3.1　大气层内目标RCS及其频率响应

3.1.1　各类飞机

各类飞机目标的RCS显著地依赖于被观察飞机的类型、照射频率和姿态角，同时也与照射波极化有关，因此需要一种规范性的描述。

1. 典型飞机RCS 统计平均值

下面给出3种典型飞机在不同频段上的RCS随方位角的变化曲线，分别如图3.1、图3.2和图3.3所示。

图3.1中横坐标方位角0°表示飞机鼻锥方向对准雷达来波，纵坐标RCS的单位为分贝平方米（dBm 2 ），即相对于1m 2 的分贝数。例如，0dBm 2 表示RCS为1m 2 ，10dBm 2 为10m 2 ，20dBm 2 为100m 2 。由图3.1、图3.2和图3.3所示的3条曲线可以得到如下规律性结论：

（1）频率越高，RCS对姿态角越为敏感。经计算， 时自相关姿态角小于1°； f ＞1GHz时，计算雷达检测概率时可以认为飞机属快起伏目标；在200～800MHz内，典型飞机处于目标谐振区高端，具有谐振现象，并起伏缓慢。

（2）RCS随方位角有规律地变化，通常最小值在5°～20°内（非0°时最小）；方位角处于飞机后掠翼前缘法线方向时RCS曲线呈现突增，被称为“突增线”（如图3.1在方位60°处），可用于对飞机翼后掠角的识别；通常在正侧向（方位角90°）RCS最大，可达几百平方米，因此一个飞机目标的RCS起伏动态范围可达40dB。

（3）为规范性描述飞机的RCS，通常以飞机水平状态时，鼻锥方向方位角在0°～45°内统计平均值作为典型RCS值给出。

表3.1给出了工作波长 λ = 5cm时各类飞机RCS的典型统计平均值。20世纪50年代开始，各国在设计防空雷达时，其雷达实际作用距离一般按典型飞机目标RCS为4m 2 来确定。随着隐身飞机的工程化和实用化，从20世纪80年代开始，防空雷达设计时的典型飞机目标的RCS一般定为0.4m 2 （相当于准隐身战斗机）。

2. 飞机RCS 的频率响应

标准散射体与锥球体等目标的RCS明显依赖于频率，可参考图2.6和表2.3。而飞机属于复杂结构形状目标，后向散射较为复杂。由于飞机的低可见度设计一般针对常用的微波频段，因此飞机RCS的频率响应通常两端高，中间低。图3.4所示为一架典型隐身强击/侦察机（类似F-117A型）RCS的频率响应趋势曲线。如图3.4所示，当频率低于200MHz时，RCS有迅速增大的趋势。而在高端，高于16GHz后，RCS也有增大的趋势。

表3.2给出了两种典型飞机RCS统计平均值（鼻锥向±45°）与波段的关系。该表中数值以C波段RCS为准，并参考图3.4的实测曲线经理论估算和验证而得。用该表与表3.1一起可查到其他各类飞机RCS的频率响应变化范围的估值。

值得注意的是，在频率50～400MHz内，飞机目标有可能产生RCS谐振现象，谐振产生的RCS振幅可达10dB左右，但其谐振频率点则随飞机大小与形状而不同。因此有人建议，雷达可采取频率搜索方式探测低可见度飞机目标，一旦探测到，频率搜索停止。图3.5为苏联作者发表的鼻锥向飞行的小型喷气式飞机RCS随频率变化的谐振曲线（对原图坐标单位做了修改） [3] 。对特征尺度大于10m的飞机，其RCS谐振特性发生在小于100MHz的地方。

3 . 飞机RCS 的俯仰姿态角响应

由于隐身飞机的低可见度设计不可能在两个欧拉角内均达到隐身，尤其在俯仰平面内有可能观察到大RCS值，因此对于弹载导引头和机载雷达来说，选择俯视观察目标有可能取得良好的反隐身效果。图3.6为一架典型隐身强击/侦察机（类似F-117A型）的RCS测量值随俯仰姿态角的变化曲线。该图中，横坐标俯仰角0°表示飞机鼻锥正视雷达方向。当俯仰角达到52°时，RCS将增大240倍（相对于俯仰角0°）。

