【雷达目标散射与测量】
拼译：radar target scattering and measurement
雷达目标散射是指由雷达天线辐射的电磁波触及物体(如车辆、飞机、导弹、舰船、树木、地面、海面、云、雨、雪等)时发生的方向、频率、强度、相位以及极化的变化。理论上，目标散射电磁场是在一定边界条件下的麦克斯韦方程的积分解。对于简单物体，像球、圆锥体等目标，可获得严格的解析解。但对于大多数物体，只能用几何光学法、物理光学法、几何绕射和物理绕射理论等近似的方法求值。在计算机技术迅速发展的情况下，矩量法、时域差分法等解散射场的数值方法的应用日益广泛，过去看来难解的问题，现在已能比较容易求得精确的数值解了。
雷达目标散射强度的“大小”用雷达散射截面(RCS)来度量，其表达式为：
式中Er、Hr为雷达接收机处的电场、磁场强度；Ei、Hi为入射到目标处的电场、磁场强度；R为雷达接收机到目标的距离。
因为散射场与距离成反比，所以，雷达散射截面是与距离无关的量，而是雷达工作频率、构成目标的材料、目标形状和大小、目标相对于雷达的姿态角、以及发射极化和接收极化的函数。RCS的单位为m2，一般用分贝表示：
雷达散射截面(RCS)用功率来定义的表达式为：
通常，将入射场视为平面波(并非永远如此)。
上述2个定义是等价的，前者用于理论计算，后者用于测量。对于面目标(地面、海面等)，是用单位面积上的雷达散射截面－反射系数σ°来表示，它是无量纲因子，是频率、极化、入射角、覆盖物、湿度等的函数。测量目标时，一般使用球或角反射器这样已知RCS的简单物体作为定标体，来标定复杂目标的RCS值。对于半径为r的球体，其RCS一级近似值为球的投影面积(σ=πr2，r》λ)。可用连续波雷达、线性调频波雷达、脉冲雷达等在室内(微波暗室)或外场测量雷达目标的RCS。专门用来测量研究RCS用的雷达叫做测量雷达(Measure mental Radar)，而用作反射系数测量用的设备叫做散射计(Scatterometer)。一般意义上讲，雷达测量的概念是希望检测到所希望的目标，而抑制不希望的目标(杂波)。所以，研究目标特性(诸如坦克、舰船等)的同时，也要注重环境特性(诸如地面、海面等)的研究。从最简单的警用测速雷达到非常复杂的能对飞行器和卫星成像的系统，无不涉及到目标的测量。迄今为止，散射场的严格解析解仅适于那些不很复杂的物体。对于像飞机、坦克、舰船、建筑物等复杂目标，虽然有较好的近似解预示其最大值和中值作为参考，但最终评定要靠实际测量。对于大多数低RCS目标，特别是有烧蚀表面或雷达吸波材料的物体，获得RCS主要靠测量。纵观历史，研究雷达目标散射及其RCS测量的意义归结为以下几个方面：(1)利用雷达方程确定要设计的特定雷达系统需要的功率和接收机灵敏度；(2)提取所希望检测的目标信息，便于目标检测、分类和识别：(3)用于RCS增强技术，利于我方和友方辨认目标；(4)用于抑制敌方雷达检测的RCS减缩技术，如设计制造隐身飞机和隐身舰船；(5)用于遥感，如测洋面风速和风向、污染区域监视、灾害区域监测、预估农作业产量和外星表面探测等。此外，目标角闪烁也属雷达目标散射和测量的范畴，其研究目的是提高雷达精确跟踪目标真实位置的能力。雷达目标散射和测量研究发展的历史是与雷达发展的历史相辅相成的。1886年，Hertz利用450MHz的火花间歇发射机和接收机去检验麦克斯韦的理论时，发现了电磁波对金属和介质有反射，并首先做了估算。1903年，德国Chirstian Hulsmeyer首先实现了用雷达对军事目标舰船的探测，由于作用距离有限，没有引起多大兴趣。1922年末，美国海军研究实验室(NRL)的Taylar和Young，用工作在60MHz的连续波相干雷达去探测一条木船。1930年由NRL的Hyland首次利用连续波相干雷达来探测飞机。1942～1945年，麻省理工学院(M．I．T)辐射实验室及Ohio州立大学最早在微波无反射室(即暗室)内进行飞机模型的RCS测量。1947年，M．I．T的28卷雷达丛书出版，这套丛书莫定了雷达理论和测量的基础。1949年，Maue导出了光滑导电体电磁散射积分方程的精确解。1957年，Keller引入了几何绕射理论(GTD)。1964年，美国建成国立“雷达目标散射测试场”，频率从20MHz到24GHz，3条双站测量圆弧路；后来扩展到95GHz，且能四频同时成像测量。1966年，关于雷达反射率的IEEE专辑出版。1968年，美国海军研究实验室在对飞机目标进行了10年的动态测量之后，又用四波段(P、L、S、X波段)测量雷达对陆地、海洋背景作了大量的测量。同年，哈林登引入了解电磁场问题的一种重要数值方法－矩量法。1979年，Georgia理工学院与洋面武器中心联合进行了海面低入射角的测量，使用了9．5、16、35、94GHz等4种频率。两年后，北大西洋公约组织进行了10～95GHz频率范围的海杂波和目标的测量。