雷達網中的組網、目標雙站雷達散射截麵（RCS）及動目標特性計算概述

雷達散射截麵(Radar Cross Section——RCS)是表征目標反射雷達波功率的特征參數，是雷達探測技術與反隱身技術的一個重要特征。雷達特性中最重要的是幅度特性。由雷達回波的功率密度所確定的目標等效橫截麵積稱為雷達散射截麵（RCS）。在使用RCS這一概念時有一些隱含的假設，如目標處於發射天線的遠場區，接收天線處於目標的遠場區，雷達波束覆蓋整個目標，雷達波為連續波或較長的脈衝，發射天線和接收天線極化方向相同等等。在這些假設下，RCS為一標量，通常記為σ。三維情況下，σ的定義如下

上式中， 為目標和雷達之間的距離， 為散射場， 為入射場。采用MKSA單位製， 的單位為 。二維情況下，σ有下式定義

其中， 的單位為 ，稱為雷達散射寬度。通常， 為目標的尺度、形狀、材料、雷達波的頻率、極化方向，以及雷達相對目標的姿態角等因素的複雜函數。 隨姿態角的變化圖稱為目標的RCS方向圖。在本文中，如果是單站雷達，目標姿態角變化形成的RCS曲線圖一般稱為單站方向圖。如果入射方向和目標某一姿態相對固定，散射方向在空間的變化形成的RCS曲線圖稱為雙站方向圖。
雷達目標的探測過程還受到多種因素的影響。目標運動引起的多路徑效應、天線掃描引起的波束指向變化、發射機功率和極化方向的變化、背景雜散回波、傳輸媒介電磁參數的起伏等都具有隨機性。

由於超短波脈衝雷達技術的發展，雷達的距離分辨能力顯著提高了。雷達的脈衝寬度τ已短到2L/c量級（L為沿雷達波方向目標的尺度，c為光速），因此在同一時刻一個脈衝隻能照亮目標的局部區域。此時，從回波中得到的不是目標整體的雷達散射截麵，而是隨著脈衝從目標的頭部推移到尾部，得到一條RCS的變化曲線，稱為目標的距離剖麵。這可以看成目標的一維RCS像，顯然比標量RCS含有更豐富的目標信息。隨著合成孔徑雷達的問世以及高分辨率雷達三維RCS成像技術的出現，用雷達技術探測目標達到了更高的階段，但RCS仍是最基本的探測物理量。

目標雷達特性的研究是隱身與反隱身技術的主要技術基礎之一，同隱身反隱身技術的發展緊密相連。因為隨著雷達探測和武器製導技術的日益進步，武器平台，包括飛行器、艦船和戰車的生存機會、戰鬥效力大大減小。例如在隱身飛機出現以前，雷達的探測能力相對飛機的RCS來講很強，即使飛機的RCS下降10dB，雷達也能探測到飛機，因此飛機的生存力受到威脅。為了提高武器平台的生存能力和戰鬥效力，減小武器平台自身的雷達可探測性是十分重要的手段。這方麵的實際需求推動了減小軍事目標的雷達可探測性技術的研究和發展，這就是隱身技術。但是在隱身飛機出現以後，隱身飛機的RCS下降了20——30dB，準隱身飛機的RCS下降了10——15dB，相對來講雷達的探測能力就必須提高5——10dB才能對隱身飛機進行探測。探測具有隱身特性目標的技術，則稱為反隱身技術。

在雷達網中計算目標的多站RCS，最基本的就是發站雷達、目標和收站雷達組成的最基本的雙站RCS模型。也就是說，雷達網中需要解決的一個基本問題就是如何有效地求解目標雙站RCS。這就需要用電磁輻射和散射的分析方法來解決。

電磁輻射和散射的分析方法可以分為兩大類，即嚴格方法和近似方法。嚴格方法是將需要求解的天線和電磁散射問題作為邊界值問題來處理，即通過滿足嚴格邊界條件的波動方程求得此問題的嚴格解。但是，在電磁散射和繞射問題中，隻有極少數問題可以求得嚴格的解析解。這些能求得嚴格解的問題所涉及的目標，其幾何形狀一般是比較簡單的，而且目標的表麵和正交曲線坐標的曲麵相重合。即使是這一類問題，如果所求得的解是本征函數的無窮級數形式，則這種級數往往收斂得很慢，因而隻對尺寸遠大於波長的那些物體才有實際意義。隨著計算機技術的發展，雖然對任意形狀的物體可以用數值積分方法求得積分方程的數值解，但當物體的電尺寸很大時，由於計算機容量的限製也難以求得數值解，因而仍不得不求助於近似解法。在過去的幾十年中，隨著計算機技術的發展，出現了多種近似解法。這些近似解法可以分為兩大類，即數值計算方法和高頻漸近方法。矩量法是數值方法中最具代表性的一種。經典的高頻近似方法有幾何光學法（GO）、物理光學法（PO）。高頻分析方法還有幾何繞射理論（GTD）、一致性幾何繞射理論（UTD）和物理繞射理論（PTD）。
幾何光學法是一種易於應用的計算電磁場的方法，它是以電磁場傳播的射線理論為基礎。實際上，幾何光學法是一種射線追蹤法，它不僅考慮了光線從光滑表麵反射的路線，而且說明了當光線從一種媒質進入另一種媒質時傳輸射線的角度變化。雷達散射截麵可以由隻包括鏡麵反射點的局部曲率半徑的一個非常簡單的公式給出，即 ，其中 、 是反射麵在鏡麵反射點處的主曲率半徑。在焦散區，場強變得很大，幾何光學法不能成立。

