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雷达网中的组网、目标双站雷达散射截面（RCS）及动目标特性计算概述

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0楼发表于: 2009-06-30 21:56:44

雷达散射截面(Radar Cross Section——RCS)是表征目标反射雷达波功率的特征参数，是雷达探测技术与反隐身技术的一个重要特征。雷达特性中最重要的是幅度特性。由雷达回波的功率密度所确定的目标等效横截面积称为雷达散射截面（RCS）。在使用RCS这一概念时有一些隐含的假设，如目标处于发射天线的远场区，接收天线处于目标的远场区，雷达波束覆盖整个目标，雷达波为连续波或较长的脉冲，发射天线和接收天线极化方向相同等等。在这些假设下，RCS为一标量，通常记为σ。三维情况下，σ的定义如下

上式中，为目标和雷达之间的距离，为散射场，为入射场。采用MKSA单位制，的单位为。二维情况下，σ有下式定义

其中，的单位为，称为雷达散射宽度。通常，为目标的尺度、形状、材料、雷达波的频率、极化方向，以及雷达相对目标的姿态角等因素的复杂函数。随姿态角的变化图称为目标的RCS方向图。在本文中，如果是单站雷达，目标姿态角变化形成的RCS曲线图一般称为单站方向图。如果入射方向和目标某一姿态相对固定，散射方向在空间的变化形成的RCS曲线图称为双站方向图。
雷达目标的探测过程还受到多种因素的影响。目标运动引起的多路径效应、天线扫描引起的波束指向变化、发射机功率和极化方向的变化、背景杂散回波、传输媒介电磁参数的起伏等都具有随机性。
由于超短波脉冲雷达技术的发展，雷达的距离分辨能力显著提高了。雷达的脉冲宽度τ已短到2L/c量级（L为沿雷达波方向目标的尺度，c为光速），因此在同一时刻一个脉冲只能照亮目标的局部区域。此时，从回波中得到的不是目标整体的雷达散射截面，而是随着脉冲从目标的头部推移到尾部，得到一条RCS的变化曲线，称为目标的距离剖面。这可以看成目标的一维RCS像，显然比标量RCS含有更丰富的目标信息。随着合成孔径雷达的问世以及高分辨率雷达三维RCS成像技术的出现，用雷达技术探测目标达到了更高的阶段，但RCS仍是最基本的探测物理量。
目标雷达特性的研究是隐身与反隐身技术的主要技术基础之一，同隐身反隐身技术的发展紧密相连。因为随着雷达探测和武器制导技术的日益进步，武器平台，包括飞行器、舰船和战车的生存机会、战斗效力大大减小。例如在隐身飞机出现以前，雷达的探测能力相对飞机的RCS来讲很强，即使飞机的RCS下降10dB，雷达也能探测到飞机，因此飞机的生存力受到威胁。为了提高武器平台的生存能力和战斗效力，减小武器平台自身的雷达可探测性是十分重要的手段。这方面的实际需求推动了减小军事目标的雷达可探测性技术的研究和发展，这就是隐身技术。但是在隐身飞机出现以后，隐身飞机的RCS下降了20——30dB，准隐身飞机的RCS下降了10——15dB，相对来讲雷达的探测能力就必须提高5——10dB才能对隐身飞机进行探测。探测具有隐身特性目标的技术，则称为反隐身技术。
在雷达网中计算目标的多站RCS，最基本的就是发站雷达、目标和收站雷达组成的最基本的双站RCS模型。也就是说，雷达网中需要解决的一个基本问题就是如何有效地求解目标双站RCS。这就需要用电磁辐射和散射的分析方法来解决。

