雷达角反射器设计和应用_李武旭.pdf
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1、56ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2023.3$电子产品世界Design设计应用&Application通信设计雷达角反射器设计和应用Design and application of radar corner reflector李武旭(四川九洲空管科技有限责任公司,四川绵阳621000)摘 要:雷达的基本功能是接收回波,提取信号,以测定目标的距离和方位,实现对目标的监视,如果以真实飞机或舰船为目标,对雷达进行测试和验证,存在以下问题:由于真实目标的外形复杂,不同姿态其对雷达波的反射率起伏巨大,数值不确定;目标物理尺寸远大于其雷达截面积值,以实物来开
2、展测试和实验,不便于实验的开展,雷达性能也不能量化衡量。所以,在雷达开发和测试中常采用角反射器作为功能性能验证和测试的工具。本文介绍了雷达角反射器的原理,设计要点及其计算方法。关键词:雷达;角反射器;雷达截面积;谐振0 引言雷达产品的开发中,测试和验证过程需要相应的目标作为工具,在开发阶段要开展大量的测试和实验,其中目标的雷达截面积(Radar Cross Section,RCS)值是衡量雷达探测性能的重要指标,RCS 值与目标的形状、尺寸、结构及材料有关,也与入射电磁波的频率、极化方式和入射角等有关,实际目标的 RCS 值,并不是一个确切的值,不同的姿态有不同的值,有些目标正面侧面RCS 值
3、可能相差甚至几百上千倍1,表 1 给出的是几种常见目标的 RCS 典型值。为了提取目标,目标的有效反射值一般定义为以某种极化的某个距离的平均 RCS值。真实的目标有复杂的反射特性,关于在不同极化和频率下的有效反射值的测量,形成了一个既定的研究领域。由于真实目标的 RCS 值的不确定性,在雷达的研究和探测性能的验证测量中,只能给定不同目标的典型值来作为衡量依据。同时形成杂波的背景是静止的,杂波的多普勒值约为 0,目标是运动的,其多普勒值相对于背景杂波突出,据此,可从杂波中提取出目标。产品研发过程中以飞机舰船作为目标,成本高,也受空间飞行等多方面的限制,采用标准的反射器作为实验和测试的目标工具,可
4、为开发活动提供方便、廉价的技术途径,同时角反射器的指标特性是可控、可计算的,基于此,可对雷达性能指标量化测试、分析提供支撑。本文针对雷达反射器的应用需求,描述了雷达反射器的原理,指标相关参数,以及设计计算方法和工程常用的基本构型。表1 常见目标的RCS典型值2目标类型RCS/m2鸟类10-5 10-2人体0.5 2小型飞机1 10大型飞机10 100车辆50 300舰船200 1 0001 功能介绍雷达反射器是一种被动装置,将入射的电磁能量直接反射回能量源。雷达角反射器基本原理是利用偶镜原理,由两个或 3 个交叉安装的导电平面相互垂直组装在一起,形成偶镜,入射线在其平面多次反射后,形成与入射线
5、相平行的回波。相互垂直的面,具有极高的反射率,因此即使是较小尺寸的反射器也会产生足够强的 2023.3电子产品世界设计应用Design&Application通信设计回波3。雷达角反射器类型按面板形状分有方形、三角形、扇形;按结构形式分有固定式、可拆卸式、混合式;按面板个数分有两面反射器、三面反射器实际应用中,反射器的安装总是有机械误差的,不可能保证反射器与入射线的绝对垂直,三面的反射器可保证一定角度范围入射信号多次反射,在空间形成与入射平行的反射信号,所以在实际使用中,一般采用三面角反射器。三面角反射器是一种典型的雷达反射器,经常用于校准或测量雷达系统的性能。在使用中它有以下一些有利的特性:
6、1)可产生远大于其物理尺寸的 RCS 值;2)大角度范围的信号反射;3)角度容差大,场景容易布置;4)RCS 值确定,容易计算。同时也有以下不利的特性1)理论计算 RCS 值是基于自由空间中的,与周围的环境反射体(如地面)无关;2)射线入射角与反射面平行时,RCS下降相当显著;3)如果一个反射面向前倾斜,使其最大 RCS 方向相对于地面处于一个浅掠角,那么地面波瓣就会出现问题,降低 RCS 计算的准确性;4)如果反射器被放置的底板与地面平行,那么反射器的 RCS 值严重减少。2 相关要素分析2.1 反射指标定义雷达目标反射信号的指标用雷达截面积(Radar Cross Section,RCS)
7、度量,目标的 RCS 取决于目标结构(形状和材料)、雷达工作频率、雷达极化方式和雷达观测角3。RCS 定义是基于各向同性反射体的投影面积来表示。即 RCS 值为 1 m2的反射是一个直径约为 1.13 m 的球形导体,在垂直于信号入射方向投影面积为 1 m2的等效反射。从 RCS 定义来看,由于只有中间的一个小区域,能准确地反射雷达方向的入射能量,形成回波,其他区域的入射信号被反射到空间其他方向,目标的投影只有很小的区域是有效的,如图 1 所示。因此,能够定向反射入射信号的反射器只需要很小的几何尺寸就可以有几平方米的 RCS 值4。图1 反射示意图根据雷达角反射器定义和原理,设计时须考虑以下3
8、 个方面因素:1)目标可视面积2)雷达信号入射角3)可能形成谐振的频率和尺寸2.2 可视面积分析首先以 1 个相互垂直的二面反射器入手做简化分析。如果角反射器的边长实质上大于波长,则可根据几何光学定律计算投影面积。两个面的情况时,需要入射线与反射面的棱 EF 相垂直,才能形成回波,可视面积等于面 AB 在射线垂直方向的投影面积,如图 2 所示。当 AB 面与入射线夹角为45时,投影面积最大,此时计算公式为:AAPROJWR=20.5(1)式中:APROJ:投影面积;AWR:反射面实体面积EFAB图2 两面反射示意图58ELECTRONIC ENGINEERING&PRODUCT WORLD 2
9、023.3$电子产品世界Design设计应用&Application通信设计根据自由空间损失可计算得出 RCS 值,计算公式为:=42A2(2)式中:A:镜面反射面积;:雷达波长综合式(1)(2),可得到二面反射器的 RCS 最大值,计算公式见式(3):=428()()AAWRWR220.522(3)2.3 入射角分析当反射面与入射角度不等于 45 时,部分射线只有1 次反射,不能形成有效回波,部分射线有 2 次反射,形成有效回波,所以有效反射面是小于投影面积的,有效反射面积与投影面积关系如图 3 所示。射线 a 经 2 次反射形成有效回波,射线 b 只有 1 次反射,不能形成有效回波,AB
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