典型角反射器單/雙基地RCS 特性對(duì)比分析 *

趙鋒，邱夢(mèng)奇，艾小鋒，徐志明

（國(guó)防科技大學(xué) 電子信息系統(tǒng)復(fù)雜電磁環(huán)境效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長(zhǎng)沙 410073）

0 引言

雷達(dá)角反射器是電子對(duì)抗中一種典型的無源干擾誘餌，具有制作成本低廉、干擾效果明顯等優(yōu)點(diǎn)，在各種作戰(zhàn)環(huán)境中，特別是海戰(zhàn)場(chǎng)得到了廣泛應(yīng)用。對(duì)角反射器的RCS（radar cross section）散射特性進(jìn)行分析研究，為有效鑒別目標(biāo)與角反誘餌提供理論與數(shù)據(jù)支撐，具有重要意義。

海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境中角反射器的目標(biāo)特性已經(jīng)開展了深入研究。文獻(xiàn)［1-2］利用物理光學(xué)和區(qū)域投影的混合算法，構(gòu)建了三面角反射體全向RCS 模型，并分析了浮空式角反射器及其陣列雷達(dá)截面積模型的統(tǒng)計(jì)特征。文獻(xiàn)［3-4］分析了二十面角反射器的電磁散射特性，并利用3 種分布模型進(jìn)行統(tǒng)計(jì)建模，取得了較好的擬合效果。文獻(xiàn)［5］對(duì)幾種典型的角反射器電磁散射特性進(jìn)行建模仿真，并分析了海戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境下角反射器的干擾原理。文獻(xiàn)［6］對(duì)艦船、角反射器和海面的復(fù)合電磁散射特性進(jìn)行了研究，并進(jìn)行了干擾效能評(píng)估。文獻(xiàn)［7］分析了典型角反射器的極化旋轉(zhuǎn)域特性差異，研究了全方位角度下角反射器的計(jì)劃旋轉(zhuǎn)域特性變化規(guī)律。文獻(xiàn)［8-9］考慮了多次散射，提出了三面角反射器和二面角反射器的雷達(dá)散射截面計(jì)算方法，并利用多個(gè)角反射器的組合來提高雷達(dá)目標(biāo)RCS 的角反射器進(jìn)行建模。上述研究主要針對(duì)單基地雷達(dá)，典型角反射器其各個(gè)方向的單基地RCS 都很大，若采用雙基地雷達(dá)來觀測(cè)，收發(fā)分置的特性必將引起角反射器雙基地RCS分布特性的變化。

雙基地雷達(dá)是近年來雷達(dá)界的研究熱點(diǎn)，但對(duì)角反射器雙基地散射特性的研究還不多。文獻(xiàn)［10］分析了不同張角二面角的雙基地散射特性及其SAR圖像表現(xiàn)形式，研究了雙基地角對(duì)于角反射器RCS的影響。文獻(xiàn)［11］研究了三面體角反射器的雙基地RCS 特性，指出雙基地角越大，RCS 峰值下降越快。文獻(xiàn)［12］計(jì)算并測(cè)量了三面角反射器的雙基地RCS，研究了其隨雙基地角以及頻率的變化。文獻(xiàn)［13-14］綜合使用物理光學(xué)法（physical optics，PO），幾何光學(xué)法（geometrical optics，GO），等效電磁流法（methed of equivalent currents，MEC）3 種方法分析了三面角、八面角和二十面角在單、雙基地模式下，電磁波的多次散射以及陰影效應(yīng)，并提出了RCS 理論求解模型，與仿真結(jié)果能較好地?cái)M合。文獻(xiàn)［15］對(duì)使用不同高頻近似法計(jì)算多階八面體、二十面體角反射器雙基地散射特性的效果進(jìn)行了對(duì)比分析。上述文獻(xiàn)對(duì)雙基地模式下組合角反射器的RCS 散射特性進(jìn)行了研究，但著重于理論計(jì)算，對(duì)空域分布特性、統(tǒng)計(jì)特性研究還不夠深入。

本文選擇典型八面體角反射器，通過電磁計(jì)算對(duì)單個(gè)角反射器單/雙基地RCS 散射特性、角反射器陣列單/雙基地RCS 散射特性進(jìn)行對(duì)比了分析，通過比較RCS 主瓣寬度及統(tǒng)計(jì)參數(shù)，研究了角反射器單/雙基地RCS 空域分布特性，分析了不同雙基地角下的極化分布特性，為雙基地雷達(dá)抗角反射器干擾的可行性提供了理論支撐。

