無(wú)窮遠(yuǎn)時(shí),廣義RCS與遠(yuǎn)場(chǎng)RCS趨于一致：廣義垂直或水平極化RCS將與對(duì)應(yīng)的遠(yuǎn)場(chǎng)RCS趨于一致;廣義對(duì)稱極化RCS趨于零。同時(shí)在遠(yuǎn)距離處,當(dāng)入射或接收為對(duì)稱極化或兩者均為對(duì)稱極化時(shí),(Ri)2σuvSq,(Rs)2σuvpS或(Ri)2(Rs)2σuvSS將與觀測(cè)距離無(wú)關(guān),因此也可將其作為目標(biāo)電磁散射特征量進(jìn)行研究。

表1 廣義和遠(yuǎn)場(chǎng)RCSTab.1 Generalized RCSand far-field RCS

1.2 金屬平板散射計(jì)算結(jié)果

根據(jù)上述定義,對(duì)某金屬平板的廣義RCS進(jìn)行了仿真計(jì)算。設(shè)金屬平板長(zhǎng)2 m,寬0.2 m,厚0.006 m,λ=8 GHz,R=3 m,采用PO、ILDC等高頻法近似計(jì)算其后向散射,電及磁偶極類型的垂直、水平和對(duì)稱等多種極化的廣義RCS結(jié)果如圖1～4所示。其中：金屬平板位于yz面內(nèi),觀測(cè)點(diǎn)位于xy面內(nèi)。

圖1 金屬平板目標(biāo)垂直同極化的后向廣義RCSFig.1 Backscattering generalized RCS of metal slab with co-vertical polarization

圖2 金屬平板目標(biāo)水平同極化的后向廣義RCSFig.2 Backscattering generalized RCSof metal slab with co-horizontal polarization

圖3 金屬平板目標(biāo)對(duì)稱交叉極化的后向廣義RCSFig.3 Backscattering generalized RCSof metal slab with symmetric-horizontal polarization

由圖1～4可知：金屬平板目標(biāo)的與對(duì)稱極化相關(guān)的后向廣義RCS明顯異于垂直、水平同極化RCS,但不同類型偶極子(電或磁)的極化RCS值相差較小。

在相同計(jì)算參數(shù)條件下,不同觀測(cè)距離的與電偶極子對(duì)稱極化相關(guān)的金屬平板目標(biāo)RCS結(jié)果分別如圖5、6所示。

由圖5、6可知：當(dāng)R較大時(shí),R2σeeSH,R4σeeSS與觀測(cè)距離無(wú)關(guān)。

2 廣義RCS在近場(chǎng)散射建模中應(yīng)用

2.1 場(chǎng)分解合成的近場(chǎng)散射建模方法

近場(chǎng)電磁散射的建模計(jì)算中,發(fā)射及接收天線常采用天線方向圖結(jié)合球面波等效近似[8、9、11～13]。當(dāng)天線方向圖變化較劇烈時(shí),該近似將引入天線方向圖的角度離散誤差,而且當(dāng)天線尺度相對(duì)觀測(cè)距離較大時(shí),以一維天線陣為例,天線各陣元相對(duì)目標(biāo)觀測(cè)方向與方向圖等效觀測(cè)方向間存在較大偏角,也將引入較大誤差,如圖7所示。其中,僅當(dāng)被觀測(cè)目標(biāo)在上述偏角范圍內(nèi)的單雙站RCS不變時(shí),近場(chǎng)散射計(jì)算的天線方向圖等效近似才完全成立,若目標(biāo)電磁散射特性隨觀測(cè)角劇烈變化,該誤差可大于10 dB。

圖4 金屬平板目標(biāo)對(duì)稱同極化的后向廣義RCSFig.4 Backscattering generalized RCSof metal slab with co-symmetric polarization

根據(jù)前文定義的廣義RCS,在近場(chǎng)散射計(jì)算中進(jìn)行照射場(chǎng)分解和散射場(chǎng)接收合成,可修正天線方向圖等效近似引起的誤差,具體建模方法如下。

a)將給定照射及接收天線分解為不同位置偶極子的組合,設(shè)強(qiáng)度為Ai(x,y,z),i=1,…,N;

b)用式(2)、(3)分別計(jì)算不同偶極子位置處的近場(chǎng)目標(biāo)散射復(fù)函數(shù)li;

c)分解偶極子的強(qiáng)度,加權(quán)求和步驟b)計(jì)算的散射復(fù)函數(shù)即可獲得給定觀測(cè)天線下近場(chǎng)目標(biāo)的合成散射復(fù)函數(shù)為

