隨著電磁隱身技術(shù)在軍事裝備（特別是飛行器）上的廣泛應(yīng)用，雷達(dá)目標(biāo)電磁散射特性的重要性研究日益突出。目前迫切需要一種目標(biāo)電磁散射特性的檢測(cè)手段，以用于目標(biāo)電磁隱身性能和隱身效果的定量、定性分析。雷達(dá)散射截面積RCS（Radar Cross Section）測(cè)量是研究目標(biāo)電磁散射特性的重要方法，雷達(dá)目標(biāo)特性測(cè)量作為航天測(cè)控領(lǐng)域的一項(xiàng)先進(jìn)技術(shù),在新型雷達(dá)設(shè)計(jì)過程中得到廣泛的應(yīng)用，它通過在重要的各姿態(tài)角位置RCS的測(cè)量，可確定目標(biāo)形狀、尺寸。高精度測(cè)量雷達(dá)一般通過測(cè)量目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)特性、雷達(dá)反射特性、多普勒特性來獲取目標(biāo)信息，其中雷達(dá)RCS特性測(cè)量即是測(cè)量目標(biāo)的反射特性。

1  雷達(dá)散射界面的定義及測(cè)量原理

1.1  散射界面的定義

當(dāng)物體被電磁波照射時(shí)，其能量將朝各個(gè)方向散射。能量的空間分布依賴于物體的形狀、大小、結(jié)構(gòu)以及入射波的頻率和特性。能量的這種分布稱為散射。這種能量或功率散射的空間分布一般用散射截面來表征，他是目標(biāo)的一種假想的面積山。雷達(dá)散射界面是目標(biāo)遠(yuǎn)場(chǎng)特性,其定義是基于平面波照射下目標(biāo)各向同性散射時(shí)“捕捉”到的區(qū)域，通?？捎美走_(dá)有效散射面積來表征這個(gè)區(qū)域的尺寸：

在這個(gè)表達(dá)式中，E是入射波強(qiáng)度，E散射波強(qiáng)度，R為遠(yuǎn)場(chǎng)距離。從式（1）中可以看出，目標(biāo)的有效散射面積是用目標(biāo)散射電磁波的能力來描述的,是雷達(dá)探測(cè)目標(biāo)可見度的衡量,單位常用分貝（dB）表示，其大小主要取決于目標(biāo)的參數(shù)(如目標(biāo)的形狀、尺寸及表面電器性能)和雷達(dá)參數(shù)(如一次場(chǎng)的極化形式、波長等)以及目標(biāo)的視角。

1.2  測(cè)量原理

典型的RCS測(cè)試示意圖如圖1所示。通常發(fā)射機(jī)和接收機(jī)有一個(gè)小角度的分離以提高隔離度，對(duì)于返回的弱小信號(hào)則有更高的靈敏度。旋轉(zhuǎn)支架用于改變目標(biāo)相對(duì)于雷達(dá)的方向。

由雷達(dá)方程式定義：

為大氣與高頻傳輸系統(tǒng)損耗。由于接收機(jī)所檢測(cè)到的功率受發(fā)射機(jī)、接收機(jī)內(nèi)饋線損耗以及沿射線路徑的大氣損耗等影響，方程式中必須考慮這幾個(gè)因素，其中C式中的各項(xiàng)與所探測(cè)的目標(biāo)無關(guān),在一次測(cè)量中,可以被認(rèn)為是個(gè)常數(shù)。根據(jù)具體雷達(dá)設(shè)備的性能，可以在上列方程中引入若干修正項(xiàng)，則目標(biāo)有效散射面積可表示為σ＝CPrR4ρθ,式中:ρ為校準(zhǔn)時(shí)發(fā)射機(jī)參考功率與 測(cè)量實(shí)施時(shí)發(fā)射機(jī)功率之比;。θ為天線偏離雷達(dá)波束的的信號(hào)衰減量。RCS的測(cè)量就是依據(jù)式(2)進(jìn)行的在對(duì)方程式中有關(guān)項(xiàng)進(jìn)行校準(zhǔn)后，可由雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)特性測(cè)量支路獲取目標(biāo)回波功率P_r,再由雷達(dá)的距離跟蹤支路測(cè)出距離R,進(jìn)而來計(jì)算出目標(biāo)的雷達(dá)散射截面。從式(2)還可看出,要想精確測(cè)量出目標(biāo)的有效散射截面積，對(duì)式中常數(shù)項(xiàng)C的精確標(biāo)定是必不可少的。