1 典型角反射器電磁計(jì)算建模

本文使用8 個(gè)三角形角反射器組合成具有對(duì)稱結(jié)構(gòu)的雙棱錐八面體角反射器，如圖1a）所示，以目標(biāo)質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，x軸為∠AOB的角平分線，z軸沿著雙棱錐軸線方向，與x，y軸組成右手直角坐標(biāo)系。方位角定義為在Oxy平面內(nèi)順時(shí)針方向轉(zhuǎn)到x軸的角度，用φ表示，取值范圍為0°~360°，俯仰角定義為與z軸的夾角，用θ表示，取值為0°~180°，八面體角反射器的直角邊長(zhǎng)為a。

對(duì)于角反射器陣列，采用3 個(gè)相同尺寸的八面體角反射器組合成對(duì)稱結(jié)構(gòu)，如圖1b）所示，以中間角反射器的質(zhì)心為坐標(biāo)原點(diǎn)，坐標(biāo)系的建立同單個(gè)角反射器電磁仿真坐標(biāo)系，3 個(gè)相同尺寸、相同方向的八面體角反射器間隔均勻，放置在x軸上。

圖1 角反射器仿真示意圖Fig. 1 Simulation diagram of corner reflector

電磁仿真參數(shù)設(shè)置如表1 所示。

表1 單個(gè)角反射器及角反射器陣列電磁仿真參數(shù)設(shè)置Table 1 Electromagnetic simulation parameter setting of single corner reflector and corner reflector array

2 角反射器RCS 空域分布特性分析

2.1 單個(gè)角反射器RCS 空域分布特性

當(dāng)入射波頻率為10 GHz，單個(gè)角反射器RCS 空域分布如圖2 所示。圖2a）為入射俯仰角30°，方位角為0°~360°時(shí)，八面體角反射器單基地RCS 分布的極坐標(biāo)圖，圖2b）為入射俯仰角30°，方位角0°，接收俯仰角分別為30°，45°，60°時(shí)，目標(biāo)RCS 隨接收方位角變化的分布；圖2c）為入射俯仰角30°，方位角45°，接收俯仰角分別為30°，45°，60°時(shí)，目標(biāo)RCS 隨接收方位角變化的分布。

圖2 單個(gè)角反射器單/雙基地RCS 分布Fig. 2 Single and bistatic RCS distribution of single corner reflector

通過仿真數(shù)據(jù)分析，可以得到以下結(jié)論：

（1） 單基地模式下，八面體角反射器RCS 分布具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，分布均勻且數(shù)值較大，絕大多數(shù)在30 dBm2以上，充分體現(xiàn)了角反射器對(duì)單基地雷達(dá)的干擾能力。僅在方位角為±45°，±135°時(shí)，對(duì)應(yīng)的角反射器棱邊，出現(xiàn)尖峰，寬度約為6°。實(shí)際中采用多面角的組合，消除這種特殊散射角度。

（2） 雙基地模式下，八面體角反射器RCS 分布具有一定的對(duì)稱性和周期性，整體而言絕大多數(shù)觀測(cè)角度下雙基地RCS 低于0 dBm2。當(dāng)入射與接收俯仰角相同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)特別大的RCS 方向，存在于與入射實(shí)現(xiàn)相同方位角或相差90°，180°的方向，半功率波束寬度為5°。當(dāng)接收俯仰角與入射俯仰角不同時(shí)，則全方位雙基地RCS 集中分布于0 dB以內(nèi)，不存在特別大的RCS。

（3） 雙基地模式下，入射視線和接收視線俯仰角相差越大，雙基地RCS 均值越小，說明在實(shí)際中優(yōu)化發(fā)射機(jī)和接收機(jī)位置時(shí)，從抗角反射器的角度應(yīng)該盡量讓兩者的俯仰角相差更大一些。

2.2 角反射器陣列RCS 空域分布特性

由于角反射器的尺寸相對(duì)于目標(biāo)較小，因此在實(shí)際應(yīng)用中，常使用角反射器陣列作為誘餌實(shí)現(xiàn)無源干擾，通過合理部署角反射器陣列，來模擬目標(biāo)散射中心的徑向分布，從而達(dá)到更好的干擾效果。本節(jié)將使用多個(gè)八面體角反射器組成不同角反射器陣列，對(duì)八面體角反射器陣列的RCS 分布進(jìn)行分析。

