基于寬帶掃頻的導彈RCS測量與分析

劉鵬軍，傅亦源，趙明洋，牛鳳梁

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

基于寬帶掃頻的導彈RCS測量與分析

劉鵬軍，傅亦源，趙明洋，牛鳳梁

(中國洛陽電子裝備試驗中心，河南 洛陽 471003)

針對導彈的典型幾何外形結構，基于高頻散射機理對其散射特性進行了初步分析，包括散射源分布及其散射類型、各散射源散射特性隨導彈姿態的變化趨勢等;接著，利用寬帶掃頻RCS測量系統對導彈L、X波段RCS和X波段一維距離像進行了測量，得到了導彈在不同技術條件下的RCS曲線和一維距離像;最后，對測量結果進行了初步分析;測量結果表明：導彈頭錐倉與進氣道腔體存在較大散射，尤其是進氣道壁與彈體之間連接縫隙的散射較為突出；導彈在X波段下的RCS較L波段小，且受姿態變化的影響更為敏感；另外，導彈RCS峰值點并未出現在迎頭向，而是偏離迎頭向一定角度，尤以X波段下最為明顯，偏離角度達20°左右;測量結果為導彈在試驗中的應用，包括試驗設計、試驗結果分析與評估、等效推論等提供了重要的技術依據。

導彈；雷達散射截面；寬帶掃頻；測量；分析

0 引言

RCS(radar-cross section，雷達散射截面)是度量雷達目標對照射電磁波散射能力的一個物理量[1]。在電子信息裝備試驗鑒定與評估中，準確掌握參試雷達目標(如飛機、導彈、車輛等)的RCS既是開展試驗設計的基本前提，也是開展試驗結果分析與評估、實施替代等效推論的重要依據。

目標RCS既與目標的尺寸、形狀、材料、結構等幾何參數和物理參數有關，又與入射電磁波的頻率、極化、波形等參數有關，同時還與目標相對于觀測雷達的姿態角有關[2]。

獲取目標RCS的途徑主要有仿真計算和試驗測量兩種。其中，仿真計算基于嚴格的電磁散射理論建立，具有較強的完整性，可以分析典型目標的散射機理，但需要建立目標精確的幾何模型和物理模型，對于具有復雜外形和采用復合材料的目標，計算非常困難；而試驗測量具有過程簡單、結果準確直觀的特點，是獲取目標RCS最有效、快捷和準確的手段。

1 掃頻RCS測量

1.1 RCS測試原理

對RCS的定義有兩種觀點：一種是基于電磁散射理論的觀點，一種是基于雷達測量的觀點，兩者的基本概念是統一的，均定義為單位立體角內目標朝接收方向散射的功率與從給定方向入射于該目標的平面波功率密度之比的4π倍[2]。前者適用于理論計算，后者適用于用相對標定法來測量目標RCS。

根據雷達方程

(1)

式中，Pt為雷達發射功率；Gt為雷達發射天線增益；Gr為雷達接收天線增益；σ為目標RCS；λ為雷達發射電磁波波長；R為雷達與目標之間的距離；L為綜合損耗，包括電磁波空間傳輸損耗，發射、接收饋線損耗；Ft為雷達發射天線方向圖傳輸因子；Fr雷達接收天線方向圖傳播因子等[3]。

如果我們把目標看作一個線性的二端口網絡。Pr作為端口1的入射功率，Pt作為端口2的發射功率，則上式可表示為：

(2)

若在同一條件下分別測量得到被測對象和一個RCS值已知的標準體(如標準球、金屬平板等)的S21，則目標RCS[4]可以表示為：

σ=S21b-S21a+σa

(3)

其中：S21a為標準體的S21測量值，單位dB；S21b為被測目標的S21測量值，單位dB；σa為標準球的RCS值，單位dBsm。

1.2 掃頻RCS測量系統

掃頻RCS測量是相對于點頻RCS測量而言的，兩者的基本原理相同，但掃頻法的測量過程更為簡單，且精度高、信息量大、定位精度高[5]。本次測量采用的掃頻RCS測量系統為“準”單站測量，如圖1所示。

