2.1 目標(biāo)的電磁特征

雷達(dá)的目標(biāo)信息包括目標(biāo)位置信息和目標(biāo)特征信息兩大類。目標(biāo)的位置信息隱含于目標(biāo)回波中，可以通過(guò)對(duì)目標(biāo)回波的距離和角度的精密跟蹤獲取目標(biāo)的位置信息。實(shí)時(shí)獲取運(yùn)動(dòng)目標(biāo)的位置信息，還可以得到目標(biāo)的運(yùn)動(dòng)參數(shù)和運(yùn)動(dòng)軌跡。目標(biāo)特征信息也隱含于目標(biāo)回波中，從中可以獲取目標(biāo)的雷達(dá)散射截面及其起伏模型、目標(biāo)極化散射矩陣、目標(biāo)多散射中心分布和目標(biāo)圖像等信息，它們表征了雷達(dá)目標(biāo)的固有特征。

2.1.1 散射特性

目標(biāo)的散射特性是影響主動(dòng)和半主動(dòng)導(dǎo)引頭探測(cè)性能的重要因素。

1．雷達(dá)散射截面的定義

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面（RCS）是表征目標(biāo)對(duì)于照射電磁波散射能力的一個(gè)物理量。RCS的量符號(hào)為σ，單位為平方米（m2）。RCS有兩種定義：一是理論定義；二是實(shí)驗(yàn)定義。

RCS的理論定義由簡(jiǎn)明方程表達(dá)，即

式中：R 為觀測(cè)點(diǎn)至目標(biāo)的距離；Es為觀測(cè)點(diǎn)處的目標(biāo)散射電磁場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度；E0為目標(biāo)處的入射電磁場(chǎng)的電場(chǎng)強(qiáng)度。當(dāng)距離R趨向無(wú)限大，即滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件時(shí)，照射目標(biāo)的入射波近似為平面波，且散射場(chǎng)強(qiáng)Es與R成反比，此時(shí)RCS與R無(wú)關(guān)。

RCS的實(shí)驗(yàn)定義由雷達(dá)方程導(dǎo)出，雷達(dá)方程可以表達(dá)為

式中：PR為雷達(dá)天線的接收功率；PT為雷達(dá)發(fā)射功率；GA為雷達(dá)天線增益；R為雷達(dá)-目標(biāo)距離；σ 為目標(biāo)的雷達(dá)散射截面；λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)。式（2-2）具有明確的物理意義：第一個(gè)因子表示雷達(dá)在目標(biāo)處建立的功率密度；前兩個(gè)因子之積表示目標(biāo)以一個(gè)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(gè)因子為雷達(dá)天線的等效孔徑面積，即AA=GAλ2/（4π），三個(gè)因子之積表示天線俘獲目標(biāo)的二次輻射功率。

由式（2-2）可寫出RCS的實(shí)驗(yàn)定義：

當(dāng)探測(cè)雷達(dá)的發(fā)射功率、天線增益和和工作波長(zhǎng)確定后，根據(jù)距離和接收功率的測(cè)量統(tǒng)計(jì)值，可求得目標(biāo)的RCS。

2．后向散射

主動(dòng)導(dǎo)引頭接收的反射波是導(dǎo)引頭發(fā)射機(jī)照射目標(biāo)后的后向散射，相應(yīng)的目標(biāo)雷達(dá)散射截面稱為后向RCS，簡(jiǎn)稱RCS。

1）典型飛機(jī)的RCS統(tǒng)計(jì)平均值

典型飛機(jī)的RCS統(tǒng)計(jì)平均值如表2-1所示，對(duì)應(yīng)的工作波長(zhǎng)為5 cm。飛機(jī)類目標(biāo)方位維的RCS隨方位角呈規(guī)律性變化，最小值出現(xiàn)在5°～20°范圍（鼻錐方向?yàn)?°），最大值出現(xiàn)在90°附近。為了規(guī)范飛機(jī)類目標(biāo)的RCS，通常取方位維-45°～+45°范圍內(nèi)的RCS統(tǒng)計(jì)平均值作為典型的RCS數(shù)值。飛機(jī)類目標(biāo)俯仰維的RCS較大，隱身飛機(jī)的俯仰維的隱身效果也較差。對(duì)于隱身偵察強(qiáng)擊機(jī)，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(jī)的RCS統(tǒng)計(jì)平均值與波段的關(guān)系如表2-2所示。常規(guī)飛機(jī)的微波頻段的RCS較小，RCS的頻率響應(yīng)通常兩端高，中間低。

