異型多面體角反射器的電磁散射特性分析及應用

趙非玉 于群 牛帥 張義 劉圓圓 張樂

（中國電子科技集團公司光電研究院, 天津 300308）

0 引 言

雷達角反射器通常由三個互為垂直的金屬板制成.由于其特殊的結構特性，入射電磁波可在其內部產生多重反射，致使部分電磁波沿著入射方向反射回去，形成假目標干擾，改變其所在處物體的電磁波散射特性.

當探測雷達信號照射到雷達角反射器后，電磁波在雷達角反射器內經過多重反射后，具有強后向雷達散射截面積(radar cross section, RCS)，會對探測雷達產生明顯的干擾、欺騙作用[1].

表1 所示為常見軍事目標的RCS，雷達角反射器通過構成假目標達到隱真示假的目的，利用大于真實目標的RCS 來誘導雷達制導武器，從而降低我方重點目標被敵方探測雷達偵察到的概率，進而起到保護武器裝備和陣地的作用[2-5].

典型的雷達角反射器根據金屬板面的形狀，劃分為三角形、圓形和方形.隨著技術的發展，雷達角反射器的研究和應用取得了許多新的成果.例如八面體角反射器將尺寸結構相同的三角形或方形角反射器組合在一起，能夠反射各個方向的探測雷達波，產生一個在各探測方向上具有相同RCS 的假目標.美國戰略防御司令部裝備了一款十二面體網式角反射器，能夠反射各個方向的雷達波，適用于模擬大型橋梁等雷達信號反射較強的光標信號.此外毫米波雷達角反射器、合成孔徑雷達(synthetic aperture radar，SAR)壓制性干擾旋轉角反射器、對抗圓極化雷達角反射器等新型角反射器也得到了發展.

本文設計了一種異型多面體雷達角反射器，其由一個大尺寸角反射結構與數個小尺寸角反射結構組成.該角反射器在各入射方向上的RCS 并不相同，會在某個探測方向上形成突出的RCS.仿真結果表明，該異型雷達角反射器的方位面全向覆蓋性能優良，且在X、Ku、Ka 波段的最大RCS 大于281.84 m2，可以在70°的方位角范圍內具有突出RCS.異型多面體角反射器通過產生與真目標相接近的電磁散射特性，來欺騙敵方雷達制導武器或敵方探測系統，從而保護我方需要保護的重點目標.

1 異型多面體角反射器的設計

1.1 基礎角反射器的RCS 特性

圖1 所示為三種典型雷達角反射器的結構圖.雷達角反射器分別由三個等腰直角三角形、三個圓心角為90°的扇形和三個正方形金屬板組成.

圖1 三種典型角反射器Fig.1 Three typical corner reflectors

電磁波沿雷達角反射器對稱軸入射時可得到角反射器反射電磁波的最大RCS，其理論值[6-9]為

式中，Ar為與電磁波垂直的投影面積.

圖2 所示為三角形角反射器的投影示意圖.三角形角反射器三個頂點附近的區域對角反射器RCS 影響較小，RCS 最大值取決于角反射器內的六邊形區域，該六邊形邊長為l/3，且隨著電磁波入射角度的變化而變化，最大值有效面積[10-12]為

式中，l為特征尺寸，即角反射器的邊長，一般大于3～4 個波長.

最終可以得到三角形角反射器的最大RCS 為

角反射器有效區域的大小和形狀會隨著視角的變化而改變，在實際使用中以最大RCS 方向對準來襲目標實現對重點目標的保護效能.

雷達角反射器形狀不同，其雷達反射性能也不同[13-16]，各型雷達角反射器的性能參數見表2.

表2 三種雷達角反射器的基本性能Tab.2 Fundamental characteristics of 3 corner reflectors

從表2 可以看出，三角形角反射器最大RCS 和平均RCS 均小于另外兩種角反射器，但其方向圖寬度最大，即當入射角度變化時，三角形角反射器RCS 的減縮速率最小，能夠在更大的入射角度范圍內獲得較大的回波功率能量.

因本文設計的角反射器需要在大角度方位上具有突出RCS，為達到最佳的干擾效果，本文選擇方向圖寬度最大的三角形角反射器為異型多面體角反射器的基本結構單元.

1.2 異型多面體角反射器的設計

圖3 所示為本文設計的異型多面體雷達角反射器的結構圖.可以看出，異型多面體角反射器由一個大尺寸角反射結構與數個小尺寸角反射結構組成，其尺寸為537 mm×551 mm×457 mm.