圖1 掃頻RCS測量系統組成示意圖

掃頻法RCS測量需要用到可產生掃頻信號的高性能矢量網絡分析儀。測量時，矢量網路分析儀以頻率步進的方式，發射中心頻率為fm，頻率間隔為Δf的等幅同相連續波，得到目標的頻率響應，然后通過快速傅立葉反變換(IFFT)得到目標的時域響應，再通過矢量網絡分析儀提供的時域門技術選取目標回波所在區域數據(即為目標的一維距離像)，最后通過傅立葉變換(FFT)即可得到目標中心頻點的S21值。

具體測量步驟如下：

1)如圖1所示連接測量系統，并開機使系統充分得到預熱，確保各設備工作穩定；

2)根據測量需求，設置測量參數，包括發射功率、測試帶寬、采樣點數、中頻帶寬、平均次數、轉臺角度步進等參數，設定測試參數為S21；

3)對背景反射電平進行測試，將數據臨時存儲并利用矢量網絡分析儀的對消功能進行背景對消；

4)保持測試條件不變，對標準體進行測試，進行傅立葉反變換將頻域信號變換到時域信號，然后利用矢量網絡分析儀的時間門功能截取目標區，再進行傅立葉變換得到標準體在頻域下的S21值；

5)保持測試條件不變，對被測目標進行測試，進行傅立葉反變換將頻域信號變換到時域信號，然后利用矢量網絡分析儀的加門功能截取目標區，再進行傅立葉變換得到被測目標在頻域下的S21值；

6)調整轉臺方位角度，重復步驟5)，測量所有方位角下被測目標S21值；

7)利用式(3)進行數據處理，得到被測目標RCS值。

2 導彈散射特性分析

2.1 測量內容

本次測量的導彈三維模型如圖2所示。

圖2 導彈三維模型

測量內容如下：

1)導彈在L波段(1.2 GHz)和X波段(10 GHz)的RCS，測量角度范圍為方位向±30°范圍(相對于導彈迎頭向)，俯仰角0°，極化方式HH。

2)導彈在X波段(10 GHz)的一維距離像，測量方位角和俯仰角均為0°時，掃頻帶寬4 GHz，掃頻點數1 601點，極化方式HH。

2.2 導彈散射特性分析

由于被測對象尺寸遠大于測試波長，可認為處于光學區。根據光學區散射理論，目標散射場主要由從各個獨立的散射中心產生的回波疊加而成，每一細小的幾何結構均對總散射場產生影響[6]。因此，通過對導彈幾何結構分析，可以發現其RCS主要來源于以下幾方面：

1)彈體表面、天線罩內部載荷、進氣道口面、進氣道腔體外壁面以及尾翼產生的鏡面散射，這通常也是構成導彈RCS的最主要散射來源。

考慮到本次測量的角度范圍為導彈迎頭向俯仰角0°、方位角±30°范圍，結合對導彈幾何外形尺寸的測量與分析發現，在此角度范圍內，除在導彈迎頭向，入射電磁波來波方向與導彈頭錐倉內部載荷的安裝底面垂直，會產生一定的直接鏡面散射外，其它測試角度下，入射電磁波來波方向相對導彈各散射面并非垂直入射，對于光滑表面來說，其鏡面散射分量并未返回接收天線?？紤]到實際導彈表面并非理想的光滑表面，存在一定的表面粗糙度，因此，從更細微的角度觀察，仍會有部分直接鏡面散射分量，但總體量級相對降低。

2)導彈進氣道口面邊緣、導彈尾翼、導彈尾部邊緣等引起的邊緣繞射以及頭錐引起的尖端繞射等，其中最主要的是邊緣繞射。

邊緣繞射的強度與邊緣線長度的平方成正比，并與電波入射線與邊緣線之間的夾角，以及電場極化方向與邊緣線之間的夾角密切相關。當電磁波的入射線垂直于邊緣線時，后向邊緣繞射的強度達到最強，并隨著入射線與邊緣線夾角的減小急劇下降；且電場極化方向平行于邊緣線時的后向邊緣繞射強度要顯著高于電場極化方向垂直于邊緣線時的強度。因此，對導彈、飛機等武器裝備而言，有效降低機(彈)翼前后緣的邊緣繞射是目標隱身設計需要重點解決的問題[6]。對于本次測量而言，主要是由導彈進氣道口面邊緣，導彈尾翼前緣、側緣與后緣以及導彈尾部邊緣等引起的邊緣繞射。

