基于角反射器的車輛雷達特征變換系統研究

余慧娟，劉相新，孫穎力，韋學中

（北京航天發射技術研究所，北京100076）

基于角反射器的車輛雷達特征變換系統研究

余慧娟，劉相新，孫穎力，韋學中

（北京航天發射技術研究所，北京100076）

地面軍事車輛主體為金屬鋼材結構，雷達散射截面大，易被雷達成像偵察設備和末制導武器識別和跟蹤。提出通過車輛雷達特征變換技術破壞和削弱車輛真實雷達回波信號，從而規避雷達成像探測；并從角反射器實現雷達特征變換的原理出發，系統研究了角反射器樣式、材料、尺寸等特征參數、微動效應和布陣策略等對雷達特征變換的影響；在此基礎上，對雷達特征變換系統的選擇、組成和安裝方法進行了分析，經仿真驗證，其應用效果明顯。以上設計思想和系統方案可廣泛應用于其它地面目標的反雷達成像探測中。

角反射器；車輛；雷達特征變換；微動效應

0 引言

地面軍事車輛（導彈發射車、裝甲車和坦克等，簡稱車輛）外形結構復雜，且表面結構多為金屬蒙皮，雷達波散射源分布特性明顯且反射較強。而當前雷達成像偵察系統分辨率高、探測視場廣、能全天時全天候工作，對地面靜止和行駛中的車輛反偵察構成嚴重威脅［1-2］；雷達末制導武器具有制導范圍廣、命中精度高和抗干擾能力強等特點，能夠在復雜地物背景中準確捕獲車輛［3-4］。車輛雷達特征是雷達成像偵察系統和制導武器進行目標發現、識別、鎖定和跟蹤的主要信息源和依據［5］，有效控制和改變車輛雷達特征是規避雷達成像探測的關鍵。本文以車輛為研究對象，系統研究車輛雷達特征變換的需求，提出利用角反射器改變車輛雷達散射特性的原理和方法、技術途徑和系統方案，以解決車輛難隱蔽和易損性等問題。

1 車輛雷達特征變換的需求

雷達成像偵察和末制導的作用過程大致分為3個階段：目標的探測和發現、識別和認清、跟蹤和定位。雷達產生的無線電輻射信號，經目標和地物背景散射形成雷達回波，并被雷達接收機所接收，識別系統從目標和背景回波中提取有直觀物理意義的特征或目標圖像作為模版，通過與已有的模板庫進行比較，識別出要攻擊的目標并抑制噪聲信號；導彈雷達末制導過程中，彈上的微波雷達導引頭接收目標散射能量，自動形成導引指令信息，控制導彈的飛行姿態，使導彈飛向選定的目標。由此可見，最大限度地消除、減弱、歪曲或模擬目標雷達特征，使雷達不能有效地從散射回波中獲得正確的目標信息，是反雷達偵察和末制導的核心，主要分為3類技術途徑：

1）雷達特征隱身，即通過消除和降低目標與背景散射特性差異，使其低于雷達檢測閾值，從而實現目標圖像融合于背景雜波之中難以被雷達檢測。

2）雷達特征示假，即通過總體特征模擬和局部特征控制，使得目標散射特性與其它目標相似，從而干擾雷達對被保護目標正確選擇和執行任務。

3）雷達特征變換，即通過主動控制目標自身雷達特征，使得目標雷達特征和圖像瞬時發生較大的變化，從而導致識別和跟蹤系統發生較大的偏差；或在目標周圍快速形成更強的雷達特征，使目標雷達圖像瞬時淹沒在大面積雜波中，從而破壞雷達精確識別和跟蹤定位。