當(dāng)入射波頻率為10 GHz，角反射器陣列RCS 空域分布如圖3 所示。圖3a）為入射俯仰角30°時(shí)，角反射器陣列單基地RCS 分布的極坐標(biāo)圖；圖3b）為入射俯仰角30°，方位角0°，接收俯仰角分別為30°，45°，60°時(shí)，目標(biāo)RCS 隨接收方位角變化的分布；圖3c）為入射俯仰角30°，方位角45°，接收俯仰角分別為30°，45°，60°時(shí)，目標(biāo)RCS 隨接收方位角變化的分布；圖3d）為入射俯仰角30°，方位角90°，接收俯仰角分別為30°，45°，60°時(shí)，目標(biāo)RCS 隨接收方位角變化的分布。

圖3 角反射器陣列單/雙基地RCS 分布Fig. 3 Single and bistatic RCS distribution of corner reflector array

通過仿真數(shù)據(jù)分析，可以得到以下結(jié)論：

（1） 單基地模式下，由3 個(gè)八面體角反射器組成的均勻陣列，其RCS 分布具有對(duì)稱性，且數(shù)值較大，絕大多數(shù)在30 dBm2以上。與單個(gè)角反射器相比，雖然RCS 大小相似，但由于角反射器之間相互作用，角反射器陣列的RCS 隨著方位角變化起伏較大。

（2） 雙基地模式下，角反射器陣列雙基地RCS分布與單個(gè)角反射器雙基地RCS 分布相似，但起伏更加劇烈。當(dāng)入射俯仰角與接收俯仰角相同時(shí)，會(huì)產(chǎn)生幾個(gè)特別大的RCS 方向，存在于與入射實(shí)現(xiàn)相同方位角或相差90°，180°的方向。當(dāng)接收俯仰角與入射俯仰角不同時(shí)，則全方位雙基地RCS 多分布于0 dB 以內(nèi)，不存在特別大的RCS。類似地，入射視線和接收視線俯仰角相差越大，雙基地RCS 均值越小。

3 角反射器RCS 極化特性分析

針對(duì)圖1 中的八面體角反射器模型，利用電磁仿真軟件計(jì)算了單個(gè)角反射器模型的極化分量，仿真參數(shù)如表2 所示。取入射俯仰角（0°~90°）、入射方位角（0°~90°），接收俯仰角（0°~90°）、接收方位角（0°~360°），得到水平和垂直極化入射條件下的水平極化和垂直極化散射電場(chǎng)分量，分析了雙基地模式下，4個(gè)極化通道RCS 隨雙基地角的變化趨勢(shì)。

電波入射方向矢量為

電波散射方向矢量為

雙基地角β滿足

根據(jù)式（3）得到雙基地雷達(dá)的雙基地角，根據(jù)表2 的仿真數(shù)據(jù)，統(tǒng)計(jì)了不同雙基地角條件下4 個(gè)極化通道雙基地RCS 的均值、最大值、最小值和標(biāo)準(zhǔn)差，如圖4 所示。

圖4 角反射器雙基地RCS 極化特性統(tǒng)計(jì)結(jié)果Fig. 4 Statistical results of polarization characteristics of corner reflector bistatic RCS

表2 單個(gè)角反射器RCS 極化特性電磁仿真參數(shù)設(shè)置Table 2 Setting of electromagnetic simulation parameters for RCS polarization characteristics of single corner reflector

根據(jù)統(tǒng)計(jì)結(jié)果可以得出：

（1） 單個(gè)角反射器的RCS 均值在雙基地角為0°~90°時(shí)，隨著雙基地角的增大而減小；在雙基地角為90°~180°時(shí)，隨著雙基地角的增大而增大。主極化在雙基地角為180°時(shí)均值達(dá)到最大，而交叉極化在雙基地角為0°和180°時(shí)，均值都小于主極化，且在雙基地為180°時(shí)，均值達(dá)到最小值。

（2） 單個(gè)角反射器的RCS 最大值隨雙基地角的變化與均值的變化規(guī)律相似，且在不同雙基地角下，主極化的最大值大于交叉極化的最大值。

（3） 單個(gè)角反射器的RCS 最小值數(shù)值低，且主極化最小值隨雙基地角的變化與均值的變化規(guī)律相似，而交叉極化2 個(gè)通道的最小值變化規(guī)律相反。

（4） 單個(gè)角反射器的RCS 標(biāo)準(zhǔn)差隨雙基地角的變化不明顯，為10 dBm2左右，但交叉極化的標(biāo)準(zhǔn)差在雙基地角接近180°時(shí)起伏較大。

