雷达原理笔记之目标的雷达截面积(RCS)

雷达原理笔记之目标RCS

——南京理工大学许志勇老师的《雷达原理课程》浅析

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雷达通过接收目标的反射电磁波实现对目标的探测。因此对目标反射电磁波特性的研究就至关重要。本文重点对目标RCS对雷达设计的指导意义进行阐述。

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我们通常将雷达视作现代战争的“眼睛”，而这双“眼睛”跟我们人类的眼睛有所不同。我们所观察到的物体是物体反射的光线进入人眼处在所谓的“光学区”。雷达接收到的是电磁波，不同物体电磁波反射特性不同，因此为使雷达对特定目标的探测能够稳定，应使雷达处在“光学区”。

不同物体反射电磁波可能是多方向的，而真正对雷达探测有利的是后向散射。目标的后向散射特性受多种因素影响：本身的特性、视角、极化、入射波波长等。其中与入射波波长关系最大。

1.RCS基本知识点

1.1定义

指目标的有效散射面积，即在目标无损耗的向各个方向均匀散射全部入射电磁功率的假设下，计算出的垂直于散射方向的目标电磁面积。

• 目标的后向散射雷达截面积，定义如下：
  $\sigma=\frac{P_2}{S_1}=4\pi R^2\frac{P_2}{P_1}$
  其中：P₂为目标的后向反射的电磁功率，P₁为入射电磁功率

从接收机角度看，任意形状目标与具有相同RCS的理性金属球体无差别，为方便对目标RCS的研究，引入理想模型“理想金属球体”（完全导电，各向同性）。

1.2RCS与电磁波波长关系

上图是（远距离搜索型）雷达截面积与波长的关系曲线，横坐标是对波长归一化的目标的尺寸。下面简要分析各个区域形成的原因：

• 瑞利区：入射电磁波波长大于理想球体的尺寸，电磁波主要以绕射方式传播。
  
• 振荡区：电磁波传播主要以绕射和散射为主，绕射的电磁波与散射的电磁波之间存在相位差。同相叠加，反相相消。故会出现振荡。之所以是减幅振荡的原因是：随着电磁波波长变短，绕射的电磁波能量减小而后向散射的电磁波能量增加，用于同相叠加反相相消的电磁能量减小。

• 光学区：当电磁波波长远小于理想球体的尺寸时，电磁波主要以散射为主。因此渐趋于稳定，极限是理想球体的截面积。

2.RCS与波长的特性对雷达设计的指导意义

不同种类的雷达探测的目标种类也不同，对应目标的雷达截面积自然也会不同。因此在设计时，选择的雷达工作波段也不同。

对于搜索型雷达来说，一般目标距离雷达接收机的距离非常远，可以将所探测目标看作是点目标。对于点目标来说，目标的雷达的截面积在光学区近似为： $\pi r^2$。(r为理想球体半径)。

举一个例子具体说明RCS与波长的特性对雷达设计的指导意义。（这是一道课后题目）

首先明确这是一个远距离搜索型雷达，因此其光学区的目标RCS= $\pi r^2=0.03m^2$,解出 $r=0.1m$。稳定探测需要使雷达工作在光学区。
$R_{max} = ({\frac{P_t {A_e}^2 \sigma } {{4 \pi} {\lambda}^2 S_{imin}}})^\frac{1}{4}$
题目要求最大作用距离尽量远，因此一般取,
$2\pi r=20\lambda$
因此， $\lambda=0.03m$。雷达应选择工作在X波段。

注意：虽然振荡区的某些区间可以取得高于光学区RCS的效益，但是由于其探测的不稳定性，单基地一般不选用。但是对于组网雷达来说却是一个值得尝试的想法。