雷达散射截面积详解

雷达散射截面积(Radar Cross Section, RCS)是目标在雷达接收方向上反射雷达信号能力的度量，一个目标的RCS等于单位立体角目标在雷达接收天线方向上反射的功率(每单独立体角)与入射到目标处的功率密度(每平方米)之比。

雷达散射截面积详解

1. 系统

雷达通过天线发射电磁波照射目标，并接收目标反射回的微弱信号，经过信号处理检测出关于目标或环境的信息，例如距离、速度、方位、散射特性等。从雷达系统的基本处理过程可以看出，雷达主要包括发射机、天线、接收机、信号处理器、显示器等部分。

2. 概念

雷达散射截面积(Radar Cross Section, RCS)是目标在雷达接收方向上反射雷达信号能力的度量，一个目标的RCS等于单位立体角目标在雷达接收天线方向上反射的功率(每单独立体角)与入射到目标处的功率密度(每平方米)之比。

3. RCS模型的建立

目标雷达散射截面积的一些特性可用一些简单的模型来描述，根据雷达波长与目标尺寸的相对关系，可分成三个区域来描述目标的雷达散射截面积。

瑞利区

在此区域，目标尺寸远小于信号波长，目标雷达散射截面积与雷达观测角度关系不大，与雷达工作频率的4次方成正比。

谐振区

在此区域，波长与目标尺寸相当。目标雷达散射截面积随着频率变化而变化，变化范围可达10dB；同时由于目标形状的不连续性，目标雷达散射截面积随雷达观测角的变化而变化。

光学区

在此区域，目标尺寸大于信号波长，下限值通常比瑞利区目标尺寸的上限值高一个数量级。简单形状目标的雷达散射截面积可以接近它们的光截面，目标或雷达的移动会造成视线角的变化，将导致目标雷达散射截面积发生变化。

需要注意的是以上分隔三个区的边界是不清晰的，RCS评估和计算方法的使用需要注意是在哪个尺寸范围内来分析的。精确的方法是一麦克斯韦方程组的积分和微分形式为基础，一般限于瑞利区和谐振区内相对简单和小物体，而大多数近似方法则是为光学区开发的。

4. 简单目标与复杂目标的RCS

简单金属形状的雷达散射截面积可以通过等式估算，但对于像飞机这样非常复杂的目标，其表面与RCS之间没有牢固的关系，它会随照射雷达的方向而显着变化。

复杂目标对电磁波的作用包含镜面反射、边缘绕射、尖顶绕射、爬行波绕射、行波绕射和非细长体因电磁突变引起的绕射等。对于无隐身措施的常规飞机，它的散射场包括反射和绕射场，主要是镜面反射和边缘绕射起作用。

子主题

镜面反射(Specular Reflection)

光学区域中最重要的反射形式，就像光照射镜子一样，大多数入射雷达波的能量都是根据镜面反射定律反射出来的(反射角等于入射角)。这种反射可以通过塑性显著减少。

行波/表面波散射(Traveling /Surface Waves)

照射到飞机机身上的入射雷达波可以在其表面产生行进电流，该行进电流沿着路径传播到表面边界，例如前缘，表面不连续处等。这样的表面边界可以导致后向行波或者向多个方向散射。这种反射可以通过雷达吸收材料，雷达吸收结构，减少表面间隙或边缘对齐来减少。

子主题

衍射(Diffraction)

电磁波照射到非常尖锐的表面或边缘被散射而不遵循反射定律。

爬行波绕射(Creeping Wave)

这是行波的一种形式，当沿着物体表面行进时没有遇到表面不连续或障碍物，因此它能够绕物体行进并返回雷达。爬行波主要绕弯曲或圆形物体移动。因此，隐身战斗机和隐身巡航导弹不使用管状机身。

5. 常见目标的RCS典型值

相对复杂的目标的RCS可通过几种不同的逼近方法进行测算。例如：几何光学法(GO)，假定射线沿直线传播，利用经典的光线路径理论；物理光学法(PO)运用平面切线的近似并通过惠更斯原理计算RCS；几何衍射理论(GTD)是一个合成系统，该系统建立在GO和衍射线的概念综合的基础上。

目标的RCS可通过实验测量或计算机建模得到，但需要目标的详细信息，并且需要根据雷达工作频率和雷达观测角生成大量数据。下面给出的是几种常见目标的RCS典型值。

对于隐身飞机，采取多种措施，使镜面反射和边缘绕射基本消失。典型的战斗机的雷达散射截面积(RCS)约1平米，而“隐身”飞机的RCS仅为0.01平米，甚至更小。

6. 影响RCS的因素

目标的RCS取决于目标结构(形状和材料)、雷达工作频率、雷达极化方式和雷达观测角。通常情况下，平面目标具有较强的镜反射回波，而赋形、涂覆雷达吸波材料和采用非金属材料等隐身技术则可以大大降低目标雷达散射截面积。