电磁辐射和散射的分析方法可以分为两大类，即严格方法和近似方法。严格方法是将需要求解的天线和电磁散射问题作为边界值问题来处理，即通过满足严格边界条件的波动方程求得此问题的严格解。但是，在电磁散射和绕射问题中，只有极少数问题可以求得严格的解析解。这些能求得严格解的问题所涉及的目标，其几何形状一般是比较简单的，而且目标的表面和正交曲线坐标的曲面相重合。即使是这一类问题，如果所求得的解是本征函数的无穷级数形式，则这种级数往往收敛得很慢，因而只对尺寸远大于波长的那些物体才有实际意义。随着计算机技术的发展，虽然对任意形状的物体可以用数值积分方法求得积分方程的数值解，但当物体的电尺寸很大时，由于计算机容量的限制也难以求得数值解，因而仍不得不求助于近似解法。在过去的几十年中，随着计算机技术的发展，出现了多种近似解法。这些近似解法可以分为两大类，即数值计算方法和高频渐近方法。矩量法是数值方法中最具代表性的一种。经典的高频近似方法有几何光学法（GO）、物理光学法（PO）。高频分析方法还有几何绕射理论（GTD）、一致性几何绕射理论（UTD）和物理绕射理论（PTD）。
几何光学法是一种易于应用的计算电磁场的方法，它是以电磁场传播的射线理论为基础。实际上，几何光学法是一种射线追踪法，它不仅考虑了光线从光滑表面反射的路线，而且说明了当光线从一种媒质进入另一种媒质时传输射线的角度变化。雷达散射截面可以由只包括镜面反射点的局部曲率半径的一个非常简单的公式给出，即，其中、是反射面在镜面反射点处的主曲率半径。在焦散区，场强变得很大，几何光学法不能成立。
物理光学法通过对表面感应场的近似和积分求得散射场。这就克服了平表面和单弯曲表面RCS出现无限大的问题，因为感应场保持有限，散射场也同样为有限。与积分方程矩量法一样，物理光学法的出发点也是斯特拉顿-朱兰成散射场积分方程，但矩量法求解表面感应电流时计入了各部分感应电流相互之间的影响，而物理光学法则根据高频场的局部性原理，完全忽略了这种相互影响，而仅根据入射场独立地近似确定表面感应电流。物理光学法不能估算交叉极化的回波。同时物理光学不适合求解光滑的双重弯曲物体。在散射方向远离镜面反射方向时偏差较大，根据经验，物理光学法只能在偏离垂直入射方向范围内得出准确结果。同几何光学一样，物理光学法不能计算散射体上不连续区所产生的电流，需借助于物理绕射理论来进行分析计算。
几何绕射理论把经典的几何光学概念加以推广，系统地引入了一种绕射射线。这种绕射射线产生于散射体表面上有某种不连续性的局部区域，例如物体表面上几何形状和电特性不连续之处以及光滑凸曲面上的掠入射点等。绕射射线的特点是：它不仅能进入几何光学亮区，也能进入几何光学阴影区。因此，绕射射线能计及几何光学射线不能存在的阴影区中的场。因此，几何绕射理论克服了几何光学在阴影区失效的缺点，同时也改善了亮区中的几何光学解。几何绕射理论能对一些无法求得严格解的复杂的电磁辐射与散射问题求得高频近似解，是高频近似方法中最灵活和最有用的方法之一。几何绕射理论的缺点是，在把辐射和散射物体周围空间分成亮区和阴影区的几何光学阴影边界两侧的过渡区内失效。
一致性几何绕射理论克服了几何绕射理论的缺点，用F积分因子与绕射系数相乘。在阴影边界或反射边界上绕射系数为无限大时，F积分为零，而两者的乘积仍保持有限。但不论GTD还是UTD都没有消除焦散区失效的问题。
物理绕射理论克服了焦散区失效的问题，正如GTD是几何光学的引申一样，PTD是物理光学的引申。因为PTD不是一种射线光学理论，所以它在几何光学阴影边界过渡区和射线的焦散区都有效，PTD的难点在于它的最终积分不容易计算，因此物理绕射理论不如几何绕射理论得到广泛应用。
近年来，矩量法在电磁理论中发展很快，它通过把积分方程中的连续变化的未知函数（电流分布）离散化为有限个未知数，积分方程便化为有限维代数方程组，用数字方法即可求解。矩量法要求计算机有大的内存和存储空间，这在过去是难以满足的。随着计算机技术的高速发展，计算机的计算速度和存储容量都有了质的提高，使得过去在计算机上难以实现的矩量法等数值计算方法在今天得以迅速发展，利用矩量法可以得到电磁理论问题的精确解，这是以上介绍的近似方法中无法满足的。
虽然现在已经有多种求解电磁辐射和散射问题的方法，但是，实际上没有一种方法是适用于所有情况的“万能”方法。每一种方法都有其适用范围，都有其优点和局限性。在实际的电磁散射计算中，要根据具体的情况选择合适的计算方法。
不管采用哪种方法，目前计算复杂目标的双站RCS仍然是一个较难的科研课题，国际上也没有报道有效的计算方法。我们国内在雷达的工程组网上也在开始尝试，理论 ..

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