外場(chǎng)雷達(dá)目標(biāo)RCS極化特性測(cè)量方法

張德保，沈 鵬

（解放軍91404部隊(duì)，秦皇島066001）

0 引 言

在外場(chǎng)動(dòng)態(tài)條件下，為了準(zhǔn)確而全面地獲取目標(biāo)的極化散射特性，除測(cè)量目標(biāo)的同極化雷達(dá)散射截面積（RCS）外，還需要測(cè)量目標(biāo)的RCS交叉極化分量。微波暗室條件下采用的極化散射矩陣校準(zhǔn)測(cè)量方法不適用于外場(chǎng)條件下的測(cè)量，外場(chǎng)RCS測(cè)量普遍使用的自由空間標(biāo)準(zhǔn)金屬球只能完成對(duì)水平和垂直同極化RCS測(cè)量通道的標(biāo)校，而無(wú)法對(duì)RCS測(cè)量系統(tǒng)的交叉極化通道進(jìn)行標(biāo)校，需要尋找一種全新的方法對(duì)外場(chǎng)動(dòng)態(tài)RCS測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校，以完成對(duì)目標(biāo)的RCS極化散射矩陣的測(cè)量。

1 目標(biāo)RCS極化散射矩陣

RCS是入射到目標(biāo)上的電磁波極化狀態(tài)的函數(shù)，但它只是作為一種表征目標(biāo)散射波強(qiáng)度的標(biāo)量被廣泛應(yīng)用。作為對(duì)入射波和目標(biāo)之間相互作用（即目標(biāo)散射特性）的最一般性的描述，極化散射矩陣提供了一個(gè)很好的選擇。在后向散射情況下，選擇水平極化H（電場(chǎng)矢量平行于水平面）和垂直極化V（電場(chǎng)矢量垂直于水平面）為一組正交極化基，此時(shí)極化散射矩陣S定義為：

式中：Es為從目標(biāo)散射的電場(chǎng)強(qiáng)度；Ei為對(duì)目標(biāo)的入射電場(chǎng)強(qiáng)度；下標(biāo)“h”和“v”分別表示水平極化和垂直極化；S為極化散射矩陣因子，如Shv表示發(fā)射V極化，接收H極化的組合。

電場(chǎng)散射矩陣元素與RCS散射矩陣元素之間的關(guān)系為：

式中：σij為RCS極化散射矩陣元素。

2 外場(chǎng)標(biāo)校用目標(biāo)RCS極化矩陣

2.1 空間標(biāo)準(zhǔn)金屬球

在外場(chǎng)動(dòng)態(tài)RCS測(cè)量時(shí)，普遍使用升起在空間的標(biāo)準(zhǔn)金屬球?qū)y(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校，標(biāo)準(zhǔn)金屬球的RCS極化散射矩陣為：

式中：σ0為標(biāo)準(zhǔn)金屬球的水平和垂直同極化RCS值。

從標(biāo)準(zhǔn)金屬球的極化散射矩陣可以看出，其RCS在水平和垂直同極化時(shí)為一恒定量，而交叉極化時(shí)則為零，所以自由空間的標(biāo)準(zhǔn)金屬球只能完成對(duì)RCS測(cè)量系統(tǒng)的水平和垂直同極化通道的校準(zhǔn)。由于其交叉極化分量為零，也可用作對(duì)測(cè)量系統(tǒng)交叉極化耦合情況的檢查。

2.2 收發(fā)天線均為水平或垂直極化的有源標(biāo)

眾所周知，在進(jìn)行RCS測(cè)量時(shí)，也可以用有源標(biāo)對(duì)RCS測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行精確校準(zhǔn)。有源標(biāo)的等效RCS只與其收發(fā)通道的放大倍數(shù)及延遲時(shí)間有關(guān)，其在某一頻率極化下的RCS是一恒定量。當(dāng)有源標(biāo)收發(fā)天線均為水平極化或收發(fā)共用一水平極化天線時(shí)，其等效RCS極化散射矩陣為：

式中：σ1為有源標(biāo)水平同極化的等效RCS值。

這種有源標(biāo)只能用于對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的水平極化通道的標(biāo)校。

當(dāng)有源標(biāo)收發(fā)天線均為垂直極化或收發(fā)共用一垂直極化天線時(shí)，其等效RCS極化散射矩陣為：

式中：σ2為有源標(biāo)垂直同極化的等效RCS值。

這種有源標(biāo)只能用于對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的垂直極化通道的標(biāo)校。

2.3 收發(fā)天線極化正交斜置45°的有源標(biāo)

通過(guò)分析同樣不難得出，收發(fā)天線極化準(zhǔn)確正交斜置45°的有源標(biāo)的等效RCS極化矩陣為：

式中：σ3為有源標(biāo)的等效RCS值。

這種有源標(biāo)的極化散射矩陣的精度與其收發(fā)天線極化方向設(shè)置的精度有關(guān)，只要精確設(shè)定其收發(fā)天線的極化方向，就可得到較高的極化矩陣精度。從式（6）可以看出，該有源標(biāo)4種極化方式的RCS相同且已知，可用于對(duì)測(cè)量系統(tǒng)的水平垂直同極化通道和正交極化通道的標(biāo)校。

2.4 收發(fā)天線為圓極化的有源標(biāo)

當(dāng)有源標(biāo)的收發(fā)天線均為圓極化時(shí)，其等效RCS極化矩陣為：

由于有源標(biāo)的圓極化天線產(chǎn)生的圓極化可以分解成幅度相等、相位相差45°的垂直和水平極化，所以其極化散射矩陣因子的幅度均相同，只是交叉極化因子與同極化的相位相差45°。在這種有源標(biāo)的等效RCS極化矩陣中，同極化和交叉極化的RCS已知且幅度相同，所以可以用于對(duì)RCS測(cè)量系統(tǒng)同極化和正交極化通道的標(biāo)校。