70年代末80年代初，在英国进行了包括极化、频率捷变、空间效应、气象、海浪、脉宽等各种情况下海杂波的一系列测量。这些测量的一个重要结果是，对海面低入射角入射时，在微波波段，水平极化波的反射平均值总是低于垂直极化波，而在95GHz则相反。80年代以来，由于人们对整个毫米波段的兴趣增加，也由于工艺和信号处理技术的进展，测量从35GHz、94GHz、96GHz扩充到140GHz、220GHz。测量内容包括雪、雨下降过程的衰减，雪覆盖地面背景、北极冻土地带、以及在毫米波段对目标RCS特性的研究，测量组织单位涉及到M．I．T林肯实验室、美国陆军、德国和英国的研究者等。具有80年代先进水平的RCS测量系统有(1)Georgia理工学院的多波段测量雷达(MIRS)，它具有工作频率在35、95GHz的射频头，频率捷变带宽1GHz，可实现目标散射矩阵测量，因为目标散射矩阵反应了目标的全部信息；(2)Scientific Atlanta的脉冲调制器(Moden1786／7)，其Moden1786复盖了0．1～2GHz的频率范围，分两个频段工作，它们都能产生窄到10ns的脉冲；(3)休斯公司的频率捷变综合器(FASS)，其频率范围从10MHz到3GHz，频率分辨力为0．125Hz，可做为激励源上变频到任何频率组成测量雷达。散射计算的数值方法，如矩量法，80年代发展成熟。80年代末，又发展了时域差分法。使用这些方法，实现了以往难以实现的某些复杂目标RCS计算。雷达目标散射和测量研究最有普遍影响和具有轰动效应的事情是隐身飞机的出现。F117A隐身战斗机于1981年6月15日首飞，但到1988年11月10日才公布第一张照片。它采用多平面体外形，并涂以雷达吸波材料，使机头方向RCS比一般战斗机低上百倍，雷达难以发现。由于把不可避免的反射集中在少数几个窄波束内，时闪时没，即使发现一下也难以跟踪。B－2隐身轰炸机是1988年4月20日公布的，飞翼式外形，大量采用了结构型吸波材料。1993年4月美国海军公布了隐身试验艇。这些是对雷达领域的一种严峻挑战。隐身外形结构和隐身材料是雷达目标散射和测量研究的热点之一，同时，反隐身也是这种研究的热点之一。支撑这种研究的一个重要方面是使测量雷达能对目标做更细致的诊断测量。这就要求雷达具有大带宽，相干波形，足够高的距离分辨力以便能对组成复杂目标的各个散射中心提取极化散射矩阵信息。另外，目标识别也是当今研究的热点之一。用雷达对目标进行分类和识别，一直还没有行之有效的方法，先进国家都在探索。距离高分辨和利用极化信息，将对这类问题的解决带来前景。【参考文献】：1 Ridenour L N．Radar System Engineering，Vol．I of the MIT Radiation laloratory Series，McGraw-Hill，New York，19472 Keller J B．Diffraction by an Aperture，J App Phys．1957，28，PP426～4443 Blacksmith P，Hiatt J R E，Mack R B．Introduction to Radar Cross Section Measure ments，proc．IEEE，vol．53，August 1965，PP901～9204 Spacial issue on Radar Refrectivity，Proc，IEEE，vol．53，NO．8，August 19655 Harrington R F．Field Computation by Moment Method，The Macmillan Company，1968中译本“计算电磁场的矩量法”，北京：国防工业出版社，19816 Linwood N，Jones C．The SEASAT－A Satellite scatterometer： The Geophysical Evaluation of Remotely sensed Wind Vectors over the Ocean，J．of Geonhysical Reseach，vol．87，No．C5，April 19827 Knott E F，Tuley M T，Schaeffer J F．Radar Cross Section，Artech House，1985，中译本，雷达散射截面－预估、测量和缩减，北京：电子工业出版社，19888 Currie N C．Radar Reflectivity Measurement：Technipues，Appliications，Artech House，19899 Eaves J L，Reedy E K．Principles of Modern Radar，Van Nostrand Reinhold Company，New York：1987．中译本，现代雷达原理，北京：电子工业出版社，1991(航天部二院二二〇七所樊正芳研究员撰；林桂森研究员审)