雷达波束宽度对低空目标RCS测量的影响

沈 鹏，张德保，宋 广

（解放军91404部队，秦皇岛066001）

0 引 言

当物体被电磁波照射时，能量将朝各个方向散射，定量表征目标散射强弱的物理量称为目标对入射雷达波的有效雷达截面积（RCS）。雷达截面积的准确测量对目标识别与分类、雷达对抗、目标隐身及雷达反隐身等都具有重要意义。在利用RCS测量雷达对低空目标进行RCS测量的过程中，雷达的技术参数、环境因素等都会对RCS的精确测量产生影响［1－3］。本文基于RCS测量的基本原理，针对雷达的波束宽度对低空目标RCS的准确测量产生影响这一问题进行了详细的分析研究，为进一步提高目标RCS测量精度提供了依据。

1 RCS测量原理分析

式中：R为目标距雷达的距离；Es、Ei分别为散射电场、入射电场强度。

若是从雷达方程的角度则可定义为：

式中：PT、PR分别为发射机输出功率与天线接收功率；λ为雷达工作波长；G为天线增益；L为损耗系数。

在采用相对测量法进行雷达RCS外场测量过程中，利用RCS值已知的标校球对天线接收功率与目标RCS值的关系进行标校，从而通过测量目标的回波功率，按照式（2）就可推算出目标的RCS。

2 波束宽度对RCS测量的影响

从式（1）、（2）可以看出，在其它条件一定的情况下，当雷达波束宽度不一样时，影响目标RCS测量的因素可以从电磁散射的角度和雷达方程2个方面进行分析。此处结合实际外场测量情况，对雷达波束宽度与低空目标RCS测量的关系进行分析。

2.1 波束调制对RCS测量的影响

由雷达目标RCS的电磁表达式（1）可以看出，它的推导是假定目标截获无穷远处的平面波。这在实际测量中即表现为RCS测量的远场条件要求，即将入射到目标上的球面波近似为平面波［5－6］。但是在大的目标测量时（如对于箔条云等），当考虑到箔条云对电磁波的反射因波束宽度的不同而入射情况不一样时（即波束调制），不同波束宽度的测量雷达在同频点的测量数据的一致性就会受到影响。

在进行目标RCS测量时，可通过对测量距离的控制，尽可能使测量满足远场条件，但测量距离往往受到测量雷达威力的制约，即为了达到测量信噪比要求，测量距离不能太远。在实际RCS测量过程中，要综合考虑测量信噪比和远场条件，往往通过选择测量距离，确保被测目标（如箔条云）处于测量雷达半功率波束宽度内。

为简化分析，假设测量天线有着理想的视轴，且其场强方向图为cos形式［3］，如图1，即：

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式中：2θ0为测量雷达天线3dB波束宽度。

当目标位于测量雷达波束宽度之中时，由图1并结合公式（1）可知，在入射电场强度一定的情况下，目标在主波束宽度内每一点的反射电磁场在接收机处的场强之和与目标的RCS大小成正比。此处假设目标各点均匀反射，即各点反射幅度和电场相位一致，由此接收机处场强的大小即为图1中的各曲线与相对场强曲线所包含的旋转体部分体积的大小，即：

当测量雷达的波束宽度变化时，从图1可以看出目标在接收机处的反射电场强度必将发生变化，也即所测量的目标RCS大小也会发生变化。结合外场实际雷达波束宽度变化的情况，对同一目标，当雷达半波束宽度由θ0增加到2θ0时，考虑到电磁波的双程情况，由式（3）、（4）可得：

图1 测量雷达天线场强方向图

由以上分析可以看出：对于同一目标，波束宽度不同，目标的波束调制情况也不一样，这必将会导致同频点不同波束宽度时目标RCS测量数据的不一致。

2.2 海面多路径效应对RCS测量的影响

复杂海面背景条件下的低空箔条云多路径是非常复杂的，其多路径反射回波主要包含直反射、漫反射、镜反射、海杂波等成份。对于在测量过程中未产生多路径效应的箔条云，其质心位置位于它的几何中心。而产生了多路径效应的箔条云团的质心将会向海面偏移，为它和它的虚像的合成质心，偏移的角度由海面反射系数的模ρ0和直射波与镜像波所分别对应的雷达天线增益G1、G2决定。

考虑到测量海域的实际情况，可认为起主要作用的是镜面反射，其几何关系图如图2所示。

图2 海面的镜面反射几何关系图

在图2中，设目标处直射波与反射波强度分别为：

式中：G1为测量波束最大指向的增益；G2为海面多路径方向的天线增益；ΔR为直射波与镜面反射波的单向路程差；ρ0为海面反射系数的模；φ为直射波与反射波的相位差。

在目标处，实际收到的电磁场强度为直射波与反射波的电场强度的矢量和，它的模为：

当用｜F｜表示单向多路径增益时，其表达式为：

则由等式（6）、（7）可知：

由功率与场强的关系，目标处合成功率增益为：

而考虑到雷达信号的双程情况，则雷达处的回波功率相对于自由空间则增加了｜F｜4倍，即：

故对于低空目标，雷达与目标回波的能量关系式为：

结合自由空间的雷达方程（2），有：

在对低空箔条云测量时，G1是测量波束最大指向的增益，而G2为海面多路径方向的天线增益，总有G1≥G2。显然波束宽度越大，G2／G1越接近1，对应海面多路径效应因子越大。在实际测量中，海面多路径效应对具有较宽波束的测量雷达的测量结果贡献较大，对波束较窄的RCS测量雷达的测量结果贡献较小，故引起其RCS测量值偏小。

3 实例分析

针对上述的分析情况，结合对某一低空目标的实际测量，分别取2θ0＝1°和2θ0＝2°，在测量中目标距海面约50m高，且不同波束宽度的目标测量同时进行，其测量数据如图3所示。

图3 低空目标测量数据

从图3可以看出，对于低空目标，当波束宽度增大1倍时，明显能看出目标的RCS变大，最大能增大7dB，最小的也有1dB，平均增加约5dB，与前述分析情况相一致。从而说明了雷达波束的不同对同一目标的RCS测量有着极大的影响。

4 结束语

目标RCS测量是研究目标特性的重要内容，其测量的精度及数据的一致性对研究目标的电磁特性有着决定性的作用。文中结合实际外场RCS测量，研究分析了由于测量雷达波束宽度不同所导致的雷达波束调制情况及多路径效应的差异对目标RCS测量的影响，这对于提高外场低空目标RCS测量的精度及事后数据处理的修正等都具有指导意义。

［1］黄培康，林桂森，樊正芳，等.雷达目标特征信号［M］.北京：宇航出版社，1993.

［2］斯科尔尼克 M I.雷达手册（合订本）［M］.王军，林强，米慈中译.北京：国防工业出版社，1978.

［3］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.

［4］克拉特E F.雷达散射截面——预估、测量和减缩［M］.阮颖铮，陈海，韩小英，等译.北京：电子工业出版社，1988.

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

［6］阮颖铮.雷达截面与隐身技术［M］.北京：国防工业出版社，1998.