下面以圖2中導彈下方的進氣道和尾翼等為例，分別分析邊緣繞射隨電波入射方向與電場矢量方向的變化情況。(1)以導彈迎頭向為起始，隨著測試轉臺呈順時針方向逐步增大導彈與接收天線之間的視線角，在方位向0°～+30°范圍內，電磁波入射線與進氣道口面邊緣、導彈尾翼前緣和側緣之間的夾角分別呈逐漸增加之勢，而與導彈尾翼后緣之間的夾角則呈逐漸較小之勢。因此，由進氣道口面邊緣、導彈尾翼前緣和側緣引起的邊緣繞射成逐漸增強之勢，由導彈尾翼后緣引起的邊緣繞射則呈逐漸減弱之勢；(2)而對于電場矢量而言，由于本次測量水平極化波，所以隨著視線角的逐步增大，入射波電場矢量與進氣道口面邊緣、導彈尾翼前緣和側緣之間的夾角逐漸減小，而與導彈尾翼后緣的夾角則逐漸增大，故由進氣道口面邊緣、導彈尾翼前緣和側緣引起的邊緣繞射也是成逐漸增強之勢，由導彈尾翼后緣引起的邊緣繞射則呈逐漸減弱之勢。因此，單從一個進氣道和尾翼來看，隨著視線角的逐步增大，由進氣道口面邊緣、導彈尾翼前緣和側緣引起的邊緣繞射呈逐漸增強趨勢，但受限于測試角度范圍，并沒有達到最大值，而由導彈尾翼后緣引起的邊緣繞射成逐漸減弱趨勢，但同樣也并沒有達到最小值；(3)通過對另外三個進氣道和尾翼的邊緣繞射特性的進一步分析發現，隨著視線角的逐步增大，各邊緣所產生的邊緣繞射的變化趨勢并不完全一致。因此，綜合來看，隨著視線角的逐步增大，各分量疊加的結果會使邊緣繞射的強度呈現一定的起伏，最終導致導彈的整體RCS產生一定的起伏。

3)彈體表面與進氣道腔體表面產生的行波散射。

表面行波是沿細長導體長度方向傳播的一種行波電流，它在傳播過程中會不斷地向空間輻射電磁波。產生行波散射需具備兩個前提條件：一是散射體為細長導體；二是散射體表面上沿傳播方向存在電場分量[6]。由于行波散射只在目標散射體的照亮面產生。因此，測量過程中，當測試轉臺承載著被測導彈沿方位向偏離一定角度時，電磁波沿一定角度入射至導彈彈體表面和進氣道腔體表面，加之入射波為水平極化，入射電場在入射平面內沿彈軸方向存在一定的電場分量，從而在彈體表面與進氣道腔體表面感應產生表面電流，該表面電流沿彈體和進氣道表面流動形成前向行波電流，前向行波電流在傳播過程中因遇到彈體表面的接縫或到達導彈尾端而產生負載失配，引起反方向散射，最終被接收天線所接收。

4)進氣道腔體產生的腔體散射。

主要是由于電磁波入射至導彈進氣道腔體內部后，在進氣道腔體內表面產生多次反射，最后有部分散射能量從進氣道腔體口面射出，被接收天線所接收。由于腔體內部的結構特征與散射路徑復雜，對腔體散射的預估還存在一定的困難，理想情況下其RCS可達到腔體口面投影面積的2倍。因此，腔體散射的貢獻往往不可忽略，尤其對于大型軍事目標[7]。

以圖2所示狀態為例。在測量過程中，以導彈迎頭向為起始，隨著測試轉臺呈順時針方向逐步增大導彈與接收天線之間的視線角，前側(面向觀測者)的兩個進氣道腔體口面在入射電磁波波前的投影截面積呈逐漸增大之勢，因此腔體散射的強度逐漸增強。而對于后側的兩個進氣道，其腔體口面在入射電磁波波前的投影截面積則是逐漸減小，直至被彈體完全遮擋，故其散射強度呈逐漸減弱之勢。

