雷達(dá)通過(guò)天線發(fā)射電磁波照射目標(biāo)，并接收目標(biāo)反射回的微弱信號(hào)，經(jīng)過(guò)信號(hào)處理檢測(cè)出關(guān)于目標(biāo)或環(huán)境的信息，例如距離、速度、方位、散射特性等。從雷達(dá)系統(tǒng)的基本處理過(guò)程可以看出，雷達(dá)主要包括發(fā)射機(jī)、天線、接收機(jī)、信號(hào)處理器、顯示器等部分。今天主要給大家詳細(xì)分析目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積。

雷達(dá)散射截面積(Radar Cross Section, RCS)是目標(biāo)在雷達(dá)接收方向上反射雷達(dá)信號(hào)能力的度量，一個(gè)目標(biāo)的RCS等于單位立體角目標(biāo)在雷達(dá)接收天線方向上反射的功率(每單獨(dú)立體角)與入射到目標(biāo)處的功率密度(每平方米)之比。

RCS模型建立

目標(biāo)雷達(dá)散射截面積的一些特性可用一些簡(jiǎn)單的模型來(lái)描述，根據(jù)雷達(dá)波長(zhǎng)與目標(biāo)尺寸的相對(duì)關(guān)系，可分成三個(gè)區(qū)域來(lái)描述目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積。

瑞利區(qū)。在此區(qū)域，目標(biāo)尺寸遠(yuǎn)小于信號(hào)波長(zhǎng)，目標(biāo)雷達(dá)散射截面積與雷達(dá)觀測(cè)角度關(guān)系不大，與雷達(dá)工作頻率的4次方成正比。

諧振區(qū)。在此區(qū)域，波長(zhǎng)與目標(biāo)尺寸相當(dāng)。目標(biāo)雷達(dá)散射截面積隨著頻率變化而變化，變化范圍可達(dá)10dB；同時(shí)由于目標(biāo)形狀的不連續(xù)性，目標(biāo)雷達(dá)散射截面積隨雷達(dá)觀測(cè)角的變化而變化。

光學(xué)區(qū)。在此區(qū)域，目標(biāo)尺寸大于信號(hào)波長(zhǎng)，下限值通常比瑞利區(qū)目標(biāo)尺寸的上限值高一個(gè)數(shù)量級(jí)。簡(jiǎn)單形狀目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積可以接近它們的光截面，目標(biāo)或雷達(dá)的移動(dòng)會(huì)造成視線角的變化，將導(dǎo)致目標(biāo)雷達(dá)散射截面積發(fā)生變化。

需要注意的是以上分隔三個(gè)區(qū)的邊界是不清晰的，RCS評(píng)估和計(jì)算方法的使用需要注意是在哪個(gè)尺寸范圍內(nèi)來(lái)分析的。精確的方法是一麥克斯韋方程組的積分和微分形式為基礎(chǔ)，一般限于瑞利區(qū)和諧振區(qū)內(nèi)相對(duì)簡(jiǎn)單和小物體，而大多數(shù)近似方法則是為光學(xué)區(qū)開(kāi)發(fā)的。

簡(jiǎn)單目標(biāo)和復(fù)雜目標(biāo)的RCS

簡(jiǎn)單金屬形狀的雷達(dá)散射截面積可以通過(guò)等式估算，但對(duì)于像飛機(jī)這樣非常復(fù)雜的目標(biāo)，其表面與RCS之間沒(méi)有牢固的關(guān)系，它會(huì)隨照射雷達(dá)的方向而顯著變化。

復(fù)雜目標(biāo)對(duì)電磁波的作用包含鏡面反射、邊緣繞射、尖頂繞射、爬行波繞射、行波繞射和非細(xì)長(zhǎng)體因電磁突變引起的繞射等。對(duì)于無(wú)隱身措施的常規(guī)飛機(jī)，它的散射場(chǎng)包括反射和繞射場(chǎng)，主要是鏡面反射和邊緣繞射起作用。

鏡面反射(Specular Reflection)：光學(xué)區(qū)域中最重要的反射形式，就像光照射鏡子一樣，大多數(shù)入射雷達(dá)波的能量都是根據(jù)鏡面反射定律反射出來(lái)的(反射角等于入射角)。這種反射可以通過(guò)塑性顯著減少。

行波/表面波散射(Traveling /Surface Waves)：照射到飛機(jī)機(jī)身上的入射雷達(dá)波可以在其表面產(chǎn)生行進(jìn)電流，該行進(jìn)電流沿著路徑傳播到表面邊界，例如前緣，表面不連續(xù)處等。這樣的表面邊界可以導(dǎo)致后向行波或者向多個(gè)方向散射。這種反射可以通過(guò)雷達(dá)吸收材料，雷達(dá)吸收結(jié)構(gòu)，減少表面間隙或邊緣對(duì)齊來(lái)減少。