4 角反射器RCS 統(tǒng)計(jì)分布特性分析

4.1 單個(gè)角反射器RCS 統(tǒng)計(jì)分布特性

基于同一八面體角反射器的單/雙基地RCS 電磁仿真數(shù)據(jù)，計(jì)算八面體角反射器單/雙基地RCS 統(tǒng)計(jì)概率分布，如圖5 所示，每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)之間的間隔代表1 dB。

圖5 單個(gè)角反射器單/雙基地RCS 統(tǒng)計(jì)分布圖Fig. 5 Single and bistatic RCS statistical distribution of single corner reflector

單個(gè)八面體角反射器單/雙基地RCS 統(tǒng)計(jì)特性存在以下差異：

（1） 單 基 地RCS 主 要 分 布 于20~40 dBm2之間，均值為30.007 5 dBm2；雙基地RCS 均值主要分布 于-40~20 dBm2之 間，均 值 為-10.237 1 dBm2。說明雙基地RCS 普遍小于單基地RCS，相差達(dá)到40 dB。

（2） 單基地RCS 極差為50.186 9 dB，雙基地極差為101.148 6 dB，說明雙基地模式下RCS 的動(dòng)態(tài)范圍更大；而單基地RCS 標(biāo)準(zhǔn)差為7.211 0 dB，雙基地RCS 標(biāo)準(zhǔn)差為11.173 8 dB，說明雖然雙基地模式下RCS 的動(dòng)態(tài)范圍更大，但是分布的集中程度還是同單基地相似。

可見對(duì)于單個(gè)八面體角反射器而言，RCS 在大角度范圍內(nèi)遠(yuǎn)小于單基地模式，相差約40 dB，且雙基地較大值集中區(qū)域約為單基地的23%。

4.2 角反射器陣列RCS 統(tǒng)計(jì)分布特性

當(dāng)八面體角反射器的尺寸不變，改變反射器陣列中八面體的個(gè)數(shù)為7 個(gè)，在相同的仿真設(shè)置條件下，得到的RCS 分布極坐標(biāo)圖與八面體個(gè)數(shù)為3 個(gè)的角反射器陣列相似，分別計(jì)算單、雙基地時(shí)3 個(gè)和7 個(gè)八面體角反射器陣列單/雙基地RCS概率分布，如圖6 所示，每個(gè)標(biāo)記點(diǎn)之間的間隔代表1 dB。

圖6 角反射器陣列單/雙基地RCS 統(tǒng)計(jì)分布圖Fig. 6 Single and bistatic RCS statistical distribution of corner reflector array

角反射器陣列單/雙基地RCS 統(tǒng)計(jì)特性存在以下差異：

（1） 單基地RCS 主要分布于0~60 dB 之間，均值為31.731 7 dBm2；雙基地RCS 主要分布于-40~20 dB 之間，均值為-8.941 5 dBm2。說明雙基地RCS 普遍小于單基地RCS，相差達(dá)到40 dB。

（2） 單基地RCS 極差為97.857 6 dB，雙基地極差為123.482 3 dB，說明雙基地模式下RCS 的動(dòng)態(tài)范圍更大；而單基地RCS 標(biāo)準(zhǔn)差為11.487 6 dB，雙基地RCS 標(biāo)準(zhǔn)差為13.356 4 dB，說明雖然雙基地模式下RCS 的動(dòng)態(tài)范圍更大，但是分布的集中程度還是同單基地相似。

可見對(duì)于角反射器陣列而言，RCS 在大角度范圍內(nèi)遠(yuǎn)小于單基地模式，相差達(dá)到40 dB。雙基地較大值分布的區(qū)域約為單基地的24%。且角反陣列中，當(dāng)角反放置距離較大時(shí)，八面體角反射器的個(gè)數(shù)對(duì)角反陣列單/雙基地RCS 分布影響不大。

5 暗室測(cè)量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過電磁仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，角反射器單/雙基地RCS 空域分布特性存在明顯差異。為進(jìn)一步對(duì)比分析角反射器單/雙基地RCS 空域分布特性，利用暗室進(jìn)行了角反射器散射特性測(cè)量實(shí)驗(yàn)，得到八面體角反射器的RCS 空域分布測(cè)量結(jié)果和統(tǒng)計(jì)分布結(jié)果。通過對(duì)比電磁仿真與實(shí)驗(yàn)測(cè)量的數(shù)據(jù)，對(duì)電磁仿真的結(jié)論進(jìn)行驗(yàn)證。暗室測(cè)量參數(shù)設(shè)置如表3 所示。