4. 飞机RCS 的双基地特性

对低可见度飞机目标探测时，有时要采取大双基地角来反隐身。图3.7所示为一架典型隐身强击/侦察机（类似F-117A型）双基地RCS随双基地角变化的计算曲线。由该图可见，当双基地角大于120°后，双基地RCS值显著地增大，这是由于产生前向散射机理的缘故。该图表示，一架单基地RCS为0.9m 2 的隐身飞机，在双基地角 时，其双基地RCS可达14.7m 2 。

3.1.2　空地导弹

图3.8以曲线方式给出了在C、Ku和X波段，对俯仰角为0°时测量的“哈姆”反辐射导弹模型的两种极化RCS随方位角变化的情况。注意 ϕ =180° 代表鼻锥方向。数据经过4°窗口和1°步长的平滑。图3.9所示为该导弹模型的三视图。

图3.10和图3.11以曲线方式分别给出了在C、S和Ku及X波段上，对俯仰角为0°时测量的“幼畜”空地导弹模型的两种极化RCS随方位角变化的情况。方位角 ϕ =180° 代表鼻锥方向。数据经过4°窗口和1°步长的平滑。图3.12所示为该导弹模型的三视图。

为了便于利用，表3.3给出了由图3.8、图3.10和图3.11归纳的俯仰角为0°时“哈姆”反辐射导弹和“幼畜”空地导弹头部（ ϕ =180°）和正侧部 RCS（±45°平均）的参考值。

由表3.3可见，对于受攻击的雷达（处于头部），空地导弹目标RCS在主要微波波段范围内应按0.1m 2 设计，侧向观察可按2～4m 2 设计。

3.1.3　巡航导弹

图3.13以曲线方式给出了在C、S、Ku和X波段上对俯仰角为0°时，测量的“战斧”巡航导弹模型的两种极化RCS随方位角变化的情况，其数据经过4°窗口和1°步长的平滑。表3.4给出了归纳的“战斧”巡航导弹头部（ ϕ =180°）和正侧部（ ϕ =90°）RCS（±45°平均）的参考值。请注意，由于模型是完纯导体，所以该表中的结果应该认为是没有隐身吸波涂层贡献的结果。吸波涂层可能使RCS再降低5～8dB。因此，对于受攻击的雷达，巡航导弹RCS在主要微波波段范围内应按0.1m 2 设计，侧向观察按2m 2 设计。

3.1.4　自然目标

对地基和空基雷达来说，地球表面相当于一种杂波源。因此，必须（至少是粗略地）知道沙漠、耕地、户外树林、有树林的小山等的雷达回波的量级。表3.5所示为不同地形类型散射截面的每平方米平均RCS的测量值（以1m 2 为参考值，单位为dBm 2 ） [4] 。

雷达工程师经常对诸如建筑物，甚至城市之类的城市建筑的散射感兴趣。表3.6是对不同频率和擦地角测量的小建筑物和城市每平方米的平均RCS [4] 。该表中的参数是每单位表面面积的平均后向散射截面，用 γ 表示，以1m 2 为参考值，单位为dBm 2 。当入射面与两座建筑物中的一座重合时，道路平行和垂直的城市一般比道路不规则城市的RCS要大得多，这可能是因为在地面和建筑物的外墙之间形成了角反射器的缘故。

海面也是一种有重要意义的自然目标。海面散射的信息对海背景下雷达目标的检测和识别是必需的。由于风速或海面结冰，海面条件在一天和一年内都会有明显的差别。有关海面散射的文献很多，这里只能涉及其中很少的一部分。海面散射早期的解析模型可在文献[2]中找到，文献[5-7]讨论了严格的解析模型。表3.7是在不同的频率和掠射角（或俯角）下，对不同风速测量海面的每单位面积的平均同极化的RCS [4] （即散射系数）。