衍射(Diffraction)：電磁波照射到非常尖銳的表面或邊緣被散射而不遵循反射定律。

爬行波繞射(Creeping Wave)：這是行波的一種形式，當(dāng)沿著物體表面行進(jìn)時(shí)沒(méi)有遇到表面不連續(xù)或障礙物，因此它能夠繞物體行進(jìn)并返回雷達(dá)。爬行波主要繞彎曲或圓形物體移動(dòng)。因此，隱身戰(zhàn)斗機(jī)和隱身巡航導(dǎo)彈不使用管狀機(jī)身。

常見(jiàn)目標(biāo)的RCS典型值

相對(duì)復(fù)雜的目標(biāo)的RCS可通過(guò)幾種不同的逼近方法進(jìn)行測(cè)算。例如：幾何光學(xué)法(GO)，假定射線沿直線傳播，利用經(jīng)典的光線路徑理論；物理光學(xué)法(PO)運(yùn)用平面切線的近似并通過(guò)惠更斯原理計(jì)算RCS；幾何衍射理論(GTD)是一個(gè)合成系統(tǒng)，該系統(tǒng)建立在GO和衍射線的概念綜合的基礎(chǔ)上。

目標(biāo)的RCS可通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量或計(jì)算機(jī)建模得到，但需要目標(biāo)的詳細(xì)信息，并且需要根據(jù)雷達(dá)工作頻率和雷達(dá)觀測(cè)角生成大量數(shù)據(jù)。下面給出的是幾種常見(jiàn)目標(biāo)的RCS典型值。

對(duì)于隱身飛機(jī)，采取多種措施，使鏡面反射和邊緣繞射基本消失。典型的戰(zhàn)斗機(jī)的雷達(dá)散射截面積(RCS)約1平米，而“隱身飛機(jī)”的RCS僅為0.01平米，甚至更小。

影響RCS的因素

目標(biāo)的RCS取決于目標(biāo)結(jié)構(gòu)(形狀和材料)、雷達(dá)工作頻率、雷達(dá)極化方式和雷達(dá)觀測(cè)角等。通常情況下，平面目標(biāo)具有較強(qiáng)的鏡反射回波，而賦形、涂覆雷達(dá)吸波材料和采用非金屬材料等隱身技術(shù)則可以大大降低目標(biāo)雷達(dá)散射截面積。

對(duì)于無(wú)隱身措施的常規(guī)飛機(jī)，它的散射場(chǎng)包括反射和繞射場(chǎng)，主要是鏡面反射和邊緣繞射起作用。對(duì)于隱身飛機(jī)，采取多種措施，使鏡面反射和邊緣繞射基本消失。

天線陣面的RCS縮減

由于飛機(jī)的雷達(dá)天線罩(Radome)對(duì)無(wú)線電波是透明的，需采取特殊措施來(lái)減小天線的RCS，否則，即便是最小的平面陣列天線，它的RCS甚至可能達(dá)到數(shù)千平方米。

不管是機(jī)械掃描陣列天線(MSA)還是電子掃描陣列天線(ESA)，它們的陣面在其他威脅雷達(dá)的信號(hào)照射時(shí)會(huì)產(chǎn)生后向散射。通過(guò)精心設(shè)計(jì)和制造出來(lái)的天線，后向散射的四種類(lèi)型可以控制在可接受的最小范圍內(nèi)而變得無(wú)害。

傾斜天線：陣面的鏡面反射可以通過(guò)傾斜天線致使反射波不沿照射波方向反射來(lái)控制。盡管傾斜并不能減少反射，但卻可以使威脅我方的雷達(dá)無(wú)法收到反射波。

傾斜在某種程度上減少了天線的有效孔徑面積，減少了天線的增益并展寬了波束，但是我們只以較小的代價(jià)就獲得了天線被檢測(cè)出的概率的大幅度降低。

天線模式反射的最小化：在雷達(dá)的工作頻率上，天線模式反射擁有與發(fā)射信號(hào)類(lèi)似的方向圖，即一個(gè)主瓣附帶著幾個(gè)旁瓣。主瓣的方向是由照射波的入射角和天線陣陣子間相移決定的。

