一種新型定標體RCS計算仿真及應(yīng)用研究

一種新型定標體RCS計算仿真及應(yīng)用研究

李寶鵬吳春林彭志剛

（海軍航空工程學院青島校區(qū)航空電子系青島266041）

分析了雷達散射截面測中常用定標體RCS特性，設(shè)計了一種新型球型組合定標體，利用CSTMWS電磁場仿真軟件對球型組合定標體的RCS進行了仿真計算，得到了全空間RCS特征值，表明該型定標體具有良好的散射特性及空間對稱性，在雷達性能驗證RCS定標應(yīng)用中得到了理想應(yīng)用。

雷達散射截面；RCS；定標體；球型組合體；CST

Class NumberTN95

1 引言

定標體在目標雷達截面（RCS，Radar Cross Section，RCS）測量計算中具有十分重要的地位，RCS測試時必須選擇一個RCS值數(shù)量級相當精確的定標體，這樣才能獲得更加精確的定標數(shù)據(jù)。目前常用的幾種類型定標體有各自應(yīng)用局限性，如球型定標體一般用于RCS值較小的定標測試，三角板定標體一般用于絕對單站RCS定標測試，姿態(tài)不易調(diào)整，還有些定標體存在后向散射角小或RCS起伏劇烈的缺點［1～2］。在實際使用中，尤其是野外遠距離使用時，常存在雷達波束對準難、定標體姿態(tài)調(diào)整難等問題，從而引發(fā)測量結(jié)果不準確。因此，設(shè)計一種全空間散射面積大、各散射角范圍內(nèi)RCS起伏小的新型定標體，在實際工程應(yīng)用中具有十分重要的應(yīng)用價值。

2 RCS測量理論

雷達目標散射截面積是定量雷達目標對于照射電磁波散射程度強弱的一個物理量，它是目標的一種假想面積。雷達目標散射截面用符號σ表示，計算方式見式（1）：

其中Ei為入射波場強，Es為距離目標R處的散射場強。

當雷達與目標相距足夠遠時，照射目標的入射波近似為平面波，這時σ與R無關(guān)，此時在遠場條件下，σ計算方式見式（2）：

RCS的單位是m2，由于目標的RCS動態(tài)變化范圍非常大，為了表述方便，常用其相對于lm2的分貝數(shù)來表示，記為dB.m2，即：

RCS是雷達對目標探測與識別的重要依據(jù)，是軍用武器（如飛機、艦船）隱身設(shè)計、雷達性能檢驗需研究的重要參數(shù)。它與目標的幾何參數(shù)（形狀、尺寸等）和物理參數(shù)（如結(jié)構(gòu)、材料等）有關(guān)，又與入射波的參數(shù)（如頻率、極化、波形）有關(guān)，同時還與雷達照射目標的姿態(tài)角有關(guān)［3～4］。當用相對測量法進行目標雷達散射截面測量和雷達系統(tǒng)校準等工作時，都需要有一個已知精確RCS的定標體進行相對標定，只有確定了定標體RCS后的測量數(shù)據(jù)才會精確，因此必須掌握不同幾何尺寸定標體高精度RCS值［5］。

3 常見定標體RCS特性

在雷達散射截面測試時需要選擇與入射波頻率、目標距離、目標RCS量級等因素相匹配的定標體進行定標，以獲得更加精確的定標數(shù)據(jù)。因此，不同的工作環(huán)境定標需求需要不同類型的定標體，常用的定標體有導體球、平面體、二面體、三面體等［6～8］。下面就導體球、圓平面體、矩形三面體單站RCS特性進行分析。

3.1 球形定標體RCS特性

金屬球的散射特性滿足各向同性，姿態(tài)擺放要求簡單，是目標RCS測量中常用的定標體。但球型定標體與同等尺寸其他類型定標體相比RCS較小，因此通常用于目標RCS值較小的定標測試。理想導體球由于它的對稱性，從理想導體散射的波和入射波都是同一極化的，因此，交叉極化的后向散射波幾乎為零。理想導體球歸一化的精確后向散射RCS見式（4）：

