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1、目标截面积及其起伏特性1点目标特性与波长的关系目标的后向散射特性除与目标本身的性能有关外，还与视角、极化和入射波的波长有关。其中与波长的关系最大，常以相对于波长 的目标尺寸来对目标进行分类。为了讨论目标后向散射特性与波长的 关系，比较方便的办法是考察一个各向同性的球体。因为球有最简单的外形，而且理论上已经获得其截面积的严格解答，其截面积与视 角无关，因此常用金属球来作为截面积的标准，用于校正数据和实验 测定。图1球体截面积与波长入的关系球体截面积与波长的关系如图1所示。当球体周长2 n r入的区域称为光学区 截面积振荡地趋于某一固定值，它就是几何光学的投影面积n r2。目标的尺寸相对于波长很小
2、时呈现瑞利区散射特性，即入-4。绝大多数雷达目标都不处在这个区域中，但气象微粒对常用的雷达波长来说是处在这一区域的（它们的尺寸远小于波长）。处于瑞利区 的目标，决定它们截面积的主要参数是体积而不是形状 ，形状不同的 影响只作较小的修改即可。通常，雷达目标的尺寸较云雨微粒要大得 多，因此降低雷达工作频率可减小云雨回波的影响而又不会明显减 小正常雷达目标的截面积。实际上大多数雷达目标都处在光学区。 光学区名称的来源是因为 目标尺寸比波长大得多时，如果目标表面比较光滑，那么几何光学的 原理可以用来确定目标雷达截面积。按照几何光学的原理 ，表面最强 的反射区域是对电磁波波前最突出点附近的小的区域，这个
3、区域的大小与该点的曲率半径P成正比。曲率半径越大，反射区域越大，这 一反射区域在光学中称为 亮斑”可以证明，当物体在 亮斑”附近为 旋转对称时，其截面积为n p 2,故处于光学区球体的截面积为 n r2, 其截面积不随波长入变化。在光学区和瑞利区之间是振荡区，这个区的目标尺寸与波长相近，在这个区中，截面积随波长变化而呈振荡，最大点较光学值约高 5.6dB,而第一个凹点的值又较光学值约低 5.5dB。实际上雷达很少工 作在这一区域。2简单形状目标的雷达截面积几何形状比较简单的目标，如球体、圆板、锥体等，它们的雷达 截面积可以计算出来。其中球是最简单的目标。上节已讨论过球体截 面积的变化规律，在光
4、学区,球体截面积等于其几何投影面积 n r2,与 视角无关，也与波长入无关。对于其他形状简单的目标，当反射面的曲率半径大于波长时，也可以应用几何光学的方法来计算它们在光学区的雷达截面积。 一般情 况下，其反射面在 亮斑”附近不是旋转对称的，可通过 亮斑”并包含 视线作互相垂直的两个平面，这两个切面上的曲率半径为p 1、p 2,则 雷达截面积为(T = n p i p 2表1目标为简单几何形状物体的雷达参数随波怏的 变化关系目标相对人射波的视角雷达截面积、面积为代的大平板法线边长为也的三弟形角反射器对称轴平行于照射方向丽怏为几，半径为“的圆柱垂直于对称轴2JTAL1 Ar半按轴为知半掘轴为占的稱
5、 球轴*顶部曲率半径为曲的抛物面轴长为厶半笹为4的圆柱(在召 角雄團内的平均值与垂直于对称轴的袪线 成/半椎角为的有限锥莎+吨几何形状反射面积4兀F 2 T2J2Kr sin &) T 一 入2 wex 2Kr 3.n0 J” 2兀 k=k_ 1上T-12lzr Q、，sin(KZ sin&) T 。一 A COS?XL KZsi1JJ1v_2k K 一丁w 7W矽VA(a2sin2 0 cos2 H-62 sin2 6 sin2 p+c2 cos2 OY/1XXxr-r1 A情况At d=% 情况良辭 情况6。=芻（八+护）寺/26z无穷锥X入射A2 tan*。16(cos2sin2 ip
6、sin2 O)2当/v冷e时成立IIMl 直角反射器%=12兀务在15。内大致不变角反射番16 r4%严飞-=丁在35内大致不变k41TQ1叽一訐在2計内大致不变%L 4 A2在 财1抄范围内大致不变/滑尺寸物体/t的双方向散射1f 丫计算图示双向橄射截面积时取入射线与散 射线的夹角的尊分线，从等分线上入射时所得 的后向散射裁面积即为此时的两向散肘載面积13目标特性与极化的关系目标的散射特性通常与入射场的极化有关。先讨论天线幅射线极化的情况。照射到远区目标上的是线极化平面波 ，而任意方向的线 极化波都可以分解为两个正交分量，即垂直极化分量和水平极化分 量,分别用ETh和ETv表示在目标处天线所
7、幅射的水平极化和垂直极 化电场，其中上标T表示发射天线产生的电场，下标H和V分别代表 水平方向和垂直方向。一般，在水平照射场的作用下，目标的散射场 E将由两部分（即水平极化散射场Esh,和垂直极化散射场Esv）组成, 并且有EvHVEH = HH EH、-VH EVEH = ? HV EH ? VV EV式中，a hh表示水平极化入射场产生水平极化散射场的散射系数；aHV表示水平极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数。同理，在垂直照射场作用下，目标的散射场也有两部分：EH =VH EVEv - vvE；式中，a vh表示垂直极化入射场产生水平极化散射场的散射系数;a vv表示垂直极化入射场产生
