异型多面体角反射器的电磁散射特性分析及应用

赵非玉 于群 牛帅 张义 刘圆圆 张乐

（中国电子科技集团公司光电研究院, 天津 300308）

0 引 言

雷达角反射器通常由三个互为垂直的金属板制成.由于其特殊的结构特性，入射电磁波可在其内部产生多重反射，致使部分电磁波沿着入射方向反射回去，形成假目标干扰，改变其所在处物体的电磁波散射特性.

当探测雷达信号照射到雷达角反射器后，电磁波在雷达角反射器内经过多重反射后，具有强后向雷达散射截面积(radar cross section, RCS)，会对探测雷达产生明显的干扰、欺骗作用[1].

表1 所示为常见军事目标的RCS，雷达角反射器通过构成假目标达到隐真示假的目的，利用大于真实目标的RCS 来诱导雷达制导武器，从而降低我方重点目标被敌方探测雷达侦察到的概率，进而起到保护武器装备和阵地的作用[2-5].

典型的雷达角反射器根据金属板面的形状，划分为三角形、圆形和方形.随着技术的发展，雷达角反射器的研究和应用取得了许多新的成果.例如八面体角反射器将尺寸结构相同的三角形或方形角反射器组合在一起，能够反射各个方向的探测雷达波，产生一个在各探测方向上具有相同RCS 的假目标.美国战略防御司令部装备了一款十二面体网式角反射器，能够反射各个方向的雷达波，适用于模拟大型桥梁等雷达信号反射较强的光标信号.此外毫米波雷达角反射器、合成孔径雷达(synthetic aperture radar，SAR)压制性干扰旋转角反射器、对抗圆极化雷达角反射器等新型角反射器也得到了发展.

本文设计了一种异型多面体雷达角反射器，其由一个大尺寸角反射结构与数个小尺寸角反射结构组成.该角反射器在各入射方向上的RCS 并不相同，会在某个探测方向上形成突出的RCS.仿真结果表明，该异型雷达角反射器的方位面全向覆盖性能优良，且在X、Ku、Ka 波段的最大RCS 大于281.84 m2，可以在70°的方位角范围内具有突出RCS.异型多面体角反射器通过产生与真目标相接近的电磁散射特性，来欺骗敌方雷达制导武器或敌方探测系统，从而保护我方需要保护的重点目标.

1 异型多面体角反射器的设计

1.1 基础角反射器的RCS 特性

图1 所示为三种典型雷达角反射器的结构图.雷达角反射器分别由三个等腰直角三角形、三个圆心角为90°的扇形和三个正方形金属板组成.

图1 三种典型角反射器Fig.1 Three typical corner reflectors

电磁波沿雷达角反射器对称轴入射时可得到角反射器反射电磁波的最大RCS，其理论值[6-9]为

式中，Ar为与电磁波垂直的投影面积.

图2 所示为三角形角反射器的投影示意图.三角形角反射器三个顶点附近的区域对角反射器RCS 影响较小，RCS 最大值取决于角反射器内的六边形区域，该六边形边长为l/3，且随着电磁波入射角度的变化而变化，最大值有效面积[10-12]为

式中，l为特征尺寸，即角反射器的边长，一般大于3～4 个波长.

最终可以得到三角形角反射器的最大RCS 为

角反射器有效区域的大小和形状会随着视角的变化而改变，在实际使用中以最大RCS 方向对准来袭目标实现对重点目标的保护效能.

雷达角反射器形状不同，其雷达反射性能也不同[13-16]，各型雷达角反射器的性能参数见表2.

表2 三种雷达角反射器的基本性能Tab.2 Fundamental characteristics of 3 corner reflectors

从表2 可以看出，三角形角反射器最大RCS 和平均RCS 均小于另外两种角反射器，但其方向图宽度最大，即当入射角度变化时，三角形角反射器RCS 的减缩速率最小，能够在更大的入射角度范围内获得较大的回波功率能量.

因本文设计的角反射器需要在大角度方位上具有突出RCS，为达到最佳的干扰效果，本文选择方向图宽度最大的三角形角反射器为异型多面体角反射器的基本结构单元.

1.2 异型多面体角反射器的设计

图3 所示为本文设计的异型多面体雷达角反射器的结构图.可以看出，异型多面体角反射器由一个大尺寸角反射结构与数个小尺寸角反射结构组成，其尺寸为537 mm×551 mm×457 mm.

