RCS的原理、仿真及消减措施

引言

雷达散射截面(RCS,简称为散射截面)是表征雷达 目标对照射该目标的电磁波散射能力的物理量。本文介绍了 RCS原理，并且验证了基于FEKO软件仿真RCS所具有准确 性、快速性，为RCS的消减提供了数据依据，从而提出了减 少舰船雷达散射面积的有效措施。

1雷达散射截面基本原理

基于在平面电磁波照射下目标具有各向同性的假设条件, 雷达目标的散射能量可以表示为目标的等效面积与入射功率密 度的乘积，用符号。表示，其表达式为：

式中，ES 为散射电场强度，Ei 为入射电场强度。

当距离目标足够远时，照射目标的入射波近似为平面波，此时 σ 与 R 无关，因此可以得出远场 RCS 的表达式为 ：

RCS是一个标量。它的单位是m2，由于目标的RCS动 态变化范围非常大，大到成千上万平方米，小到几平方厘米, 为了表述方便，常用其相对于1 m2的分贝数来表示，即分贝 平方米，记为dB - m2,即：

一般来说，目标的RCS随方位角剧烈变化。同一目标, 由于照射方位不同，其RCS可能相差几个数量级。

由于目标的RCS是接收机方位角的函数，因此可以将其 分为单站RCS和双站RCS。当辐射源和接收机位于同一点时, 称为单站散射，大多数雷达工作在这种情况。当辐射源和接 收机不在同一点时，称为双站散射，目标对接收机和辐射源 方向的夹角称为双站角。通常所说的前向散射就是双站角为 180°的情况，而单站散射又称为后向散射对应于双站角为0。 的情况。单站和双站散射过程如图1所示。通常，目标的前向 散射大于后向散射。

根据目标尺寸与入射波波长的相对关系，可以将散射划 分为瑞利区、谐振区、光学区三种散射方式。同一目标对不同 波长的雷达波会呈现不同的电磁散射特性。因此波长对物体 的RCS影响非常大。

2 FEKO软件准确度及参数设置的的验证

为了检验FEKO软件的准确性，也为了检查自己对软件 的参数设置是否正确，特找了两个对比的例子进行验证。

2.1文献上介质球的RCS

介质球的RCS参数如下：

无耗介质球半径1 m ；

介电常数36 ；

入射波的波长在自由空间为20 m (介质中为3.33 m),

即 15 MHz :

入射波方向(180° 0。)，即从球的底部入射；

求解远场RCS (0 < 0 < 180°(3=0),即图2中的球 外面的曲线所示方向。

图3所示为文献上计算的结果，点线为文献上用FEKO 的计算结果，实线为理论值。图4所示是自己仿真的结果。

可见，自己仿真结果和文献中的结果很吻合，从而也证明了软件的精度和参数设置的正确性。

2.2金属球的散射特性

图5所示是文献上解析的金属导体球随频率变化的RCS曲线。其中a为球体的半径，横坐标为2πa/λ的比值，纵坐标为σ/πa2，σ即RCS。

由图5便可知道根据目标尺寸与入射波波长的相对关系，可以将散射划分为瑞利区、谐振区、光学区。当2πa/λ≥10，球体的RCS值趋于稳定（σ/πa2=1），变化不大，大小为πa2，即导体球的尺寸面积。

当球半径为a=1m时，由上面可知入射波频率大于477MHz时，导体球的单站RCS趋于值πm2，即4.97dB。

在图5上，由文献中得知的第一个峰值2n/Z=1.02,即 户1.02X300/2n=48.701 4 MHz时，其相应的纵坐标最大值 为 3.653 5,即 RCS=3.653 5n =11.477 8 m2即 10.598 6 dB。而 自己用FEKO的仿真图中，第一个峰值户48.701 4 MHz, RCS=10.54 dB=11.336 m2,相对误差为 1.23%。可见 FEKO 的准确度还是比较高的。

3仿真均匀金属球的RCS

3.1求解条件

均匀金属球的RCS求解条件如下：

介质球为良导体，半径1 m ；

入射波为均匀平面波，频率10 GHz ；

观测角度<p为0〜360°俯仰角0为0〜180。。

3.2求解过程

(1)建立模型，金属导体球半径1 m，图7所示是其模 型参数设置图。

入射波设为10 GHz的平面波,从球顶部入射(6=0° )；

设置求解远场区的结果，观测角度0〜360。，俯仰 角0〜180。，每隔5度取一个观测点；

划分网格；

设置求解方法，由于频率很高，一般方法算不了, 本例中设置求解方法为Po和MoM相结合，为减少求解量, 将X=0平面设置为物理对称，这样可以减少一半的计算量。

3.3仿真结果

图8所示是金属球的全向RCS三维RCS图。图9所示 P=0°时金属球RCS随6的变化趋势。图10为p=0。平面金属 球RCS随6变化的极坐标图。

由以上图表可知：

金属球的全向RCS在球正面(平面波进入的面)比 较小，在背面最大，与理论相符。

金属球的单站RC(平面波入射点处)值为4.978 2 dB, 此时2na次＞ 10，所以处于光学区，理论的单站RCS为 n m2，即4.97 dB，所以仿真的误差为0.008 2 dB，相对误差 为 0.165%。

4减少舰船的雷达散射面积的措施

4.1影响RCS量值的主要因素

影响RCS量值的主要因素有三点。第一是目标的物理特 性；第二是目标的几何结构；第三是目标雷达波入射的方位。

目标的物理特性主要指目标材料的电性能。因此，通过 在飞机表面涂覆特殊的材料，或者目标物体采用适当的电性能 的材料，可以有效地减低物体的RCS。

目标的几何结构与其RCS关系很大，因此可以利用改变 目标外形结构来控制物体的RCS，比如为了避免二面角和三面 角的强反射，可以将相交的表面设计成锐角或钝角。

一般来说，目标的RCS随方位角剧烈变化。同一目标， 由于照射方位不同，其RCS可能相差几个数量级。

4.2减小RCS的措施

减小RCS的措施主要有以下几点：

舰艇外形整形

整个舰艇的外形设计尽量趋于封闭型，整体呈流线型， 减少凹凸面、垂直直角面，突出部位变成圆弧状，尽量减小上 层建筑的体积和高度。

水上部分尽量减少角反射体，两垂直结合面采用圆角形 式，据有关资料介绍，圆角半径一般取5A左右为宜。

尽量减少在露天区域安装金属设施，除必要的通风口、 通气口外，其他金属物体不在露天甲板设置，或对露天安装的 设施采取遮挡形体。

上层建筑二侧围壁内倾与甲板垂直面倾斜成一定角度； 而首部壁与主甲板也倾斜成一定角度，使之与二侧壁形成半球 面型。

在不影响总体性能和结构强度的前提下，上层建筑的围 壁尽量采用波浪形的金属板，这样有利于改变雷达波反射方 向，是敌方雷达接收不到回波信号。

采用雷达吸波材料(RAM)

舰体表面涂抹雷达吸波材料可以将雷达波吸收，使反射 波减小直至完全吸收。

无源抵消

又称为阻抗加载，就是在目标的回波源之外引入另一个回波源，以抵消目标回波源。

(4)有源抵消

该方法的主要思想是由目标主动产生一种辐射，其幅度和 相位刚好与目标反射的能量相抵消。

5结语

本文介绍了 RCS的基本原理，验证了基于FEKO软件仿 真RCS所具有的准确性和快速性，为RCS的消减提供了数据 依据，从而提出减少舰船雷达散射面积有效措施。

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