8、垂直极化散射场的散射系数。显然，这四种散射成分中，水平散射场可被水平极化天线所接收 垂直散射场可被垂直极化天线所接收，所以有EHeHHH Ej - VH Ej? HV Ej :- VV Ej式中ETh, ETv分别表示接收天线所收到的目标散射场中的水平极化成分和垂直极化成分，把式(543)和(544)用矩阵表示时可写成HH VHHV-JVV厂EH1一应一式(5.4.5)中的中间一项表示目标散射特性与极化有关的系数，称为散 射矩阵。F面讨论散射矩阵中各系数的意义。我们定义(7 HH为水平极化照射时同极化的雷达截面积：4拧罟比h(7 HV为水平极化照射时正交极化的雷达截面积2 | Er |22 2
9、CHV=4nRW7=4 nR?HV(T VV为垂直极化照射时同极化的雷达截面积：tv 二 4 nR21 e； !二 4 n2 ： Vv1 Ev 1(7 VH为垂直极化照射时正交极化的雷达截面积2 |E； |22 2二 VH 4 nRT .2 - 4 VH1 EV 1由此看出，系数a hh、a hv、a vv和a vh分别正比于各种极化之 间的雷达截面积，散射矩阵还可以表示成如下形式：由于雷达截面积严格表示应该是一个复数，其中7；等表示散射矩阵单元的幅度，p hh表示相对应的相位。天线的互易原理告诉我们，不论收发天线各采用什么样的极化 当收发天线互易时，可以得到同样效果。特殊情况，比如发射天线是
10、 垂直极化，接收天线是水平极化，当发射天线作为接收而接收天线作 为发射时，效果相同，可知a HV=a vh,说明散射矩阵交叉项具有对 称性。散射矩阵表明了目标散射特性与极化方向的关系，因而它和目 一个各向同性的物体（如球体）,当它被电磁波照射时，可以推断其散 射强度不受电波极化方向的影响，例如用水平极化波或垂直极化波 时，其散射强度是相等的，由此可知其a hh= a vv。标的几何形状间有密切的联系F面举一些例子加以说明当被照射物体的几何形状对包括视线的入射波的极化平面对称，则父叉项反射系数为零，即a hv = a vh =0,这时因为物体的几何形状对极化平面对称，则该物体上的电流分布必然与极
11、化平面对称，故目 标上的极化取向必定与入射波的极化取向一致。为了进一步说明，假设散射体对水平极化平面对称，入射场采用水平极化，由于对称性, 散射场中向上的分量应与向下的分量相等，因而相加的结果是垂直分量的散射场为零,即a hv = a vh=0。故对于各向同性的球体，其散射矩阵的形式可简化为aL0 J又若物体分别对水平和垂直轴对称，如平置的椭圆体即是，入射场极化不同时自然反射场强不同，因而a hh工a vv,但由于对称性，故而散射场中只可能有与入射场相同的分量，而不可能有正交的分量,所以它的散射矩阵可表示成rHH 0 I.0VV 一其中，a rr、a rl、a lr、a ll分别代表各种圆极化
12、之间的反射系数。 对于相对于视线轴对称的目标，a rr= a ll=O, a rl= a lr半0,这时因为目标的对称性，反射场的极化取向与入射场一致并有相同的旋转 方向，但由于传播方向相反，因而相对于传播方向其旋转方向亦相反 即对应于入射场的右（左）旋极化反射场则变为左（右）旋极化，因此，a RR = a LL=0, a RL= a LR 半 0。这一性质是很重要的，如果我们采用相同极化的圆极化天线作 为发射和接收天线，那么对于一个近似为球体的目标，接收功率很小 或为零。我们知道，气象微粒如雨等就是球形或椭圆形，为了滤除 雨回波的干扰，收发天线常采用同极化的圆极化天线。不管目标是否对称，根据
13、互易原理，都有a LR = a RL。4复杂目标的雷达截面积诸如飞机、舰艇、地物等复杂目标的雷达截面积，是视角和 工作波长的复杂函数。尺寸大的复杂反射体常常可以近似分解成许多 独立的散射体，每一个独立散射体的尺寸仍处于光学区，各部分没有 相互作用，在这样的条件下，总的雷达截面积就是各部分截面积的矢 量和。=Z expk这里，（T k是第k个散射体的截面积；dk是第k个散射体与接收机之 间的距离，这一公式对确定散射器阵的截面积有很大的用途。各独 立单元的反射回波由于其相对相位关系，可以是相加，给出大的雷达 截面积，也可能相减而得到小的雷达截面积。对于复杂目标，各散射 单元的间隔是可以和工作波长相
14、比的，因此当观察方向改变时，在接收机输入端收到的各单元散射信号间的相位也在变化，使其矢量和 相应改变，这就形成了起伏的回波信号图2飞机的雷达截面积从上面的讨论中可看出，对于复杂目标的雷达截面积，只要稍微 变动观察角或工作频率，就会引起截面积大的起伏。但有时为了估算作用距离，必须对各类复杂目标给出一个代表其截面积大小的数 值（T。至今尚无一个一致同意的标准来确定飞机等复杂目标截面积的 单值表示值。 可以采用其各方向截面积的平均值或中值作为截面积 的单值表示值，有时也用最小值”即差不多95%以上时间的截面积 都超过该值）来表示。也可能是根据实验测量的作用距离反过来确定 其雷达截面积。表3列出几种目标在微波波段时的雷达截面积作为参 考例子，而这些数据不能完全反映复杂目标截面积的性质，只是截面 积平均”值的一个度量。复杂目标的雷达截面积是视角的函数，通常雷达工作时，精确的 目标姿态及视角是不知道的，因为目标运动时，视角随时间变化。因此，最好是用统计的概念来描述雷达截面积，所用统计模型应尽量 和实际目标雷达截面积的分布规律相同。 大量试验表明，大型飞机 截面积的概率分布接近瑞利分布，当然也有例外，小型飞机和各种飞 机侧面截面积的分布与瑞利分布差别较大。表3目标雷达截面积举