通過在車輛表面涂覆吸波材料或改變車輛外形來實現目標雷達特征隱身，以及通過模擬車輛電磁信號來實現車輛雷達特征示假等傳統設計手段，存在著雷達特征縮減幅度有限、雷達性能與目標結構和使用性兼容性差、不能根據車輛機動作戰環境的變化來變換雷達特征等局限性。因此在車輛雷達隱身和示假基礎上，延伸和發展車輛雷達特征變換技術意義重大。通過車輛變形結構設計、外掛器件應用和有源干擾裝備等對抗手段引起車輛雷達特征圖像隱藏、散焦或模糊于干擾信號，破壞和削弱車輛真實雷達回波信號，可導致雷達無法識別和跟蹤。

2 角反射器實現車輛雷達特征變換的原理

通過在車輛上裝載具有強雷達散射強度的發射器或在車輛周圍部署發射器，當雷達電磁波掃描到發射器后，在雷達的屏幕上出現很強的回波，從而實現車輛自身雷達信號隱藏于發射器形成的強回波信號中。通常情況下，發射器既可采用有源發射器，也可采用無源發射器，其基本原理完全相同，就是使發射器信號與車輛散射回波信號在相位上反相。但相比于有源發射器，無源發射器不需要電子偵察手段的輔助，也無需知道目標和平臺之間的精確相對運動信息，而且干擾效果對雷達波段、極化以及其他信號參數依賴度較低，便于大規模布置，具有較為明顯的應用優勢。

角反射器作為典型的無源發射器，具有結構尺寸小、組合類型多、雷達散射截面（RCS）大、方向圖寬、加工和安裝簡易等優異特性［6-7］，被長期而廣泛地應用于雷達對抗中。角反射器的樣式、材料、尺寸、微動效應和布陣方式等是決定雷達圖像大小和亮度的重要標準。通過適當設計角反射器的結構，可以使雷達信號沿原方向返回；控制角反射器的尺寸和材料，使得目標散射強度可靈活變化；運用角反射器的微動模式，控制目標雷達回波圖像產生獨特的非線性相位調制效應；通過合理部署角反射器方位，能夠改變電磁波空間傳播特性。基于角反射器的車輛雷達特征變換技術，其本質就是根據任務要求，通過配置角反射器的各類特性來實現車輛雷達特征變換。

3 系統組成與設計

3.1 系統設計

3.1.1 角反射器特征參數設計

選擇恰當RCS的角反射器是決定雷達反射能量是否能夠掩蓋被保護目標（車輛）的關鍵因素；而合理組合配置不同角反射器特征參數是實現目標雷達特征變換的重要途徑。根據各個反射面形狀的不同，角反射器可以分為三角形、圓形和方形角反射器等；從材料上分，角反射器可以為金屬型和涂層型；按照角反射器的結構不同，可以分為固定式、裝配式、折疊式及混合式角反射器；另外，角反射器的棱邊長度可自由配置。角反射器以上特征參數直接決定了其RCS的大小。

表1是以二面角夾角平分線為觀察角零點，測試了不同材料的角反射器模型的RCS（測試為X波段，中心波長3cm，相關數值均為不同測試角度下RCS統計平均值，下同）；表2測試了金屬角反射器RCS隨二面角夾角的變化關系；表3測試了不同外形的金屬角反射器模型RCS；表4測試了三角形金屬角反射器RCS隨棱邊長度的變化關系。由表1數據可知，非理想導體對電磁波的散射強度明顯低于金屬，角反射器效應明顯減弱，具體表現為金屬角反射器RCS大于由吸波材料或水泥板構成的角反射器RCS；表2顯示了當二面角角反射器夾角為90°時RCS最大，隨著夾角偏離90°，觀察角0°對應的RCS值明顯減小；表3說明了在同等尺寸條件下方形角反射器和圓形角反射器的RCS相當，比三角形角反射器大5～6d Bm2，比二面角角反射器大11～12dBm2；由表4數據可知，隨著三角形角反射器尺寸的增大，其RCS增幅明顯，當尺寸為0.2m時，其散射強度與小型軍用卡車散射強度（約為14d Bm2）相當，而當尺寸為0.3m時，其散射強度已經可以與裝甲車或坦克散射強度（約為20dBm2）相當。綜上所示，采用改變角反射器材料、夾角、樣式和尺寸等方式均能夠有效改善角反射器的RCS特性，需要根據目標雷達特征變換需求有針對性地自由配置角反射器特性參數。

