雷达散射截面

通俗的讲，一个物体的RCS可以描述为一个产生相同强度反射的完美金属球体的横截面积。(这个等效球体的尺寸越大，反射就越强。)RCS是一个抽象概念:一个物体的雷达散射截面积取决于多种因素，而不一定与该物体的物理截面积直接相关。

更通俗的讲，雷达目标的RCS是一个能够截断发射雷达功率的有效区域，然后将该功率各向同性的散射回雷达接收机。

精确的讲，雷达目标的RCS是截获目标发射功率密度所需的假想区域，这样，如果截获的总功率被各向同性地重新辐射，就产生了在接收机处实际观测到的功率密度。^[3]这个表述比较复杂，可以通过一次一项地分析单站(雷达发射机和接收机同处一地)雷达方程来理解：

其中，

•     =发射雷达的发射功率；
•     =雷达发射天线的增益；
•     =雷达到目标的距离(米)；
•     =目标的雷达散射截面积（平方米）；
•     =雷达接收天线的有效面积（平方米）；
•     =雷达从目标接收回的功率（瓦特）；

雷达方程中的   项代表雷达发射机在目标上产生的功率密度(瓦特/平方米)。 该功率密度被雷达截面为   (平方米)的目标截获。 因此，项   具有功率的单位(瓦特)，代表雷达目标截获的假设总功率。第二个项    表示该截获功率从目标向雷达接收机传播的各向同性。因此，整个前两项   代表雷达接收器的反射功率密度(瓦特每平方米)。然后接收天线利用有效面积   接收反射的功率密度。最终得到如上面雷达方程给出的雷达接收的功率(瓦特)P_t。

但实际上，雷达目标对入射雷达功率的散射从来都不是各向同性的(即使是球形目标)，RCS是一个假设区域。在这种情况下，RCS可以简单地视为一个修正因子，使雷达方程对于实验测到的   比率“计算正确”。然而，RCS是一个非常有价值的概念，因为它是目标的一个可以测量或计算的独有属性。因此，RCS允许对给定目标的雷达系统的性能进行独立于雷达和交战参数的分析。一般来说，RCS是雷达和目标的定向强函数，或者对于双站(雷达发射机和接收机不在同一位置)，是发射机-目标和接收机-目标的定向函数。目标的RCS取决于其尺寸、表面反射率以及目标几何形状引起的指向性雷达反射。

2.1 大小

通常情况下，物体越大其雷达反射越强，因此其RCS也就越大。此外，一个波段的雷达甚至可能检测不到特定大小的物体。例如，波长为10厘米(S波段雷达)可以探测到雨滴，但探测不到云中较小的水滴。

2.2 材料

金属等材料具有很强的雷达反射性，并易于产生强信号。木头和布(例如通常制造的飞机和气球的某些部分)或者塑料和玻璃纤维对雷达反射性较低，从某度程度上讲，它们实际上对于雷达而言是透明的，因而被用于天线罩。即使是非常薄的金属层也能使物体具有强烈的雷达反射性。箔条通常由金属塑料或玻璃(类似于食品上的金属箔)制成，其表面有很薄的金属层。

此外，一些设备被设计为主动雷达，例如雷达天线，这将增加RCS。

雷达吸收涂料

SR-71黑鸟和其他飞机被涂上了一层特殊的由小金属涂层球组成的“铁球漆”。这种涂层将不会反射接收到的雷达能量而是吸收转换成热量。

2.3 形状、方向性和方向

F-117A的表面平坦且倾斜角度很大。这样设计雷达将以大角度(相对于法线)入射，然后以类似的高反射角反弹从而降低来波方向的散射；这就是所谓的前向散射。其边缘比较锋利，以防止出现有一部分表面垂直于雷达源的圆形表面，这是因为沿法线入射的任何波束都将沿法线反射出去，从而形成强反射信号。

从侧面看，从正面看，战斗机的截面积将比从其它方向看大得多。在所有其他因素相同的情况下，飞机从侧面发出的信号比从前面发出的信号更强，因此雷达站和目标之间的方位对RCS也很重要。

2.4 平滑的表面

起伏的表面可能会包含一些作为角反射器的凹口，从许多方向增加反射率。这是由于开放式炸弹舱、发动机进气口、军械塔、机体表面结构的连接段等引起的。并且用雷达吸收材料涂覆这些表面也是不切实际的。

雷达上目标图像的大小由雷达截面(RCS)测量，通常用单位平方米的符号σ表示，这不等于几何面积。投影横截面积为1 m²(即直径为1.13 m)的完美导电球体的横截面积为1 m²。请注意，对于远小于球体直径的雷达波长，RCS与频率无关。相反，面积为1 m²的正方形平板的雷达散射截面σ = 4π A² / λ²(其中A =面积，λ=波长)，或者如果雷达垂直于平面，则在10 GHz时为13982 m²。^[1] 在偏离法线的入射角，能量被反射原理接收器，从而降低了RCS。虽然机体的RCS因飞机和雷达而异，但据说现代隐形飞机的雷达截面可与小鸟或大昆虫相媲美。

