關於雷達隱身的一些事

 小論文已經發表，接下來主要就是找工做了。有必要對專業知識進行一下梳理，將看到的一些知識進行總結概括，爲將來順利地找工做和進行畢業論文設計服務。

在進入正題前，先看一張圖，以下。它們兩個分別是當前中美最頂尖戰機的表明，J20和F22。外形都很優美，一看就是好飛機啊。J20的出現，也讓長期獨孤求敗的F22終於迎來了真正的對手。將來的天空制空權將掌握在這些性能強悍的五代戰機手中。

第五代戰機的突出特色之一就是其優異的隱身能力，主要是對雷達的隱身。而本文總結的東西正是與雷達隱身所相關的。

 

目錄：

1. 雷達目標特性
2. RCS介紹
3. RCS按照波長的分類：三個區
4. 電磁測試
5. RCS統計特性
6. 雷達概論
7. 關於雷達、隱身的一些常識介紹

 

 1.雷達目標特性

從雷達 的觀點看雷達目標，能夠把目標分爲兩大類：合做目標和非合做目標。

合做目標與雷達 的配合產生：微波遙感，合成孔徑雷達（SAR）等微波遙感設備；

非合做目標與雷達對抗，迫使雷達產生相控陣，多基地，脈衝多普勒等先進雷達體制。

 

雷達目標特性，包含雷達目標尺度（位置與軌跡）信息與雷達目標特徵信息兩部分。

雷達目標尺度信息，將目標當作點目標，得到速度，位置，軌跡等信息；

雷達目標特徵信息，主要用於對遙遠目標的分類、辨認和識別，

隱含於雷達回波（複數值）之中，經過特定的波形設計和對回波幅度和相位的處理、分析和變換，能夠獲得RCS及其起伏統計模型、目標極化散射矩陣、目標多散射中心分佈和目標成像等參量，它們表徵了雷達目標的固有特徵。

 

 2.RCS介紹

目標的雷達散射截面（RCS）是表徵雷達目標對於照射電磁波散射能力的一個物理量。人們須要瞭解雷達目標的更多信息，RCS就是其中最重要、最基本的一個參數

關於RCS的定義有兩種觀點，一種是基於電磁散射理論的觀點，另外一種是基於雷達測量的觀點，兩者是統一的。

 基於電磁散射觀點：                                                                                                                                                                    

基於雷達測量的觀點：從雷達距離方程（或者雷達方程）出發

考慮同一雷達，簡化爲

將待測目標和已知精確RCS的定標體輪換置於同一距離上，有：

觀點一下適合於理論計算，觀點二下適合於用相對標定法來測量目標 RCS

 

 RCS與下列因素有關：

• 目標結構，即目標的形狀、尺寸和材料的電參數；
• 入射波 的頻率和波形
• 入射場和接收天線的極化形式------>極化散射矩陣
• 姿態角

RCS 與雷達的極化特性有關，爲什麼文獻裏面並未說明其極化特性？？

對於平面電磁波，電磁場矢量老是與傳播方向垂直。任意極化的平面電磁波能夠分解爲兩個相互正交的線極化波，或者兩個正交圓極化波。

對於斜入射 平面波，任意極化的 入射波能夠分解爲電場垂直於入射面（入射線與邊界法線構成的平面）的垂直線極化波和平行線極化波（理論研究中，常採用之）。

而在實際測量中，則常根據電場矢量與地面的平行狀況來定義水平極化（H），以及垂直極化（V）。

RCS是一個描述目標電磁波散射效率的量，只表徵雷達目標散射的幅度特性，缺少對於諸如極化和相位特性之類目標特徵的表徵。爲了完整描述雷達目標電磁散射性能，需引入極化散射矩陣的概念

文獻《縫隙目標電磁散射特性試驗》

 

通常來講，傳統的點目標RCS稱爲零維RCS，目標的一維距離像稱爲一維RCS，二維和三維雷達圖像則分別稱爲二維和三維RCS。

3.RCS按照波長的分類

按照目標電磁後向散射特性的不一樣，將ka分爲三個區域：瑞利區（ka<0.5），諧振區(0.5，20)和光學區（>20）

其中，k爲波數，a爲目標的特徵尺寸，一般取目標垂直於雷達視線橫截面中的最大尺寸的一半。

瑞利區：RCS與波長的4次方成反比；

諧振區：隨頻率變化產生振盪起伏；

光學區（高頻區）：RCS主要決定於其形狀和表面的粗糙度，目標外形的不連續則致使RSC的增大。

 

目標散射中心，是目標在高頻區散射的基本特徵之一。在高頻區，目標總的電磁散射能夠認爲是由某些局部位置上的電磁散射所合成的，這些局部性的散射源一般被稱爲多散射中心。

高頻散射是一種局部現象。

高頻方法PO:它用充當散射場激勵源的表面感應電磁流來代替目標。同MOM同樣，出發點也是斯--朱散射場積分方程

在全部的散射表述中，一個基本問題是肯定目標上 的感應電磁流，只要求得感應電磁流，散射場和其餘的量就能夠用標準的方法進行計算。

 

在低頻和諧振區，要考慮散射體一部分對其餘部分的影響，而在高頻區，散射體各部分之間的相互影響已變得很小，幾乎變成了一種局部現象，而再也不是一種積累過程。細節的幾何結構變得十分重要。