图3 异型多面体角反射器的结构示意图Fig.3 Schematic of heterotype polyhedron corner reflector

1.2.1 大尺寸角反结构的RCS 特性

图4 所示为本异型多面体角反射器的基本组成单元——大尺寸角反结构与小尺寸角反结构，(a)中大角反结构边长为537 mm.

图4 角反结构的基本组成单元示意图Fig.4 Schematic of corner reflector

利用式(3)计算得到的大尺寸角反射结构在不同频段下的最大RCS 如表3 所示.

表3 大尺寸角反结构的最大RCSTab.3 Numerical value of RCSmax of large size reflector

从表3 可以看出，理论上大尺寸角反结构在X、Ku、Ka 频段范围，在方位角360°范围内可实现最大RCS 大于200 m2.

1.2.2 小尺寸角反结构的RCS 特性

图4(b)中小尺寸角反结构的边长为332 mm.利用式(3)计算得到的小尺寸角反结构在不同频段下的最大RCS 如表4 所示.

表4 小尺寸角反结构的最大RCSTab.4 Numerical value of RCSmax of small size reflector

从表4 可以看出，理论上小尺寸角反结构能够在X、Ku、Ka 频段范围内实现最大RCS 大于30 m2.

2 异型多面体角反射器的RCS 特性分析

本节利用商业仿真软件CST 建立本文角反射器的电磁仿真模型，对RCS 特性进行仿真计算.需要设置的参数有：频点、角域、步长、收敛精度和迭代余量等[17-20].

2.1 异型多面体角反射器的全向RCS 特性分析

设电磁计算的俯仰角为0°～90°，方位角为0°～360°，角度步进为1°，入射频率为10 GHz.

图5 和图6 为仿真分析得到的水平极化和垂直极化下异型多面体角反射器的全向RCS 分布特性.可以看出：异型多面体角反射器的RCS 关于xOz平面是对称的，与本文模型的几何形状相符；异型多面体角反射器结构在俯仰角θ 大于30°后，会在大尺寸角反结构处形成与其余方向不同的突出RCS，其最大RCS 为24.5 dB，能够达到200 m2，具有优良的后向RCS 特性.

图5 水平极化下异型多面体角反射器的全向RCSFig.5 Omnidirectional RCS of heterotype polyhedron corner reflector in horizontal polarization mode

图6 垂直极化下异型多面体角反射器的全向RCSFig.6 Omnidirectional RCS of heterotype polyhedron corner reflector in vertical polarization mode

2.2 异型多面体角反射器的周向RCS 特性分析

图7 为不同电磁波入射俯仰角下异型多面体角反射器的周向RCS 分布特性，电磁仿真条件与上文一致.可以看出，异型多面体角反射器在不同俯仰角下角反结构形成的电磁散射特性有很大差异.

图7 异型多面体角反射器在不同俯仰角下的周向RCSFig.7 Circumferential RCS of heterotype corner reflector under different angle of pitch

从图7 可以看出，大尺寸角反结构所处方位会产生突出RCS，其方位角范围可到70°，其余方位角内RCS 分布均匀.此外，还可以看出本角反射器在不同极化模式下的电磁散射特性能保持基本一致，对极化不敏感，不会受入射电磁波极化状态的影响，具有抗极化干扰的优势.

2.3 异型多面体角反射器的异向RCS 特性分析

除极化不敏感的优势外，本文异型多面体角反射器还具有一般角反射器不具有的异向RCS 优势，当雷达制导武器从不同方向来袭时，接收到的角反射器RCS 特性也不同.图8 所示为本文规定的异型多面体角反射器的来袭方向，以大尺寸角反结构所在方位为正向，入射电磁波俯仰角为45°，角度步进为1°，入射频率选择10 GHz，研究雷达制导武器从正向、后向、侧向来袭时接收到的RCS 特性，结果如图9 所示.

图8 异型多面体角反射器的方向示意图Fig.8 Direction diagram of heterotype corner at different directions of incidence

图9 异型多面体角反射器在不同方向威胁来袭时的异向RCSFig.9 RCS of heterotype corner reflector at different directions

从图9 可以看出，在不同的威胁来袭方向下，雷达制导武器所接收到异型多面体角反射器的RCS 特性是不同的.一般多面体角反射器的RCS 在各方向上均匀分布，该类目标的特征信号较易被制导武器侦查识别.而异型多面体角反射器不具备这类缺点，会根据威胁方向的不同而具有不同特征的电磁散射特性，此类特征信号较难被制导武器侦查识别，能够更有效地实现雷达无源干扰效能，保护我方重点目标.