其中，r是球的半徑，k=2π/λ，λ是入射波波長，Jn是n階第一類球貝塞爾函數(shù)是n階Hankel函數(shù)，Yn是n階第二類球貝塞爾函數(shù)。

取半徑為20 cm的理想導體球，計算入射方向θ=0，?=0，入射波頻率1GHz～20GHz導體球單站RCS值和入射波頻率10GHz不同入射角度θ下RCS值，仿真結(jié)果如圖1、2所示。

3.2 圓形平面定標體RCS特性

圓形平板是中心在原點，半徑為r的圓形平板。由于圓的對稱性，圓形平板的后向散射RCS與無關(guān)。RCS只與視角有關(guān)。圓形平板后向RCS計算公式如下：其中，k=2πλ，J1(β)是第一階球貝賽函數(shù)在β處的取值。

取圓形平面半徑r=20cm，計算在頻率為30GHz入射波在沿法相任意入射角度時RCS，仿真結(jié)果如圖3所示。

3.3 三面角定標體RCS特性

三面角定標體有三塊相互垂直的金屬平板構(gòu)成，如圖4所示，由于其特殊的幾何結(jié)構(gòu)，當各平板相互正交，會對入射電磁波產(chǎn)生多重內(nèi)反射，能在很寬的角度范圍內(nèi)產(chǎn)生強烈的回波散射，具有強烈的后向雷達散射截面，而且物理結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性高，在單站大目標RCS的定標測試應(yīng)用比較廣泛。

三面角反射器包含了正方形角反射器、三角板角反射器、圓板角反射器，它們的RCS計算公式和全姿態(tài)角平均RCS值均列于表1中?？梢妭鹘y(tǒng)三面角反射器有明顯缺陷，其RCS強烈依賴于入射波長，與入射波長的平方成反比關(guān)系，而實際目標的RCS曲線和雷達圖像基本上與電磁波的波長無關(guān)。而且，三面角定標體的極化散射特性不滿足各向同性，其姿態(tài)擺放誤差將引起校準偏差，限制了校準精度。

表1 三角面反射器RCS值

4 球型組合定標體RCS分析計算

基于球型、平面、三角面不同類型定標體RCS特性，結(jié)合某型機載雷達RCS定標實際工作環(huán)境，本文設(shè)計了一種新型球型組合定標體，如圖5、圖6所示，球型組合定標體由三塊圓板正交組合而成，在三維空間構(gòu)成了八個圓形三角面定標體。因此，該球型組合兼顧了三角面大的散射面積、球型幾何對稱姿態(tài)角易擺放等優(yōu)點，下面利用CST微波暗室法對該型定標體的RCS特性進行仿真分析。

4.1 CST微波暗室法

CST微波工作室是德國CST公司開發(fā)的，用于天線及微波無源器件的仿真、分析、快速設(shè)計、精確高頻仿真三維電磁場仿真軟件。CSTMWS軟件可以對電小、電中、電大各種電尺寸進行仿真分析，適應(yīng)各種用戶的需求，尤其善于計算時域及電大、復雜結(jié)構(gòu)和寬帶問題。它包含時域、頻域和本征模三個求解器，其中時域求解器是CST的主流模塊。在具備三個求解器的同時CSTMWS還提供了兩種網(wǎng)格剖分方法—六面體網(wǎng)格和四面體網(wǎng)格，用戶可以根據(jù)具體問題選取不同的網(wǎng)格剖分方法，已達到很高的精度和速度。并且由于CSTMWS中共形子網(wǎng)格技術(shù)的加入，CST微波工作室真正做到了自適應(yīng)網(wǎng)格加密，使得仿真的進度和速度都大大提高。利用CST MWS軟件實現(xiàn)目標RCS仿真計算可分為以下五個主要步驟［9］：

