2.1 目標的電磁特征

雷達的目標信息包括目標位置信息和目標特征信息兩大類。目標的位置信息隱含于目標回波中，可以通過對目標回波的距離和角度的精密跟蹤獲取目標的位置信息。實時獲取運動目標的位置信息，還可以得到目標的運動參數和運動軌跡。目標特征信息也隱含于目標回波中，從中可以獲取目標的雷達散射截面及其起伏模型、目標極化散射矩陣、目標多散射中心分布和目標圖像等信息，它們表征了雷達目標的固有特征。

2.1.1 散射特性

目標的散射特性是影響主動和半主動導引頭探測性能的重要因素。

1．雷達散射截面的定義

目標的雷達散射截面（RCS）是表征目標對于照射電磁波散射能力的一個物理量。RCS的量符號為σ，單位為平方米（m2）。RCS有兩種定義：一是理論定義；二是實驗定義。

RCS的理論定義由簡明方程表達，即

式中：R 為觀測點至目標的距離；Es為觀測點處的目標散射電磁場的電場強度；E0為目標處的入射電磁場的電場強度。當距離R趨向無限大，即滿足遠場條件時，照射目標的入射波近似為平面波，且散射場強Es與R成反比，此時RCS與R無關。

RCS的實驗定義由雷達方程導出，雷達方程可以表達為

式中：PR為雷達天線的接收功率；PT為雷達發射功率；GA為雷達天線增益；R為雷達-目標距離；σ 為目標的雷達散射截面；λ為雷達工作波長。式（2-2）具有明確的物理意義：第一個因子表示雷達在目標處建立的功率密度；前兩個因子之積表示目標以一個等效面積σ 俘獲入射能量并各向同性地輻射的功率密度；第三個因子為雷達天線的等效孔徑面積，即AA=GAλ2/（4π），三個因子之積表示天線俘獲目標的二次輻射功率。

由式（2-2）可寫出RCS的實驗定義：

當探測雷達的發射功率、天線增益和和工作波長確定后，根據距離和接收功率的測量統計值，可求得目標的RCS。

2．后向散射

主動導引頭接收的反射波是導引頭發射機照射目標后的后向散射，相應的目標雷達散射截面稱為后向RCS，簡稱RCS。

1）典型飛機的RCS統計平均值

典型飛機的RCS統計平均值如表2-1所示，對應的工作波長為5 cm。飛機類目標方位維的RCS隨方位角呈規律性變化，最小值出現在5°～20°范圍（鼻錐方向為0°），最大值出現在90°附近。為了規范飛機類目標的RCS，通常取方位維-45°～+45°范圍內的RCS統計平均值作為典型的RCS數值。飛機類目標俯仰維的RCS較大，隱身飛機的俯仰維的隱身效果也較差。對于隱身偵察強擊機，俯仰角90°方向的RCS比俯仰角為0°的鼻錐方向的RCS增大約40 dB。

典型飛機的RCS統計平均值與波段的關系如表2-2所示。常規飛機的微波頻段的RCS較小，RCS的頻率響應通常兩端高，中間低。

在（50～400）MHz范圍內，飛機類目標可能產生RCS諧振現象，RCS數值明顯增大。

2）典型導彈的RCS統計平均值

表2-3為典型導彈的RCS統計平均值，它給出了三種導彈在S、C、X、Ku波段上，俯仰角為0°時兩種極化（水平極化或垂直極化）的方位維RCS，其值分別為導彈的頭部和正側部-45°～+45°范圍內的RCS統計平均值。

在微波波段內，一般導彈類目標的RCS值應取0.1m2，側向探測時可取（2～4）m2。

3）坦克和裝甲車的RCS統計平均值

反坦克導彈的探測裝置通常工作在Ka波段。坦克和裝甲車的Ka波段RCS全方位統計平均值為（23～25）dBm2。坦克背部的RCS最大，可達32 dBm2。常規坦克和裝甲車的RCS可取20 dBm2，隱身坦克的RCS可取10 dBm2。

4）軍艦的RCS統計平均值

表2-4給出了典型導彈驅逐艦在Ku波段（16 GHz）和45°方位角條件下，水平極化RCS平均值與視線擦海角（天頂角的余角）的關系。

由表2-4可見，當視線擦海角較小時，海面影響不明顯，典型導彈驅逐艦的平均RCS為45 dBm2。當視線擦海角大于55°時，海面散射影響很大，艦艇往往被淹沒在海雜波之中，后向散射由艦艇和海面共同決定。

