三角板角反射器在RCS定标测试中的应用

欧乃铭 白 明 梁 彬 苗俊刚

(北京航空航天大学 电子信息工程学院，北京100191)

目标的雷达散射截面(RCS，Radar Cross Section)是表征雷达目标对于照射电磁波散射能力的一个物理量.根据不同的应用需求，对雷达目标RCS 的测量［1］可分为单站和双站［2］两种.单站测试系统中的发射机和接收机处于同一位置，而双站测试系统中的发射机和接收机则处于不同的位置.

绝对意义上的单站RCS测试，要求使用单一天线同时进行信号的收发，这种测试系统对发射、接收信号的隔离度要求比较高，且仪器系统成本较高;因此，很多单站RCS测试采用收发分离的形式，即使用两个天线分别进行信号的发射和接收，这种测试系统需要尽可能减小两天线间的串扰，同时要求定标体的RCS值在绝对单站和收发分离单站两种情况下基本相同.

在测试时需要选择与目标RCS量级相当的定标体进行定标，以获得更加精确的定标数据.例如，标准定标球通常用于目标RCS值较小的定标测试，而三角板角反射器通常用于目标RCS值较大的定标测试.

三角板角反射器作为一种重要的器件，在微波电磁场领域具有多方面的应用［3－6］，关于三角板反射器散射特性也有着大量的研究［7－10］，同时它也是目标RCS定标测试中的一种重要的定标体.但人们普遍认为三角板角反射器只适用于绝对单站RCS定标测试，而在收发分离单站RCS定标测试中，其不能再作为定标体［11］.但本文通过对三角板角反射器的研究，根据其单站及小双站角条件下的散射特性，进一步提出了其在收发分离单站RCS定标测试中的应用方案，扩展了其在RCS定标测试中的应用范围.

1 RCS测试简介

图1为单站和双站RCS测试的结构示意图.RCS测试要求目标处于发射机/接收机的远场范围，即由发射机激励的电磁波传播到目标附近时应可以近似视为平面波.为满足这一要求，有两种技术途径，外场测试和内场紧缩场测试.其中，外场测试要求的场地范围较大，同时对外界电磁环境的要求较高，它使得由发射机激励的电磁波能够传播足够远的距离，从而可近似视为平面波;而紧缩场测试通常在室内进行，通过各种类型的反射面天线将由发射机激励的电磁波转化为近似的平面波，从而满足远场测试条件.

图1 单站和双站测试系统结构图

在测定目标RCS时，需要利用RCS值σr已知的定标体进行定标.在发射能量相同的前提下，首先，测定测试背景的散射能量Sb;其次，测定定标体的散射能量Sr;最后，测定目标物体的散射能量St.进而利用式(1)即可求得目标物体的RCS值.

2 三角板角反射器散射特性

为了研究三角板角反射器在单站及收发分离单站RCS定标测试中的应用，首先对三角板角反射器的单站散射特性、小双站角散射特性及方位稳定性进行分析.

2.1 单站散射特性

标准的三角板角反射器如图2所示，假设其口面平行于YZ平面，边BC平行于y轴.

图2 三角板角反射器结构示意图

图3为边长b=300 mm的三角板角反射器工作于10 GHz时，在入射角扫描范围内的后向RCS散射方向图.从中可以看出，三角板角反射器后向RCS散射方向图的主瓣很宽且很平坦.式(2)为主瓣部分峰值的经验公式［12］，其中b为三角板角反射器的边长，λ为工作波长.利用该式得到的主瓣部分的峰值为15.76 dBsm，而图3中通过数值仿真得到的主瓣部分的峰值为15.99 dBsm，两者基本吻合.

图3 三角板角反射器单站RCS散射方向图

2.2 小双站角散射特性

很多内场紧缩场RCS测试场地在进行单站RCS测试时均采用馈源收发分离的形式，这样收发馈源间会形成一个小双站角，因此需要对三角板角反射器在小双站角条件下的散射特性进行分析.图4为边长b=300 mm三角板角反射器工作于 10 GHz，收发馈源小双站角为 0°(单站)，1.2°，2.4°，3.6°，4.8°，6°时，在图 2 所示入射角扫描范围内的小双站角RCS散射方向图.

图4 三角板角反射器小双站角RCS散射方向图

从图4中可以看出，在小双站角逐渐增大的过程中，三角板角反射器RCS散射方向图的主瓣部分明显下降，且呈现较强的纹波，这说明无法利用主瓣峰值部分进行收发分离单站RCS定标测试.同时应注意到，其左右第一旁瓣十分稳定，几乎没有变化，且左右第一旁瓣的峰值与主瓣峰值的量级相当.