1）工程建立。根據(jù)目標電尺寸大小選擇合適的工程模板。

2）幾何建模。設(shè)置模型參數(shù)（尺寸、頻率、時間等的單位），可以自行建立幾何模型或?qū)胗善渌浖呀⒌牧Ⅲw模型。

3）參數(shù)設(shè)置。主要包括頻率范圍、邊界條件，選擇平面波入射，設(shè)置入射波的極化類型、傳播法矢量和電場矢量等。

4）網(wǎng)格劃分。一般來說網(wǎng)格單元邊長取1/8～1/10波長。CST可選擇六面體剖分，可用求解器較多。

5）求解器（算法）選擇。CST內(nèi)含七個求解器，仿真中常用的有時域有限積分（TD）、矩量法（MOM）、多層快速多極子（MLFMM）等。

4.2 球型組合定標體RCS仿真及分析

選定球型組合體半徑r=5.5m，厚度50mm，CST仿真參數(shù)設(shè)置為：入射波為平面波，水平極化，頻率為1GHz，采用時域求解器（TD）求解，剖分采用1/8波長進行網(wǎng)格剖分。不同入射角度下的球型組合體全空間單站RCS仿真計算結(jié)果如圖7～圖10所示。可見，該定標體全空間RCS具有明顯空間對稱性，主瓣出現(xiàn)在兩圓面交界軸向上，旁瓣各方向RCS截面特征明顯。定標體RCS在10.4dB?sm～15.5dBsm之間，當入射波方向為Theta=45°，Phi=45°時，定標體平均RCS達到最大值約為13.2dBsm。這說明采用該定標體進行RCS測試時，從不同方向上入射都可以獲得理想RCS特征值。

實踐證明，用該型定標體改裝實驗船模擬RCS約為100 dBsm大目標海面艦船，如圖11所示，在某機載雷達對目標探測距離驗證中雷達發(fā)現(xiàn)目標時間短、探測距離遠、測量數(shù)據(jù)準，取得了理想實驗結(jié)果。這驗證了改型定標體在實際應(yīng)中價值。

5 結(jié)語

本文基于實驗需求設(shè)計了一種新型球型組合定標體，并仿真分析了球型組合定標體RCS全空間特性，相對于其他類型定標體，該定標體結(jié)構(gòu)簡單，姿態(tài)易調(diào)整，具有寬角度均勻散射特性，適用于野外遠距離條件下微波段雷達測試適用，具有一定的工程利用價值。

［1］周文明，宋建社，鄭永安.常見定標體的雷達截面計算與仿真［J］.電光與控制，2017，10：28-33.

［2］翁寅侃，李松，易洪.合成孔徑雷達角反射器的優(yōu)化設(shè)計［J］.華中科技大學學報（自然科學版），2014，12：53-54.

［3］莊釗文，袁乃昌，等.軍用目標雷達散射截面預(yù)估與測量［M］.北京：科學出版社，2006：30-50.

［4］黃培康.雷達目標特性［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2005：54-61.

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

［6］范菊紅，王月清.二面角反射器的RCS特性分析［J］.艦船電子工程，2006，2：148-152.

［7］陳德喜，顏俐，王海嬰.FEKO軟件RCS仿真應(yīng)用［J］.艦船電子工程，2008，9：126-128.

［8］歐乃銘，白明，梁彬.三角板角反射器在RCS定標測試中的應(yīng)用［J］.北京航空航天大學學報，2013，2：220-224.

［9］CSTChina.CST微波工作室適用算例匯編［M］.上海：上海軟波工程軟件有限公司：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

李寶鵬，男，碩士，講師，研究方向：航空雷達性能檢驗。吳春林，男，碩士，講師，研究方向：警戒引導雷達指揮。彭志剛，男，碩士，講師，研究方向：航空雷達目標檢測。