廣義RCS及近場電磁散射建模應用

梁子長,岳 慧,王曉冰,蔡 昆

(環境電磁特征國家重點實驗室,上海 200438)

0 引言

RCS定義中隱含了觀測距離趨于無窮大、入射電磁波為均勻平面波的假定條件[1～3]。一般,常根據被觀測目標區域內入射電磁波等相位面符合平面條件與否,近似地將R=2D2/λ作為近場散射與遠場散射的劃分界線。此處：R為觀測距離;D為被觀測目標最大尺寸;λ為入射電磁波波長。上述假定條件定義的RCS也被視為遠場RCS。在近場散射條件下,被觀測目標區域內的入射電磁波等相位面為非平面,同時其在等相位面上的電場幅值也趨于非均勻分布。長期以來對近場RCS定義進行大量研究,但仍存在較大爭議[4～10]。文獻[4～6]在近場RCS定義中引入了天線方向圖,認為其與觀測天線相關;文獻[7～9]認為近場RCS是遠場RCS定義在均勻球面波入射條件下的推廣?？梢娺@些定義存在不確定性或難以完整描述近場電磁散射,需作進一步研究。另外,測試結果表明近場局部照射時,根據這些定義采用的天線方向圖等效近似的近場電磁散射模型存在較大誤差,也需深入研究。

為此,本文根據電磁場疊加原理,給出了一種與觀測天線無關的廣義RCS定義,引入對稱極化等多種極化散射特征量,計算了近距離觀測時金屬平板目標的極化RCS曲線;同時根據廣義RCS的定義,在近場電磁散射建模中進行照射場分解及接收合成,提出了一種有效的近場電磁散射建模方法,比較了方向圖等效近似和場分解合成兩種方法計算的金屬平板目標的近場散射結果。

1 廣義RCS

1.1 定義

根據電磁場疊加原理,入射電磁場均可分解為無限小理想電或磁偶極子輻射場的組合。若將理想偶極子作為照射及接收的觀測條件,則廣義RCS可定義為

式中：Ri,Rs分別為照射偶極子和接收偶極子與目標中心的距離;k為電磁波波數,且k=2π/λ;l為與目標散射特性、偶極子類型及指向有關的散射復函數;j為虛數;下標u,v=e,m表示照射及接收偶極子電或磁類型。若入射電磁波為理想電偶極子輻射的非均勻球面波,則

若入射電磁波為理想磁偶極子輻射的非均勻球面波,則

式中：η為自由空間的波阻抗;I d l,IΔs分別為照射電和磁偶極子的強度;Rv(Es),Ρv(Es)分別為單位強度的接收電或磁偶極子對散射電場的作用函數。在以偶極子中心為原點、指向為Z軸的坐標系中,當目標處于偶極子天線輻射區(Rs?λ)時,Ρv(Es)可分別寫為

式中：Es(γ,φ)為從(γ,φ)方向傳播至接收偶極子的散射電磁波電場矢量;γ,φ分別為散射電磁波傳播方向的俯仰角和方位角;eγ,eφ為對應球坐標單位矢量。

同時,在以被觀測目標中心為原點的球坐標系中,處于位置(r,θ,φ)處的任意指向偶極子均可分解為eθ,eφ,er指向的同類型偶極子組合,因此為滿足廣義RCS描述散射特性的完整性,照射或接收偶極子將分別有6種類型：電偶極子的垂直、水平和對稱極化(對應eθ,eφ,er指向的電偶極子)及磁偶極子的垂直、水平和對稱極化(對應eφ,eθ,er指向的磁偶極子),對應的廣義RCS將有6×6=36種極化組合,分別記為σuvpq。此處：下標p,q=V,H,S。其中：V,H,S分別表示照射及接收偶極子的垂直、水平和對稱三種正交指向。廣義RCS與遠場RCS見表1。

可見,式(1～5)定義的廣義RCS既能適于天線輻射區不同觀測距離的電磁散射,又可與觀測天線去相關,且當觀測距離趨于無窮遠時,廣義RCS與遠場RCS趨于一致：廣義垂直或水平極化RCS將與對應的遠場RCS趨于一致;廣義對稱極化RCS趨于零。同時在遠距離處,當入射或接收為對稱極化或兩者均為對稱極化時,(Ri)2σuvSq,(Rs)2σuvpS或(Ri)2(Rs)2σuvSS將與觀測距離無關,因此也可將其作為目標電磁散射特征量進行研究。

表1 廣義和遠場RCSTab.1 Generalized RCSand far-field RCS

1.2 金屬平板散射計算結果

根據上述定義,對某金屬平板的廣義RCS進行了仿真計算。設金屬平板長2 m,寬0.2 m,厚0.006 m,λ=8 GHz,R=3 m,采用PO、ILDC等高頻法近似計算其后向散射,電及磁偶極類型的垂直、水平和對稱等多種極化的廣義RCS結果如圖1～4所示。其中：金屬平板位于yz面內,觀測點位于xy面內。

圖1 金屬平板目標垂直同極化的后向廣義RCSFig.1 Backscattering generalized RCS of metal slab with co-vertical polarization

圖2 金屬平板目標水平同極化的后向廣義RCSFig.2 Backscattering generalized RCSof metal slab with co-horizontal polarization