5)相鄰兩個進氣道腔體表面形成的近似二面角散射。

以圖2所示狀態為例。相鄰的兩個進氣道腔體表面構成一個近似二面角，在測量過程中，當電磁波以偏離迎頭向(方位0°)一定角度入射至導彈表面時，會產生一定的二面角散射回波。由于二面角散射回波的強度與構成二面角的平面的幾何尺寸成正比，盡管該近似二面角在俯仰主平面內的物理尺寸較小，但在方位主平面內的物理尺寸較大，且從俯仰主平面看，電磁波入射方向恰好位于二面角張角的角平分線方向，也就是俯仰主平面的最大散射方向入射，而從方位主平面看，隨著導彈與接收天線視線角的增大，入射電磁波與近似二面角棱邊的夾角逐漸增大。因此，該近似二面角散射對導彈總體RCS的影響的不可忽略，且其散射強度呈逐漸增強趨勢，但受限于方位向測試角度范圍，散射強度并未達到最大值。

6)彈體表面分布的螺釘、鉚釘、接縫等產生的散射。

由于導彈本身由若干個功能部件組成，各功能部件之間存在一定的連接縫隙，并通過螺釘、鉚釘等進行連接。雖然每個螺釘、鉚釘、接縫本身的散射量級相對較小，但對于處于高頻散射光學區的目標來說，每一個螺釘、鉚釘、接縫都構成一個獨立的散射源，成為一個個獨立的散射中心，每一個散射中心的散射回波都會對導彈的整體RCS產生影響。

以上幾種散射來源，其散射水平量級雖大小不一，但均會對導彈RCS產生一定的貢獻，且貢獻程度也并不是一成不變的，而是隨著導彈姿態的變化呈現主次變化。例如，在迎頭向小角度范圍內，鏡面散射可能是RCS的主要來源，邊緣繞射、行波散射、腔體散射的影響可能相對較小，為次要來源；但在偏離迎頭向一定角度時，鏡面散射的影響會成為次要因素，而邊緣繞射、行波散射、腔體散射、二面角散射中的一種或幾種相對突出，成為導彈RCS的主要來源。

3 測量結果及分析

導彈在L、X波段的RCS測量結果分別如圖3、圖4所示。導彈迎頭向一維距離像測量結果如圖5所示。

圖3 L波段RCS測量結果(歸一化后)

圖4 X波段RCS測量結果(相對L波段RCS最大值歸一化)

圖5 迎頭向一維距離像測量結果(橫坐標0對應導彈參考中心)

通過分析，可得出以下結論：

1)X波段下，導彈RCS隨姿態變化的影響比L波段敏感。主要表現在隨導彈姿態的變化，目標RCS呈現明顯的起伏特性，相對于L波段，X波段的起伏頻率明顯加快、幅度顯著加大。

統計結果顯示，導彈在L、X波段的RCS峰值與谷值之差分別達到23.88 dB和28.76 dB。經分析，X波段下，入射電磁波波長較短，不僅導彈整體處于散射光學區，構成導彈的每一個結構或部件，包括細小部件與不連續表面，如頭錐、進氣道腔體、尾翼、接線槽、螺釘孔、螺釘、鉚釘、接縫等也都處于光學區，從而構成一個個獨立的散射中心，對導彈的整體RCS構成影響，隨著導彈姿態的變化，每一個獨立散射中心的散射水平發生變化，導致導彈整體RCS產生起伏；而L波段下，入射波波長相對較長，盡管導彈整體處于散射區，但構成導彈的的一些較細小的結構或部件，如進氣道腔體、接線槽、螺釘孔、螺釘、鉚釘、接縫等由于物理尺寸較小，并不一定處于光學區，可能處于瑞利區或振蕩區，此時結構或結構的RCS受導彈姿態變化的影響并不敏感，其散射水平主要與結構體或部件的體積有關，因此，使得導彈整體RCS隨姿態的變化相對趨緩。