最小化這些反射方法是：在天線上采用匹配良好的微波電路，并對(duì)設(shè)計(jì)的細(xì)節(jié)給予特別的關(guān)注。對(duì)于寬波段MSA天線和無(wú)源ESA天線，即使是來(lái)自天線深層的反射也必須消除，這可以通過(guò)在饋線的適當(dāng)?shù)胤讲迦烁綦x器(如循環(huán)器)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

邊緣衍射的最小化：邊緣衍射產(chǎn)生的后向反射可以和與天線陣周長(zhǎng)有相同尺寸的環(huán)天線(loop)產(chǎn)生的后向反射相當(dāng)。由于環(huán)的尺寸是雷達(dá)工作波長(zhǎng)的很多倍，典型的環(huán)形天線方向圖包含大量的從寬波方向散開(kāi)的小瓣。

有些天線在安裝時(shí)，通過(guò)對(duì)反射面的整形疏散衍射的能量使其低于威脅雷達(dá)的檢測(cè)門(mén)限，可以使邊緣衍射變得無(wú)害。還有一些天線在安裝時(shí)，通過(guò)在反射面的邊緣應(yīng)用雷達(dá)吸波材料使阻抗值平滑地下降到周?chē)Y(jié)構(gòu)的阻抗來(lái)減少衍射。

隨機(jī)散射的最小化：結(jié)構(gòu)模式和天線模式反射的隨機(jī)成分可能擴(kuò)展到很大的角度范圍內(nèi)，因此，不能通過(guò)天線的傾斜來(lái)避免。為了把它們降低到可接受的程度，天線的微波特性在整個(gè)天線陣列內(nèi)必須是均勻的，這需要嚴(yán)格控制制造偏差。

隱身目標(biāo)的RCS

隨著雷達(dá)波長(zhǎng)的增加(頻率的降低)，鏡面反射的強(qiáng)度減小，且波瓣寬度變寬。同樣的現(xiàn)象也發(fā)生在雷達(dá)上，如果孔徑大小保持不變，頻率的降低將增加波束寬度。由于鏡面反射波瓣變寬，使雷達(dá)波偏離將更加困難，并且反射的能量將分布在更廣的范圍。

鏡面反射隨波長(zhǎng)的平方增加而成比例地減少。在較低的頻率下，行波和衍射的影響更多。對(duì)于平面，行波以波長(zhǎng)的平方增長(zhǎng)，它們的峰值反向散射角隨著波長(zhǎng)的平方根而增加。尖端衍射和邊緣繞射也隨著波長(zhǎng)的平方而增長(zhǎng)。

因此，當(dāng)波長(zhǎng)接近與飛機(jī)尺寸接近的諧振區(qū)域時(shí)，隱身飛機(jī)的RCS的凈值通常會(huì)增加。上圖為B-2飛機(jī)在10 Ghz和1 Ghz情況下的RCS，可以看出在低頻段1GHz時(shí)某些特定角度上有較大的RCS值。

上圖為AGM-86導(dǎo)彈在10 Ghz和1 Ghz情況下的RCS，可以看出在低頻段1GHz時(shí)在更多的角度上有較大的RCS值，這也為對(duì)抗隱身提供了更多的機(jī)會(huì)。

行波和衍射的影響可以通過(guò)以下方式減少：調(diào)整不連續(xù)之處的方向以將行波引向不可避免的鏡面反射的角度(例如機(jī)翼前緣)，從而限制它們?cè)谄渌嵌壬系挠绊憽＠缥淦髋撻T(mén)就是不連續(xù)之處，鋸齒狀的邊緣的使用就是以便行波反射至不太重要的角度。

減少表面波影響的另一種常用方法是將機(jī)身設(shè)計(jì)為具有非垂直角的小平面，從而雷達(dá)波沿著它們的斜線往低角度方向行進(jìn)，減少邊緣繞射的影響。

第一架隱身飛機(jī)F-117是平整的表面，而所有后來(lái)的隱身飛機(jī)，如B-2，F(xiàn)-35，F(xiàn)-22，X-47都使用融合體設(shè)計(jì)(圓滑無(wú)棱角)。由融合平面構(gòu)成的形狀不僅具有更大的空氣動(dòng)力學(xué)性能，而且還允許電流在其邊緣平滑傳輸，從而減少表面波散射。

因此，融合體具有比平整面結(jié)構(gòu)有更低的RCS，特別是在低頻情況下。并且以精確的數(shù)學(xué)計(jì)算飛機(jī)曲線，可以將方位向上RCS減小一個(gè)數(shù)量級(jí)。在相對(duì)較高的頻率下，也可以用雷達(dá)吸波材料(RAM)抑制表面波。通過(guò)融合平面也可以減少表面波衍射。

審核編輯：郭婷