图3.14和图3.15分别是频率为428MHz和4.455GHz时，两种极化下海面的理论RCS和测量RCS的比较，单位为dBm 2 ，按1m 2 归一化。这里给出的RCS数据来自Daley等的测量结果 [5] ，以及组合表面散射模型的理论结果 [6] 。两图中指出的条件是雪天。

在雷达检测空中目标以及测定目标的位置时，经常会遇到飞鸟的回波出现在雷达显示器上，这使得正确检测变得困难。通过在厘米波段对飞鸟之类的雷达目标进行分析，可以发现，鸟体能反射70%以上的入射射频（RF）能量，而羽毛消耗其余的能量 [3] 。在厘米波段鸟羽毛的介电常数大约是1.34，图3.16画出了在18°仰角上观察的几种鸟的RCS曲线。鸟的RCS方向图表明，最大RCS出现在侧边角度上，即沿着鸟翅膀看的时候。实验数据显示出翅膀跨度对鸟的RCS几乎没有影响 [3] 。

鸟的RCS与它们的质量之间存在一种联系 [8] ：例如，在S波段（2～4GHz）的垂直极化测量表明，质量为70g的欧椋鸟的平均RCS为10 -3 m 2 ，而质量为1kg的野鸭的平均RCS为10 -2 m 2 。

鸟的回波用不同的幅度调制来表征，调制频率反比于鸟的大小。从燕子到苍鹭不同种类的鸟，按鸟大小有2～10Hz的翅膀拍动频率 [8] 。飞行中，在翅膀拍动一定数量之后，有一定的休息时间，即没有翅膀拍动飞行时，对应于无回波起伏。鸟的速度在32～56km/h（9～15m/s）范围变化。

文献[9]给出了计算单只鸟的RCS理论计算公式为

式（3.1）中， W 是鸟的质量，单位为g； λ 是波长，单位为cm。一些成年鸟的典型质量及其RCS如表3.8所示。图3.17给出了频率为1200MHz和400MHz时单只鸟的平均RCS随鸟质量的变化曲线。

实际上人们更感兴趣的是鸟群的RCS。表3.9给出了通常情况下鸟群的密度（单位分辨率内鸟的数量）。根据鸟群的密度，可以推算鸟群的RCS。作为最简单的近似，假设鸟的分布是随机的，但取向是朝同一方向飞行，忽略鸟之间的互耦影响，可以认为鸟群的散射场是考虑相对于观察点波程差后各只鸟平均RCS的复数和，经取模值后得到鸟群的RCS。

Blacksmith和Mack对成年鸭子的RCS进行了测量 [10] 。实验结果整理成统计形式如图3.18所示。结果表明，一只成年鸭子的RCS约为-12dBm 2 。

Mack等在1166MHz的频率上对1.8kg的鸭子和4.9kg的鹅进行了RCS测量 [11] 。结果表明，鸭子的水平RCS在0.02～0.048m 2 之间，垂直RCS在0.001～0.02m 2 之间；鹅的水平RCS在0.07～0.28m 2 之间，垂直RCS在0.0017～0.18m 2 之间。

Hajovsky等人曾在得克萨斯大学进行了一系列的实验 [12] ，用于确定昆虫回波的大小。实验收集了10种不同的昆虫，长度为5～20cm不等。实验用的是简单的CW测量系统，在9.4GHz频率上进行测量。测量结果汇总于表3.10中。

实验表明，昆虫回波的大小既随昆虫的体长尺寸而增大，也与角度有关。从头部入射和侧边入射测量昆虫的RCS，对于长而细的昆虫，纵向（侧面）RCS比横向（顶部）RCS大15dB；而对纵横差不多的昆虫，其纵向和头部RCS之差不大于2dB。

作为雷达目标的人，其散射特征经常是值得注意的（见图3.19）。实验表明，在RCS和质量之间存在正比的关系，人体RCS也与雷达频率有关系 [2] 。