一种新型定标体RCS计算仿真及应用研究

一种新型定标体RCS计算仿真及应用研究

李宝鹏吴春林彭志刚

（海军航空工程学院青岛校区航空电子系青岛266041）

分析了雷达散射截面测中常用定标体RCS特性，设计了一种新型球型组合定标体，利用CSTMWS电磁场仿真软件对球型组合定标体的RCS进行了仿真计算，得到了全空间RCS特征值，表明该型定标体具有良好的散射特性及空间对称性，在雷达性能验证RCS定标应用中得到了理想应用。

雷达散射截面；RCS；定标体；球型组合体；CST

Class NumberTN95

1 引言

定标体在目标雷达截面（RCS，Radar Cross Section，RCS）测量计算中具有十分重要的地位，RCS测试时必须选择一个RCS值数量级相当精确的定标体，这样才能获得更加精确的定标数据。目前常用的几种类型定标体有各自应用局限性，如球型定标体一般用于RCS值较小的定标测试，三角板定标体一般用于绝对单站RCS定标测试，姿态不易调整，还有些定标体存在后向散射角小或RCS起伏剧烈的缺点［1～2］。在实际使用中，尤其是野外远距离使用时，常存在雷达波束对准难、定标体姿态调整难等问题，从而引发测量结果不准确。因此，设计一种全空间散射面积大、各散射角范围内RCS起伏小的新型定标体，在实际工程应用中具有十分重要的应用价值。

2 RCS测量理论

雷达目标散射截面积是定量雷达目标对于照射电磁波散射程度强弱的一个物理量，它是目标的一种假想面积。雷达目标散射截面用符号σ表示，计算方式见式（1）：

其中Ei为入射波场强，Es为距离目标R处的散射场强。

当雷达与目标相距足够远时，照射目标的入射波近似为平面波，这时σ与R无关，此时在远场条件下，σ计算方式见式（2）：

RCS的单位是m2，由于目标的RCS动态变化范围非常大，为了表述方便，常用其相对于lm2的分贝数来表示，记为dB.m2，即：

RCS是雷达对目标探测与识别的重要依据，是军用武器（如飞机、舰船）隐身设计、雷达性能检验需研究的重要参数。它与目标的几何参数（形状、尺寸等）和物理参数（如结构、材料等）有关，又与入射波的参数（如频率、极化、波形）有关，同时还与雷达照射目标的姿态角有关［3～4］。当用相对测量法进行目标雷达散射截面测量和雷达系统校准等工作时，都需要有一个已知精确RCS的定标体进行相对标定，只有确定了定标体RCS后的测量数据才会精确，因此必须掌握不同几何尺寸定标体高精度RCS值［5］。

3 常见定标体RCS特性

在雷达散射截面测试时需要选择与入射波频率、目标距离、目标RCS量级等因素相匹配的定标体进行定标，以获得更加精确的定标数据。因此，不同的工作环境定标需求需要不同类型的定标体，常用的定标体有导体球、平面体、二面体、三面体等［6～8］。下面就导体球、圆平面体、矩形三面体单站RCS特性进行分析。

3.1 球形定标体RCS特性

金属球的散射特性满足各向同性，姿态摆放要求简单，是目标RCS测量中常用的定标体。但球型定标体与同等尺寸其他类型定标体相比RCS较小，因此通常用于目标RCS值较小的定标测试。理想导体球由于它的对称性，从理想导体散射的波和入射波都是同一极化的，因此，交叉极化的后向散射波几乎为零。理想导体球归一化的精确后向散射RCS见式（4）：

其中，r是球的半径，k=2π/λ，λ是入射波波长，Jn是n阶第一类球贝塞尔函数是n阶Hankel函数，Yn是n阶第二类球贝塞尔函数。

取半径为20 cm的理想导体球，计算入射方向θ=0，ϕ=0，入射波频率1GHz～20GHz导体球单站RCS值和入射波频率10GHz不同入射角度θ下RCS值，仿真结果如图1、2所示。

3.2 圆形平面定标体RCS特性

圆形平板是中心在原点，半径为r的圆形平板。由于圆的对称性，圆形平板的后向散射RCS与无关。RCS只与视角有关。圆形平板后向RCS计算公式如下：其中，k=2πλ，J1(β)是第一阶球贝赛函数在β处的取值。

取圆形平面半径r=20cm，计算在频率为30GHz入射波在沿法相任意入射角度时RCS，仿真结果如图3所示。

3.3 三面角定标体RCS特性

三面角定标体有三块相互垂直的金属平板构成，如图4所示，由于其特殊的几何结构，当各平板相互正交，会对入射电磁波产生多重内反射，能在很宽的角度范围内产生强烈的回波散射，具有强烈的后向雷达散射截面，而且物理结构稳定性高，在单站大目标RCS的定标测试应用比较广泛。

三面角反射器包含了正方形角反射器、三角板角反射器、圆板角反射器，它们的RCS计算公式和全姿态角平均RCS值均列于表1中。可见传统三面角反射器有明显缺陷，其RCS强烈依赖于入射波长，与入射波长的平方成反比关系，而实际目标的RCS曲线和雷达图像基本上与电磁波的波长无关。而且，三面角定标体的极化散射特性不满足各向同性，其姿态摆放误差将引起校准偏差，限制了校准精度。

