雷達基礎知識：目標的雷達散射截面積（RCS）

雷達通過天線發射電磁波照射目標，并接收目標反射回的微弱信號，經過信號處理檢測出關于目標或環境的信息，例如距離、速度、方位、散射特性等。從雷達系統的基本處理過程可以看出，雷達主要包括發射機、天線、接收機、信號處理器、顯示器等部分。今天主要給大家詳細分析目標的雷達散射截面積。

雷達散射截面積(Radar Cross Section, RCS)是目標在雷達接收方向上反射雷達信號能力的度量，一個目標的RCS等于單位立體角目標在雷達接收天線方向上反射的功率(每單獨立體角)與入射到目標處的功率密度(每平方米)之比。

目標雷達散射截面積的一些特性可用一些簡單的模型來描述，根據雷達波長與目標尺寸的相對關系，可分成三個區域來描述目標的雷達散射截面積。

瑞利區。在此區域，目標尺寸遠小于信號波長，目標雷達散射截面積與雷達觀測角度關系不大，與雷達工作頻率的4次方成正比。

諧振區。在此區域，波長與目標尺寸相當。目標雷達散射截面積隨著頻率變化而變化，變化范圍可達10dB；同時由于目標形狀的不連續性，目標雷達散射截面積隨雷達觀測角的變化而變化。

光學區。在此區域，目標尺寸大于信號波長，下限值通常比瑞利區目標尺寸的上限值高一個數量級。簡單形狀目標的雷達散射截面積可以接近它們的光截面，目標或雷達的移動會造成視線角的變化，將導致目標雷達散射截面積發生變化。

需要注意的是以上分隔三個區的邊界是不清晰的，RCS評估和計算方法的使用需要注意是在哪個尺寸范圍內來分析的。精確的方法是一麥克斯韋方程組的積分和微分形式為基礎，一般限于瑞利區和諧振區內相對簡單和小物體，而大多數近似方法則是為光學區開發的。

簡單金屬形狀的雷達散射截面積可以通過等式估算，但對于像飛機這樣非常復雜的目標，其表面與RCS之間沒有牢固的關系，它會隨照射雷達的方向而顯著變化。

復雜目標對電磁波的作用包含鏡面反射、邊緣繞射、尖頂繞射、爬行波繞射、行波繞射和非細長體因電磁突變引起的繞射等。對于無隱身措施的常規飛機，它的散射場包括反射和繞射場，主要是鏡面反射和邊緣繞射起作用。

鏡面反射(Specular Reflection)：光學區域中最重要的反射形式，就像光照射鏡子一樣，大多數入射雷達波的能量都是根據鏡面反射定律反射出來的(反射角等于入射角)。這種反射可以通過塑性顯著減少。  

行波/表面波散射(Traveling /Surface Waves)：照射到飛機機身上的入射雷達波可以在其表面產生行進電流，該行進電流沿著路徑傳播到表面邊界，例如前緣，表面不連續處等。這樣的表面邊界可以導致后向行波或者向多個方向散射。這種反射可以通過雷達吸收材料，雷達吸收結構，減少表面間隙或邊緣對齊來減少。 

衍射(Diffraction)：電磁波照射到非常尖銳的表面或邊緣被散射而不遵循反射定律。 

爬行波繞射(Creeping Wave)：這是行波的一種形式，當沿著物體表面行進時沒有遇到表面不連續或障礙物，因此它能夠繞物體行進并返回雷達。爬行波主要繞彎曲或圓形物體移動。因此，隱身戰斗機和隱身巡航導彈不使用管狀機身。

相對復雜的目標的RCS可通過幾種不同的逼近方法進行測算。例如：幾何光學法(GO)，假定射線沿直線傳播，利用經典的光線路徑理論；物理光學法(PO)運用平面切線的近似并通過惠更斯原理計算RCS；幾何衍射理論(GTD)是一個合成系統，該系統建立在GO和衍射線的概念綜合的基礎上。

目標的RCS可通過實驗測量或計算機建模得到，但需要目標的詳細信息，并且需要根據雷達工作頻率和雷達觀測角生成大量數據。下面給出的是幾種常見目標的RCS典型值。

對于隱身飛機，采取多種措施，使鏡面反射和邊緣繞射基本消失。典型的戰斗機的雷達散射截面積(RCS)約1平米，而“隱身飛機”的RCS僅為0.01平米，甚至更小。

目標的RCS取決于目標結構(形狀和材料)、雷達工作頻率、雷達極化方式和雷達觀測角等。通常情況下，平面目標具有較強的鏡反射回波，而賦形、涂覆雷達吸波材料和采用非金屬材料等隱身技術則可以大大降低目標雷達散射截面積。

