彈載雷達對艦船和角反目標特性分析

梁云瑞，劉敏名，趙志權

（1.海裝駐南昌地區(qū)軍事代表室，江西 南昌，330024；2.航空工業(yè)洪都，江西 南昌，330024）

0 目標雷達散射截面積

物體的雷達回波強度即雷達散射截面積，用RCS表示。RCS取決于物體相對雷達波長的特性尺寸。按照目標相對雷達波長的差異，可將RCS分為三個區(qū)間：瑞利區(qū)、諧振區(qū)和光學區(qū)。瑞利區(qū)是指雷達波長大于目標特征尺寸的區(qū)間，諧振區(qū)是指雷達波長近似等于目標特征尺寸的區(qū)間，光學區(qū)是指雷達波長小于目標特征尺寸的區(qū)間。

空艦制導武器常見的目標類型有艦船以及研制過程中常見的角反射體靶標等。這些物體相對毫米波雷達工作波長均要大得多，因此表現(xiàn)為光學區(qū)目標RCS特征，光學區(qū)目標RCS主要取決于目標的形狀和表面的粗糙度。艦船等目標的外形和表面會隨觀測角度發(fā)生巨大變化，因此RCS與觀測角度相關。

1 雷達散射截面積起伏特性

雷達目標的RCS隨姿態(tài)角、頻率以及環(huán)境等各種因素的變化而變化。一個數(shù)字，比如均值RCS值不能完全度量目標的RCS特性。沒有固定的標準方法用來描述目標的單值RCS，可以采用均值，也可以采用概率密度函數(shù)，比如RCS“最小”值——超過90%～99%的RCS值。由于RCS有多變性，而且又有以上各種描述方法，因此在設計、論證、驗證雷達導引頭的性能時，要充分考慮描述方法的差異以及目標的RCS起伏特性。

描述目標起伏比較通用的模型是Peter Swerling四種模型。四種模型簡述如下：

1）情況1：在任何一次掃描時從目標收到的回波脈沖幅度在這一次掃描的整個過程中恒定不變，且從掃描到掃描是不相關的，即慢起伏。概率密度函數(shù)為

式中，σav是所有橫截面積的平均值。這種模型適用于具有許多面積可比的獨立散射體組成的目標。

2）情況2：概率密度函數(shù)與情況1相同，但起伏是從脈沖到脈沖無關的，即快起伏。

3）情況3：和情況1一樣，慢起伏。但概率密度函數(shù)為：

該模型適用于一個大散射體加上許多小散射體這樣的模型，大多數(shù)艦船屬于這種類型。

4）情況4：快起伏。概率密度函數(shù)與情況3相同。

同一目標在不同環(huán)境中，可能也形成不同的目標起伏模型。對于高檢測概率要求的雷達導引頭，在設計時要充分考慮這些目標起伏特性的影響因素，采用不同的設計手段，例如增加脈沖積累數(shù)量、增加掃描次數(shù)等用以改善性能。

2 艦船

水面艦艇按噸位分類，一般以500噸以下稱為艇，包括導彈艇、魚雷艇等中小型攻擊艇；500噸～3000噸級一般以護衛(wèi)艦居多；3000～7000噸以上以驅逐艦為主；萬噸以上則多為大型巡洋艦或航母等。

2.1 艦船的RCS特性

根據(jù)艦船形狀，取其船首、船尾、左舷、右舷方向的平均截面積，得出了一個關于艦船截面積中值（即50%的數(shù)據(jù)超過此值）的經(jīng)驗公式：

式中，

σ：雷達截面積的中值（50%的值），m2；

f：雷達工作頻率，MHz；

D：艦船的排水量，kt。

以上公式是在低擦海角時計算得到的，可以用于對非隱身設計的艦艇的粗略RCS估計。根據(jù)此公式，對同一目標，W波段RCS是Ka波段RCS的1.7倍。

1）萬噸級大型常規(guī)艦船的海面RCS試驗數(shù)據(jù)

