天线方向图对目标近场散射特性影响的分析

摘要：本文以SCTE可视化预估系统为基础，用高频近似法建立了考虑天线方向图时目标近场RCS理论模型。通过实例，计算了有无天线方向图影响下的近场RCS曲线，分析了天线方向图对目标近场RCS特性的影响。

关键词：天线方向图；近场散射；雷达散射截面（RCS）

中图分类号：TN820.1 文献标识码：A

1 概述

随着现代科学技术的不断发展，研究目标的近场电磁散射特性越来越受到人们的重视。在远场条件下，目标的RCS是一个只与目标本身特性有关的量，但在实际情况下，远场条件并不是总能满足。当目标电尺寸很大时，敌我双方的目标（如军舰，坦克等）一般都处于对方探测雷达电磁散射场的近区。例如长约300多米，宽约70多米的海上舰船，其远场区域非常远，因此，作战时雷达天线和导引头多处于其近场区域。故分析近场RCS特性有非常重要的意义。

要分析RCS特性，先要确定近区和远区。由文献[1][2]，近区和远区的分界距离为：

2 天线方向图

在散射近场研究中需要考虑探测雷达天线运动情况、天线方向图、目标被雷达波的照射情况等因素，本文考虑天线方向图因素，分析它对目标近场散射特性影响。

天线方向特性采用方向函数f（θ，）来描述，θ为场点位置矢量与天线主瓣轴的夹角，为球坐标系中方位角。将方向函数用图形表示就称为天线的方向图。为了方便地在平面上作图，一般绘出两正交的主平面的方向图，即E面和H面。在大多数情况下，其E面或H面的方向图一般呈花瓣状，故方向图又称波瓣图。最大辐射方向所在的瓣称为主瓣，其余的瓣称为旁瓣或侧瓣。主瓣宽度又分为半功率波瓣宽度和零功率波瓣宽度。主瓣宽度表示能量辐射的集中程度。

在本文中，利用两个非常典型的天线方向图来分析，即方向图1和方向图2，其方向函数分别为

3 考虑天线方向图时目标近场RCS理论模型

在分析电大尺寸目标RCS特性时，因为其近场范围非常大，探测雷达通常处于近区。但可借助远场电磁散射理论来分析近场问题。当把电大尺寸表面剖分成一个个微小面元时，总的RCS应是各个小面元RCS的相位叠加和。而对于每一微小面元来说，其近场区域范围非常小，整个目标近区范围内的一些点，就会处在面元的远区。如一尺寸为200m的目标入射波长为0.03m，由公式（1）算得其近场范围为R〈2668km；当剖分面元尺寸为0.1m时，其远场范围为R〉0.667m，显然探测雷达处于小面元的远区。因此利用这种方法，可将近场问题分解为远场问题。

4 计算实例及分析

在SCTE预估系统中，将上述理论模型应用于几个典型目标近远区RCS计算，可得到天线方向图影响下的RCS曲线。

4.1 矩形平板的近场与远场RCS结果比较

首先对矩形平板的近场进行了计算，并与远场进行比较，所采用的波长为3cm。图1为采用面元法的近场计算的结果。图中点线为0.3m近场考虑方向图1的结果，实线为0.3m近场的不考虑方向图结果。图2为采用面元法远场计算的结果。图3为采用面元法考虑方向图1和方向图2的近场计算的结果。图中点线为0.3m近场的考虑方向图1的结果，实线为0.3m近场的考虑方向图2的结果。

4.2 球体RCS结果比较

其次计算了直径为20英寸（0.508m）的球体RCS随探测距离间的变化曲线。所采用的波长为3cm，计算的近场结果与不考虑天线方向图的结果几乎一致。

4.3 三球散射体RCS结果比较

最后计算了三球散射体，其几何模型如图3所示。O为目标中心，三球直径分别为9.75cm，7.5cm，10.75cm。所采用的波长为2.5cm。图5为近场条件下考虑方向图1和没有考虑方向图的RCS曲线。图中点线为0.5m近场的考虑方向图1的结果，实线为0.5m近场的不考虑方向图的结果。图6为考虑方向图1，2的近场计算的结果。图中点线为1m近场的考虑方向图1的结果，实线为1m近场的考虑方向图2的结果。