3．雙站散射

半主動導引頭接收的散射信號是照射器照射目標后偏離照射方向的散射，稱為雙站（或雙基地）散射，相應的目標雷達散射截面稱為雙站RCS。由目標的后向RCS計算雙站RCS的經驗公式為[6]

式中：σd為雙站RCS;σ 為目標的后向RCS;KT是由目標形體決定的經驗系數；α為雙站角（單位為弧度）。系數KT的計算式為

式中：AV為投影于波束垂直方向的目標面積；λ為波長。

對于隱身偵察強擊機，當雙基角大于120°時，雙站RCS值相對于后向RCS值將增大（10～20）倍。采用大雙站角的半主動尋的系統探測隱身目標時，可改善探測效果。

2.1.2 目標噪聲

目標噪聲是復雜形狀的體目標相對于導引頭的運動（包括軌跡變化和姿態角變化）引起的。復雜目標各部分散射回波幅度與相位的相對變化引起回波的波動，散射回波的幅度與相位是目標姿態角的函數。顯然，目標噪聲的統計分布不但取決于目標形狀，還取決于目標與探測器的相對運動規律。此外，目標上的活動部件也是產生目標噪聲的重要原因。目標噪聲包括幅度噪聲、角閃爍噪聲、多普勒噪聲與距離噪聲。

1．幅度噪聲

幅度噪聲是指復雜目標的各散射中心的散射子矢量之和引起的信號幅度的起伏，幅度噪聲頻譜分布在低頻至數千赫茲范圍內。合理選擇單脈沖跟蹤體制的自動增益控制回路的帶寬，可極大地抑制幅度噪聲對角跟蹤精度的影響。

2．角閃爍噪聲

角閃爍噪聲是由復雜體目標的多個散射中心的相位干涉導致接收天線口面處相位波前傾斜和隨機擺動引起的。凡目標尺度與波長可比擬，且具有兩個或兩個以上等效散射中心的任何復雜目標，都會產生角閃爍噪聲。角閃爍噪聲用偏離目標幾何中心的線偏差值表征，近距離時角閃爍噪聲引起的角跟蹤誤差較大，這是彈載雷達導引頭近距測角誤差的主要誤差源。

3．多普勒噪聲

多普勒噪聲是指體目標回波相位變化率相對于點目標回波相位變化率的差異所產生的隨機量。目標的非線性徑向運動（如目標機動或加速度飛行）、目標活動部件的運動、復雜目標的附加調制等都會產生多普勒噪聲。

4．距離噪聲

距離噪聲是復雜目標引起的距離抖動，是影響測距精度極限值的重要因素。距離噪聲功率譜密度分布與角噪聲線偏差分布相似，距離噪聲帶寬約數赫茲，工作頻率越高，距離噪聲帶寬越大。

2.1.3 起伏特性

視角不同時，目標的雷達散射截面也不同。由于雷達導引頭和目標的相對運動，目標回波幅度是起伏的。20世紀50年代，斯威林（Swerling）提出了目標起伏的統計模型[7]，即斯威林Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ模型。后來又出現了一種更通用的RCS起伏統計模型[8]，即χ2統計模型，它既包含了傳統的斯威林模型，也適用于更多的雷達目標類型。χ2概率密度函數為

式中：σ 為RCS隨機變量；為RCS平均值；kd為雙自由度數值，稱“2kd”為χ2分布的自由度。

1.2 自由度χ2分布

令kd=1，式（2-6）成為

式（2-7）為2自由度χ2分布，即斯威林Ⅰ分布。

2自由度χ2分布表示由多個均勻獨立散射體組成的具有慢起伏特性的復雜目標的起伏特征，其特點為一次掃描過程中脈沖間相關，而掃描間有起伏。典型目標為前向觀察的小型噴氣飛機等。

2.4 自由度χ2分布

令kd=2，式（2-6）成為

式（2-8）為4自由度χ2分布，即斯威林Ⅲ分布。

4自由度χ2分布表示由一個占優勢地位的大隨機散射體和多個較小均勻獨立散射體組成的具有慢起伏特性的復雜目標的起伏特征，其特點為一次掃描過程中脈沖間相關，而掃描間有起伏。典型目標為螺旋槳推進飛機和直升機等。