表l 夾角為90°二面角角反射器平均RCS（尺寸=0.3m）

表2 不同夾角二面角金屬角反射器平均RCS（尺寸=0.3m）

表3 不同外形金屬角反射器平均RCS（尺寸=0.3m）

表4 不同尺寸金屬三角形角反射器平均RCS

3.1.2 角反射器微動效應設計

當角反射器做旋轉或振動等微運動時，會對雷達回波產生獨特的非線性相位調制效應，進而導致雷達圖像在方位向出現散焦、模糊、“鬼影”等現象［8］，使得雷達成像質量變化或下降，因此可通過驅動角反射器以特定或不定速度做旋轉運動有效實現被保護目標雷達特征變換。

微動效應是對雷達信號脈間的調制，通過對不同脈沖附加額外的相位，改變雷達回波的多普勒歷程，從而在方位向形成眾多虛假信號。假設角反射器進行勻速運動，雷達信號對消后圖像能量為：

式中，“∝”表示“正比于”，ω為角反射器微動轉速，v為載機平臺的運動速度，Da為雷達陣列天線接收子孔徑等間隔距離，m為第一類貝塞爾函數階數。

式（1）表明角反射器轉速直接影響雷達信號對消后圖像能量的大小，具體轉速需要根據被保護目標雷達圖像強弱來進行設計。

另外，由于角反射器的回波較強，敵方可能會通過回波相關方法估計出角反射器的旋轉速度，然后通過數字處理方法將干擾信號從頻域中剔除。這時可以在一個距離單元中放置多個轉速不同的角反射器，并且使角反射器作變速運動（如勻加速運動等）以增加干擾抑制的難度。

3.1.3 角反射器布陣設計

為了實現車輛雷達特征變換效果，不僅需要選擇合適的角反射器特征參數和微動效應，同時還要對角反射器布陣進行設計，目的就是通過合理配置有效地改變目標雷達特征，包括在車輛距離向和方位向上的合理布陣。角反射器的空間布置間隔可表達為：

式中，ρa為雷達橫向分辨率，Ts為雷達合成孔徑時間。

因此需要根據被保護目標在雷達圖像方位向展布長度要求，依據式（2）分析角反射器在方位向放置的位置和個數，最佳是通過最少的角反射器達到最大的覆蓋范圍。

另外，由于角反射器微動效應只能在方位向形成擴展目標，無法在距離向形成有效干擾，因此需要通過角反射器合理布陣來彌補這一缺陷。主要根據被保護目標圖像面積，沿距離向布置多個角反射器，即間隔一定的距離單元放置一個角反射器，使得干擾能量分布在整個雷達圖像距離向。

3.2 系統組成和安裝方法

為了更好地滿足車輛機動行駛過程中目標雷達特征的變換，采用將角反射器裝載于車輛上的安裝方式，即將角反射器固定于車輛頂面。車輛雷達特征變換系統主要由車輛外掛件接口、角反射器、驅動電機和電源、控制器等部件組成。其中外掛件接口用于實現對角反射器支撐，角反射器在各支撐點的方位指向可調；驅動電機和電源用于驅動角反射器進行勻速或變速旋轉運動，旋轉速度可自由調節；控制器用于顯示、檢測、手動及自動控制角反射器旋轉運動速度和方位，集成安裝于車輛主控計算機面板中。

根據具體戰術需求計算車輛雷達特征變換系統RCS絕對值和變化值，從而確定角反射器的選擇和運用方式。車輛雷達特征變換系統總體采用模塊化設計思想，通過在車輛上設計外加器材安裝接口，根據任務配備不同的角反射器，且角反射器本身具有開放式、可自行控制其旋轉運動變化，從而主動或被動地實現雷達特征的變化。各模塊可單獨配置，也可自行組合，且不影響相互之間的使用，實現雷達特征變化的最大化。