4.4 结果分析

对以上结果分析可知：

1）在主瓣附近近区RCS的振荡小，远场的振荡大；

2）近场的最大值比远场的小，主瓣宽度比远场大；

3）考虑天线方向图和不考虑天线方向图，对远场没有影响；

4）目标的近区和远区单站RCS特性存在差异，当雷达离目标越近，这种差异也变得越大，天线方向图的影响也越大。

当目标受到高分辨探测信号时，其散射场的主要成分是镜面反射和破口段（边缘，棱角，段部等）的场，这些对应于目标强散射点的场分量可用散射中心的概念来描述。在高频区,目标总的电磁散射可以认为是某些局部位置上的电磁散射的合成,这些局部性的散射源通常称为等效多散射中心,或简称多散射中心。当目标上各主要部分的尺寸远大于雷达波长时,受雷达照射的目标的电磁散射区可以用多个(一般可达十几个或者几十个) 孤立的散射中心来完全表征,从几何观点来分析,就是那些曲率不连续处和表面不连续处,如目标的边缘,凸面曲率不连续点,棱角及尖端等特殊部位；此外,还有特殊的镜面反射,蠕动波,行波效应引起的等效散射中 。综上所述，散射中心与目标的几何结构联系紧密。

由图1、图2和图5可知，近区RCS曲线对比不考虑天线方向图的RCS曲线有所变化，并且目标几何模型不同，曲线变化幅度也不一样。对球体，散射中心为对应于天线主瓣轴附近的小面元，球面上的其他面元对RCS的贡献很小，可以忽略不计。由于面元尺寸很小，这些小面元的几何中心与主瓣轴的夹角 很小， 近似为1，因此天线方向图对RCS特性几乎没有影响。对矩形平板，散射中心为各个面元的几何中心，各散射中心与主瓣轴的夹角 不相同，天线方向图对RCS特性影响不能忽略，整个目标的RCS主要为各散射中心贡献之和。因此天线方向图对矩形平板近区电磁散射特性有一定的影响。对三球体而言，每个球体都有一个散射中心, 各散射中心与主瓣轴的夹角 不相同，RCS为三散射中心之和，故天线方向图对其近区RCS特性影响较大。由图3和图6可知，当天线方向图选取得不同，即主瓣宽度不同时，对RCS特性影响也不一样。方向性越强，主瓣宽度越窄，对近区RCS 影响越大。

5 小结

本文考虑了两种不同的天线方向图，建立了以面元法为计算基础的目标近场RCS理论模型。利用SCTE可视化预估系统，对矩形平板，导体球，三球体典型模型进行计算并分析。从计算结果可以看出，天线方向图对目标近场散射特性影响是不容忽视的。在现代雷达探测技术中，雷达天线具有一定的方向性，因此，考虑天线方向图对目标近场散射特性影响是符合实际要求的。

参考文献

[1]J.Wcrispin, Jr., and K.M Siegel. Method of Radar Cross Section Analysis. New York and London. Academic Press, 1968.

[2]J.M.Rius,M.Ferrando,and L.Jofre.High frequency RCS of Complex Radar Targets in Realtime.IEEE Trans.AP,1993.

[3]阮颖铮. 雷达截面与隐身技术[M]. 北京: 国防工业出版社, 1998.

[4]夏应清. 复杂目标近区RCS特性研究[D].华中师范大学博士学位论文, 2002.

[5]黎海涛, 徐继麟. 超宽带雷达目标回波建模[J]. 系统工程与电子技术, 2000(10).