2.3 方位稳定性

在利用三角板角反射器进行定标测试时，其方位的摆放是一个很大的问题，因为通常情况下很难将三角板角反射器按照某一目标姿态精确的定位，这就需要对其方位稳定性进行分析.

首先，分析三角板角反射器在摆放过程中相对标准方位绕z轴旋转一定角度的情况，见图5.图6 ～图 8 分别为双站角 0°(单站)，2.4°，4.8°时，三角板角反射器绕z轴旋转0°(标准方位)，1°，2°，4°的 RCS 散射方向图的对比.

图5 三角板角反射器绕z轴旋转一定角度

其次，分析三角板角反射器在摆放过程中相对标准方位绕x轴旋转一定角度的情况，见图9.图 10 ～ 图 12 为双站角 0°(单站)，2.4°，4.8°时，三角板角反射器绕x轴旋转0°(标准方位)，1°，2°，4°的RCS散射方向图的对比.

通过上面的分析可以看出，三角板角反射器RCS散射方向图中主瓣及右侧第一旁瓣具有很高的方位稳定性，当三角板角反射器在摆放过程中出现一定的方位偏差时，这两部分的变化幅度很小;而其左侧第一旁瓣的方位稳定性很低，当三角板角反射器出现方位偏差时，其变化明显.

图6 双站角为0°(单站)时，三角板角反射器绕z轴旋转不同角度的RCS散射方向图的对比

图7 双站角为2.4°时，三角板角反射器绕z轴旋转不同角度的RCS散射方向图的对比

图8 双站角为4.8°时，三角板角反射器绕z轴旋转不同角度的RCS散射方向图的对比

图9 三角板角反射器绕x轴旋转一定角度

2.4 结果分析

图10 双站角为0°(单站)时，三角板角反射器绕x轴旋转不同角度的RCS散射方向图的对比

图11 双站角为2.4°时，三角板角反射器绕x轴旋转不同角度的RCS散射方向图的对比

图12 双站角为4.8°时，三角板角反射器绕x轴旋转不同角度的RCS散射方向图的对比

三角板角反射器的后向散射方向图中有三个部分较为引人注意，分别为其主瓣部分、左侧第一旁瓣部分及右侧第一旁瓣部分，它们均具有很高的RCS值.图13指出了这三部分对应的入射角的范围.可以看出，左侧第一旁瓣的峰值点对应于平面波入射方向垂直于BOC平面的情况，此时三角板角反射器可近似视为平板反射器，而该旁瓣部分所体现出来的小双站角RCS值与单站RCS值的近似性、方位的不稳定性、较小的宽度范围，正是平板反射器的散射特性;右侧第一旁瓣的峰值点对应于平面波入射方向平行于BOC平面的情况，此时三角板反射器可近似视为二面角反射器，而该旁瓣部分所体现出来的小双站角RCS值与单站RCS值的近似性、方位的稳定性、较小的宽度范围，正是二面角反射器的散射特性;主瓣部分的峰值点对应于平面波入射方向垂直于ABC平面的情况，其体现出来的小双站角RCS值与单站RCS值的非近似性、方位的稳定性、较大的宽度范围，正是三角板角反射器区别于其它定标体的主要特性.

图13 三角板角反射器RCS散射方向图中主瓣及左右第一旁瓣对应的平面波入射方向

3 定标应用方案

本节提出三角板角反射器在单站及收发分离单站RCS定标测试中的应用方案，并对其在定标测试中的优越性进行说明.

3.1 单站定标应用方案

通过第2节的分析可知，三角板角反射器后向RCS散射方向图的主瓣部分很宽且很平坦，并具有较强的方位稳定性，因此其非常适合作为单站RCS定标测试的定标体.定标过程中，只需使三角板角反射器的口面垂直于平面波的入射方向，进行单次测量即可(这主要是利用了主瓣部分宽且平坦的特点，即使三角板角反射器的摆放角度和方位出现一定的偏差，其测量值也不会有很大变化)，如图14所示.

图14 三角板角反射器在单站定标中的应用方案

3.2 收发分离单站定标应用方案

若某一定标体能用来进行收发分离单站RCS定标测试，其必须满足两方面的要求:①定标体目标方位的RCS值在单站和小双站角两种情况下没有明显变化;②定标体目标方位的RCS值具有很高的方位稳定性.

从第2节的分析可知，对于三角板角反射器，收发馈源间呈现的小双站角会导致其散射方向图主瓣部分明显下降，且呈现较强的纹波;同时，其左侧第一旁瓣的方位稳定性很低.这说明三角板角反射器的主瓣部分和左侧第一旁瓣部分均不能作为收发分离单站RCS测试的定标参考点.但三角板角反射器后向散射方向图的右侧第一旁瓣在收发馈源呈现小双站角时没有明显变化，同时具有很高的方位稳定性，故可考虑将其作为收发分离单站RCS测试的定标参考点.

