外場雷達目標RCS極化特性測量方法

張德保，沈 鵬

（解放軍91404部隊，秦皇島066001）

0 引 言

在外場動態條件下，為了準確而全面地獲取目標的極化散射特性，除測量目標的同極化雷達散射截面積（RCS）外，還需要測量目標的RCS交叉極化分量。微波暗室條件下采用的極化散射矩陣校準測量方法不適用于外場條件下的測量，外場RCS測量普遍使用的自由空間標準金屬球只能完成對水平和垂直同極化RCS測量通道的標校，而無法對RCS測量系統的交叉極化通道進行標校，需要尋找一種全新的方法對外場動態RCS測量系統進行標校，以完成對目標的RCS極化散射矩陣的測量。

1 目標RCS極化散射矩陣

RCS是入射到目標上的電磁波極化狀態的函數，但它只是作為一種表征目標散射波強度的標量被廣泛應用。作為對入射波和目標之間相互作用（即目標散射特性）的最一般性的描述，極化散射矩陣提供了一個很好的選擇。在后向散射情況下，選擇水平極化H（電場矢量平行于水平面）和垂直極化V（電場矢量垂直于水平面）為一組正交極化基，此時極化散射矩陣S定義為：

式中：Es為從目標散射的電場強度；Ei為對目標的入射電場強度；下標“h”和“v”分別表示水平極化和垂直極化；S為極化散射矩陣因子，如Shv表示發射V極化，接收H極化的組合。

電場散射矩陣元素與RCS散射矩陣元素之間的關系為：

式中：σij為RCS極化散射矩陣元素。

2 外場標校用目標RCS極化矩陣

2.1 空間標準金屬球

在外場動態RCS測量時，普遍使用升起在空間的標準金屬球對測量系統進行標校，標準金屬球的RCS極化散射矩陣為：

式中：σ0為標準金屬球的水平和垂直同極化RCS值。

從標準金屬球的極化散射矩陣可以看出，其RCS在水平和垂直同極化時為一恒定量，而交叉極化時則為零，所以自由空間的標準金屬球只能完成對RCS測量系統的水平和垂直同極化通道的校準。由于其交叉極化分量為零，也可用作對測量系統交叉極化耦合情況的檢查。

2.2 收發天線均為水平或垂直極化的有源標

眾所周知，在進行RCS測量時，也可以用有源標對RCS測量系統進行精確校準。有源標的等效RCS只與其收發通道的放大倍數及延遲時間有關，其在某一頻率極化下的RCS是一恒定量。當有源標收發天線均為水平極化或收發共用一水平極化天線時，其等效RCS極化散射矩陣為：

式中：σ1為有源標水平同極化的等效RCS值。

這種有源標只能用于對測量系統的水平極化通道的標校。

當有源標收發天線均為垂直極化或收發共用一垂直極化天線時，其等效RCS極化散射矩陣為：

式中：σ2為有源標垂直同極化的等效RCS值。

這種有源標只能用于對測量系統的垂直極化通道的標校。

2.3 收發天線極化正交斜置45°的有源標

通過分析同樣不難得出，收發天線極化準確正交斜置45°的有源標的等效RCS極化矩陣為：

式中：σ3為有源標的等效RCS值。

這種有源標的極化散射矩陣的精度與其收發天線極化方向設置的精度有關，只要精確設定其收發天線的極化方向，就可得到較高的極化矩陣精度。從式（6）可以看出，該有源標4種極化方式的RCS相同且已知，可用于對測量系統的水平垂直同極化通道和正交極化通道的標校。

2.4 收發天線為圓極化的有源標

當有源標的收發天線均為圓極化時，其等效RCS極化矩陣為：

由于有源標的圓極化天線產生的圓極化可以分解成幅度相等、相位相差45°的垂直和水平極化，所以其極化散射矩陣因子的幅度均相同，只是交叉極化因子與同極化的相位相差45°。在這種有源標的等效RCS極化矩陣中，同極化和交叉極化的RCS已知且幅度相同，所以可以用于對RCS測量系統同極化和正交極化通道的標校。

3 RCS測量系統極化通道標校

通過上面的分析可知，用自由空間的標準金屬球能同時對RCS測量系統的水平和垂直同極化通道進行標校，得到RCS測量系統水平和垂直極化通道的系統常數如下：

式中：Khh和Kvv分別為測量系統水平和垂直同極化通道的系統常數K值。

收發天線均為水平或垂直極化的有源標只能對RCS測量系統的水平或垂直極化通道進行單獨標校，通過對其校準可得到RCS測量系統的系統常數如下：

收發天線為水平極化時：

收發天線為垂直極化時：

只要準確地將有源標的收發天線極化設置為正交45°，就可獲得有源標同極化和正交極化的RCS，且這4種極化的RCS相等。圓極化有源標也有著同樣的特性，只是正交極化分量有45°的相位差，所以通過這兩種有源標，就可以完成對RCS測量系統的同極化和正交極化通道的標校，得到測量系統4個通道的系統常數為：

式中：Khh和Kvv為測量系統水平和垂直同極化測量通道的系統常數；Khv和Kvh為測量系統正交極化通道的系統常數。

收發天線正交斜置45°的有源標和圓極化天線有源標可以同時對RCS測量系統的水平垂直同極化和正交極化通道進行標校。在實際使用時，由于將收發天線準確正交斜置45°操作起來不是很方便，所以在實際測量時，通過采用圓極化天線有源標，可以方便地對RCS測量系統各極化通道進行標校。

4 校準測量過程

通過上面的分析發現，收發天線為圓極化的有源標可以作為外場動態RCS測量系統的標校源，對測量系統進行標校。使用這種標校方法只需1次校準就可得到測量系統的水平垂直同極化和交叉極化通道的系統常數。

在實際校準過程中，首先用自由空間的標準金屬球對測量系統的水平和垂直同極化通道進行標校，然后對有源標水平和垂直同極化等效RCS進行測量。由于有源標的水平或垂直同極化和交叉極化等效RCS相同，所以通過此測量就可得到有源標等效RCS極化散射矩陣中的σ4，從而獲得有源標等效RCS極化散射矩陣：

然后RCS測量系統通過對此有源標進行標校，就可完成對RCS測量系統中的水平垂直同極化和交叉極化通道的校準，獲得水平垂直同極化和交叉極化通道的系統常數。至此，系統就可以對目標進行4種極化的RCS測量，獲得目標的極化散射特性。

圖1是測量系統對某一目標的RCS測量結果，從測量結果可以看出，該目標水平同極化RCS比交叉極化要大，且在某些方向，水平同極化RCS比交叉極化要大幾十個dB。

此測量系統中由于采取了有效的去極化耦合措施，具有很好的極化隔離度，能保證測得的目標RCS極化矩陣具有很好的純度。

圖1 某目標水平極化和交叉極化測量結果

5 結束語

外場動態RCS測量中，為了測量目標的RCS極化特性，不僅需要測量目標的水平垂直同極化RCS，還需要獲得目標的交叉極化RCS。

本文討論的利用圓極化天線有源標可以方便地對RCS測量系統的同極化和正交極化通道進行標校，較好地解決了外場動態RCS測量中對測量系統交叉極化通道的標校問題。通過實際應用表明，該方法使用方便，科學可行。

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