如果RCS与目标的横截面面积直接相关，减小它的唯一方法就是减小物理剖面。但事实并非如此，通过反射或吸收大部分辐射，目标同样也可以获得更小的RCS。^[2]

目标RCS的测量一般是在雷达反射率范围或散射范围内进行的。第一种距离是室外距离，目标位于距离发射器一定距离的特殊形状的低雷达散射截面标塔上。这样的距离消除了在目标后面放置雷达吸波材料的需要，但是必须减轻与地面的多径效应。

微波暗室也是常用的。目标被放置在暗室中心的转台上，墙壁、地板和天花板完全被雷达吸收材料覆盖。这些吸波材料防止了由于反射导致的测量误差。紧缩场是在暗室中增加一个反射器来模拟远场测试条件。

厘米波雷达的典型RCS值：^[3][4]

• 昆虫:0.00001m²
• 鸟:0.01m²
• 隐形飞机:< 0.1m²
• 地对空导弹:≈0.1 m²
• 人:1m²
• 小型战斗机:2-3m²
• 大型战斗机:5-6m²
• 运输机:高达100m²
• 沿海贸易船(55米长):300-4000m²
• 边缘长度为1.5米的角反射器:≈20000m^2[5][6]
• 护卫舰(103米长):5000-100000m²
• 集装箱船(212米长):10000-80000m²

定量分析，RCS在三维空间中计算为^[7]

其中，    是RCS，   是在目标处测量的入射功率密度，    是远处测量到的散射功率密度，    是目标和雷达之间的距离。

在电磁分析中，这通常被写成

其中，    和    分别是远场散射电场强度和入射电场强度。

在制造实际物体之前的设计阶段，通常需要使用计算机来预测实际物体的RCS值。这种预测过程的许多迭代可以在短时间内以低成本执行，而实际测量通常是耗时、昂贵和容易出错的。线性麦克斯韦方程使得用各种数值分析方法计算RCS变得相对简单，但是这一领域因军事利益和保密的需要而变得富有挑战性。

通过数值算法求解麦克斯韦方程组的领域被称为计算电磁学，许多有效的分析方法已经应用于RCS的预测问题。RCS预测软件通常在大型超级计算机上运行真实雷达目标的高分辨率CAD模型。

例如几何光学、物理光学、几何衍射理论、均匀衍射理论和物理衍射理论等高频近似法可以对波长远小于目标特征尺寸的情况进行分析。

统计模型包括卡方模型（Chi-square）、莱斯模型（Rice）和对数正态目标模型（log-normal）。这些模型用于预测给定平均值的RCS可能值，并且在进行雷达蒙特卡罗（Monte Carlo）模拟时非常有用。

纯数值方法，如边界元法(MOM)、有限差分时域法(FDTD法)和有限元法（FEM），受计算机性能的限制，只能对较长的波长或较小的物体进行计算分析。

虽然对于简单的情况下，这两种方法适用的波长范围有相当大的重叠，但对于复杂的形状和材料或非常高的精度，它们以各种混合方法组合在一起。

降低RCS在飞机、导弹、船只和其他军用车辆的隐身技术中非常重要。通过更小的RCS，车辆可以更好地躲避无论是来自陆基设施、制导武器还是其他车辆的雷达探测。缩减的结构设计还可以通过提高雷达对抗措施的有效性来提高平台的整体生存能力。

有几种方法。对于给定的雷达配置，可以检测到目标的距离随着其RCS的四次方根而变化。^[7] 因此，为了将探测距离减少到十分之一，RCS至少应降低10000倍。虽然这种程度的改进具有挑战性，但在平台概念/设计阶段使用专家和高级计算机代码模拟来实现下述控制选项是可能的。

5.1 目的塑造

目标反射表面形状的设计目的是将能量反射至远离发射源的方向。目标通常是围绕目标的运动方向创建一个“静锥区”。由于能量反射，这种方法被无源(多站)雷达所克服。

目标成形可以在F-117A夜鹰隐形战斗机的表面设计中看到。这架飞机设计于20世纪70年代末，虽然只是在1988年才公之于众，但它使用了大量的平面来反射入射雷达能量，使其远离发射源。Yue建议^[8] 在设计阶段利用有限的可用计算能力将表面数弯曲量保持在最低水平。B-2幽灵隐形轰炸机得益于计算能力的提高，使其外形轮廓和RCS进一 步减小。F-22猛禽和F-35闪电II延续了目标成形的趋势，并拥有更小的单站RCS。

5.2 非成形的重定向散射能量

与其他技术相比，这项技术相对较新，主要由于超表面（Metasurface）出现^{[9] [10]}。如前所述，几何变换的主要目的是将散射波从后向散射方向(或源)重新定向。然而，这可能会影响空气动力学性能 ^{[9] [11]}。一个可行的解决方案是利用超表面，它可以重定向散射波，而不改变目标的几何形状。这种超表面主要可分为两类:(一)棋盘型超表面，(二)梯度排布型超表面。