對(duì)應(yīng)地,可用式(1)計(jì)算近場(chǎng)散射的合成RCS。

由于振子天線的輻射場(chǎng)隨其長(zhǎng)度減少與偶極子天線輻射場(chǎng)趨于一致,對(duì)實(shí)際天線,上述分解中偶極子天線可近似用較小尺寸的振子天線替代,該尺寸大小可根據(jù)建模精度的要求選擇,通?？扇〔淮笥讦?8,此時(shí)兩者輻射電場(chǎng)的相對(duì)偏差小于2.5%。

圖5 金屬平板目標(biāo)不同觀測(cè)距離的對(duì)稱水平交叉極化后向廣義RCSFig.5 Backscattering generalized RCS of metal slab with symmetric-horizontal polarization for different observed distance

2.2 仿真結(jié)果

假定觀測(cè)天線由2個(gè)相距0.4 m的理想電偶極子天線組成,組合天線中心定為兩電偶極子連線的中心;被觀測(cè)目標(biāo)為正方形金屬平板,邊長(zhǎng)0.2 m,其中心與兩電偶極子間距離相等,λ=16 GHz。用近場(chǎng)電磁散射計(jì)算的場(chǎng)分解合成方法和天線方向圖等效近似方法,分別計(jì)算觀測(cè)距離為15,10,5,3 m時(shí)金屬平板目標(biāo)的合成RCS,不同目標(biāo)轉(zhuǎn)角(90°時(shí)觀測(cè)方向垂直于金屬平板)的兩種方法計(jì)算的合成RCS分別如圖8～11所示。

圖6 金屬平板目標(biāo)不同觀測(cè)距離的對(duì)稱同極化后向廣義RCSFig.6 Backscattering generalized RCS of metal slab with co-symmetric polarization for dif ferent observed distance

圖7 近場(chǎng)散射示意Fig.7 Near-field scattering

由圖8～11可知：用天線方向圖等效方法計(jì)算的最大誤差分別為約0.7,2.0,15.0,20.0 dB,用天線方向圖等效近似計(jì)算的合成RCS誤差隨觀測(cè)距離的減少而增大。這主要因?yàn)榈刃Ы茣r(shí)天線相對(duì)目標(biāo)的觀測(cè)角存在較大偏差,如R=5 m時(shí)該偏差角為約2.3°,且仿真計(jì)算中金屬平板目標(biāo)基元(尺寸約為λ)的后向RCS在目標(biāo)轉(zhuǎn)角60°附近出現(xiàn)極小值,且變化劇烈,使圖8～11中天線方向圖等效近似法計(jì)算結(jié)果在相應(yīng)角度處出現(xiàn)較大誤差。

圖8 觀測(cè)距離15 m時(shí)金屬平板合成RCSFig.8 RCSof metal slab with observed distance15 m

圖9 觀測(cè)距離10 m時(shí)金屬平板合成RCSFig.9 RCSof metal slab with observed distance10 m

由此可見(jiàn),天線方向圖等效近似方法的計(jì)算誤差與觀測(cè)距離、目標(biāo)RCS起伏特性等相關(guān),在近場(chǎng)局部照射時(shí)照射場(chǎng)分解及接收合成方法可有效修正該誤差。

圖10 觀測(cè)距離5 m時(shí)金屬平板合成RCSFig.10 RCSof metal slab with observed distance5 m

圖11 觀測(cè)距離3 m時(shí)金屬平板合成RCSFig.11 RCSof metal slab with observed distance3 m

3 結(jié)束語(yǔ)

根據(jù)電磁場(chǎng)疊加原理,給出了一種與觀測(cè)天線無(wú)關(guān)的廣義RCS定義,引入了對(duì)稱極化等36種極化散射特征量,并計(jì)算給出了近距離時(shí)某金屬平板目標(biāo)極化RCS的變化曲線,表明對(duì)稱極化RCS是一種較大的近場(chǎng)目標(biāo)散射特征量;根據(jù)廣義RCS定義,在近場(chǎng)電磁散射計(jì)算過(guò)程中進(jìn)行照射場(chǎng)分解及接收合成,提出了一種有效的近場(chǎng)電磁散射建模方法,并與方向圖等效近似方法的計(jì)算結(jié)果進(jìn)行了比較,表明近場(chǎng)局部照射時(shí)采用場(chǎng)分解合成建模方法的必要性。

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