對于無隱身措施的常規飛機，它的散射場包括反射和繞射場，主要是鏡面反射和邊緣繞射起作用。對于隱身飛機，采取多種措施，使鏡面反射和邊緣繞射基本消失。

由于飛機的雷達天線罩(Radome)對無線電波是透明的，需采取特殊措施來減小天線的RCS，否則，即便是最小的平面陣列天線，它的RCS甚至可能達到數千平方米。

不管是機械掃描陣列天線(MSA)還是電子掃描陣列天線(ESA)，它們的陣面在其他威脅雷達的信號照射時會產生后向散射。通過精心設計和制造出來的天線，后向散射的四種類型可以控制在可接受的最小范圍內而變得無害。

傾斜天線：陣面的鏡面反射可以通過傾斜天線致使反射波不沿照射波方向反射來控制。盡管傾斜并不能減少反射，但卻可以使威脅我方的雷達無法收到反射波。

傾斜在某種程度上減少了天線的有效孔徑面積，減少了天線的增益并展寬了波束，但是我們只以較小的代價就獲得了天線被檢測出的概率的大幅度降低。

天線模式反射的最小化：在雷達的工作頻率上，天線模式反射擁有與發射信號類似的方向圖，即一個主瓣附帶著幾個旁瓣。主瓣的方向是由照射波的入射角和天線陣陣子間相移決定的。

最小化這些反射方法是：在天線上采用匹配良好的微波電路，并對設計的細節給予特別的關注。對于寬波段MSA天線和無源ESA天線，即使是來自天線深層的反射也必須消除，這可以通過在饋線的適當地方插人隔離器(如循環器)來實現。

邊緣衍射的最小化：邊緣衍射產生的后向反射可以和與天線陣周長有相同尺寸的環天線(loop)產生的后向反射相當。由于環的尺寸是雷達工作波長的很多倍，典型的環形天線方向圖包含大量的從寬波方向散開的小瓣。

有些天線在安裝時，通過對反射面的整形疏散衍射的能量使其低于威脅雷達的檢測門限，可以使邊緣衍射變得無害。還有一些天線在安裝時，通過在反射面的邊緣應用雷達吸波材料使阻抗值平滑地下降到周圍結構的阻抗來減少衍射。

隨機散射的最小化：結構模式和天線模式反射的隨機成分可能擴展到很大的角度范圍內，因此，不能通過天線的傾斜來避免。為了把它們降低到可接受的程度，天線的微波特性在整個天線陣列內必須是均勻的，這需要嚴格控制制造偏差。

隨著雷達波長的增加(頻率的降低)，鏡面反射的強度減小，且波瓣寬度變寬。同樣的現象也發生在雷達上，如果孔徑大小保持不變，頻率的降低將增加波束寬度。由于鏡面反射波瓣變寬，使雷達波偏離將更加困難，并且反射的能量將分布在更廣的范圍。

鏡面反射隨波長的平方增加而成比例地減少。在較低的頻率下，行波和衍射的影響更多。對于平面，行波以波長的平方增長，它們的峰值反向散射角隨著波長的平方根而增加。尖端衍射和邊緣繞射也隨著波長的平方而增長。 

因此，當波長接近與飛機尺寸接近的諧振區域時，隱身飛機的RCS的凈值通常會增加。上圖為B-2飛機在10 Ghz和1 Ghz情況下的RCS，可以看出在低頻段1GHz時某些特定角度上有較大的RCS值。

上圖為AGM-86導彈在10 Ghz和1 Ghz情況下的RCS，可以看出在低頻段1GHz時在更多的角度上有較大的RCS值，這也為對抗隱身提供了更多的機會。

行波和衍射的影響可以通過以下方式減少：調整不連續之處的方向以將行波引向不可避免的鏡面反射的角度(例如機翼前緣)，從而限制它們在其他角度上的影響。例如武器艙門就是不連續之處，鋸齒狀的邊緣的使用就是以便行波反射至不太重要的角度。 

減少表面波影響的另一種常用方法是將機身設計為具有非垂直角的小平面，從而雷達波沿著它們的斜線往低角度方向行進，減少邊緣繞射的影響。  

第一架隱身飛機F-117是平整的表面，而所有后來的隱身飛機，如B-2，F-35，F-22，X-47都使用融合體設計(圓滑無棱角)。由融合平面構成的形狀不僅具有更大的空氣動力學性能，而且還允許電流在其邊緣平滑傳輸，從而減少表面波散射。

因此，融合體具有比平整面結構有更低的RCS，特別是在低頻情況下。并且以精確的數學計算飛機曲線，可以將方位向上RCS減小一個數量級。在相對較高的頻率下，也可以用雷達吸波材料(RAM)抑制表面波。通過融合平面也可以減少表面波衍射。