物理光學法通過對表麵感應場的近似和積分求得散射場。這就克服了平表麵和單彎曲表麵RCS出現無限大的問題，因為感應場保持有限，散射場也同樣為有限。與積分方程矩量法一樣，物理光學法的出發點也是斯特拉頓-朱蘭成散射場積分方程，但矩量法求解表麵感應電流時計入了各部分感應電流相互之間的影響，而物理光學法則根據高頻場的局部性原理，完全忽略了這種相互影響，而僅根據入射場獨立地近似確定表麵感應電流。物理光學法不能估算交叉極化的回波。同時物理光學不適合求解光滑的雙重彎曲物體。在散射方向遠離鏡麵反射方向時偏差較大，根據經驗，物理光學法隻能在偏離垂直入射方向 範圍內得出準確結果。同幾何光學一樣，物理光學法不能計算散射體上不連續區所產生的電流，需借助於物理繞射理論來進行分析計算。

幾何繞射理論把經典的幾何光學概念加以推廣，係統地引入了一種繞射射線。這種繞射射線產生於散射體表麵上有某種不連續性的局部區域，例如物體表麵上幾何形狀和電特性不連續之處以及光滑凸曲麵上的掠入射點等。繞射射線的特點是：它不僅能進入幾何光學亮區，也能進入幾何光學陰影區。因此，繞射射線能計及幾何光學射線不能存在的陰影區中的場。因此，幾何繞射理論克服了幾何光學在陰影區失效的缺點，同時也改善了亮區中的幾何光學解。幾何繞射理論能對一些無法求得嚴格解的複雜的電磁輻射與散射問題求得高頻近似解，是高頻近似方法中最靈活和最有用的方法之一。幾何繞射理論的缺點是，在把輻射和散射物體周圍空間分成亮區和陰影區的幾何光學陰影邊界兩側的過渡區內失效。

一致性幾何繞射理論克服了幾何繞射理論的缺點，用F積分因子與繞射係數相乘。在陰影邊界或反射邊界上繞射係數為無限大時，F積分為零，而兩者的乘積仍保持有限。但不論GTD還是UTD都沒有消除焦散區失效的問題。

物理繞射理論克服了焦散區失效的問題，正如GTD是幾何光學的引申一樣，PTD是物理光學的引申。因為PTD不是一種射線光學理論，所以它在幾何光學陰影邊界過渡區和射線的焦散區都有效，PTD的難點在於它的最終積分不容易計算，因此物理繞射理論不如幾何繞射理論得到廣泛應用。

近年來，矩量法在電磁理論中發展很快，它通過把積分方程中的連續變化的未知函數（電流分布）離散化為有限個未知數，積分方程便化為有限維代數方程組，用數字方法即可求解。矩量法要求計算機有大的內存和存儲空間，這在過去是難以滿足的。隨著計算機技術的高速發展，計算機的計算速度和存儲容量都有了質的提高，使得過去在計算機上難以實現的矩量法等數值計算方法在今天得以迅速發展，利用矩量法可以得到電磁理論問題的精確解，這是以上介紹的近似方法中無法滿足的。

雖然現在已經有多種求解電磁輻射和散射問題的方法，但是，實際上沒有一種方法是適用於所有情況的“萬能”方法。每一種方法都有其適用範圍，都有其優點和局限性。在實際的電磁散射計算中，要根據具體的情況選擇合適的計算方法。

不管采用哪種方法，目前計算複雜目標的雙站RCS仍然是一個較難的科研課題，國際上也沒有報道有效的計算方法。我們國內在雷達的工程組網上也在開始嚐試，理論計算還剛剛開始 。

在實際的雷達網中，目標總是運動的，因此動目標的雷達特性計算與分析會遇到很多實際問題，例如目標的飛行航跡、飛行抖動、多普勒頻移等重要特性總是離不開隨機因素的影響。

實際計算過程中，在完成理論建模後，還必須采用軟件開發工具來實現，例如VC++或Java的編程語言來實現各種計算算法。隨著軟件係統日趨複雜化和大型化，傳統的麵向結構軟件開發技術難以滿足發展的新要求。而隨著Unix、Windows操作係統的廣泛流行和軟件集成開發環境如Microsoft Visual C++、Sun Java等的廣泛使用，麵向對象的程序設計（OOP）技術和基於Client/Server的網絡編程技術日趨成熟，這一新的程序設計方法已成為當前程序設計技術發展的主流和方向。因此，如何把麵向對象係統開發方法及技術、基於Client/Server的網絡編程技術與電磁計算結合起來是一個很現實的問題。