4 仿真結果與分析

假設敵方雷達工作于X波段，距離分辨率為0.5m，信號形式為線性調頻脈沖信號，頻率為10GHz；車輛RCS峰值約為30dBm2，RCS均值為18dBm2；采用棱長為0.2m的金屬三角形角反射器，平均RCS為20.5dBm2，角反射器旋轉速度約2周/s和0.3周/s。應用角反射器后的車輛雷達圖像仿真結果如圖1所示。由仿真結果可知，在車輛上架設角發射器后，目標雷達圖像掩蓋與角反射器形成的沿方位向分布的雷達圖像亮帶中，且隨著角反射器應用數量的增多，目標雷達圖像強度增加明顯；另外，角反射器運動參數的不同形成的目標雷達圖像部分也不同。以上仿真結果表明：利用角反射器實現目標雷達特征的變化是可行的。

圖1 在車輛上架設角反射器的雷達仿真圖像

5 結束語

角反射器由于雷達散射效應強且易于設計，被廣泛應用于雷達標定、裝備模擬和示假、軍事遮蔽和對抗、民用地質和航海安全等領域。本文將角反射器應用于地面軍事車輛的雷達特征變換，從而破壞或削弱了車輛真實雷達回波信號，結果表明此項研究能夠有效解決車輛易被雷達探測的問題，是一種防御雷達偵察和攻擊的新技術手段。■

［1］ 鄭志寬，何強，韓壯志.戰場偵察雷達的研究與發展［J］.飛航導彈，2013（10）：75-77.

［2］ 李高峰，宋博.國外雷達成像偵察衛星發展研究［J］.國際太空，2012（9）：44-47.

［3］ 高烽.雷達導引頭概論［M］.北京：電子工業出版社，2010.

［4］ 李潮，周金泉.防空導彈武器系統制導雷達抗干擾效能評估［J］.現代防御技術，2008，36（5）：10-11.

［5］ Novak LM，Halversen SD，Jowirka G，et al．Effects of polarization and resolution on radar ATR［J］.IEEE Trans.Aerospace and Electronic Systems，1997，33（1）：105-107.

［6］ 李有才，鄭春弟，黃強.旋轉式RCS可變角反射器的結構設計與可行性研究［J］.艦船電子對抗，2011，34（3）：106 -107.

［7］ 白雪茹，孫光才，周峰，等.基于旋轉角反射器的雷達干擾新方法［J］.電波科學學報，2008，23（5）：867-869.

［8］ 韓國強，馬孝尊，邢世其.對雷達微動調制干擾效果仿真分析［J］.現代防御技術，2013，41（1）：177-178 .

Research on the radar feature transform system of vehicle based on corner reflector

Yu Huijuan，Liu Xiangxin，Sun Yingli，Wei Xuezhong
（Beijing Space Launch Technology Institute，Beijing 100076，China）

The strong radar cross section of military ground vehicle which is made of steel structure could be easily recognized and tracked by radar imaging reconnaissance equipment and terminal guidance weapon. The radar feature transform technology is proposed to disrupt and weaken the real vehicle radar echo signal，avoiding radar imaging detection.Based on the radar feature transform principle，the influence of the corner reflector style，material，size and other parameters，corner reflector oligodynamic effect and deployment strategy on radar feature transform is investigated.On this basis，the radar feature transform system selection，composition and installation schemes are analyzed，simultaneously verified that the application effect is very obvious by simulation.The design idea and scheme can be applied to anti-radar imaging detection of other ground target.

corner reflector；vehicle；radar feature transform；oligodynamic effect

TN974

A

2015-03-30；2015-06-15修回。

余慧娟（1985-），女，工程師，碩士，主要研究方向為目標特性。