表1 三角面反射器RCS值

4 球型组合定标体RCS分析计算

基于球型、平面、三角面不同类型定标体RCS特性，结合某型机载雷达RCS定标实际工作环境，本文设计了一种新型球型组合定标体，如图5、图6所示，球型组合定标体由三块圆板正交组合而成，在三维空间构成了八个圆形三角面定标体。因此，该球型组合兼顾了三角面大的散射面积、球型几何对称姿态角易摆放等优点，下面利用CST微波暗室法对该型定标体的RCS特性进行仿真分析。

4.1 CST微波暗室法

CST微波工作室是德国CST公司开发的，用于天线及微波无源器件的仿真、分析、快速设计、精确高频仿真三维电磁场仿真软件。CSTMWS软件可以对电小、电中、电大各种电尺寸进行仿真分析，适应各种用户的需求，尤其善于计算时域及电大、复杂结构和宽带问题。它包含时域、频域和本征模三个求解器，其中时域求解器是CST的主流模块。在具备三个求解器的同时CSTMWS还提供了两种网格剖分方法—六面体网格和四面体网格，用户可以根据具体问题选取不同的网格剖分方法，已达到很高的精度和速度。并且由于CSTMWS中共形子网格技术的加入，CST微波工作室真正做到了自适应网格加密，使得仿真的进度和速度都大大提高。利用CST MWS软件实现目标RCS仿真计算可分为以下五个主要步骤［9］：

1）工程建立。根据目标电尺寸大小选择合适的工程模板。

2）几何建模。设置模型参数（尺寸、频率、时间等的单位），可以自行建立几何模型或导入由其他软件已建立的立体模型。

3）参数设置。主要包括频率范围、边界条件，选择平面波入射，设置入射波的极化类型、传播法矢量和电场矢量等。

4）网格划分。一般来说网格单元边长取1/8～1/10波长。CST可选择六面体剖分，可用求解器较多。

5）求解器（算法）选择。CST内含七个求解器，仿真中常用的有时域有限积分（TD）、矩量法（MOM）、多层快速多极子（MLFMM）等。

4.2 球型组合定标体RCS仿真及分析

选定球型组合体半径r=5.5m，厚度50mm，CST仿真参数设置为：入射波为平面波，水平极化，频率为1GHz，采用时域求解器（TD）求解，剖分采用1/8波长进行网格剖分。不同入射角度下的球型组合体全空间单站RCS仿真计算结果如图7～图10所示。可见，该定标体全空间RCS具有明显空间对称性，主瓣出现在两圆面交界轴向上，旁瓣各方向RCS截面特征明显。定标体RCS在10.4dB⁃sm～15.5dBsm之间，当入射波方向为Theta=45°，Phi=45°时，定标体平均RCS达到最大值约为13.2dBsm。这说明采用该定标体进行RCS测试时，从不同方向上入射都可以获得理想RCS特征值。

实践证明，用该型定标体改装实验船模拟RCS约为100 dBsm大目标海面舰船，如图11所示，在某机载雷达对目标探测距离验证中雷达发现目标时间短、探测距离远、测量数据准，取得了理想实验结果。这验证了改型定标体在实际应中价值。

5 结语

本文基于实验需求设计了一种新型球型组合定标体，并仿真分析了球型组合定标体RCS全空间特性，相对于其他类型定标体，该定标体结构简单，姿态易调整，具有宽角度均匀散射特性，适用于野外远距离条件下微波段雷达测试适用，具有一定的工程利用价值。

［1］周文明，宋建社，郑永安.常见定标体的雷达截面计算与仿真［J］.电光与控制，2017，10：28-33.

［2］翁寅侃，李松，易洪.合成孔径雷达角反射器的优化设计［J］.华中科技大学学报（自然科学版），2014，12：53-54.

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［5］Hess D W.Introduction to RCSmeasuremen-ts［C］// Loughborough 2008 Antennas and Prop-agation Confer⁃ence0.Piscataway，NJ：IEEE，2008：37-44.

［6］范菊红，王月清.二面角反射器的RCS特性分析［J］.舰船电子工程，2006，2：148-152.

［7］陈德喜，颜俐，王海婴.FEKO软件RCS仿真应用［J］.舰船电子工程，2008，9：126-128.

［8］欧乃铭，白明，梁彬.三角板角反射器在RCS定标测试中的应用［J］.北京航空航天大学学报，2013，2：220-224.

［9］CSTChina.CST微波工作室适用算例汇编［M］.上海：上海软波工程软件有限公司：1-10.

Simulation and Application of A New type of Calibration object RCS

LI BaopengWU ChunlinPENG Zhigang
（Qingdao Branch of Naval Aeronautical Engineering Institute，Qingdao266041）

RCS characteristics of common calibration objects in radar scattering cross section is analyzed，a ball type combina⁃tion calibration objects has been designed，andtotal spatialcharacter of RCS is simulated through CSTMWS.The simulation shows that this calibration objects have good scattering characteristics and spatial symmetry，and it has been applied to RCS scaling of ra⁃dar performance testing with ideal result.

radar scattering cross section，RCS，calibration object，ball typecombination，CST

TN95

10.3969/j.issn.1672-9730.2017.08.035

2017年2月8日，

2017年3月24日

李宝鹏，男，硕士，讲师，研究方向：航空雷达性能检验。吴春林，男，硕士，讲师，研究方向：警戒引导雷达指挥。彭志刚，男，硕士，讲师，研究方向：航空雷达目标检测。