3 异型多面体角反射器的应用

为使异型多面体角反射器智能化，可将其与控制器、驱动机构等组合成角反射器无源干扰系统.角反射器无源干扰系统作为一种典型样式布置在重点目标区域内，根据保护目标接受的威胁情况，接收控制器的指令来控制角反射器的翻转来产生或隐藏假目标，干扰敌方雷达制导武器，保护重要目标.

3.1 异型多面体角反射器模拟地面重点目标

地面的技术装备或静止目标等重点目标的伪装可以利用电磁散射特性与其相接近的角反射器来实现，如装甲车辆、导弹发射井等.图10 所示为异型多面体角反射器模拟地面重点目标的应用示意图.将异型多面体角反射器配置在我方重点目标附近，能够起到冲淡式干扰的效果，异型多面体角反射器依据自身特性将探测电磁波反射回去，从而使敌方雷达制导武器导引头捕捉到异型多面体角反射器的电磁散射特性，干扰对我方重点目标的探测，降低我方重点目标被探测到的概率，起到保护重点目标的作用.

图10 异型多面体角反射器模拟地面重点目标示意图Fig.10 Diagram of application of heterotype corner reflector simulate ground key targets

敌方雷达制导武器探测目标的数量是有限的，可根据我方重点目标的实际需求布置异型多面体角反射器的数量和排列方式.本文异型多面体角反射器也可以根据需要调整方向来布置，即使雷达制导武器在来袭时根据目标情形进行机动，本文异型多面体角反射器也可以根据实际作战需要来进行方位调整，使其能够在一定时间内获得不稳定的RCS，进一步干扰敌方雷达制导武器.雷达制导武器在识别真目标时，由于真假目标均在探测范围内，造成严重的假目标干扰，从而降低了保护目标被探测到的概率.

3.2 异型多面体角反射器模拟海岸重点目标

海岸的重点目标如岸防导弹、岸防雷达等是海岸防御的重要组成部分，在敌方攻击来袭时提高生存能力、保持作战效能是当前海岸防御的重点.

根据被保护目标的电磁特性确定雷达角反射器的数量和朝向，再将其组合起来布置在海岸线上，通过形成相当大的目标回波产生假目标，伪装出我方海岸目标.异型雷达角反射器组显示出的巨大目标信号将会被敌方飞机的雷达显示器接收到，欺骗敌方飞机的探测雷达，引诱敌方作出错误判断对其进行攻击，对其有限的弹药量进行消耗，降低敌方雷达系统对目标的捕捉概率，保护我方岸防导弹、岸防雷达等重点目标，保持海岸防御效能.

3.3 异型多面体角反射器模拟海上目标

水面舰艇应用雷达角反射器可以采用长绳索在舰艇背后拖曳的方式或将其投射出去来实现其应用.将异型多面体角反射器制作成超大尺寸的充气式结构，可达上万平方米的RCS，形成舰用假目标，保护我方军舰.

相较于舰船目标而言，角反射器通常对极化不敏感，本异型多面体角反射器充气结构除单个应用外，还可以将多个异型多面体角反射器结构串联组合使用，模拟出舰船对极化的敏感特性，从而更好地应用于作战场景，保护我方重点目标.

在海军战术应用中，为保护我方水面舰艇等重要目标，可以把装有充气式异型多面体角反射器的无人驾驶船充作诱饵，尾随舰艇后面迷惑雷达制导武器，可以使导弹偏离我方目标而攻击无人驾驶船；也可以将充气式异型多面体角反射器投射到舰船等重点目标附近，以诱导敌方雷达制导武器偏离目标，保护我方舰艇免受攻击.

4 结 论

本文设计出一种异型多面体雷达角反射器，该结构由一个大尺寸角反射结构与数个小尺寸角反射结构组成，具有较好的后向RCS 特性.理论设计与仿真结果表明，本文设计的异型多面体角反射器的方位面全向覆盖性能优良且极化不敏感，可以在70°的方位角范围上具有突出RCS.此外，本异型多面体角反射器还具有一般角反射器不具有的异向RCS 优势，当雷达制导武器从不同方向来袭时，异型多面体角反射器会根据威胁方向的不同而产生不同特征的电磁散射特性，能够有效地实现雷达无源干扰效能，保护我方重点目标.本异型多面体角反射器可在多种场景下产生假目标，当敌方雷达制导武器类威胁来临时，产生的巨大回波信号可以隐藏我方重点目标，提高生存能力，实现雷达无源干扰对抗.