沈 鵬，張德保，宋 廣

（解放軍91404部隊，秦皇島066001）

0 引 言

當(dāng)物體被電磁波照射時，能量將朝各個方向散射，定量表征目標(biāo)散射強弱的物理量稱為目標(biāo)對入射雷達波的有效雷達截面積（RCS）。雷達截面積的準(zhǔn)確測量對目標(biāo)識別與分類、雷達對抗、目標(biāo)隱身及雷達反隱身等都具有重要意義。在利用RCS測量雷達對低空目標(biāo)進行RCS測量的過程中，雷達的技術(shù)參數(shù)、環(huán)境因素等都會對RCS的精確測量產(chǎn)生影響［1－3］。本文基于RCS測量的基本原理，針對雷達的波束寬度對低空目標(biāo)RCS的準(zhǔn)確測量產(chǎn)生影響這一問題進行了詳細(xì)的分析研究，為進一步提高目標(biāo)RCS測量精度提供了依據(jù)。

1 RCS測量原理分析

式中：R為目標(biāo)距雷達的距離；Es、Ei分別為散射電場、入射電場強度。

若是從雷達方程的角度則可定義為：

式中：PT、PR分別為發(fā)射機輸出功率與天線接收功率；λ為雷達工作波長；G為天線增益；L為損耗系數(shù)。

在采用相對測量法進行雷達RCS外場測量過程中，利用RCS值已知的標(biāo)校球?qū)μ炀€接收功率與目標(biāo)RCS值的關(guān)系進行標(biāo)校，從而通過測量目標(biāo)的回波功率，按照式（2）就可推算出目標(biāo)的RCS。

2 波束寬度對RCS測量的影響

從式（1）、（2）可以看出，在其它條件一定的情況下，當(dāng)雷達波束寬度不一樣時，影響目標(biāo)RCS測量的因素可以從電磁散射的角度和雷達方程2個方面進行分析。此處結(jié)合實際外場測量情況，對雷達波束寬度與低空目標(biāo)RCS測量的關(guān)系進行分析。

2.1 波束調(diào)制對RCS測量的影響

由雷達目標(biāo)RCS的電磁表達式（1）可以看出，它的推導(dǎo)是假定目標(biāo)截獲無窮遠(yuǎn)處的平面波。這在實際測量中即表現(xiàn)為RCS測量的遠(yuǎn)場條件要求，即將入射到目標(biāo)上的球面波近似為平面波［5－6］。但是在大的目標(biāo)測量時（如對于箔條云等），當(dāng)考慮到箔條云對電磁波的反射因波束寬度的不同而入射情況不一樣時（即波束調(diào)制），不同波束寬度的測量雷達在同頻點的測量數(shù)據(jù)的一致性就會受到影響。

在進行目標(biāo)RCS測量時，可通過對測量距離的控制，盡可能使測量滿足遠(yuǎn)場條件，但測量距離往往受到測量雷達威力的制約，即為了達到測量信噪比要求，測量距離不能太遠(yuǎn)。在實際RCS測量過程中，要綜合考慮測量信噪比和遠(yuǎn)場條件，往往通過選擇測量距離，確保被測目標(biāo)（如箔條云）處于測量雷達半功率波束寬度內(nèi)。

為簡化分析，假設(shè)測量天線有著理想的視軸，且其場強方向圖為cos形式［3］，如圖1，即：

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式中：2θ0為測量雷達天線3dB波束寬度。

當(dāng)目標(biāo)位于測量雷達波束寬度之中時，由圖1并結(jié)合公式（1）可知，在入射電場強度一定的情況下，目標(biāo)在主波束寬度內(nèi)每一點的反射電磁場在接收機處的場強之和與目標(biāo)的RCS大小成正比。此處假設(shè)目標(biāo)各點均勻反射，即各點反射幅度和電場相位一致，由此接收機處場強的大小即為圖1中的各曲線與相對場強曲線所包含的旋轉(zhuǎn)體部分體積的大小，即：

當(dāng)測量雷達的波束寬度變化時，從圖1可以看出目標(biāo)在接收機處的反射電場強度必將發(fā)生變化，也即所測量的目標(biāo)RCS大小也會發(fā)生變化。結(jié)合外場實際雷達波束寬度變化的情況，對同一目標(biāo)，當(dāng)雷達半波束寬度由θ0增加到2θ0時，考慮到電磁波的雙程情況，由式（3）、（4）可得：

圖1 測量雷達天線場強方向圖

由以上分析可以看出：對于同一目標(biāo)，波束寬度不同，目標(biāo)的波束調(diào)制情況也不一樣，這必將會導(dǎo)致同頻點不同波束寬度時目標(biāo)RCS測量數(shù)據(jù)的不一致。

