外场雷达目标RCS极化特性测量方法

张德保，沈 鹏

（解放军91404部队，秦皇岛066001）

0 引 言

在外场动态条件下，为了准确而全面地获取目标的极化散射特性，除测量目标的同极化雷达散射截面积（RCS）外，还需要测量目标的RCS交叉极化分量。微波暗室条件下采用的极化散射矩阵校准测量方法不适用于外场条件下的测量，外场RCS测量普遍使用的自由空间标准金属球只能完成对水平和垂直同极化RCS测量通道的标校，而无法对RCS测量系统的交叉极化通道进行标校，需要寻找一种全新的方法对外场动态RCS测量系统进行标校，以完成对目标的RCS极化散射矩阵的测量。

1 目标RCS极化散射矩阵

RCS是入射到目标上的电磁波极化状态的函数，但它只是作为一种表征目标散射波强度的标量被广泛应用。作为对入射波和目标之间相互作用（即目标散射特性）的最一般性的描述，极化散射矩阵提供了一个很好的选择。在后向散射情况下，选择水平极化H（电场矢量平行于水平面）和垂直极化V（电场矢量垂直于水平面）为一组正交极化基，此时极化散射矩阵S定义为：

式中：Es为从目标散射的电场强度；Ei为对目标的入射电场强度；下标“h”和“v”分别表示水平极化和垂直极化；S为极化散射矩阵因子，如Shv表示发射V极化，接收H极化的组合。

电场散射矩阵元素与RCS散射矩阵元素之间的关系为：

式中：σij为RCS极化散射矩阵元素。

2 外场标校用目标RCS极化矩阵

2.1 空间标准金属球

在外场动态RCS测量时，普遍使用升起在空间的标准金属球对测量系统进行标校，标准金属球的RCS极化散射矩阵为：

式中：σ0为标准金属球的水平和垂直同极化RCS值。

从标准金属球的极化散射矩阵可以看出，其RCS在水平和垂直同极化时为一恒定量，而交叉极化时则为零，所以自由空间的标准金属球只能完成对RCS测量系统的水平和垂直同极化通道的校准。由于其交叉极化分量为零，也可用作对测量系统交叉极化耦合情况的检查。

2.2 收发天线均为水平或垂直极化的有源标

众所周知，在进行RCS测量时，也可以用有源标对RCS测量系统进行精确校准。有源标的等效RCS只与其收发通道的放大倍数及延迟时间有关，其在某一频率极化下的RCS是一恒定量。当有源标收发天线均为水平极化或收发共用一水平极化天线时，其等效RCS极化散射矩阵为：

式中：σ1为有源标水平同极化的等效RCS值。

这种有源标只能用于对测量系统的水平极化通道的标校。

当有源标收发天线均为垂直极化或收发共用一垂直极化天线时，其等效RCS极化散射矩阵为：

式中：σ2为有源标垂直同极化的等效RCS值。

这种有源标只能用于对测量系统的垂直极化通道的标校。

2.3 收发天线极化正交斜置45°的有源标

通过分析同样不难得出，收发天线极化准确正交斜置45°的有源标的等效RCS极化矩阵为：

式中：σ3为有源标的等效RCS值。

这种有源标的极化散射矩阵的精度与其收发天线极化方向设置的精度有关，只要精确设定其收发天线的极化方向，就可得到较高的极化矩阵精度。从式（6）可以看出，该有源标4种极化方式的RCS相同且已知，可用于对测量系统的水平垂直同极化通道和正交极化通道的标校。

2.4 收发天线为圆极化的有源标

当有源标的收发天线均为圆极化时，其等效RCS极化矩阵为：

由于有源标的圆极化天线产生的圆极化可以分解成幅度相等、相位相差45°的垂直和水平极化，所以其极化散射矩阵因子的幅度均相同，只是交叉极化因子与同极化的相位相差45°。在这种有源标的等效RCS极化矩阵中，同极化和交叉极化的RCS已知且幅度相同，所以可以用于对RCS测量系统同极化和正交极化通道的标校。

3 RCS测量系统极化通道标校

通过上面的分析可知，用自由空间的标准金属球能同时对RCS测量系统的水平和垂直同极化通道进行标校，得到RCS测量系统水平和垂直极化通道的系统常数如下：

式中：Khh和Kvv分别为测量系统水平和垂直同极化通道的系统常数K值。

收发天线均为水平或垂直极化的有源标只能对RCS测量系统的水平或垂直极化通道进行单独标校，通过对其校准可得到RCS测量系统的系统常数如下：

收发天线为水平极化时：

收发天线为垂直极化时：

只要准确地将有源标的收发天线极化设置为正交45°，就可获得有源标同极化和正交极化的RCS，且这4种极化的RCS相等。圆极化有源标也有着同样的特性，只是正交极化分量有45°的相位差，所以通过这两种有源标，就可以完成对RCS测量系统的同极化和正交极化通道的标校，得到测量系统4个通道的系统常数为：

式中：Khh和Kvv为测量系统水平和垂直同极化测量通道的系统常数；Khv和Kvh为测量系统正交极化通道的系统常数。

收发天线正交斜置45°的有源标和圆极化天线有源标可以同时对RCS测量系统的水平垂直同极化和正交极化通道进行标校。在实际使用时，由于将收发天线准确正交斜置45°操作起来不是很方便，所以在实际测量时，通过采用圆极化天线有源标，可以方便地对RCS测量系统各极化通道进行标校。

4 校准测量过程

通过上面的分析发现，收发天线为圆极化的有源标可以作为外场动态RCS测量系统的标校源，对测量系统进行标校。使用这种标校方法只需1次校准就可得到测量系统的水平垂直同极化和交叉极化通道的系统常数。

在实际校准过程中，首先用自由空间的标准金属球对测量系统的水平和垂直同极化通道进行标校，然后对有源标水平和垂直同极化等效RCS进行测量。由于有源标的水平或垂直同极化和交叉极化等效RCS相同，所以通过此测量就可得到有源标等效RCS极化散射矩阵中的σ4，从而获得有源标等效RCS极化散射矩阵：

然后RCS测量系统通过对此有源标进行标校，就可完成对RCS测量系统中的水平垂直同极化和交叉极化通道的校准，获得水平垂直同极化和交叉极化通道的系统常数。至此，系统就可以对目标进行4种极化的RCS测量，获得目标的极化散射特性。

图1是测量系统对某一目标的RCS测量结果，从测量结果可以看出，该目标水平同极化RCS比交叉极化要大，且在某些方向，水平同极化RCS比交叉极化要大几十个dB。

此测量系统中由于采取了有效的去极化耦合措施，具有很好的极化隔离度，能保证测得的目标RCS极化矩阵具有很好的纯度。

图1 某目标水平极化和交叉极化测量结果

5 结束语

外场动态RCS测量中，为了测量目标的RCS极化特性，不仅需要测量目标的水平垂直同极化RCS，还需要获得目标的交叉极化RCS。

本文讨论的利用圆极化天线有源标可以方便地对RCS测量系统的同极化和正交极化通道进行标校，较好地解决了外场动态RCS测量中对测量系统交叉极化通道的标校问题。通过实际应用表明，该方法使用方便，科学可行。

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