 

RCS分析方法：

由雷達截面的理論定義式可知，雷達截面理論分析實際上就是要計算出目標對給定入射波所產生的散射場。

方法包括：嚴格的經典解法，積分方程的MOM，以及各類高頻近似方法等。

經典解法是從電磁場波動方程出發，根據散射體的邊界條件求得場的嚴格級數解。只適用於一些外形簡單的目標。如球的後向散射截面，以下圖：

積分方法解法，是利用計算機技術和算法，求解由斯塔拉頓-朱蘭成 積分方程(見下圖)表示的麥克斯韋方程，是數值解法。利用MOM將積分方程轉化爲矩陣方程，經過矩陣求逆解出物體表面的感應電磁流，從而計算出散射場。因爲計算機存儲量和速度的限制，這種方法僅限於低頻區和諧振區。

 

在高頻區，散射是局部效應。有以下方法：

最古老和最簡單的高頻近似方法是GO。當必須考慮來自邊緣尖頂拐角的散射場或陰影區內的散射場時，GO/PO都失效了，必須利用幾何繞射理論或物理繞射理論來處理這一類的繞射問題，它們分別是GO/PO的推廣

 

 4.電磁測試

電磁縮比關係：

迄今爲止，僅解決了理想導電目標的電磁縮比關係，有關非均勻介質和磁性材料目標的電磁模型縮比理論尚無定論。

其中，s爲縮比因子。同時，縮比模型的測試頻率f’‘’應爲實際目標測試頻率 的 s倍。也就是說，在測試中，因爲模型縮小，相應的測試波長也要減少

 

5.RCS統計特性

因爲雷達目標的RCS隨目標姿態角變化十分敏感，所以RCS是一個起伏量。

RCS起伏模型有兩種函數表達：一種是在限定姿態角範圍內RCS起伏的機率密度函數，另外一種是目標運動時RCS起伏的時間譜函數。

其中，機率密度函數包括三種：卡方分佈，萊斯分佈和對數正態分佈

 

RCS的統計特性：在噪聲背景下的雷達目標檢測是一個統計過程，每每因爲觀察角的微小變化會引發目標RCS的劇烈起伏。

複雜目標的檢測是用回波功率的機率密度函數來描述的。

對於具備 多個散射中心可是沒有哪一個散射中心佔優的複雜目標，可用瑞利分佈；此外還有瑞遜分佈。

 

 6.雷達概論

雷達發展史：

1864年，麥克斯韋提出了電磁理論，預見了電磁波的存在。

1886年，赫茲經過實驗予以證明。

1903年，德國人Wilsmoy探測到了從船上反射回來的電磁波

1922年，馬可尼主張用短波無線電來探測物體

30年代，不少國家最早進行的是雙基地連續波雷達的研究，效果不太好。直到單基地的脈衝雷達開發成功後，才確立了雷達在軍事上的重要地位。

 

 7.關於雷達、隱身的一些常識介紹

雷達的工做頻段：3MHz~300GHz，就大多數雷達工做在微波波段，特別是X(8~12)和Ku波段（12~18），它們是機載雷達最主要的工做頻段。

 

從航空發展史來看，飛行器隱身技術已經成爲繼噴氣式發動機，後掠翼以後的第三個里程碑。

 

外形隱身原理與RAM不一樣，它不能吸取入射電磁波，而是經過適當的外形設計將能量反射到可有可無的方向去，以減小在規定方向的RCS.

 

RCS減縮23dB,雷達做用距離則減小到27%，以下圖：

一般，目標的前向散射大於後向散射，在高頻段（目標尺寸L>>波長）前向RCS正比於目標的投影面積

 

朱蘭成介紹：（斯特拉頓-朱蘭成積分方程）

朱蘭成（1913-1973）, 江蘇淮陰人，著名電磁波專專家。 麻省理工學院教授，美國物理學會院士，IEEE院士，美國科學院院士，臺灣省「中央研究院」院士。

朱蘭成, 國際電磁波之泰斗， IEEE 院士， 美國物理學會院士，美國科學院院士，臺灣省"中央研究院"院士 。 

朱蘭成生於1913 年8 月24 日江蘇淮陰（今淮安市）， 1934年畢業於上海交通大學， 1935年和1938年獲美國麻省理工學院理學碩士學位和理學博士學位， 畢業以後一直在麻省理工任教。  他身在美國, 卻一直關心中國教育, 曾雲「提攜年青輩至爲重要，是國家將來之但願」。 抗日戰爭時期，張鍾俊出任臨時的麻省理工學院重慶校友會理事,  也曾寫信給朱蘭成， 委託其在美國籌集一整套電機學科文獻資料贈送給重慶。 

1941年， J.A.斯特拉頓和朱蘭成利用長橢球座標， 對中間旋轉對稱饋電的、偏愛率接近於1的長橢球形天線進行了理論分析,應用分離變量法並根據邊界條件直接求解麥克斯韋方程而得其場，再從後者求出天線上電流分佈和輸入阻抗。 在二戰期間， 他研究發展雷達及波導，以其卓著貢獻榮膺美國總統科學獎章。 1952年成爲麻省理工學院終身教授。

 

 參考文獻

1.  《雷達目標特性》，雷達技術叢書
2. 《雷達截面與隱身技術》，阮穎錚