2  測(cè)量標(biāo)定

雷達(dá)目標(biāo)散射截面測(cè)量中的一個(gè)主要問題是如何標(biāo)定，通常采用測(cè)量已知反射截面積的定標(biāo)體作為標(biāo)?；鶞?zhǔn)，從而對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校。這種方法是對(duì)整個(gè)雷達(dá)的校準(zhǔn)，簡便、實(shí)用用精度較高。但主要問題是如何進(jìn)行精確的標(biāo)校，即建立已知的RCS與雷達(dá)接收機(jī)輸出物理量(電壓或功率)之間嚴(yán)格的對(duì)應(yīng)關(guān)系，從而由接收機(jī)測(cè)量值得到所對(duì)應(yīng)目標(biāo)的未知RCS值。

RCS測(cè)量常選用導(dǎo)體球作為定標(biāo)體，由于其具有各向同性的優(yōu)點(diǎn)，容易以此來確定測(cè)試精度。導(dǎo)體球在光學(xué)區(qū)的后向散射截面σ_sphere＝πr²,其中r≥λ,r是球體半徑，入是輻射波長。一般可用處于光學(xué)區(qū)的導(dǎo)體球進(jìn)行定標(biāo)。另一種作為定標(biāo)體的是矩形平板,它的單站散射截面是即如σ_plate＝4π（A²/λ²）r²,其中有：VA≥A,故導(dǎo)體球在光學(xué)區(qū)的雷達(dá)散射截面與頻率無關(guān)，散射截面的振蕩特性消失而趨于常數(shù)，它等于球的投影面積。當(dāng)平板的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長時(shí)，頻率相對(duì)散射截面非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物理面積這個(gè)因素。在室外測(cè)量和最近的一些研究與發(fā)展經(jīng)驗(yàn)中，研究人員已經(jīng)傾向于把短圓柱體作為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。它能更好的消除背景雜波的影響。

3  室外測(cè)量

外場(chǎng)RCS測(cè)量是獲取大型全尺寸目標(biāo)電磁散射特性的重要手段。室外場(chǎng)測(cè)試分為動(dòng)態(tài)測(cè)試和靜態(tài)測(cè)試。動(dòng)態(tài)RCS測(cè)量是在目標(biāo)飛行時(shí)測(cè)量的，動(dòng)態(tài)測(cè)量比靜態(tài)測(cè)量具有某些優(yōu)勢(shì)，因?yàn)樗酥T如機(jī)翼，引擎，推動(dòng)部件等對(duì)雷達(dá)散射截面的影響。也能很好的滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件。但其成本較高，并受天氣的影響，目標(biāo)姿態(tài)控制困難，角閃爍嚴(yán)重。相比動(dòng)態(tài)測(cè)試，靜態(tài)測(cè)試無須跟蹤目標(biāo)，被測(cè)目標(biāo)固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上，不需轉(zhuǎn)動(dòng)天線，只需通過控制轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)角度，就可以實(shí)現(xiàn)被測(cè)目標(biāo)360°的全方位測(cè)量，因此大大降低了系統(tǒng)的成本及測(cè)試費(fèi)用。同時(shí)，由于目標(biāo)中心相對(duì)于天線是靜止不動(dòng)的，姿態(tài)控制精度高，并且可以重復(fù)測(cè)量，不但提高了測(cè)量和標(biāo)定的精度，而且方便、經(jīng)濟(jì)、可操作性好。靜態(tài)測(cè)試便于對(duì)目標(biāo)多次測(cè)量。

RCS室外測(cè)試時(shí)，地平面的影響非常大,其外場(chǎng)測(cè)試示意圖如圖2所示。最早想到的方法是把一個(gè)范圍內(nèi)安裝的大尺寸目標(biāo)和地平面隔離，但是近年來認(rèn)為這是幾乎不可能完成的。人們認(rèn)識(shí)到最有效的處理地平面反射的方法就是利用地平面作為照射過程的參與者，即創(chuàng)造一個(gè)地面反射環(huán)境。