表3 單個(gè)角反射器RCS 極化特性電磁仿真參數(shù)設(shè)置Table 3 Setting of electromagnetic simulation parameters for RCS polarization characteristics of single corner reflector

實(shí)驗(yàn)選擇了邊長(zhǎng)a為0.15 m 的八面體角反射器作為目標(biāo)，暗室實(shí)驗(yàn)測(cè)量場(chǎng)景如圖7 所示，單基地模式時(shí)，天線夾角α為0°，同時(shí)改變兩天線方位角從-90°到90°，進(jìn)行角反射器單基地散射特性測(cè)量；雙基地模式時(shí)，固定發(fā)射天線方位角為-90°，改變接收天線方位角從-90°到90°，即天線夾角α從0°到180°，進(jìn)行角反射器雙基地散射特性測(cè)量，對(duì)實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，得到角反射器RCS 空域分布如圖8 所示。圖8a），c）是相同尺寸和參數(shù)條件下電磁計(jì)算結(jié)果，圖8b），d）為暗室實(shí)測(cè)結(jié)果。從圖8a），b）可以看出單基地模式下，角反射器RCS 分布具有旋轉(zhuǎn)對(duì)稱性，分布均勻，絕大多數(shù)在10 dBm2以上；從圖8c），d）可以看出雙基地模式下，角反射器RCS 分布具有一定的對(duì)稱性和周期性，絕大多數(shù)觀測(cè)角度下雙基地RCS 低于-10 dBm2。角反射器的單/雙基地RCS 實(shí)驗(yàn)測(cè)量空域分布規(guī)律與電磁仿真空域分布規(guī)律一致。

圖7 單個(gè)角反射器暗室測(cè)量實(shí)驗(yàn)圖Fig. 7 Single corner reflector measurement experiment in anechoic chamber

圖8 單個(gè)角反射器散射特性對(duì)比Fig. 8 Comparison of scattering characteristics of single corner reflector

基于相同尺寸和參數(shù)條件下角反射器的單/雙基地RCS 仿真數(shù)據(jù)和實(shí)驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)，計(jì)算單個(gè)角反射器單/雙基地RCS 統(tǒng)計(jì)概率分布，如圖9 所示。圖9a）為仿真結(jié)果統(tǒng)計(jì)分布，圖9b）為實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分布，其概率分布趨勢(shì)與圖5 中不同尺寸單個(gè)角反射器單/雙基地RCS 統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律一致，但圖5 中統(tǒng)計(jì)所用數(shù)據(jù)量遠(yuǎn)大于圖9，所以更為平滑。由于實(shí)驗(yàn)環(huán)境與仿真環(huán)境存在差異，仿真結(jié)果分布曲線的峰值更加明顯，概率分布更加集中，但實(shí)驗(yàn)結(jié)果與仿真結(jié)果的分布曲線形狀相似，統(tǒng)計(jì)分布規(guī)律一致。角反射器的單基地RCS 主要分布于-20~20 dBm2之間，雙基地RCS 主要分布于-40~0 dBm2之間，說明雙基地RCS 普遍小于單基地RCS，驗(yàn)證了電磁計(jì)算仿真結(jié)果的正確性。

圖9 角反射器仿真結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)分布對(duì)比圖Fig. 9 Comparison for statistical distribution of corner reflector simulation results and experimental results

6 結(jié)束語

本文針對(duì)如何有效抗角反射器干擾問題，研究了八面體角反射器單/雙基地RCS 空域分布特性、極化域分布特性。通過電磁仿真定量分析了單/雙基地模式下單個(gè)角反射器和角反射器均勻陣列的RCS，發(fā)現(xiàn)對(duì)于八面體角反射器，單/雙基地RCS 散射特性具有顯著差異；在雙基地模式下，八面體角反射器和陣列的RCS 在約75%的角度范圍內(nèi)遠(yuǎn)小于單基地模式，均值相差約30 dB。從統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，在較大的雙基地角范圍內(nèi)角反射器雙基地RCS 均值和極大值都遠(yuǎn)小于單基地RCS。因此，可通過改變雙基地雷達(dá)與角反射器之間的幾何關(guān)系來有效避免角反射器誘餌，實(shí)現(xiàn)抗角反射器干擾，具有重要軍事價(jià)值。下一步將研究動(dòng)態(tài)情況下角反射器和艦船目標(biāo)雙基地RCS 特性差異。