在（50～400）MHz范圍內(nèi)，飛機(jī)類目標(biāo)可能產(chǎn)生RCS諧振現(xiàn)象，RCS數(shù)值明顯增大。

2）典型導(dǎo)彈的RCS統(tǒng)計(jì)平均值

表2-3為典型導(dǎo)彈的RCS統(tǒng)計(jì)平均值，它給出了三種導(dǎo)彈在S、C、X、Ku波段上，俯仰角為0°時(shí)兩種極化（水平極化或垂直極化）的方位維RCS，其值分別為導(dǎo)彈的頭部和正側(cè)部-45°～+45°范圍內(nèi)的RCS統(tǒng)計(jì)平均值。

在微波波段內(nèi)，一般導(dǎo)彈類目標(biāo)的RCS值應(yīng)取0.1m2，側(cè)向探測(cè)時(shí)可取（2～4）m2。

3）坦克和裝甲車的RCS統(tǒng)計(jì)平均值

反坦克導(dǎo)彈的探測(cè)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(tǒng)計(jì)平均值為（23～25）dBm2。坦克背部的RCS最大，可達(dá)32 dBm2。常規(guī)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(tǒng)計(jì)平均值

表2-4給出了典型導(dǎo)彈驅(qū)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(guān)系。

由表2-4可見(jiàn)，當(dāng)視線擦海角較小時(shí)，海面影響不明顯，典型導(dǎo)彈驅(qū)逐艦的平均RCS為45 dBm2。當(dāng)視線擦海角大于55°時(shí)，海面散射影響很大，艦艇往往被淹沒(méi)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(dòng)導(dǎo)引頭接收的散射信號(hào)是照射器照射目標(biāo)后偏離照射方向的散射，稱為雙站（或雙基地）散射，相應(yīng)的目標(biāo)雷達(dá)散射截面稱為雙站RCS。由目標(biāo)的后向RCS計(jì)算雙站RCS的經(jīng)驗(yàn)公式為[6]

式中：σd為雙站RCS;σ 為目標(biāo)的后向RCS;KT是由目標(biāo)形體決定的經(jīng)驗(yàn)系數(shù)；α為雙站角（單位為弧度）。系數(shù)KT的計(jì)算式為

式中：AV為投影于波束垂直方向的目標(biāo)面積；λ為波長(zhǎng)。

對(duì)于隱身偵察強(qiáng)擊機(jī)，當(dāng)雙基角大于120°時(shí)，雙站RCS值相對(duì)于后向RCS值將增大（10～20）倍。采用大雙站角的半主動(dòng)尋的系統(tǒng)探測(cè)隱身目標(biāo)時(shí)，可改善探測(cè)效果。

2.1.2 目標(biāo)噪聲

目標(biāo)噪聲是復(fù)雜形狀的體目標(biāo)相對(duì)于導(dǎo)引頭的運(yùn)動(dòng)（包括軌跡變化和姿態(tài)角變化）引起的。復(fù)雜目標(biāo)各部分散射回波幅度與相位的相對(duì)變化引起回波的波動(dòng)，散射回波的幅度與相位是目標(biāo)姿態(tài)角的函數(shù)。顯然，目標(biāo)噪聲的統(tǒng)計(jì)分布不但取決于目標(biāo)形狀，還取決于目標(biāo)與探測(cè)器的相對(duì)運(yùn)動(dòng)規(guī)律。此外，目標(biāo)上的活動(dòng)部件也是產(chǎn)生目標(biāo)噪聲的重要原因。目標(biāo)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(fù)雜目標(biāo)的各散射中心的散射子矢量之和引起的信號(hào)幅度的起伏，幅度噪聲頻譜分布在低頻至數(shù)千赫茲范圍內(nèi)。合理選擇單脈沖跟蹤體制的自動(dòng)增益控制回路的帶寬，可極大地抑制幅度噪聲對(duì)角跟蹤精度的影響。