对于无隐身措施的常规飞机，它的散射场包括反射和绕射场，主要是镜面反射和边缘绕射起作用。对于隐身飞机，采取多种措施，使镜面反射和边缘绕射基本消失。

7. 天线阵面RCS的缩减

由于飞机的雷达天线罩(Radome)对无线电波是透明的，需采取特殊措施来减小天线的RCS，否则，即便是最小的平面阵列天线，它的RCS甚至可能达到数千平方米。

不管是机械扫描阵列天线(MSA)还是电子扫描阵列天线(ESA)，它们的阵面在其他威胁雷达的信号照射时会产生后向散射。

通过精心设计和制造出来的天线，后向散射的四种类型可以控制在可接受的最小范围内而变得无害。

倾斜天线：阵面的镜面反射可以通过倾斜天线致使反射波不沿照射波方向反射来控制。尽管倾斜并不能减少反射，但却可以使威胁我方的雷达无法收到反射波。倾斜在某种程度上减少了天线的有效孔径面积，减少了天线的增益并展宽了波束，但是我们只以较小的代价就获得了天线被检测出的概率的大幅度降低。

天线模式反射的最小化：在雷达的工作频率上，天线模式反射拥有与发射信号类似的方向图，即一个主瓣附带着几个旁瓣。主瓣的方向是由照射波的入射角和天线阵阵子间相移决定的。最小化这些反射方法是：在天线上采用匹配良好的微波电路，并对设计的细节给予特别的关注。对于宽波段MSA天线和无源ESA天线，即使是来自天线深层的反射也必须消除，这可以通过在馈线的适当地方插人隔离器(如循环器)来实现。

边缘衍射的最小化：边缘衍射产生的后向反射可以和与天线阵周长有相同尺寸的环天线(loop)产生的后向反射相当。由于环的尺寸是雷达工作波长的很多倍，典型的环形天线方向图包含大量的从宽波方向散开的小瓣。有些天线在安装时，通过对反射面的整形疏散衍射的能量使其低于威胁雷达的检测门限，可以使边缘衍射变得无害。还有一些天线在安装时，通过在反射面的边缘应用雷达吸波材料使阻抗值平滑地下降到周围结构的阻抗来减少衍射。

随机散射的最小化：结构模式和天线模式反射的随机成分可能扩展到很大的角度范围内，因此，不能通过天线的倾斜来避免。为了把它们降低到可接受的程度，天线的微波特性在整个天线阵列内必须是均匀的，这需要严格控制制造偏差。

8. 隐身目标的RCS

随着雷达波长的增加(频率的降低)，镜面反射的强度减小，且波瓣宽度变宽。同样的现象也发生在雷达上，如果孔径大小保持不变，频率的降低将增加波束宽度。由于镜面反射波瓣变宽，使雷达波偏离将更加困难，并且反射的能量将分布在更广的范围。

镜面反射随波长的平方增加而成比例地减少。在较低的频率下，行波和衍射的影响更多。对于平面，行波以波长的平方增长，它们的峰值反向散射角随着波长的平方根而增加。尖端衍射和边缘绕射也随着波长的平方而增长。

因此，当波长接近与飞机尺寸接近的谐振区域时，隐身飞机的RCS的净值通常会增加。

上图为B-2飞机在10 Ghz和1 Ghz情况下的RCS，可以看出在低频段1GHz时某些特定角度上有较大的RCS值。

上图为AGM-86导弹在10 Ghz和1 Ghz情况下的RCS，可以看出在低频段1GHz时在更多的角度上有较大的RCS值，这也为对抗隐身提供了更多的机会。

行波和衍射的影响可以通过以下方式减少：调整不连续之处的方向以将行波引向不可避免的镜面反射的角度(例如机翼前缘)，从而限制它们在其他角度上的影响。例如武器舱门就是不连续之处，锯齿状的边缘的使用就是以便行波反射至不太重要的角度。

减少表面波影响的另一种常用方法是将机身设计为具有非垂直角的小平面，从而雷达波沿着它们的斜线往低角度方向行进，减少边缘绕射的影响。

第一架隐身飞机F-117是平整的表面，而所有后来的隐身飞机，如B-2，F-35，F-22，X-47都使用融合体设计(圆滑无棱角)。由融合平面构成的形状不仅具有更大的空气动力学性能，而且还允许电流在其边缘平滑传输，从而减少表面波散射。

因此，融合体具有比平整面结构有更低的RCS，特别是在低频情况下。并且以精确的数学计算飞机曲线，可以将方位向上RCS减小一个数量级。

在相对较高的频率下，也可以用雷达吸波材料(RAM)抑制表面波。通过融合平面也可以减少表面波衍射。