3.2 N自由度χ2分布

令kd=N，其中N為一次掃描中的脈沖積累數，式（2-6）成為

式（2-9）為2N自由度χ2分布，即斯威林Ⅱ分布。

2N 自由度χ2分布表示由多個均勻獨立散射體組成的具有快起伏特性的復雜目標的起伏特征，其特點為脈沖間不相關。典型目標為噴氣飛機和大型民用客機等。

4.4 N自由度χ2分布

令kd=2N，其中N也為一次掃描中的脈沖積累數，式（2-6）成為

式（2-10）為4N自由度χ2分布，即斯威林Ⅳ分布。

4N 自由度χ2分布表示由一個占優勢地位的大隨機散射體和多個較小均勻獨立散射體組成的具有快起伏特性的復雜目標的起伏特征，其特點為脈沖間不相關。典型目標為艦船、衛星和側向觀察的導彈等。

相對于斯威林分布而言，χ2分布的雙自由度kd值不一定是正整數。對于某一個特定目標的RCS起伏的概率密度分布曲線，可以用最小均方差法擬合出χ2分布的kd值。此外，當kd=∞ 時，σ 變為常值，可用來表示非起伏目標，如用于定標的球體等。

2.1.4 極化特性

飛機類目標的線極化回波的同極化分量在多數情況下強于交叉極化分量。然而某些角度上也存在交叉極化占優勢的情況，有時高達20 dB，對隱身飛機尤其明顯。顯然，利用交叉極化分量進行探測，也是一種可能的反隱身措施[9]。

對海照射時，若采用水平極化發射，則同極化回波比正交極化回波強7 dB。若采用垂直極化發射，則同極化回波遠強于正交極化回波。例如，在二級海情1°投射角時，同極化回波比正交極化回波強18 dB[10]。

盡管雷達散射截面是入射到目標上的電磁波的極化狀態的函數，但它只是一個表征目標散射強度的標量。極化散射矩陣將散射場與入射場各分量聯系起來，是一種對入射波和目標之間相互作用的最合理的描述。通常，散射矩陣具有復數形式，它隨工作頻率和目標姿態而變化，對于給定頻率和目標姿態的特定取向，散射矩陣表征了目標散射特性的全部信息。

2.1.5 多散射中心

在高頻區，復雜目標的電磁散射是由目標上的多個局部散射源的電磁散射合成的，這些局部散射源稱為等效多散射中心，簡稱多散射中心。

采用線性系統方法分析目標的散射特征時，把目標作為一個線性系統。探測裝置的照射信號為該線性系統的輸入，而探測裝置的接收信號為該線性系統的輸出，即目標可以用一個系統傳輸函數來描述，它是目標中各個散射中心傳輸函數的集合。

主動導引頭可實現高分辨處理：采用寬帶信號高分辨探測技術獲取散射中心在徑向距離上的分布；采用多普勒高分辨處理技術獲取散射中心在橫向距離上的分布；采用距離-多普勒成像系統實現對目標散射中心的多維高分辨成像。高分辨探測以多散射中心的寬帶散射為基礎，故目標的多散射中心這一特點又稱為目標的寬帶特性[5]。

2.1.6 電磁輻射

目標的電磁輻射有兩種形式：有源輻射和無源輻射。

1．有源輻射

有源輻射是指目標上裝載的有源設備的輻射信號，如雷達和通信設備等的發射信號。只要確知被攻擊目標上的有源裝置輻射信號的先驗信息，被動導引頭就能從接收的眾多信號中分選出目標輻射源信號，進行實時跟蹤并提取目標的角位置信息。習慣上稱探測有源輻射的被動導引頭為反輻射導引頭。

2．無源輻射

不同于主動導引頭、半主動導引頭和反輻射雷達導引頭，無源探測依賴于目標的自然輻射。本質上，無源探測屬于被動探測，但習慣上稱無源探測裝置為輻射計。在雷達導引頭范疇，通常只討論微波和毫米波輻射計。

熱發射是自然輻射的主要來源，包括太陽和地球的熱發射經其他物體反射或散射的輻射。對于地面上的物體，火箭噴焰之類的輻射源與周圍的溫度有明顯的差別。對于一般物體，被其他輻射源照射而產生的發射或反射是無源輻射的主要來源，實際的溫度差是相當小的。對于黑體，發射系數和吸收系數均為1；對于全反射體，發射系數和吸收系數均為0；介于1與0之間的中間值對應于灰體。發射率取決于材料性質與表面粗糙度。表面粗糙度與頻率有關：在1 GHz附近，茂密樹林可視為粗糙表面；在10 GHz附近，灌木林可視為粗糙表面；在35 GHz附近，低矮的草皮可視為粗糙表面。這些粗糙表面足以消除其覆蓋下的地面的鏡面反射。