2．角閃爍噪聲

角閃爍噪聲是由復(fù)雜體目標(biāo)的多個(gè)散射中心的相位干涉導(dǎo)致接收天線口面處相位波前傾斜和隨機(jī)擺動(dòng)引起的。凡目標(biāo)尺度與波長(zhǎng)可比擬，且具有兩個(gè)或兩個(gè)以上等效散射中心的任何復(fù)雜目標(biāo)，都會(huì)產(chǎn)生角閃爍噪聲。角閃爍噪聲用偏離目標(biāo)幾何中心的線偏差值表征，近距離時(shí)角閃爍噪聲引起的角跟蹤誤差較大，這是彈載雷達(dá)導(dǎo)引頭近距測(cè)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(biāo)回波相位變化率相對(duì)于點(diǎn)目標(biāo)回波相位變化率的差異所產(chǎn)生的隨機(jī)量。目標(biāo)的非線性徑向運(yùn)動(dòng)（如目標(biāo)機(jī)動(dòng)或加速度飛行）、目標(biāo)活動(dòng)部件的運(yùn)動(dòng)、復(fù)雜目標(biāo)的附加調(diào)制等都會(huì)產(chǎn)生多普勒噪聲。

4．距離噪聲

距離噪聲是復(fù)雜目標(biāo)引起的距離抖動(dòng)，是影響測(cè)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(shù)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(shí)，目標(biāo)的雷達(dá)散射截面也不同。由于雷達(dá)導(dǎo)引頭和目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)，目標(biāo)回波幅度是起伏的。20世紀(jì)50年代，斯威林（Swerling）提出了目標(biāo)起伏的統(tǒng)計(jì)模型[7]，即斯威林Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ模型。后來(lái)又出現(xiàn)了一種更通用的RCS起伏統(tǒng)計(jì)模型[8]，即χ2統(tǒng)計(jì)模型，它既包含了傳統(tǒng)的斯威林模型，也適用于更多的雷達(dá)目標(biāo)類型。χ2概率密度函數(shù)為

式中：σ 為RCS隨機(jī)變量；為RCS平均值；kd為雙自由度數(shù)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(gè)均勻獨(dú)立散射體組成的具有慢起伏特性的復(fù)雜目標(biāo)的起伏特征，其特點(diǎn)為一次掃描過(guò)程中脈沖間相關(guān)，而掃描間有起伏。典型目標(biāo)為前向觀察的小型噴氣飛機(jī)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(gè)占優(yōu)勢(shì)地位的大隨機(jī)散射體和多個(gè)較小均勻獨(dú)立散射體組成的具有慢起伏特性的復(fù)雜目標(biāo)的起伏特征，其特點(diǎn)為一次掃描過(guò)程中脈沖間相關(guān)，而掃描間有起伏。典型目標(biāo)為螺旋槳推進(jìn)飛機(jī)和直升機(jī)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(shù)，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(gè)均勻獨(dú)立散射體組成的具有快起伏特性的復(fù)雜目標(biāo)的起伏特征，其特點(diǎn)為脈沖間不相關(guān)。典型目標(biāo)為噴氣飛機(jī)和大型民用客機(jī)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(shù)，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(gè)占優(yōu)勢(shì)地位的大隨機(jī)散射體和多個(gè)較小均勻獨(dú)立散射體組成的具有快起伏特性的復(fù)雜目標(biāo)的起伏特征，其特點(diǎn)為脈沖間不相關(guān)。典型目標(biāo)為艦船、衛(wèi)星和側(cè)向觀察的導(dǎo)彈等。

相對(duì)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(shù)。對(duì)于某一個(gè)特定目標(biāo)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(dāng)kd=∞ 時(shí)，σ 變?yōu)槌Ｖ担捎脕?lái)表示非起伏目標(biāo)，如用于定標(biāo)的球體等。

2.1.4 極化特性

飛機(jī)類目標(biāo)的線極化回波的同極化分量在多數(shù)情況下強(qiáng)于交叉極化分量。然而某些角度上也存在交叉極化占優(yōu)勢(shì)的情況，有時(shí)高達(dá)20 dB，對(duì)隱身飛機(jī)尤其明顯。顯然，利用交叉極化分量進(jìn)行探測(cè)，也是一種可能的反隱身措施[9]。

