彈載雷達(dá)對(duì)艦船和角反目標(biāo)特性分析

梁云瑞，劉敏名，趙志權(quán)

（1.海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 目標(biāo)雷達(dá)散射截面積

物體的雷達(dá)回波強(qiáng)度即雷達(dá)散射截面積，用RCS表示。RCS取決于物體相對(duì)雷達(dá)波長(zhǎng)的特性尺寸。按照目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)波長(zhǎng)的差異，可將RCS分為三個(gè)區(qū)間：瑞利區(qū)、諧振區(qū)和光學(xué)區(qū)。瑞利區(qū)是指雷達(dá)波長(zhǎng)大于目標(biāo)特征尺寸的區(qū)間，諧振區(qū)是指雷達(dá)波長(zhǎng)近似等于目標(biāo)特征尺寸的區(qū)間，光學(xué)區(qū)是指雷達(dá)波長(zhǎng)小于目標(biāo)特征尺寸的區(qū)間。

空艦制導(dǎo)武器常見的目標(biāo)類型有艦船以及研制過程中常見的角反射體靶標(biāo)等。這些物體相對(duì)毫米波雷達(dá)工作波長(zhǎng)均要大得多，因此表現(xiàn)為光學(xué)區(qū)目標(biāo)RCS特征，光學(xué)區(qū)目標(biāo)RCS主要取決于目標(biāo)的形狀和表面的粗糙度。艦船等目標(biāo)的外形和表面會(huì)隨觀測(cè)角度發(fā)生巨大變化，因此RCS與觀測(cè)角度相關(guān)。

1 雷達(dá)散射截面積起伏特性

雷達(dá)目標(biāo)的RCS隨姿態(tài)角、頻率以及環(huán)境等各種因素的變化而變化。一個(gè)數(shù)字，比如均值RCS值不能完全度量目標(biāo)的RCS特性。沒有固定的標(biāo)準(zhǔn)方法用來描述目標(biāo)的單值RCS，可以采用均值，也可以采用概率密度函數(shù)，比如RCS“最小”值——超過90%～99%的RCS值。由于RCS有多變性，而且又有以上各種描述方法，因此在設(shè)計(jì)、論證、驗(yàn)證雷達(dá)導(dǎo)引頭的性能時(shí)，要充分考慮描述方法的差異以及目標(biāo)的RCS起伏特性。

描述目標(biāo)起伏比較通用的模型是Peter Swerling四種模型。四種模型簡(jiǎn)述如下：

1）情況1：在任何一次掃描時(shí)從目標(biāo)收到的回波脈沖幅度在這一次掃描的整個(gè)過程中恒定不變，且從掃描到掃描是不相關(guān)的，即慢起伏。概率密度函數(shù)為

式中，σav是所有橫截面積的平均值。這種模型適用于具有許多面積可比的獨(dú)立散射體組成的目標(biāo)。

2）情況2：概率密度函數(shù)與情況1相同，但起伏是從脈沖到脈沖無(wú)關(guān)的，即快起伏。

3）情況3：和情況1一樣，慢起伏。但概率密度函數(shù)為：

該模型適用于一個(gè)大散射體加上許多小散射體這樣的模型，大多數(shù)艦船屬于這種類型。

4）情況4：快起伏。概率密度函數(shù)與情況3相同。

同一目標(biāo)在不同環(huán)境中，可能也形成不同的目標(biāo)起伏模型。對(duì)于高檢測(cè)概率要求的雷達(dá)導(dǎo)引頭，在設(shè)計(jì)時(shí)要充分考慮這些目標(biāo)起伏特性的影響因素，采用不同的設(shè)計(jì)手段，例如增加脈沖積累數(shù)量、增加掃描次數(shù)等用以改善性能。

2 艦船

水面艦艇按噸位分類，一般以500噸以下稱為艇，包括導(dǎo)彈艇、魚雷艇等中小型攻擊艇；500噸～3000噸級(jí)一般以護(hù)衛(wèi)艦居多；3000～7000噸以上以驅(qū)逐艦為主；萬(wàn)噸以上則多為大型巡洋艦或航母等。

2.1 艦船的RCS特性

根據(jù)艦船形狀，取其船首、船尾、左舷、右舷方向的平均截面積，得出了一個(gè)關(guān)于艦船截面積中值（即50%的數(shù)據(jù)超過此值）的經(jīng)驗(yàn)公式：

式中，

σ：雷達(dá)截面積的中值（50%的值），m2；

f：雷達(dá)工作頻率，MHz；

D：艦船的排水量，kt。

以上公式是在低擦海角時(shí)計(jì)算得到的，可以用于對(duì)非隱身設(shè)計(jì)的艦艇的粗略RCS估計(jì)。根據(jù)此公式，對(duì)同一目標(biāo)，W波段RCS是Ka波段RCS的1.7倍。

1）萬(wàn)噸級(jí)大型常規(guī)艦船的海面RCS試驗(yàn)數(shù)據(jù)