6.1  點(diǎn)頻方式

該方式首先測(cè)出來自支架、地面反射、遠(yuǎn)區(qū)阻擋物等背景的信噪比（S/N）,然后再將被測(cè)目標(biāo)放于支撐塔架上并測(cè)出來自目標(biāo)背景的信噪比。通過二次矢量場(chǎng)相減技術(shù)（對(duì)消）基本可將背景噪聲消除，從而得到被測(cè)目標(biāo)的信噪比,然后再根據(jù)下列公式計(jì)算出目標(biāo)的信噪比：

式中，K為測(cè)量設(shè)備的時(shí)變物理參數(shù);σ_terg為被測(cè)目標(biāo)的散射截面積;R為被測(cè)目標(biāo)到天線的距離（常量），S/N_terg禰為被測(cè)目標(biāo)的信噪比。需要指出的是，K值并非一個(gè)固定常量，他與測(cè)量設(shè)備自身狀態(tài)、氣候、溫度等環(huán)境因素均有關(guān)系，K值只在某一時(shí)間段內(nèi)（測(cè)量設(shè)備工作穩(wěn)定，氣候、溫度等環(huán)境變化很小時(shí)）為一常量。因此，在每次進(jìn)行測(cè)量的時(shí)候（時(shí)間跨度較長，環(huán)境改變），均需對(duì)K值進(jìn)行重新標(biāo)定。具體標(biāo)定方法為:用一已知散射截面積σ的標(biāo)準(zhǔn)金屬球放置于支撐塔架上，然后按照上述的方法測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)金屬球的信噪比，從而反算出當(dāng)前條件下的K值。

6.2  掃頻方式

傳統(tǒng)的微波暗室測(cè)量大多使用點(diǎn)頻方式,點(diǎn)頻測(cè)試最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，數(shù)據(jù)處理速度快。缺陷是每個(gè)測(cè)量周期（目標(biāo)相對(duì)雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一周）僅能獲得單頻點(diǎn)的RCS方位曲線，對(duì)于低散射目標(biāo)，需要添加對(duì)消系統(tǒng)來消除暗室背景，且這種背景不易消除。因此，對(duì)于低散射物體的測(cè)量，點(diǎn)頻方式測(cè)量系統(tǒng)會(huì)造成較大的測(cè)量誤差，用掃頻方法測(cè)量則能得到較高的測(cè)量精度，步進(jìn)頻率系統(tǒng)就是掃頻的一種。

步進(jìn)頻率信號(hào)是一種頻率呈步進(jìn)式變化的超寬帶雷達(dá)信號(hào)，它由一串脈沖組成，每個(gè)脈沖發(fā)射頻率不同，頻率間的階躍為固定值。對(duì)脈沖回波做快速傅里葉逆變換（IFFT）處理，可以得到目標(biāo)合成距離高分辨率輸出，因而在微波成像、目標(biāo)識(shí)別等雷達(dá)系統(tǒng)中廣泛使用。其方程為：

式中，f₀為起始頻率,?f表示頻率步進(jìn)間隔。對(duì)這個(gè)頻域信號(hào)做傅里葉逆變換，可得到其時(shí)域形式為：

由此可見，傅里葉逆變換處理出來的結(jié)果是一串載頻為中心頻率的sinc函數(shù)。

采用步進(jìn)頻率信號(hào)測(cè)量與點(diǎn)頻連續(xù)波相比，可以省去復(fù)雜的硬件對(duì)消器,從而有效減少了背景雜波的影響。信號(hào)經(jīng)過功率放大器放大后可直接由標(biāo)準(zhǔn)天線發(fā)射出去，回波信號(hào)通過另一個(gè)相隔很近的標(biāo)準(zhǔn)增益天線送入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收端，然后利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時(shí)域功能進(jìn)行軟件對(duì)消，從而使測(cè)試方案得以簡化。

7  結(jié)語

隱身RCS測(cè)試技術(shù)的研究討論開始于1965年，到現(xiàn)在已經(jīng)近半個(gè)世紀(jì)，最早的RCS測(cè)試技術(shù)是點(diǎn)頻連續(xù)波方式。隨著數(shù)字計(jì)算機(jī)以及儀器計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，隱身測(cè)試技術(shù)已經(jīng)得到極大的進(jìn)步，而且緊湊場(chǎng)技術(shù)還可以使測(cè)量從室外轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，從而使背景對(duì)消，雷達(dá)鏡像，大目標(biāo)RCS特征更加精確。