利用该峰值点进行定标时应注意:右侧第一旁瓣的宽度较窄，为了能够准确找到该峰值点，需对三角板角反射器进行角度扫描测试，将测量范围集中于图15所示的入射角度扫描范围内，同时尽可能减小角度扫描间隔.另外，根据大量仿真结果的总结与验证，于式(3)中给出了该峰值点的解析数值，定标过程中可直接应用.

图15 三角板角反射器在收发分离单站定标中的应用方案

3.3 三角板角反射器的优越性

从上述分析可看出，三角板角反射器与其它常用的RCS值较大的定标体(如平板反射器和二面角反射器)相比，在绝对单站测试条件下，无需花费大量的时间来调整定标体方位，只需粗略确定口面指向，进行单次测量即可，这也是它相对于平板反射器和二面角反射器的最大优势.另外，根据本文的分析，三角板角反射器同样适用于收发分离单站RCS定标测试，这也进一步体现了三角板角反射器在RCS定标测试中的广泛的适用性.

4 结论

本文对三角板角反射器的散射特性进行分析，提出了其在单站及收发分离单站RCS定标测试中的应用方案.三角板角反射器后向散射方向图的主瓣部分很宽且很平坦，同时具有很高的方位稳定性，很适于单站RCS定标测试;对于收发分离的单站RCS定标测试，由于小双站角的存在，三角板角反射器散射方向图的主瓣部分明显下降，且呈现较强的纹波，而其左侧第一旁瓣的峰值虽然在存在小双站角时没有明显变化，但其方位稳定性极差，故三角板角反射器散射方向图的主瓣部分和左侧第一旁瓣部分均不适用于收发分离的单站RCS定标测试.其右侧第一旁瓣的峰值不但不会由于小双站角的存在出现明显的下降，而且具有很高的方位稳定性，故可利用其进行收发分离的单站RCS定标测试，从而有效扩展了三角板角反射器在RCS定标测试中的应用范围.

References)

［1］Hess D W.Introduction to RCS measurements［C］//Loughborough 2008 Antennas and Propagation Conference.Piscataway，NJ:IEEE，2008:37－44

［2］Bradley C J，Collins P J，Temple M A，et al.Issues in the calibration of bistatic RCS measurements［C］//IEE 2001 Eleventh International Conference on Antennas and Propagation.London:IEE，2001:293－297

［3］Sarabandi K，Chiu Tsen-Chieh .Optimum corner reflectors for calibration of imaging radars［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1996，44(10):1348－1361

［4］Xia Ye，Kaufmann H，Guo Xiaofang.Differential SAR interferometry using corner reflectors［C］//IGARSS 2002.Piscataway，NJ:IEEE，2002:1243－1246

［5］Michelson D G，Jull E V.Depolarizing trihedral corner reflectors for radar navigation and remote sensing［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，1995，43(5):513－518

［6］Strozzi T，Tosi L，Teatini P，et al.Monitoring land subsidence within the Venice Lagoon with SAR interferometry on trihedral corner reflectors［C］//IGARSS 2009.Piscataway，NJ:IEEE，2009:33－36

［7］Kubicke G，Bourlier C，Saillard J.A physical optics solution for bistatic RCS of triangularly shaped trihedral corners for any incidence and observation angles［C］//EuCAP 2006.Piscataway，NJ:IEEE，2006:1－6

［8］Li Chengfan，Zhao Junjuan，Yin Jingyuan.Analysis of RCS characteristic of dihedral corner and triangular trihedral corner reflectors［C］//ICCSE 2010.Piscataway，NJ:IEEE，2010:40－43

［9］Hanninen I，Pitkonen M，Nikoskinen K I，et al.Method of moments analysis of the backscattering properties of a corrugated trihedral corner reflector［J］.IEEE Transactions on Antennas and Propagation，2006，54(4):1167－1173

［10］Nohara E L，Miacci M A S，Peixoto G G，et al.Radar cross section reduction of dihedral and trihedral comer reflectors coated with radar absorbing materials(8－12 GHz)［C］//IEEE Microwaveand OptoelectronicsConference.Piscataway，NJ:IEEE，2003:479－484

［11］Bradley C J，Collins P J，Fortuny-Guasch J，et al.An investigation of bistatic calibration objects［J］.IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing，2005，43(10):2177－2184

［12］黄培康，殷红成，许小剑.雷达目标特性［M］.北京:电子工业出版社，2005:54－61 Huang Peikang，Yin Hongcheng，Xu Xiaojian.Characteristics of radar target［M］.Beijing:Publishing House of Electronics Industry，2005:54－61(in Chinese)