對(duì)海照射時(shí)，若采用水平極化發(fā)射，則同極化回波比正交極化回波強(qiáng)7 dB。若采用垂直極化發(fā)射，則同極化回波遠(yuǎn)強(qiáng)于正交極化回波。例如，在二級(jí)海情1°投射角時(shí)，同極化回波比正交極化回波強(qiáng)18 dB[10]。

盡管雷達(dá)散射截面是入射到目標(biāo)上的電磁波的極化狀態(tài)的函數(shù)，但它只是一個(gè)表征目標(biāo)散射強(qiáng)度的標(biāo)量。極化散射矩陣將散射場(chǎng)與入射場(chǎng)各分量聯(lián)系起來(lái)，是一種對(duì)入射波和目標(biāo)之間相互作用的最合理的描述。通常，散射矩陣具有復(fù)數(shù)形式，它隨工作頻率和目標(biāo)姿態(tài)而變化，對(duì)于給定頻率和目標(biāo)姿態(tài)的特定取向，散射矩陣表征了目標(biāo)散射特性的全部信息。

2.1.5 多散射中心

在高頻區(qū)，復(fù)雜目標(biāo)的電磁散射是由目標(biāo)上的多個(gè)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(jiǎn)稱多散射中心。

采用線性系統(tǒng)方法分析目標(biāo)的散射特征時(shí)，把目標(biāo)作為一個(gè)線性系統(tǒng)。探測(cè)裝置的照射信號(hào)為該線性系統(tǒng)的輸入，而探測(cè)裝置的接收信號(hào)為該線性系統(tǒng)的輸出，即目標(biāo)可以用一個(gè)系統(tǒng)傳輸函數(shù)來(lái)描述，它是目標(biāo)中各個(gè)散射中心傳輸函數(shù)的集合。

主動(dòng)導(dǎo)引頭可實(shí)現(xiàn)高分辨處理：采用寬帶信號(hào)高分辨探測(cè)技術(shù)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(shù)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(tǒng)實(shí)現(xiàn)對(duì)目標(biāo)散射中心的多維高分辨成像。高分辨探測(cè)以多散射中心的寬帶散射為基礎(chǔ)，故目標(biāo)的多散射中心這一特點(diǎn)又稱為目標(biāo)的寬帶特性[5]。

2.1.6 電磁輻射

目標(biāo)的電磁輻射有兩種形式：有源輻射和無(wú)源輻射。

1．有源輻射

有源輻射是指目標(biāo)上裝載的有源設(shè)備的輻射信號(hào)，如雷達(dá)和通信設(shè)備等的發(fā)射信號(hào)。只要確知被攻擊目標(biāo)上的有源裝置輻射信號(hào)的先驗(yàn)信息，被動(dòng)導(dǎo)引頭就能從接收的眾多信號(hào)中分選出目標(biāo)輻射源信號(hào)，進(jìn)行實(shí)時(shí)跟蹤并提取目標(biāo)的角位置信息。習(xí)慣上稱探測(cè)有源輻射的被動(dòng)導(dǎo)引頭為反輻射導(dǎo)引頭。

2．無(wú)源輻射

不同于主動(dòng)導(dǎo)引頭、半主動(dòng)導(dǎo)引頭和反輻射雷達(dá)導(dǎo)引頭，無(wú)源探測(cè)依賴于目標(biāo)的自然輻射。本質(zhì)上，無(wú)源探測(cè)屬于被動(dòng)探測(cè)，但習(xí)慣上稱無(wú)源探測(cè)裝置為輻射計(jì)。在雷達(dá)導(dǎo)引頭范疇，通常只討論微波和毫米波輻射計(jì)。

熱發(fā)射是自然輻射的主要來(lái)源，包括太陽(yáng)和地球的熱發(fā)射經(jīng)其他物體反射或散射的輻射。對(duì)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(duì)于一般物體，被其他輻射源照射而產(chǎn)生的發(fā)射或反射是無(wú)源輻射的主要來(lái)源，實(shí)際的溫度差是相當(dāng)小的。對(duì)于黑體，發(fā)射系數(shù)和吸收系數(shù)均為1；對(duì)于全反射體，發(fā)射系數(shù)和吸收系數(shù)均為0；介于1與0之間的中間值對(duì)應(yīng)于灰體。發(fā)射率取決于材料性質(zhì)與表面粗糙度。表面粗糙度與頻率有關(guān)：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。