目标截面积及其起伏特性.doc

目标截面积及其起伏特性 1 点目标特性与波长的关系 目标的后向散射特性除与目标本身的性能有关外, 还与视角、 极化和入射波的波长有关。其中与波长的关系最大, 常以相对于波长的目标尺寸来对目标进行分类。为了讨论目标后向散射特性与波长的关系, 比较方便的办法是考察一个各向同性的球体。 因为球有最简单的外形, 而且理论上已经获得其截面积的严格解答, 其截面积与视角无关, 因此常用金属球来作为截面积的标准, 用于校正数据和实验测定。  图1 球体截面积与波长λ的关系 球体截面积与波长的关系如图1所示。当球体周长2πrλ时, 称为瑞利区, 这时的截面积正比于λ-4; 当波长减小到2πr=λ时，就进入振荡区, 截面积在极限值之间振荡; 2πrλ的区域称为光学区, 截面积振荡地趋于某一固定值, 它就是几何光学的投影面积πr2。  目标的尺寸相对于波长很小时呈现瑞利区散射特性, 即σ∝λ-4。绝大多数雷达目标都不处在这个区域中, 但气象微粒对常用的雷达波长来说是处在这一区域的(它们的尺寸远小于波长)。处于瑞利区的目标, 决定它们截面积的主要参数是体积而不是形状, 形状不同的影响只作较小的修改即可。通常，雷达目标的尺寸较云雨微粒要大得多, 因此降低雷达工作频率可减小云雨回波的影响而又不会明显减小正常雷达目标的截面积。 实际上大多数雷达目标都处在光学区。光学区名称的来源是因为目标尺寸比波长大得多时, 如果目标表面比较光滑, 那么几何光学的原理可以用来确定目标雷达截面积。按照几何光学的原理, 表面最强的反射区域是对电磁波波前最突出点附近的小的区域, 这个区域的大小与该点的曲率半径ρ成正比。曲率半径越大，反射区域越大, 这一反射区域在光学中称为“亮斑”。可以证明, 当物体在“亮斑”附近为旋转对称时, 其截面积为πρ2, 故处于光学区球体的截面积为πr2, 其截面积不随波长λ变化。 在光学区和瑞利区之间是振荡区, 这个区的目标尺寸与波长相近, 在这个区中，截面积随波长变化而呈振荡, 最大点较光学值约高5.6dB, 而第一个凹点的值又较光学值约低5.5dB。实际上雷达很少工作在这一区域。 2 简单形状目标的雷达截面积 几何形状比较简单的目标, 如球体、圆板、锥体等, 它们的雷达截面积可以计算出来。其中球是最简单的目标。上节已讨论过球体截面积的变化规律, 在光学区,球体截面积等于其几何投影面积πr2, 与视角无关, 也与波长λ无关。  对于其他形状简单的目标, 当反射面的曲率半径大于波长时, 也可以应用几何光学的方法来计算它们在光学区的雷达截面积。一般情况下, 其反射面在“亮斑”附近不是旋转对称的, 可通过“亮斑”并包含视线作互相垂直的两个平面, 这两个切面上的曲率半径为ρ1、ρ2, 则雷达截面积为 σ=πρ1ρ2 表1 目标为简单几何形状物体的雷达参数 3 目标特性与极化的关系 目标的散射特性通常与入射场的极化有关。 先讨论天线幅射线极化的情况。照射到远区目标上的是线极化平面波, 而任意方向的线极化波都可以分解为两个正交分量, 即垂直极化分量和水平极化分量, 分别用ETH和ETV表示在目标处天线所幅射的水平极化和垂直极化电场, 其中上标T表示发射天线产生的电场, 下标H和V分别代表水平方向和垂直方向。一般, 在水平照射场的作用下, 目标的散射场E将由两部分(即水平极化散射场ESH, 和垂直极化散射场ESV)组成, 并且有 式中，αHH表示水平极化入射场产生水平极化散射场的散射系数；αHV表示水平极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数。 同理, 在垂直照射场作用下, 目标的散射场也有两部分: 式中, αVH表示垂直极化入射场产生水平极化散射场的散射系数； αVV表示垂直极化入射场产生垂直极化散射场的散射系数。  显然, 这四种散射成分中, 水平散射场可被水平极化天线所接收, 垂直散射场可被垂直极化天线所接收, 所以有 式中ETH, ETV分别表示接收天线所收到的目标散射场中的水平极化成分和垂直极化成分, 把式(5.4.3)和(5.4.4)用矩阵表示时可写成 式(5.4.5)中的中间一项表示目标散射特性与极化有关的系数, 称为散射矩阵。 下面讨论散射矩阵中各系数的意义。我们定义σHH为水平极化照射时同极化的雷达截面积: σHV为水平极化照射时正交极化的雷达截面积: σVV为垂直极化照射时同极化的雷达截面积: σVH为垂直极化照射时正交极化的雷达截面积: 由此看出，系数αHH、αHV、αVV和αVH分别正比于各种极化之间的雷达截面积, 散射矩阵还可以表示成如下形式: 由于雷达截面