艦船的RCS與視線的擦海角有相關(guān)性。當(dāng)擦海角大于60°時(shí)，海面散射的貢獻(xiàn)很大，垂直極化的海面影響會(huì)更大。在高擦海角的情況下，RCS可能會(huì)比計(jì)算結(jié)果要小一個(gè)數(shù)量級(jí)。在沒有更好的可用信息的情況下，在進(jìn)行粗略估計(jì)時(shí)，可以把艦船排水量的噸位數(shù)當(dāng)作它的雷達(dá)截面積的平方米數(shù)。

一般艦艇的形狀比較復(fù)雜，需要依靠實(shí)驗(yàn)來決定目標(biāo)的RCS。圖1給出了在S波段和X波段用水平極化波對(duì)16000t的大型海軍輔助艦船測(cè)量結(jié)果的曲線。三條曲線對(duì)應(yīng)于80%、50%和20%RCS數(shù)據(jù)點(diǎn)。從圖中可以看出，X波段的RCS大于S波段，且S波段50%的RCS數(shù)據(jù)、X波段20%的RCS數(shù)據(jù)與噸位數(shù)16000相當(dāng)。由此數(shù)據(jù)可以推論，Ku及以上波段（包括毫米波段）船只的RCS高于船只的噸位數(shù)。

圖1

2）小型艦艇的海面RCS試驗(yàn)數(shù)據(jù)

某型50噸小艇在Ka波段RCS的海面實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)見表1。

表1 50噸艇RCS試驗(yàn)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)值

實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)表明，50噸艇Ka波段RCS均值不小于200m2，最小RCS為30m2～50m2，出現(xiàn)在首向及側(cè)向航行的瞬間。最大RCS約100m2～10000m2，出現(xiàn)在尾向航行時(shí)，主要是由于尾浪對(duì)RCS的貢獻(xiàn)。全向RCS起伏幅值約±10dB。起伏周期較長(zhǎng)，最長(zhǎng)為1s。實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)反映，在Ka波段，船只的最小RCS與噸位數(shù)相當(dāng)，均值RCS大約為噸位數(shù)的4～8倍。

此外，采用隱身設(shè)計(jì)、150噸排水量的臺(tái)灣光華6號(hào)導(dǎo)彈艇，據(jù)報(bào)道X波段RCS僅為82m2，據(jù)此推論Ka波段RCS應(yīng)與噸位數(shù)相當(dāng)，大約150m2；而W波段RCS應(yīng)大約為250m2。

3）艦船RCS特性總結(jié)

通過查閱文獻(xiàn),可以總結(jié)出以下幾方面規(guī)律：

（1）常規(guī)艦船的RCS左右正側(cè)舷、首尾向均變化比較劇烈。一般在左右正側(cè)舷出現(xiàn)RCS最大峰值、首尾向左右20°～30°附近出現(xiàn)低谷值。最大峰值RCS能達(dá)到噸位數(shù)的10倍～100倍以上；最小RCS值在Ka波段與噸位數(shù)相當(dāng)，均值RCS大約是噸位數(shù)的數(shù)倍；而W波段RCS是Ka波段RCS的1.7倍；

（2）對(duì)于艦船的某一特定方向，80%和20%的RCS概率統(tǒng)計(jì)值相差10dB以上；而對(duì)于艦船的全方向，RCS值變化量達(dá)到20dB～30dB；

（3）對(duì)于大型艦船，已有的X波段與S波段數(shù)據(jù)顯示，不同波段RCS方向圖變化趨勢(shì)一致，頻段越高、RCS越大；

（4）在實(shí)際海面測(cè)量中，艦船RCS與艦船的主體建筑的高度、復(fù)雜程度相關(guān)，主體建筑越高、越復(fù)雜，RCS越大。

2.2 隱身特征

現(xiàn)代海面艦船多采用雷達(dá)隱身設(shè)計(jì)，雷達(dá)隱身所采取的主要措施有三種：

1）采用隱身外形。新一代的水面艦船多按干舷外漂、上層建筑立板內(nèi)傾的多面體外形設(shè)計(jì)，此外在平面與平面相交處采用平滑過渡，降低兩面角、三面角效應(yīng)。采用外形隱身措施一般能減小水面艦船20%～50%的RCS，據(jù)稱有的還可以減小80%。

2）對(duì)必須設(shè)施，如武器、桅桿、探測(cè)設(shè)備等，收藏到主甲板以下，或者采用多面體外殼封裝的方法，盡量減少雜散結(jié)構(gòu)對(duì)雷達(dá)波的強(qiáng)反射。

3）涂敷吸波材料，即利用一些能夠吸收一定頻率范圍內(nèi)的電磁波的材料，消耗雷達(dá)照射波能量，達(dá)到減弱甚至消除反射波的作用。但對(duì)于艦船大面積涂覆來說，費(fèi)用昂貴，且吸波材料的三防性能較差，難以適應(yīng)海上的鹽霧環(huán)境。

