一種旋轉型的角反射器的設計

摘 要： 金屬角反射器是對敵雷達探測進行無源干擾的重要裝備，但尺寸固定時，雷達散射截面（RCS）無法改變，使用范圍受到限制。為解決上述問題，將角反射器的各面設計成由若干自由旋轉的小金屬板組成，通過旋轉小金屬板，改變角反射器有效反射面積，使其RCS可變。計算結果表明，隨著金屬板旋轉角度的變化，角反射器的RCS峰值大小和方向圖寬度都逐漸變化。該設計拓寬了角反射器的使用范圍，有一定的應用前景。

關鍵詞：雷達散射截面； 無源干擾； 角反射器； 旋轉

中圖分類號： TN953?34 文獻標識碼： A 文章編號： 1004?373X（2013）11?0001?04

0 引 言

角反射器是由2塊或3塊相互垂直的金屬平板構成的二面角或三面角結構，較寬的電磁波入射范圍內，由于其特殊的組成結構，當角反射器的尺寸遠遠大于入射電磁波的波長時，會對入射波形成鏡面反射，產生強烈的回波散射，即具有很大的雷達散射截面（Radar Cross Section，RCS）[1]。

因此，角反射器是針對敵雷達探測進行無源干擾的有效裝備。該裝備在軍事上的作用主要有[2]：降低敵方各類雷達對我高價值目標的探測概率；干擾敵攻擊武器（殲擊機、導彈等）的打擊精度；改變環境特征（如地形地貌），干擾與敵地形匹配的制導武器和戰場環境信息處理系統。但在尺寸固定時，產生的RCS無法改變；隨著新裝備不斷服役，需要偽裝和模擬的目標逐漸增多，角反射器的使用范圍受到限制。為解決上述問題，本文提出了一種旋轉式的角反射器的設計，即角反射器的各面由若干可自由旋轉的小金屬板組成，通過控制小金屬板旋轉，改變角反射器的有效反射面積，產生不同的RCS。

1 射線追蹤和復射線分析

射線追蹤和復射線理論是分析電磁散射及雷達截面簡便而有效的方法。運用復射線分析來預判角反射器的RCS，不僅可對該類目標的RCS特性進行分析， 也是對復射線方法在復雜目標的RCS分析中的適用性的一個有效檢驗[3]。首先，則運用射線追蹤的方法，對入射波在角反射器內的反射情況進行追蹤，分析模型如圖1所示。

（1）反射面方程

[y=kx?x] （1）

式中：[k1=-cot?k2=cot?]， [k1]為[A]邊方程， [k2]為[B]邊方程。

（2） 入射點[xa，ya]以及入射射線光程[s1]

[xa=gkx-k1， ya=kx?xa] （2）

[s1=xa-xs2+（ya-ys）2] （3）

（3）入射角

[θ=π2-arctank1-kx1+k1kx] （4）

設反射射線方程為 [y=k1x+g]，則有：

[kr=ya-yixa-xi， gr=ya-krxa] （5）

由上述公式，可寫出[P0]處的射線場：

[u（P0）～cR1（θ1）R2（θ2）D1（θ1）D2（θ2）exp[ik0（s1+s2+s3）]s1] （6）

式中：[c]為常數；[R1（θ1），R2（θ2）]為兩個邊上的反射系數；[D]為相應的擴散系數。將源點坐標延托到復空間[4]，則利用式（6）可得相應的復射線場的表達式。

圖1 角反射器分析模型

在近軸近似的條件下，觀察點[P]處的復射線場可以表示為：

[u（P）～cR1（1+VR1）R2（1+VR2）D1（1+VD1）D2（1+VD2）? expik0（s1+s2+s3s1] （7）

式中：[R1，R2]以等效傳輸線模型來分析等效反射系數[5?6]，且有：

[VR1=Δθ1R1θ?dR1（θ）dθθ=θ1， VR2=Δθ2R2θ?dR2（θ）dθθ=θ2，D1=s1s1+s2， D2=s1+s2s1+s2+s3，δ=d22s1+s2+s3， Δθ2=arctands3，Δθ1=-Δθ2， s1=s1+ib]