艦船的RCS與視線的擦海角有相關性。當擦海角大于60°時，海面散射的貢獻很大，垂直極化的海面影響會更大。在高擦海角的情況下，RCS可能會比計算結果要小一個數(shù)量級。在沒有更好的可用信息的情況下，在進行粗略估計時，可以把艦船排水量的噸位數(shù)當作它的雷達截面積的平方米數(shù)。

一般艦艇的形狀比較復雜，需要依靠實驗來決定目標的RCS。圖1給出了在S波段和X波段用水平極化波對16000t的大型海軍輔助艦船測量結果的曲線。三條曲線對應于80%、50%和20%RCS數(shù)據(jù)點。從圖中可以看出，X波段的RCS大于S波段，且S波段50%的RCS數(shù)據(jù)、X波段20%的RCS數(shù)據(jù)與噸位數(shù)16000相當。由此數(shù)據(jù)可以推論，Ku及以上波段（包括毫米波段）船只的RCS高于船只的噸位數(shù)。

圖1

2）小型艦艇的海面RCS試驗數(shù)據(jù)

某型50噸小艇在Ka波段RCS的海面實測數(shù)據(jù)見表1。

表1 50噸艇RCS試驗數(shù)據(jù)統(tǒng)計值

實測數(shù)據(jù)表明，50噸艇Ka波段RCS均值不小于200m2，最小RCS為30m2～50m2，出現(xiàn)在首向及側向航行的瞬間。最大RCS約100m2～10000m2，出現(xiàn)在尾向航行時，主要是由于尾浪對RCS的貢獻。全向RCS起伏幅值約±10dB。起伏周期較長，最長為1s。實測數(shù)據(jù)反映，在Ka波段，船只的最小RCS與噸位數(shù)相當，均值RCS大約為噸位數(shù)的4～8倍。

此外，采用隱身設計、150噸排水量的臺灣光華6號導彈艇，據(jù)報道X波段RCS僅為82m2，據(jù)此推論Ka波段RCS應與噸位數(shù)相當，大約150m2；而W波段RCS應大約為250m2。

3）艦船RCS特性總結

通過查閱文獻,可以總結出以下幾方面規(guī)律：

（1）常規(guī)艦船的RCS左右正側舷、首尾向均變化比較劇烈。一般在左右正側舷出現(xiàn)RCS最大峰值、首尾向左右20°～30°附近出現(xiàn)低谷值。最大峰值RCS能達到噸位數(shù)的10倍～100倍以上；最小RCS值在Ka波段與噸位數(shù)相當，均值RCS大約是噸位數(shù)的數(shù)倍；而W波段RCS是Ka波段RCS的1.7倍；

（2）對于艦船的某一特定方向，80%和20%的RCS概率統(tǒng)計值相差10dB以上；而對于艦船的全方向，RCS值變化量達到20dB～30dB；

（3）對于大型艦船，已有的X波段與S波段數(shù)據(jù)顯示，不同波段RCS方向圖變化趨勢一致，頻段越高、RCS越大；

（4）在實際海面測量中，艦船RCS與艦船的主體建筑的高度、復雜程度相關，主體建筑越高、越復雜，RCS越大。

2.2 隱身特征

現(xiàn)代海面艦船多采用雷達隱身設計，雷達隱身所采取的主要措施有三種：

1）采用隱身外形。新一代的水面艦船多按干舷外漂、上層建筑立板內傾的多面體外形設計，此外在平面與平面相交處采用平滑過渡，降低兩面角、三面角效應。采用外形隱身措施一般能減小水面艦船20%～50%的RCS，據(jù)稱有的還可以減小80%。

2）對必須設施，如武器、桅桿、探測設備等，收藏到主甲板以下，或者采用多面體外殼封裝的方法，盡量減少雜散結構對雷達波的強反射。

3）涂敷吸波材料，即利用一些能夠吸收一定頻率范圍內的電磁波的材料，消耗雷達照射波能量，達到減弱甚至消除反射波的作用。但對于艦船大面積涂覆來說，費用昂貴，且吸波材料的三防性能較差，難以適應海上的鹽霧環(huán)境。

