前面的论述可知,要降低雷达探测距离,对于目标而言,降低目标的RCS是唯一途径,所以,对RCS进行阐述是必要的。
当目标被电磁波照射时,目标会反射、吸收电磁波,除了吸收并耗散在目标内部的电磁波外,其余的能量将朝各个方向散射,散射场与入射场之和就构成空间的总场,散射能量的空间分布称为散射方向图,它取决于物体的形状、大小和结构,以及入射波的频率、极化等。
定量表征目标对雷达波散射强弱的物理量称为目标对入射雷达波的有效散射截面积,即目标的雷达散射截面RCS,也称作雷达散射面积,是一个虚构的面积。
接收天线通常被认为是一个“有效接收面积”的口径,该口径从通过的电磁波中截获能量,而出现在接收天线终端的接收功率则等于入射波功率密度乘以暴露在这个功率密度中的天线的有效面积。同样,雷达目标反射或散射的能量也可表示为一个有效面积与入射雷达波功率密度的乘积,这个面积就是雷达散射截面,用符号σ来表示。定义为:单位立体角内目标朝接收方向散射的功率与从给定方向入射于该目标的平面波功率密度之比的4π倍。
式中:Qb为接收机接收到的目标后向散射功率密度或能量(W/m2);Qt为目标处的雷达入射功率密度或能量(W/m2)。真实目标的雷达截面积不可能用一个简单的常数作为有效模型,通常是视线角、频率、极化的复杂函数,即使是简单目标。
不同性质、形状和分布的目标,其散射效率是不同的。为确定这一效率,目标的雷达截面积σ,也可等效为一个各向同性反射体的截面积,其表达式为:
式中:A为照射面积(m2);λ为工作波长(m)。
通常,雷达发射天线和接收天线离目标很远,即到目标的距离远大于目标任何有意义的尺寸,因此,入射到目标处的雷达波可认为是平面波,而目标则基本上是点散射体。如果假定该点散射体各向同性地散射能量,因散射场依赖于目标相对于入射和散射方向的姿态,所以,假想散射体的散射强度和雷达散射截面都随目标的姿态角而变化,即雷达散射截面积不是一个常数,而是与角度密切相关的一种目标特性。
如前所述,RCS是一个面积,用σ表示,单位为m2,也可用dBsm表示,两者的换算关系如下。
dBsm=10lgσ
(10-6)
通常,感兴趣的目标的RCS典型值的范围为0.01m2或者数百平方米,表10-9列出了不同类型目标的RCS的典型数值。
表10-9 微波频率目标的典型RCS的数值(www.xing528.com)
尽管研究RCS的方法包括理论分析和测试技术,但是对于复杂目标,利用现有手段计算其RCS非常困难,因此,测试技术是最有效、快捷和准确的手段。
目标RCS采用自由空间反射的相对标定法进行测量。在确定的雷达工作频率、极化方式及功率密度入射条件下,用RCS精确已知的金属球作为标准体,对测量系统进行频响误差校准。经校准后的系统即可进行RCS精密测量。在测量过程中,还采用了背景矢量相减、距离选通门等处理技术,以降低背景电平,提高测量精度。
RCS测试根据测试场地的不同可分为外场测试和室内测试,其中,室内场测试也称紧缩场测试。以中国航天科工集团第三总体设计部RCS紧缩场为例,测量系统主要由双反射面紧缩场系统、馈源、基于ZVA矢网的射频子系统、转台及低散射目标支架、转台控制器和测量控制计算机等组成,如图10-5所示。系统校准、目标测量和数据采集处理均由计算机控制完成。
图10-5 RCS紧缩场测量系统组成
被测目标的RCS由式(10-7)计算:
式中:σdBsm为被测目标的RCS真实值;σ'dBsm为标准金属球的RCS理论值;S21、S'21分别为被测目标和标准体的测试值。
测试步骤如下。
(1)测量空暗室,获得背景响应,进行对消,减小杂波影响。
(2)测量金属球获得定标参考体响应。
(3)测量目标,获得目标的响应,记录数据。
(4)测量无目标的动态空室获得动态空室的响应。
(5)经处理后得到目标RCS测量结果。
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