圖3 異型多面體角反射器的結構示意圖Fig.3 Schematic of heterotype polyhedron corner reflector

1.2.1 大尺寸角反結構的RCS 特性

圖4 所示為本異型多面體角反射器的基本組成單元——大尺寸角反結構與小尺寸角反結構，(a)中大角反結構邊長為537 mm.

圖4 角反結構的基本組成單元示意圖Fig.4 Schematic of corner reflector

利用式(3)計算得到的大尺寸角反射結構在不同頻段下的最大RCS 如表3 所示.

表3 大尺寸角反結構的最大RCSTab.3 Numerical value of RCSmax of large size reflector

從表3 可以看出，理論上大尺寸角反結構在X、Ku、Ka 頻段范圍，在方位角360°范圍內可實現最大RCS 大于200 m2.

1.2.2 小尺寸角反結構的RCS 特性

圖4(b)中小尺寸角反結構的邊長為332 mm.利用式(3)計算得到的小尺寸角反結構在不同頻段下的最大RCS 如表4 所示.

表4 小尺寸角反結構的最大RCSTab.4 Numerical value of RCSmax of small size reflector

從表4 可以看出，理論上小尺寸角反結構能夠在X、Ku、Ka 頻段范圍內實現最大RCS 大于30 m2.

2 異型多面體角反射器的RCS 特性分析

本節利用商業仿真軟件CST 建立本文角反射器的電磁仿真模型，對RCS 特性進行仿真計算.需要設置的參數有：頻點、角域、步長、收斂精度和迭代余量等[17-20].

2.1 異型多面體角反射器的全向RCS 特性分析

設電磁計算的俯仰角為0°～90°，方位角為0°～360°，角度步進為1°，入射頻率為10 GHz.

圖5 和圖6 為仿真分析得到的水平極化和垂直極化下異型多面體角反射器的全向RCS 分布特性.可以看出：異型多面體角反射器的RCS 關于xOz平面是對稱的，與本文模型的幾何形狀相符；異型多面體角反射器結構在俯仰角θ 大于30°后，會在大尺寸角反結構處形成與其余方向不同的突出RCS，其最大RCS 為24.5 dB，能夠達到200 m2，具有優良的后向RCS 特性.

圖5 水平極化下異型多面體角反射器的全向RCSFig.5 Omnidirectional RCS of heterotype polyhedron corner reflector in horizontal polarization mode

圖6 垂直極化下異型多面體角反射器的全向RCSFig.6 Omnidirectional RCS of heterotype polyhedron corner reflector in vertical polarization mode

2.2 異型多面體角反射器的周向RCS 特性分析

圖7 為不同電磁波入射俯仰角下異型多面體角反射器的周向RCS 分布特性，電磁仿真條件與上文一致.可以看出，異型多面體角反射器在不同俯仰角下角反結構形成的電磁散射特性有很大差異.

圖7 異型多面體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

從圖7 可以看出，大尺寸角反結構所處方位會產生突出RCS，其方位角范圍可到70°，其余方位角內RCS 分布均勻.此外，還可以看出本角反射器在不同極化模式下的電磁散射特性能保持基本一致，對極化不敏感，不會受入射電磁波極化狀態的影響，具有抗極化干擾的優勢.

2.3 異型多面體角反射器的異向RCS 特性分析

除極化不敏感的優勢外，本文異型多面體角反射器還具有一般角反射器不具有的異向RCS 優勢，當雷達制導武器從不同方向來襲時，接收到的角反射器RCS 特性也不同.圖8 所示為本文規定的異型多面體角反射器的來襲方向，以大尺寸角反結構所在方位為正向，入射電磁波俯仰角為45°，角度步進為1°，入射頻率選擇10 GHz，研究雷達制導武器從正向、后向、側向來襲時接收到的RCS 特性，結果如圖9 所示.

圖8 異型多面體角反射器的方向示意圖Fig.8 Direction diagram of heterotype corner at different directions of incidence

圖9 異型多面體角反射器在不同方向威脅來襲時的異向RCSFig.9 RCS of heterotype corner reflector at different directions

從圖9 可以看出，在不同的威脅來襲方向下，雷達制導武器所接收到異型多面體角反射器的RCS 特性是不同的.一般多面體角反射器的RCS 在各方向上均勻分布，該類目標的特征信號較易被制導武器偵查識別.而異型多面體角反射器不具備這類缺點，會根據威脅方向的不同而具有不同特征的電磁散射特性，此類特征信號較難被制導武器偵查識別，能夠更有效地實現雷達無源干擾效能，保護我方重點目標.

