《雷达目标特性》 学习笔记（二）

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第2章 雷达散射截面理论基础

2.1 RCS的定义和分类

2.1.1 定义

目标的雷达散射截面(RCS, Radar Cross Section)用于表征雷达目标对照射电磁波散射能力。
RCS的量纲为面积单位 $m^2$，符号σ。但是需明确它与实际目标的物理面积几乎无关 ，不要将RCS称作雷达截面积。
对于RCS的定义有两种观点：

其一：基于电磁散射理论的观点

$|E_s{|}^2$ 距离目标R处的目标散射场强 $|E_i{|}^2$ 目标入射场强

其二：基于雷达测量的观点

以上两种观点的基本概念统一，均将RCS定义为

$RCS=4\pi$$\frac{目标朝接收方向散射的功率密度}{从给定方向入射于该目标的平面波功率密度}$

基于电磁散射理论的式（2.6）更适于理论计算
基于雷达测量的式（2.9）更适于用相对标定法测量目标RCS。

相对标定法：
将已知精确RCS的定标体、待测目标放于同一距离，其他条件均相等的情况下，测得雷达接收功率$P_{r_0}$和$P_r$，可得待测目标RCS：
$\sigma =\frac{P_{r_0}}{P_r}{\sigma }_0$

2.1.2 宽带RCS

• 常规雷达中，目标散射的雷达回波频率等于雷达发射频率。

• 而在宽带高分辨雷达中，照射波不是单色波，频谱很宽，而由于目标的对照射谱内各频率分量响应不同，散射回波的谱分布特性与发射谱分布有较大差异。
• 为了研究并表征任意照射谱下目标散射特性，需引入时域冲激响应概念，以此定义宽带RCS。

如果目标姿态角不变，则系统时不变，可将目标看作时不变线性系统，目标特性用冲激响应$h(t)$表征。
当入射平面波$E_i(t)=\delta (t)$照射有限尺寸（max=L）的目标时，其回波就是冲激响应$h(t)$，它具有如下特性：

由特性（3）推导出目标宽带RCS计算公式：

式（2.17）表明，宽带照射下目标RCS可用目标散射场频域传递函数的平方表征。

推导过程：

$Q?$

$式（2.11）的t-z/c?$
$归一化h_1(t-r/c)?$

2.1.3 RCS分类

• 波长对RCS值的影响很大，重点叙述波长对RCS分类的方法：
  引入一参数$ka$，是波长归一化的目标特征尺寸。
  $$ka=2\pi \frac{a}{\lambda }$$
  $k=2\pi /\lambda =2\pi f/c$称为波数，$a$为目标特性尺寸，通常取目标垂直于雷达视线横截面中的最大尺寸的一半。

$Q:$

$这里的归一化，为什么原尺寸乘波数$

2.1.4 单、双站RCS的等效关系

刚才提到，按雷达站接收、发射位置可将RCS分为单站RCS、准单站RCS和双站RCS，如图2.5

注：双站角β（双基地角）为发射入射波和接受散射波的夹角

• 为什么研究单双站的等效关系？
  它具有明显的理论和实际应用价值。例如，电磁散射理论研究者通过数值发求解RCS时，计算双站RCS会比单站RCS节省更多时间；对于雷达设计者，可通过单站RCS了解双站RCS的规律。
• 一些文献结论
  当双站角β小于一定值时，双站RCS与位于发射和接收方向之间的双站角平分线处的单站RCS相同。
  
  由目标单站RCS快速计算其双站RCS的经验公式：
  

2.1.5 理想导电目标的电磁缩比关系

暗室尺寸有限，因此室内散射测量中，测量的只是目标缩比模型。
下表给出了理想导电全尺寸目标与缩比目标模型的电磁缩比关系（s为缩比模型相对于全尺寸模型的缩比因子）：

把σ的单位换成dB:

$lg(σ’.s^2)=lg(σ)=lg(σ’)+2lg(s) $ $ σ单位为$m^2$

dB分贝计算公式：dB=10lg(原式)

$10lg(\sigma )=10lg({\sigma }^{\prime })+20lg(s)$

$\sigma ={\sigma }^{\prime }+20lg(s)$ σ单位为$dB$

2.2 RCS预估方法

2.3 常用定标体的RCS精确值

在用测量方法求得各种目标RCS时，都需要有一个已知精确RCS的定标体进行相对标定，必须掌握几种不同量级的定标体RCS值：

1 金属导体球

图2.19(a)所示为瑞利区导电球的NRCS值，其中ka=0~2，在对ka=1附近的数据做标定非常有用。

除此之外导电球的相位信息也非常有用，在微波成像和识别、角闪烁等研究中都要用到。图2.20给出导电球相位-ka变化曲线。

2 金属平板

$Q:$

后向RCS公式：很复杂，见p51

3 光学类反射器

下面介绍几种三面反射器和龙伯球透镜反射器。它们是基于光学原理设计的可用于RCS标定的反射器，通过镜面反射、透射与聚集等作用将电磁波从来波方向原路反射，且使其得到增强。

这些反射器的$RC{S}_{max}$可由表2.9中的公式计算，也可由图2.25直接读出。

图2.28给出$b=73.6cm$的三角形三面镜反射器在15.2GHz频率上两种极化后的后向RCS测量结果（角反射器口径垂直于地面；HH：尖头着地；VV：一条边着地）

有时为了获得更宽角度范围内大的RCS，需要将多个三面角反射器进行适当组合。图2.29是3个$b=73.6cm$的三角形三面反射器的一种排列组合方式，三个反射器沿圆弧排列，其在15.2GHz频率上的后向RCS的HH极化如图2.30

上述几种角反射器对极化是逆转$180^o$的，也就是说

• 介质板角反射器，如图2.31,相对频带宽度10%
• 介质填充角反射器，如图2.32，介质介电常数$2.3\le {\epsilon }_r\le 4.0$，频带宽度同不填充介质的角反射器。

图2.33是给三角形三面反射器的一个内表面上按规定的尺寸和取向加上金属片或矩形槽纹，当其入射波为：

• 入射波：垂直和平行场分量相等的线极化波
• 反射波：圆极化或$90^o$扭转极化波
  
  图2.35为两块矩形板正交形成的二面角反射器，它也可用于RCS的标定。二面角反射器具有三面角反射器不具备的一种特性，即通过适当取向，二面角反射器是一种强的交叉极化回波源。当二面角旋转$45^o$时，它既可用于同极化RCS的标定，也可用于交叉极化RCS的标定。
  

$Q:$

怎样理解前向散射和后向散射？文中的后向RCS就是后向散射测量计算所得吗