其他參量均如圖1所示，利用復射線場來擬合平面波[7?8]，并由式（7）對P點處場的貢獻，可得電磁波入射時角反射器的反射場。將構成角反射器的金屬板視為阻抗平面，則有如下的阻抗平面繞射公式[9?10]：[ud=expik0p4i2πk0ρΓAcotπ+（φ-φ0）4±cotπ-（φ-φ0）4-cotπ-（φ-φ0）4±cotπ+（φ+φ0）4]式中：“[±]”號分別對應于平行及垂直極化的情形，“+”號對應平行極化，“-”號對于垂直極化。且有：

[ΓAm=ηA-sinφ0ηA+sinφ0ΓAe=sinφ0-ηAηA+sinφ0]

式中：[ΓAm]表示平行極化時；[ΓAe]表示垂直極化時。[ηA]為阻抗平面的波阻抗；[φ0]，[φ]分別為入射射線以及繞射射線與阻抗面的夾角；e為繞射點到觀察點之間的距離。

總散射場由反射場與繞射場相位相加而成。

公式表示為：[us=ur+ud]；

雷達散射截面的基本公式[σ=4πA2λ2]。

設角反射器的直角邊邊長為2c，則此時，即入射波在角反射器內部經過第一次反射后，角反射器的雷達散射截面[11]為：

[σ=8c2λlimρ→∞2πρus2ur2]

其中[us]為總散射場；[ur]為反射場。

入射波在角反射器內部一共產生3次反射，則角反射器的雷達散射截面由這3次反射形成的雷達散射截面迭加而成。若將角反射器的各面均由若干可自由旋轉的小金屬板構成，由復射線分析所得的公式可知，隨著小金屬板的旋轉，入射波的入射角，角反射器的有效反射面積都會隨著金屬板的旋轉角度的變化而變化，從而實現了角反射器在固定尺寸時可以產生不同RCS。

2 旋轉金屬板的設計

角反射器的每個面均由兩個梯形及一個三角形（頂部）共3塊小金屬板組成拼接到一起，形成等腰直角三角形，再將這些三角形組裝到一起，構成三角形三面角反射器。金屬板旋轉時，左側三角形的金屬板將沿著角反射器的中間軸后旋轉，右側三角形的金屬板將驗證角反射器的中間軸向前旋轉，結合角反射器的實際運用，構成底面三角形的金屬板不進行旋轉，金屬板進行旋轉圖如圖2所示。

為使角反射器上的各小金屬板可旋轉，需要的主要部件有電源、控制器、電動機、三角形三面角反射器等。三角形三面角反射器是最重要的部件，其材質以及具體的工藝要求與常用的角反射器無差別，角反射器的尺寸則視偽裝目標的平均RCS決定，需要偽裝的目標其平均RCS值越大，角反射器的尺寸也越大，但原則上爭取以較小的尺寸獲得盡可能大的RCS值?？刂破魇强刂菩〗饘侔逍D的重要部件，其主要作用在于：根據戰術需求確認偽裝目標所需的RCS值，并以此確定小金屬板的旋轉角度，再將該信息轉換為電信號，輸出給電動機， 控制小金屬版的旋轉。

3 計算與結果分析

運用CST軟件，對該設計進行計算和驗證。具體是利用CST軟件特有的A求解器進行計算，該算法以經典的矩量法（MoM）為基礎，采用多層快速多級子算法（MIFMM），矩量法與經典的高頻分析方法和一致性繞射理論結合，能對角反射器的RCS做出精確計算。設角反射器直角邊的長度為[a]=800 mm，入射電磁波的波長為[l]=3 cm，頻率為10 GHz。該頻率是目前國內外比較通用的，也是雷達進行警戒和遠距離探測時采用的頻率。入射電磁波的相關參數設置為：遠場平面電磁波；邊界條件為open add space，方位角θ=180°，俯仰角φ=45°，步長為1°，小金屬板的旋轉角度為0°～ 60°。圖4～圖8為計算所得的RCS圖形（小金屬板旋轉角度依次為0°，10°，20°，40°，60°）