目前，前兩種隱身技術已被各種隱身艦船所普遍采用，第三種因為涉及到經(jīng)濟性和維護麻煩的問題，一般在局部采用。目前雷達隱身效果比較顯著，據(jù)稱3500噸的“拉斐特級”護衛(wèi)艦雷達截面積僅相當于500噸巡邏艦；德國推出的新型隱身護衛(wèi)艦雷達截面積可減少90%；“維斯比”輕護艦正常情況下可被雷達探測的距離僅有22km。

采取隱身設計的艦船，隱身措施能使RCS縮減為原來的80%～10%，RCS均值與噸位數(shù)相當，而RCS最小值大約相當于噸位數(shù)的1/7～1/2。

2.3 典型艦船綜合特性

綜合以上分析，考慮在毫米波段目標的細微特征差異已不明顯，通常幾類艦船的典型特征，包括RCS典型取值見表2。

表2 艦艇類目標探測特性

3 角反射體靶標

在雷達導引頭的研制飛行試驗過程中，一般采用在小型載體（小船或浮標等）上加裝鋁制角反射體組合來增強RCS，用于模擬艦船目標。高度與大小根據(jù)需模擬的目標而確定。角反射體的RCS特性與真實艦船在多方面存在差異。

首先，在方位向兩個角反射體交疊處，能量可能增強也可能相抵消，由于角反射體呈周期性排布，因此，整體角反射體的RCS會呈現(xiàn)周期性較大起伏。

其次，角反射體呈現(xiàn)點目標特性，當海情較好時，在俯仰方向易出現(xiàn)能量多徑增強或相消的現(xiàn)象，嚴重會導致導引頭跟蹤海面下鏡像目標引起俯仰跟蹤誤差增大，或者信號衰減導致丟失目標。

此外，角反射體組合的散射點分布與真實艦船不同，因此角噪聲特性也不同。

1）理論計算

三角板角反射體的RCS近似最大值計算公式如下：

式中，

b：三角板角反射體棱邊長度。

半功率點寬度為40°。

2）試驗結果

（1）陸上標定

被測目標為靶標角反射體組合，靶標與測試設備距離1km左右。對靶標方位0～360°進行了RCS測試。測試結果見圖2。

從圖中可以看出，靶標方位向RCS呈現(xiàn)明顯的周期性起伏特性，360°范圍內存在12個周期，與角反射體數(shù)量相關。最大值接近30dBm2，瞬間最小值小于0dBm2，大多數(shù)測試數(shù)值分布在20dBm2～30dBm2，即100m2～1000m2之間。

RCS均值統(tǒng)計見表3。

表3 靶標RCS測試結果

（2）海上標定

被測目標為靶船，距離約2km左右。實測結果均值約為250m2～300m2，同時測量數(shù)據(jù)顯示，靶標在海上RCS起伏達到10dB～20dB。

測試報告對靶標RCS測量值報告見表4。

表4 固定靶RCS測量結果（均值）

該測試報告對靶標RCS實測曲線如圖3所示。

圖3 海上測試結果曲線

從圖中可以看出，在論證分析時若只用均值代入計算，計算誤差非常大，因此以下對曲線的數(shù)據(jù)點進行了統(tǒng)計估算。統(tǒng)計值見表5。

表5 目標RCS統(tǒng)計估算值

從表5統(tǒng)計數(shù)據(jù)可知，均值約300m2的靶標，超過均值的概率不到50%。按前98%概率的目標RCS則只有約30m2。雖然此統(tǒng)計結果存在一定誤差，但反映出目標RCS均值不能完全反映目標RCS的真實情況，進行產(chǎn)品設計、論證及驗證時需注意到此統(tǒng)計差異。