2.2 海面多路徑效應(yīng)對RCS測量的影響

復(fù)雜海面背景條件下的低空箔條云多路徑是非常復(fù)雜的，其多路徑反射回波主要包含直反射、漫反射、鏡反射、海雜波等成份。對于在測量過程中未產(chǎn)生多路徑效應(yīng)的箔條云，其質(zhì)心位置位于它的幾何中心。而產(chǎn)生了多路徑效應(yīng)的箔條云團的質(zhì)心將會向海面偏移，為它和它的虛像的合成質(zhì)心，偏移的角度由海面反射系數(shù)的模ρ0和直射波與鏡像波所分別對應(yīng)的雷達天線增益G1、G2決定。

考慮到測量海域的實際情況，可認(rèn)為起主要作用的是鏡面反射，其幾何關(guān)系圖如圖2所示。

圖2 海面的鏡面反射幾何關(guān)系圖

在圖2中，設(shè)目標(biāo)處直射波與反射波強度分別為：

式中：G1為測量波束最大指向的增益；G2為海面多路徑方向的天線增益；ΔR為直射波與鏡面反射波的單向路程差；ρ0為海面反射系數(shù)的模；φ為直射波與反射波的相位差。

在目標(biāo)處，實際收到的電磁場強度為直射波與反射波的電場強度的矢量和，它的模為：

當(dāng)用｜F｜表示單向多路徑增益時，其表達式為：

則由等式（6）、（7）可知：

由功率與場強的關(guān)系，目標(biāo)處合成功率增益為：

而考慮到雷達信號的雙程情況，則雷達處的回波功率相對于自由空間則增加了｜F｜4倍，即：

故對于低空目標(biāo)，雷達與目標(biāo)回波的能量關(guān)系式為：

結(jié)合自由空間的雷達方程（2），有：

在對低空箔條云測量時，G1是測量波束最大指向的增益，而G2為海面多路徑方向的天線增益，總有G1≥G2。顯然波束寬度越大，G2／G1越接近1，對應(yīng)海面多路徑效應(yīng)因子越大。在實際測量中，海面多路徑效應(yīng)對具有較寬波束的測量雷達的測量結(jié)果貢獻較大，對波束較窄的RCS測量雷達的測量結(jié)果貢獻較小，故引起其RCS測量值偏小。

3 實例分析

針對上述的分析情況，結(jié)合對某一低空目標(biāo)的實際測量，分別取2θ0＝1°和2θ0＝2°，在測量中目標(biāo)距海面約50m高，且不同波束寬度的目標(biāo)測量同時進行，其測量數(shù)據(jù)如圖3所示。

圖3 低空目標(biāo)測量數(shù)據(jù)

從圖3可以看出，對于低空目標(biāo)，當(dāng)波束寬度增大1倍時，明顯能看出目標(biāo)的RCS變大，最大能增大7dB，最小的也有1dB，平均增加約5dB，與前述分析情況相一致。從而說明了雷達波束的不同對同一目標(biāo)的RCS測量有著極大的影響。

4 結(jié)束語

目標(biāo)RCS測量是研究目標(biāo)特性的重要內(nèi)容，其測量的精度及數(shù)據(jù)的一致性對研究目標(biāo)的電磁特性有著決定性的作用。文中結(jié)合實際外場RCS測量，研究分析了由于測量雷達波束寬度不同所導(dǎo)致的雷達波束調(diào)制情況及多路徑效應(yīng)的差異對目標(biāo)RCS測量的影響，這對于提高外場低空目標(biāo)RCS測量的精度及事后數(shù)據(jù)處理的修正等都具有指導(dǎo)意義。

［1］黃培康，林桂森，樊正芳，等.雷達目標(biāo)特征信號［M］.北京：宇航出版社，1993.

［2］斯科爾尼克 M I.雷達手冊（合訂本）［M］.王軍，林強，米慈中譯.北京：國防工業(yè)出版社，1978.

［3］黃培康，殷紅成，許小劍.雷達目標(biāo)特性［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005.

［4］克拉特E F.雷達散射截面——預(yù)估、測量和減縮［M］.阮穎錚，陳海，韓小英，等譯.北京：電子工業(yè)出版社，1988.

［5］Nan He，Hay kin S.Chaotic modeling of sea clutter［J］.Electronic Letters，1992，28（22）：2076－2077.

［6］阮穎錚.雷達截面與隱身技術(shù)［M］.北京：國防工業(yè)出版社，1998.