3 異型多面體角反射器的應用

為使異型多面體角反射器智能化，可將其與控制器、驅動機構等組合成角反射器無源干擾系統.角反射器無源干擾系統作為一種典型樣式布置在重點目標區域內，根據保護目標接受的威脅情況，接收控制器的指令來控制角反射器的翻轉來產生或隱藏假目標，干擾敵方雷達制導武器，保護重要目標.

3.1 異型多面體角反射器模擬地面重點目標

地面的技術裝備或靜止目標等重點目標的偽裝可以利用電磁散射特性與其相接近的角反射器來實現，如裝甲車輛、導彈發射井等.圖10 所示為異型多面體角反射器模擬地面重點目標的應用示意圖.將異型多面體角反射器配置在我方重點目標附近，能夠起到沖淡式干擾的效果，異型多面體角反射器依據自身特性將探測電磁波反射回去，從而使敵方雷達制導武器導引頭捕捉到異型多面體角反射器的電磁散射特性，干擾對我方重點目標的探測，降低我方重點目標被探測到的概率，起到保護重點目標的作用.

圖10 異型多面體角反射器模擬地面重點目標示意圖Fig.10 Diagram of application of heterotype corner reflector simulate ground key targets

敵方雷達制導武器探測目標的數量是有限的，可根據我方重點目標的實際需求布置異型多面體角反射器的數量和排列方式.本文異型多面體角反射器也可以根據需要調整方向來布置，即使雷達制導武器在來襲時根據目標情形進行機動，本文異型多面體角反射器也可以根據實際作戰需要來進行方位調整，使其能夠在一定時間內獲得不穩定的RCS，進一步干擾敵方雷達制導武器.雷達制導武器在識別真目標時，由于真假目標均在探測范圍內，造成嚴重的假目標干擾，從而降低了保護目標被探測到的概率.

3.2 異型多面體角反射器模擬海岸重點目標

海岸的重點目標如岸防導彈、岸防雷達等是海岸防御的重要組成部分，在敵方攻擊來襲時提高生存能力、保持作戰效能是當前海岸防御的重點.

根據被保護目標的電磁特性確定雷達角反射器的數量和朝向，再將其組合起來布置在海岸線上，通過形成相當大的目標回波產生假目標，偽裝出我方海岸目標.異型雷達角反射器組顯示出的巨大目標信號將會被敵方飛機的雷達顯示器接收到，欺騙敵方飛機的探測雷達，引誘敵方作出錯誤判斷對其進行攻擊，對其有限的彈藥量進行消耗，降低敵方雷達系統對目標的捕捉概率，保護我方岸防導彈、岸防雷達等重點目標，保持海岸防御效能.

3.3 異型多面體角反射器模擬海上目標

水面艦艇應用雷達角反射器可以采用長繩索在艦艇背后拖曳的方式或將其投射出去來實現其應用.將異型多面體角反射器制作成超大尺寸的充氣式結構，可達上萬平方米的RCS，形成艦用假目標，保護我方軍艦.

相較于艦船目標而言，角反射器通常對極化不敏感，本異型多面體角反射器充氣結構除單個應用外，還可以將多個異型多面體角反射器結構串聯組合使用，模擬出艦船對極化的敏感特性，從而更好地應用于作戰場景，保護我方重點目標.

在海軍戰術應用中，為保護我方水面艦艇等重要目標，可以把裝有充氣式異型多面體角反射器的無人駕駛船充作誘餌，尾隨艦艇后面迷惑雷達制導武器，可以使導彈偏離我方目標而攻擊無人駕駛船；也可以將充氣式異型多面體角反射器投射到艦船等重點目標附近，以誘導敵方雷達制導武器偏離目標，保護我方艦艇免受攻擊.

4 結 論

本文設計出一種異型多面體雷達角反射器，該結構由一個大尺寸角反射結構與數個小尺寸角反射結構組成，具有較好的后向RCS 特性.理論設計與仿真結果表明，本文設計的異型多面體角反射器的方位面全向覆蓋性能優良且極化不敏感，可以在70°的方位角范圍上具有突出RCS.此外，本異型多面體角反射器還具有一般角反射器不具有的異向RCS 優勢，當雷達制導武器從不同方向來襲時，異型多面體角反射器會根據威脅方向的不同而產生不同特征的電磁散射特性，能夠有效地實現雷達無源干擾效能，保護我方重點目標.本異型多面體角反射器可在多種場景下產生假目標，當敵方雷達制導武器類威脅來臨時，產生的巨大回波信號可以隱藏我方重點目標，提高生存能力，實現雷達無源干擾對抗.