目前，前兩種隱身技術(shù)已被各種隱身艦船所普遍采用，第三種因?yàn)樯婕暗浇?jīng)濟(jì)性和維護(hù)麻煩的問題，一般在局部采用。目前雷達(dá)隱身效果比較顯著，據(jù)稱3500噸的“拉斐特級(jí)”護(hù)衛(wèi)艦雷達(dá)截面積僅相當(dāng)于500噸巡邏艦；德國(guó)推出的新型隱身護(hù)衛(wèi)艦雷達(dá)截面積可減少90%；“維斯比”輕護(hù)艦正常情況下可被雷達(dá)探測(cè)的距離僅有22km。

采取隱身設(shè)計(jì)的艦船，隱身措施能使RCS縮減為原來的80%～10%，RCS均值與噸位數(shù)相當(dāng)，而RCS最小值大約相當(dāng)于噸位數(shù)的1/7～1/2。

2.3 典型艦船綜合特性

綜合以上分析，考慮在毫米波段目標(biāo)的細(xì)微特征差異已不明顯，通常幾類艦船的典型特征，包括RCS典型取值見表2。

表2 艦艇類目標(biāo)探測(cè)特性

3 角反射體靶標(biāo)

在雷達(dá)導(dǎo)引頭的研制飛行試驗(yàn)過程中，一般采用在小型載體（小船或浮標(biāo)等）上加裝鋁制角反射體組合來增強(qiáng)RCS，用于模擬艦船目標(biāo)。高度與大小根據(jù)需模擬的目標(biāo)而確定。角反射體的RCS特性與真實(shí)艦船在多方面存在差異。

首先，在方位向兩個(gè)角反射體交疊處，能量可能增強(qiáng)也可能相抵消，由于角反射體呈周期性排布，因此，整體角反射體的RCS會(huì)呈現(xiàn)周期性較大起伏。

其次，角反射體呈現(xiàn)點(diǎn)目標(biāo)特性，當(dāng)海情較好時(shí)，在俯仰方向易出現(xiàn)能量多徑增強(qiáng)或相消的現(xiàn)象，嚴(yán)重會(huì)導(dǎo)致導(dǎo)引頭跟蹤海面下鏡像目標(biāo)引起俯仰跟蹤誤差增大，或者信號(hào)衰減導(dǎo)致丟失目標(biāo)。

此外，角反射體組合的散射點(diǎn)分布與真實(shí)艦船不同，因此角噪聲特性也不同。

1）理論計(jì)算

三角板角反射體的RCS近似最大值計(jì)算公式如下：

式中，

b：三角板角反射體棱邊長(zhǎng)度。

半功率點(diǎn)寬度為40°。

2）試驗(yàn)結(jié)果

（1）陸上標(biāo)定

被測(cè)目標(biāo)為靶標(biāo)角反射體組合，靶標(biāo)與測(cè)試設(shè)備距離1km左右。對(duì)靶標(biāo)方位0～360°進(jìn)行了RCS測(cè)試。測(cè)試結(jié)果見圖2。

從圖中可以看出，靶標(biāo)方位向RCS呈現(xiàn)明顯的周期性起伏特性，360°范圍內(nèi)存在12個(gè)周期，與角反射體數(shù)量相關(guān)。最大值接近30dBm2，瞬間最小值小于0dBm2，大多數(shù)測(cè)試數(shù)值分布在20dBm2～30dBm2，即100m2～1000m2之間。

RCS均值統(tǒng)計(jì)見表3。

表3 靶標(biāo)RCS測(cè)試結(jié)果

（2）海上標(biāo)定

被測(cè)目標(biāo)為靶船，距離約2km左右。實(shí)測(cè)結(jié)果均值約為250m2～300m2，同時(shí)測(cè)量數(shù)據(jù)顯示，靶標(biāo)在海上RCS起伏達(dá)到10dB～20dB。

測(cè)試報(bào)告對(duì)靶標(biāo)RCS測(cè)量值報(bào)告見表4。

表4 固定靶RCS測(cè)量結(jié)果（均值）

該測(cè)試報(bào)告對(duì)靶標(biāo)RCS實(shí)測(cè)曲線如圖3所示。

圖3 海上測(cè)試結(jié)果曲線

從圖中可以看出，在論證分析時(shí)若只用均值代入計(jì)算，計(jì)算誤差非常大，因此以下對(duì)曲線的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行了統(tǒng)計(jì)估算。統(tǒng)計(jì)值見表5。

表5 目標(biāo)RCS統(tǒng)計(jì)估算值

從表5統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)可知，均值約300m2的靶標(biāo)，超過均值的概率不到50%。按前98%概率的目標(biāo)RCS則只有約30m2。雖然此統(tǒng)計(jì)結(jié)果存在一定誤差，但反映出目標(biāo)RCS均值不能完全反映目標(biāo)RCS的真實(shí)情況，進(jìn)行產(chǎn)品設(shè)計(jì)、論證及驗(yàn)證時(shí)需注意到此統(tǒng)計(jì)差異。