將圖4～圖8中的RCS分布數據簡單整理，見表1。

由計算所得數據分析可知：隨著小金屬板的旋轉角度逐漸增大，RCS的峰值大小以及方向圖的寬度均逐漸變小；同等條件下，水平極化下的RCS值略大于垂直極化下的RCS值。計算結果驗證了上文設計旋轉金屬板的方案可行，即將角反射器的各面由若干可自由旋轉的小金屬板構成，通過小金屬板旋轉，不僅改變了角反射器的有效反射面積，也改變入射波在角反射器內的二次及三次散射，從而使角反射器的RCS產生有效改變。

該型角反射器能在固定尺寸下產生不同的RCS，有效擴大了其應用范圍。以偽裝海上目標為例，常規小型貨船的平均RCS值約為22～24 dB。由表1可知，在入射波頻率為10 GHz，角反射器的直角邊長為80 cm，旋轉角為20°情況下，水平極化下的RCS峰值為26.8 dB，垂直極化為24.7 dB，滿足該型船模擬要求。中型登陸艦的平均RCS值約為29～34 dB；在旋轉角為10°情況下，其水平極化RCS峰值為32.6 dB，垂直極化為31.5 dB，可滿足中型登陸艦艇的模擬要求。

針對傳統角反射器在尺寸固定時，雷達散射截面無法改變，使用范圍受到限制的問題，本文提出一種RCS可變的反射器的設計，實現了單一角反射器產生不同的RCS，拓寬了角反射器的性能和使用范圍。通過定性分析和計算驗證相結合的方式，肯定了該設計的可行性。一種RCS可變的模塊化角反射器，采取不同的尺寸規格，就可模擬大、中、小的各型物體。該設計不僅能應用在海上各型艦船的掩護，也可應用于陸上設備的掩護以及兵力的佯裝，具有良好的應用前景。

參考文獻

[1] 趙維江，葛德彪.三面角反射器的高頻電磁散射分析[J].電波科學學報，1998，13（3）：301?303.

[2] 柴剛，陸益敏，陳曉明.角反射器在海軍中的戰術使用[J].艦船電子對抗，2006，29（5）：11?14.

[3] 宋如華，樂時曉，呂百達.兩面角反射器諧振腔的基本性質[J].激光雜志，1998，10（4）：145?149.

[4] FERRETTI A， PRATI C， ROCCA F， et al.Permanent scatterers in SAR interferometry [J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2001， 39 （1）：8?20.

[5] SHAN Xin?jian， YIN Jing?yuan， Yu Dan?lin， et al. Analysis of artificial corner reflector′s radar cross section： a physical optics perspective [J]. Arab J Geosci， 2012， 04（12）： 582?592.

[6] SHENG Xing?qing， JIN Jian?ming， SONG Ji?ming， et al. On the formulation of the hybrid finite?element boundary?integral Methods for 3D scattering [J]. IEEE Transactions on Antennas Propagat， 1998， 46： 303?311.

[7] 黃培康，殷紅成，許小劍.雷達目標特性[M].北京：電子工業出版社，2005.

[8] GRIESSER T， BALANIS C A. Dihedral corner reflectors backscatter using higher order reflections and diffractions [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1986， 35（11）： 1235?1247.

[9] GDESSER T， BALANLS C A. Backscatter analysis of dihednd corner reflectors using physical optics and the physical theory of diffraction [J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1997， 39（10）： 1137?1147.

[10] KNOTT E F， RCS reduction of dike at corner [J]. IEEE Trans. AP： 1998， 5（5）： 406?408.

[11] ROSS R A. RCS of rectangular flat planes as a function of aspect angel [J]. IEEE Transactions on AP， 1999， 14（3）： 329?335.