圖3 金屬平板目標對稱交叉極化的后向廣義RCSFig.3 Backscattering generalized RCSof metal slab with symmetric-horizontal polarization

由圖1～4可知：金屬平板目標的與對稱極化相關的后向廣義RCS明顯異于垂直、水平同極化RCS,但不同類型偶極子(電或磁)的極化RCS值相差較小。

在相同計算參數條件下,不同觀測距離的與電偶極子對稱極化相關的金屬平板目標RCS結果分別如圖5、6所示。

由圖5、6可知：當R較大時,R2σeeSH,R4σeeSS與觀測距離無關。

2 廣義RCS在近場散射建模中應用

2.1 場分解合成的近場散射建模方法

近場電磁散射的建模計算中,發射及接收天線常采用天線方向圖結合球面波等效近似[8、9、11～13]。當天線方向圖變化較劇烈時,該近似將引入天線方向圖的角度離散誤差,而且當天線尺度相對觀測距離較大時,以一維天線陣為例,天線各陣元相對目標觀測方向與方向圖等效觀測方向間存在較大偏角,也將引入較大誤差,如圖7所示。其中,僅當被觀測目標在上述偏角范圍內的單雙站RCS不變時,近場散射計算的天線方向圖等效近似才完全成立,若目標電磁散射特性隨觀測角劇烈變化,該誤差可大于10 dB。

圖4 金屬平板目標對稱同極化的后向廣義RCSFig.4 Backscattering generalized RCSof metal slab with co-symmetric polarization

根據前文定義的廣義RCS,在近場散射計算中進行照射場分解和散射場接收合成,可修正天線方向圖等效近似引起的誤差,具體建模方法如下。

a)將給定照射及接收天線分解為不同位置偶極子的組合,設強度為Ai(x,y,z),i=1,…,N;

b)用式(2)、(3)分別計算不同偶極子位置處的近場目標散射復函數li;

c)分解偶極子的強度,加權求和步驟b)計算的散射復函數即可獲得給定觀測天線下近場目標的合成散射復函數為

對應地,可用式(1)計算近場散射的合成RCS。

由于振子天線的輻射場隨其長度減少與偶極子天線輻射場趨于一致,對實際天線,上述分解中偶極子天線可近似用較小尺寸的振子天線替代,該尺寸大小可根據建模精度的要求選擇,通?？扇〔淮笥讦?8,此時兩者輻射電場的相對偏差小于2.5%。

圖5 金屬平板目標不同觀測距離的對稱水平交叉極化后向廣義RCSFig.5 Backscattering generalized RCS of metal slab with symmetric-horizontal polarization for different observed distance

2.2 仿真結果

假定觀測天線由2個相距0.4 m的理想電偶極子天線組成,組合天線中心定為兩電偶極子連線的中心;被觀測目標為正方形金屬平板,邊長0.2 m,其中心與兩電偶極子間距離相等,λ=16 GHz。用近場電磁散射計算的場分解合成方法和天線方向圖等效近似方法,分別計算觀測距離為15,10,5,3 m時金屬平板目標的合成RCS,不同目標轉角(90°時觀測方向垂直于金屬平板)的兩種方法計算的合成RCS分別如圖8～11所示。

圖6 金屬平板目標不同觀測距離的對稱同極化后向廣義RCSFig.6 Backscattering generalized RCS of metal slab with co-symmetric polarization for dif ferent observed distance

圖7 近場散射示意Fig.7 Near-field scattering

由圖8～11可知：用天線方向圖等效方法計算的最大誤差分別為約0.7,2.0,15.0,20.0 dB,用天線方向圖等效近似計算的合成RCS誤差隨觀測距離的減少而增大。這主要因為等效近似時天線相對目標的觀測角存在較大偏差,如R=5 m時該偏差角為約2.3°,且仿真計算中金屬平板目標基元(尺寸約為λ)的后向RCS在目標轉角60°附近出現極小值,且變化劇烈,使圖8～11中天線方向圖等效近似法計算結果在相應角度處出現較大誤差。

圖8 觀測距離15 m時金屬平板合成RCSFig.8 RCSof metal slab with observed distance15 m

圖9 觀測距離10 m時金屬平板合成RCSFig.9 RCSof metal slab with observed distance10 m

由此可見,天線方向圖等效近似方法的計算誤差與觀測距離、目標RCS起伏特性等相關,在近場局部照射時照射場分解及接收合成方法可有效修正該誤差。

圖10 觀測距離5 m時金屬平板合成RCSFig.10 RCSof metal slab with observed distance5 m

圖11 觀測距離3 m時金屬平板合成RCSFig.11 RCSof metal slab with observed distance3 m

3 結束語

根據電磁場疊加原理,給出了一種與觀測天線無關的廣義RCS定義,引入了對稱極化等36種極化散射特征量,并計算給出了近距離時某金屬平板目標極化RCS的變化曲線,表明對稱極化RCS是一種較大的近場目標散射特征量;根據廣義RCS定義,在近場電磁散射計算過程中進行照射場分解及接收合成,提出了一種有效的近場電磁散射建模方法,并與方向圖等效近似方法的計算結果進行了比較,表明近場局部照射時采用場分解合成建模方法的必要性。

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