梁子長， 高 偉

（電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，上海200438）

0 引言

電磁波探測(cè)是獲取物體信息的重要手段，由于電磁波探測(cè)具有穿透性、無需接觸目標(biāo)、可無損探測(cè)等優(yōu)點(diǎn)，其在目標(biāo)特征參數(shù)獲取、隱藏目標(biāo)探測(cè)等方面的應(yīng)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(chǎng)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(chǎn)生，是具代表性的非均勻電磁波，其特點(diǎn)是其中心位置的切向場(chǎng)為零，并向外線性增加。

按波陣面上電磁場(chǎng)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(chǎng)矢量分布示意圖，包含旋轉(zhuǎn)對(duì)稱與軸對(duì)稱兩種主要切向場(chǎng)矢量分布形式，可認(rèn)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(chǎng)矢量分布示意圖

長期以來，盡管人們已經(jīng)在遠(yuǎn)距離物體的跟蹤、近距離物體的局部掃描探測(cè)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(jiǎn)單地分為局部均勻電磁波，再按均勻電磁波理論進(jìn)行研究；而對(duì)非均勻電磁波散射特性的研究十分少，僅文獻(xiàn)［11］和［12］中提出近場(chǎng)電磁散射中對(duì)稱極化的概念，即一種二維非均勻球面電磁波，但該研究認(rèn)為，對(duì)稱極化散射截面是隨距離快速減小的量，未充分認(rèn)識(shí)到這類非均勻電磁波在微波探測(cè)中的重要性。

本文主要在單位入射場(chǎng)條件給出目標(biāo)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(cè)距離無關(guān)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(biāo)的散射截面。

1 線性非均勻電磁波及散射特性

實(shí)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(diǎn)附近或快速變化區(qū)域輻射的電磁波，這里對(duì)偶極子天線方向圖凹點(diǎn)附近輻射的電磁波進(jìn)行分析［14］，假設(shè)某電偶極子沿Z軸放置，在其凹點(diǎn)所在的兩極附近區(qū)域，其均勻電磁波項(xiàng)為零，若忽略3次及以上隨觀測(cè)距離衰減的高次項(xiàng)，則僅存在線性變化的非均勻電磁波項(xiàng)，即

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

在此基礎(chǔ)上，根據(jù)目前雷達(dá)散射截面的兩個(gè)主要定義條件［13］，即單位入射場(chǎng)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(yuǎn)場(chǎng)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(duì)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(chǔ)上，定義物體對(duì)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(cè)點(diǎn)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小（含幅度和相位）；E1s為觀測(cè)點(diǎn)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小；E0s為觀測(cè)點(diǎn)處的散射均勻電磁波大小。對(duì)應(yīng)地，仍沿用雷達(dá)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(jiǎn)便，這里以σpq表示不同極化組合下的雷達(dá)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(cè)方向可獲取的目標(biāo)散射特征信息量將較大增加，在觀測(cè)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(jì)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(jì)算角反射器目標(biāo)在二維線性非均勻與均勻電磁波下散射特性。

圖2 觀測(cè)示意圖

圖3給出了角反射器目標(biāo)在旋轉(zhuǎn)對(duì)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(jìn)行對(duì)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(biāo)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(shì)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(shì)與σvv相反，即σvv較大時(shí)，σvx相對(duì)較小，反之亦然。

圖4為角反射器目標(biāo)在軸對(duì)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(jìn)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(shì)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(biāo)為觀測(cè)對(duì)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(jì)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(nèi)的雙站散射特性，由于該角反射器目標(biāo)關(guān)于水平面對(duì)稱，與垂直極化相關(guān)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(biāo)形狀趨于放射型，而不是圓對(duì)稱型；而與水平極化相關(guān)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(nèi)的雙站散射特性。其中與非均勻電磁波相關(guān)的交叉極化RCS中，σsh遠(yuǎn)大于σsv，這主要因?yàn)樗矫娣较蛏辖欠瓷淦髂繕?biāo)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(biāo)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(shì)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(jié)束語

本文按單位入射場(chǎng)條件給出目標(biāo)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(cè)距離無關(guān)的特征極化量，其研究可提供更多的目標(biāo)信息量；并采用矩量法計(jì)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(jìn)行比較，表明其對(duì)目標(biāo)特征探測(cè)的潛在優(yōu)勢(shì)。

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