5.3 主动消除

通过主动消除，目标产生强度相等但相位相反的雷达信号，与入射预先雷达信号的反射相反(类似于噪声消除耳机)。这在反射和产生的信号之间产生了相消干涉，导致RCS减小。为了结合主动抵消技术，必须明确知道照明雷达信号的波形和到达角度，因为它们决定了抵消雷达反射信号所需的雷达信号能量的性质。除了简单或低频雷达系统之外，由于复杂的处理要求以及在飞机、导弹或其他目标的大范围内准确预测反射雷达信号的困难性，主动抵消技术的实施极其困难。

5.4 雷达吸收材料

雷达吸收材料（RAM）可用于原始结构，或作为高反射表面的补充。至少有三种类型的RAM:谐振式、非谐振磁性式和非谐振大体积式。

• 谐振式：能产生谐振但有些“损耗”的材料被应用到目标的反射表面。材料的厚度相当于预期照明雷达波的四分之一波长(a Salisbury screen)。入射雷达能量从吸波材料的外表面和内表面反射，以产生相消波干扰模式。这导致反射能量的消除。偏离预期频率将导致雷达吸收损失，因此这种吸波材料仅适用于频率单一、普通且不变的雷达。
• 非谐振磁性式：使用悬浮在环氧树脂或油漆中的铁氧体颗粒来降低表面对入射雷达波的反射率。因为其在更大的表面区域耗散入射雷达能量，所以它通常导致表面温度的微小增加，从而在不增加红外特征的情况下降低RCS。非谐振磁性式的一个主要优点是它可以在很宽的频率范围内吸收电磁波，而谐振式仅可以再很窄的频带内使用。
• 大体积吸波材料：通常是在玻璃纤维六边形单元飞机结构或其他非导电部件上添加电阻性碳负载。也可以添加贴片型电阻材料。由泡沫或气凝胶隔开的薄电阻片可适用于航天器。

仅由电介质和导体制成的薄涂层具有非常有限的吸收带宽，因此在重量和成本允许的情况下，可以在谐振式或非谐振磁性式吸波材料中使用磁性材料来拓展带宽。

5.5 基于等离子体的雷达截面降低

等离子体隐身是一种利用电离气体(等离子体)降低飞机RCS的方法。电磁辐射和电离气体之间的相互作用已经在许多方面进行了广泛地研究，包括将飞机的隐形技术。从简单的静电或射频放电到更复杂的激光放电，各种方法都有可能在车辆周围形成一层或一团等离子体来偏转或吸收雷达。从理论上讲，这种方法是可能的，但在实践中可能很难做到这一点。虽然RCS缩减效应在实验中得到一定证明，但是火箭和战斗机的预喷射在提高了其机动性和速度的同时也增加了RCS。

5.6 优化方法

薄的非共振或宽的共振涂层可以用莱昂托维奇阻抗边界条件（ Leontovich impedance boundary condition）来模拟。这是涂层表面上切向电场与切向磁场的比值，忽略了涂层内沿表面传播的磁场。这在使用边界元法计算时特别方便。表面阻抗可以单独计算和测试。对于各向同性表面，理想表面阻抗等于自由空间的377欧姆。对于非各向同性(各向异性)涂层，最佳涂层取决于目标的形状和雷达方向，即电场和磁场之间麦克斯韦方程的对称性（二元性），最佳涂层具有η₀ × η₁ = 377² ω²的特性，其中₀ 和η₁ 是各向异性表面阻抗的垂直分量，与边缘和/雷达方向齐平。对于电场平行于边缘的线性极化，一个完美的电导体从前缘有更多的反向散射，而对于电场垂直于边缘的机翼后向有更多的反向散射，因此也是最大的雷达威胁方向，高表面阻抗应该平行于前缘并垂直于后缘，在两者之间有某种平滑过渡。

为了计算这种隐身体的RCS，通常采用一维反射计算来计算表面阻抗，然后使用二维数值计算来计算边缘的衍射系数，再采用小的三维计算来计算拐角和点的衍射系数。然后，可以使用衍射系数、衍射物理理论或其他高频方法，并结合物理光学法计算RCS，包括来自被照亮的光滑表面的RCS贡献，以及计算环绕任何光滑阴影部分的爬行波的Fock计算。

优化的顺序正好相反。首先进行高频计算以优化形状并找到最重要的特征，然后进行小计算以找到问题区域的最佳表面阻抗，然后进行反射计算以设计涂层。对于数值优化来说，即使对于具有强大计算能力的计算机，大型数值计算也运行得比较慢，同时可能会分散工作人员对物理学的注意力。

对于天线而言，总的RCS可分为两个独立的部分，即结构模式RCS和天线模式RCS。RCS的两个分量与天线上发生的两种散射现象有关。当电磁信号落在天线表面时，部分电磁能量会散射回空间，叫做结构模式散射。剩余部分的能量由于天线的辐射效应而被吸收，由于阻抗不匹配，部分吸收的能量再次散射回空间，称为天线模式散射。^[12][13][14]