近场RCS概念介绍

梁子长

1、近场电磁散射问题与共性特点

RCS是雷达散射截面（Radar Cross Section）的英文缩写，是描述理想情况下雷达目标电磁散射特性的重要物理量。以下先对近场电磁散射问题进行说明，再引入近场RCS的定义与计算处理方法。

1.1 近场电磁散射问题

雷达实际工作过程中，其观测距离有限，且入射到目标区域的电磁波与RCS定义中的均匀平面波存在一定差异，雷达测量的目标散射回波能量除与发射功率、发射和接收天线增益、观测距离四次方线性相关外，还与雷达天线、观测距离（四次方以外）等存在一定关联性。一般情况下，观测距离越远，这种关联性越弱；人们规定了工程上的远场近似条件^[1]：

a) 平面波近似：在垂直于来波方向的目标最大横截面上的入射电磁波相位差小于；

b) 均匀照射近似：目标区域内观测天线增益偏差不超过0.5dB。当不满足远场近似条件时，即存在雷达近场电磁散射研究问题。

从本质上讲，目标电磁散射特性可视为描述散射场与入射场间的转换关系量，是目标的固有属性。远场极限情况下，目标电磁散射特性仅与目标形状与电磁参数、电磁波频率与极化等相关，而与探测器无关。远场电磁散射问题可归结为目标对均匀平面波的作用问题，而近场电磁散射问题则归结为目标对非均匀电磁波的作用问题，由于非均匀电磁波种类繁多，近场电磁散射问题研究范围也十分广泛，从雷达直接可观测的目标近场特性角度来说，每一种近程雷达系统均对应一个雷达近场电磁散射问题，且近场电磁散射中相关因素较多，其研究问题十分复杂。

1.2 共性特点

尽管近场电磁散射问题种类较多，表现的目标近场特性也各不相同，其仍存在一些共性的特点：

1）雷达近场电磁散射问题研究针对性较强；由于雷达近场特性无法与观测雷达“完全去相关”，近场电磁散射问题一般难以完全脱离观测雷达进行研究，其研究针对性相对较强，如窄波束近场雷达探测中主要关注非均匀甚至局部照射电磁波的散射问题，图1(a)是窄波束天线照射下金属球表面感应电流分布，图1(b)是局部照射下金属球近场RCS的变化曲线；而宽波束近场探测中主要关注球面波散射问题；

2）不同的雷达近场散射问题均可与偶极子球面波下的基础近场散射问题进行转换，从而与观测雷达实现“间接去相关”；偶极子是雷达天线的最基本单元，其辐射场可组合成不同天线波束、观测距离下目标区的照射场分布；偶极子球面波在近场的作用类似于远场平面波，但又存在一定差异：远场情况下雷达电磁波≈单一平面波；近场情况下雷达电磁波≈单个或多个偶极子球面波的组合。

3）近场问题的描述变量及关注的特性类型更为复杂；近场散射问题的描述变量既包含常规的电磁波频率、极化、观测视角等，还包含观测天线位置、波束参考指向以及波束分布特点；在关注的近场特性类型上，除近场RCS外，还关注近场角闪烁、多普勒频谱展宽等特性：近场角闪烁来源于体目标效应，是雷达测角的主要误差源，近场多普勒频谱展宽则包含有目标散射点分布、电磁波照射范围等信息，是雷达多普勒测速、测角的误差源。

4）雷达近场电磁散射问题更侧重于动态变化特性的研究；由于近场特性与观测距离等诸多因素相关，且不同状态下近场特性存在较大差异，单纯研究某一状态下的近场静态散射研究问题不具代表性，而遍历研究所有状态存在难以实现以及怎么综合给出近场特性的问题。因此，近场电磁散射问题一般需结合探测雷达与目标的相对运动过程进行研究，一方面可约束近场观测状态变量，从而减少观测状态数量，另一方面则可结合雷达工作过程给出其关注的近场特性。

2、近场RCS相关定义

2.1近场RCS的物理定义

根据电磁场叠加原理，任意入射或散射电磁场均可分解为无限小理想电或磁偶极子辐射场的组合。由此可将近场RCS定义中的照射场形式进行规范，即将理想偶极子作为照射及接收的观测条件，则近场RCS的物理定义可写为：

       （2-15）

式中，v表示照射及接收偶极子指向； 为偶极子观测条件下的散射复函数，该函数与目标散射特性、偶极子类型及指向有关，其中照射偶极子在目标处的辐射场强需进行归一化；R_s表示接收偶极子位置相对目标参考点的距离。

在以被观测目标中心为原点的球坐标系中，处于位置的任意指向偶极子均可分解为和指向的同类型偶极子组合，因此，为满足近场RCS描述散射特性的完整性，照射或接收偶极子将分别有六种类型：电偶极子的垂直、水平和对称极化（对应和指向的电偶极子）及磁偶极子的垂直、水平和对称极化（对应和指向的磁偶极子），对应的近场RCS将有6×6 = 36种极化组合，可分别记为，其中0=e,m表示偶极子类型； p,q=V,H,S表示照射及接收偶极子的三种正交指向。近场RCS与远场RCS的对照如表2-1所示。

表1 物理定义下的近场RCS与远场RCS对照表

2.2近场RCS的工程计算方法

 由于近程雷达探测过程存在观测距离有限、目标照射场幅度随观测距离变化等特点，实际应用中可将传统RCS定义式进行引申扩展，即

 1）针对近场散射中观测距离有限的特点，去除原RCS定义式中取极限过程；

 2)针对近场散射中入射波电场幅度E₀近似与照射雷达至目标间距离R_i成反比的特点，将原RCS定义式中目标区内入射波电场强度归一化为单位距离下的电压值，并取目标区内某一参考点的值。

 由此可给出近场散射情况下RCS的工程引申定义，即

式中，E_s表示雷达天线接收的散射波功率对应的等效电场强度值；U_i为目标区内参考点处入射波电场强度归一化至单位照射距离下的等效电压值；R_i为目标区内参考点与雷达发射天线间的距离，即照射距离；R_s为目标区内参考点与雷达接收天线间的距离，即观测距离。

  实际处理时，可按收发天线对射校准过程进行近场RCS计算，即：

式中，P_r为雷达天线接收的散射波功率；E_s表示雷达天线接收的散射波功率对应的等效电场强度值；E_z为目标区内参考点处入射波电场强度归一化至照射距离R_z（对射校准测试时收发天线间距离）下的等效电场强度值，P_z为该距离下发射与接收天线对射时的接收功率值。

参考文献

[1] G.T.Ruck, D.E.Barrick etc. Radar Cross Section Handbook[M]. Plenum Press, New York,1970