2)導彈在X波段的RCS比L波段的RCS低，平均低9.55 dB，說明導彈在X波段下的隱身效果比L波段效果好。

3)由圖3可以看出，L波段下，導彈在迎頭向一定角度范圍內的RCS明顯大于其他角度下的RCS。這說明鏡面散射構成了導彈RCS的主要來源，而邊緣繞射、行波散射、腔體散射、二面角散射等的影響相對較弱；但同時也發現，RCS峰值點均不在導彈迎頭向(方位角0°)，而是偏離一定角度，以峰值點為中心，基本呈左右對稱分布。由于導彈的外形結構呈左右對稱分布，因此分析可能是由導彈頭錐倉安裝的載荷在

不同角度下的散射特性差異所導致。

4)由圖4可以看出，X波段下，導彈在迎頭向一定角度范圍內的RCS變化趨勢總體比較平穩。結合上述第2)條可以看出，相較于L波段，X波段下，在鏡面散射已得到有效抑制的前提下，邊緣繞射、行波散射、腔體散射、二面角散射等的影響凸顯出來，成為影響導彈整體RCS的一個重要因素。同時還可以看到，RCS峰值已遠遠偏離迎頭向(方位0°)，出現在方位-20°左右。

5)由導彈一維距離像可以看出，導彈頭錐倉存在較強散射，如圖中標記①所示。值得注意的是，標記②處出現了較強的散射，較頭錐倉僅相差2.68 dB，通過對導彈結構的測量與分析，未發現有明顯對應的強散射結構，因此，初步斷定系由導彈進氣道腔體引起，經過進一步對進氣道腔體內部結構尺寸的測量與分析發現，散射回波的傳輸時延與入射波進入腔體后經多次反射后重新到達接收天線經歷的空間路程基本一致。另外，在圖中標記③處出現了尖峰，經對導彈結構進一步分析發現，導彈進氣道由前后兩段組成，兩段連接處存在一定縫隙，由此推測應該是由進氣道表面在此連接處的不連續性引起的行波散射和縫隙繞射所產生。

[1]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.

[2]阮穎錚,等.雷達截面與隱身技術[M].北京:國防工業出版社,1998.

[3]王國玉,汪連棟,王國良,等.雷達電子戰系統數學仿真與評估[M].北京:國防工業出版社,2004.

[4]劉密歌,趙軍倉,張麟兮,等.微波暗室中兩種RCS測量系統的比較[J].計算機測量與控制,2007,15 (3):300-301.

[5]郭 靜.微波暗室目標RCS測試方法的研究與試驗[D].南京:南京航空航天大學,2008.

[6]莊釗文,莫錦軍,袁乃昌,等.軍用目標雷達散射截面預估與測量[M].北京:科學出版社,2007.

[7]孫占久,聶 宏,昂海松,等.含腔復雜軍事目標RCS綜合計算方法[J].南京航空航天大學學報.2009,41 (1):80-84.

Measurement and Analysis of RCS of Missile Based on Broadband Swept Frequency

Liu Pengjun, Fu Yiyuan, Zhao Mingyang, Niu Fengliang

(China Luoyang Electronic Equipment Test Center, Luoyang 471003,China)

Based on the theory of high frequency scattering, the scattering characteristics of the typical structural missile are analyzed, such as distributing of the scatterers, scattering type, variation tendency of the scattering intensity with missile attitude, and etc. Next, the L-band and X-band RCS of the missile are obtained using the broadband swept frequency RCS measurement system. Finally, the paper studies on the measurement results. The result indicates that the RCS of the warhead and the inlet are obvious, especially the gap between the inlet surface and the missile surface. The RCS in X-Band is small and more sensitive with the variation of missile attitude than that in L-Band. Furthermore, the maximum RCS occurs not at the head-on but the other direction, especially in X-Band, and which is nearby twenty degree. The result can provide technical bases for the application in the test of the missile, such as test design, analysis and evaluation of test results, equivalent calculation, and etc.

missile; RCS; broadband swept frequency; measurement; analysis

2017-05-02；

2017-06-01。

劉鵬軍(1977-)，男，河南洛陽人，碩士研究生,工程師，主要從事雷達對抗仿真方向的研究。

1671-4598(2017)12-0110-04

10.16526/j.cnki.11-4762/tp.2017.12.029

TP273

A