3 RCS測(cè)量系統(tǒng)極化通道標(biāo)校

通過(guò)上面的分析可知，用自由空間的標(biāo)準(zhǔn)金屬球能同時(shí)對(duì)RCS測(cè)量系統(tǒng)的水平和垂直同極化通道進(jìn)行標(biāo)校，得到RCS測(cè)量系統(tǒng)水平和垂直極化通道的系統(tǒng)常數(shù)如下：

式中：Khh和Kvv分別為測(cè)量系統(tǒng)水平和垂直同極化通道的系統(tǒng)常數(shù)K值。

收發(fā)天線均為水平或垂直極化的有源標(biāo)只能對(duì)RCS測(cè)量系統(tǒng)的水平或垂直極化通道進(jìn)行單獨(dú)標(biāo)校，通過(guò)對(duì)其校準(zhǔn)可得到RCS測(cè)量系統(tǒng)的系統(tǒng)常數(shù)如下：

收發(fā)天線為水平極化時(shí)：

收發(fā)天線為垂直極化時(shí)：

只要準(zhǔn)確地將有源標(biāo)的收發(fā)天線極化設(shè)置為正交45°，就可獲得有源標(biāo)同極化和正交極化的RCS，且這4種極化的RCS相等。圓極化有源標(biāo)也有著同樣的特性，只是正交極化分量有45°的相位差，所以通過(guò)這兩種有源標(biāo)，就可以完成對(duì)RCS測(cè)量系統(tǒng)的同極化和正交極化通道的標(biāo)校，得到測(cè)量系統(tǒng)4個(gè)通道的系統(tǒng)常數(shù)為：

式中：Khh和Kvv為測(cè)量系統(tǒng)水平和垂直同極化測(cè)量通道的系統(tǒng)常數(shù)；Khv和Kvh為測(cè)量系統(tǒng)正交極化通道的系統(tǒng)常數(shù)。

收發(fā)天線正交斜置45°的有源標(biāo)和圓極化天線有源標(biāo)可以同時(shí)對(duì)RCS測(cè)量系統(tǒng)的水平垂直同極化和正交極化通道進(jìn)行標(biāo)校。在實(shí)際使用時(shí)，由于將收發(fā)天線準(zhǔn)確正交斜置45°操作起來(lái)不是很方便，所以在實(shí)際測(cè)量時(shí)，通過(guò)采用圓極化天線有源標(biāo)，可以方便地對(duì)RCS測(cè)量系統(tǒng)各極化通道進(jìn)行標(biāo)校。

4 校準(zhǔn)測(cè)量過(guò)程

通過(guò)上面的分析發(fā)現(xiàn)，收發(fā)天線為圓極化的有源標(biāo)可以作為外場(chǎng)動(dòng)態(tài)RCS測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)校源，對(duì)測(cè)量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校。使用這種標(biāo)校方法只需1次校準(zhǔn)就可得到測(cè)量系統(tǒng)的水平垂直同極化和交叉極化通道的系統(tǒng)常數(shù)。

在實(shí)際校準(zhǔn)過(guò)程中，首先用自由空間的標(biāo)準(zhǔn)金屬球?qū)y(cè)量系統(tǒng)的水平和垂直同極化通道進(jìn)行標(biāo)校，然后對(duì)有源標(biāo)水平和垂直同極化等效RCS進(jìn)行測(cè)量。由于有源標(biāo)的水平或垂直同極化和交叉極化等效RCS相同，所以通過(guò)此測(cè)量就可得到有源標(biāo)等效RCS極化散射矩陣中的σ4，從而獲得有源標(biāo)等效RCS極化散射矩陣：

然后RCS測(cè)量系統(tǒng)通過(guò)對(duì)此有源標(biāo)進(jìn)行標(biāo)校，就可完成對(duì)RCS測(cè)量系統(tǒng)中的水平垂直同極化和交叉極化通道的校準(zhǔn)，獲得水平垂直同極化和交叉極化通道的系統(tǒng)常數(shù)。至此，系統(tǒng)就可以對(duì)目標(biāo)進(jìn)行4種極化的RCS測(cè)量，獲得目標(biāo)的極化散射特性。

圖1是測(cè)量系統(tǒng)對(duì)某一目標(biāo)的RCS測(cè)量結(jié)果，從測(cè)量結(jié)果可以看出，該目標(biāo)水平同極化RCS比交叉極化要大，且在某些方向，水平同極化RCS比交叉極化要大幾十個(gè)dB。

此測(cè)量系統(tǒng)中由于采取了有效的去極化耦合措施，具有很好的極化隔離度，能保證測(cè)得的目標(biāo)RCS極化矩陣具有很好的純度。

圖1 某目標(biāo)水平極化和交叉極化測(cè)量結(jié)果

5 結(jié)束語(yǔ)

外場(chǎng)動(dòng)態(tài)RCS測(cè)量中，為了測(cè)量目標(biāo)的RCS極化特性，不僅需要測(cè)量目標(biāo)的水平垂直同極化RCS，還需要獲得目標(biāo)的交叉極化RCS。

本文討論的利用圓極化天線有源標(biāo)可以方便地對(duì)RCS測(cè)量系統(tǒng)的同極化和正交極化通道進(jìn)行標(biāo)校，較好地解決了外場(chǎng)動(dòng)態(tài)RCS測(cè)量中對(duì)測(cè)量系統(tǒng)交叉極化通道的標(biāo)校問(wèn)題。通過(guò)實(shí)際應(yīng)用表明，該方法使用方便，科學(xué)可行。

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