第1章 绪论
雷达目标特性是雷达系统设计和性能分析的基础，是具有全局性、基础性和先进性的关键技术领域。雷达目标特性技术的进步与雷达技术的发展相互促进，相辅相成。一方面，多目标、假诱饵、隐身与低空突防等手段的出现迫使雷达发展了相控阵、宽带、多基地、脉冲多普勒等多种先进体制；另一方面，目标识别、雷达对抗、隐身与反隐身等战术应用的兴起，也促进了目标特性技术的进步。军事上常见的雷达目标包括飞机、弹头等重要目标，因此本书主要将这两种目标作为电磁仿真的对象。
与电磁辐射概念不同，目标电磁散射指的是电磁波照射到物体后产生的二次辐射。衡量目标电磁散射能力的一个指标就是耳熟能详的雷达散射截面积（RCS）。雷达探测目标的原理就是利用了目标的散射，目标RCS的大小直接反映了目标在雷达探测下的隐身能力。除此以外，由于现在雷达I/Q正交采样技术的发展，RCS不再仅仅衡量目标散射能力的强弱，RCS相位信息还包含了目标散射中心的相对位置关系，宽带雷达可以利用测量得到的目标复数RCS对目标进行成像。因此，针对合作方雷达目标，利用雷达设备在外场测量目标的RCS，或利用矢量网络分析仪等设备在暗室中测量目标的RCS可以了解己方雷达目标的隐身性能及目标特性。针对非合作方雷达目标，测量其RCS数据，主要用来分析其隐身性能及可识别特征。
电磁仿真计算、暗室静态测量、外场静态测量、外场动态测量是研究雷达目标特性的四种基本方法，这四种方法与实际作战情况的贴近程度依次提高。外场动态测量得到的目标特性更加逼近实战条件下目标的真实表现，可以称为“真值”。“真值”与电磁仿真计算、暗室静态测量和外场静态测量存在显著差异，误差主要来自以下几个方面：
（1）目标模型制作材料与真实目标的差异；
（2）缩比模型的电磁缩比关系不准确；
（3）目标姿态变化与真实目标运动模型不一致；
（4）真实目标活动部件的振动和转动等微运动难以模拟。
外场静态、动态测量是获取目标真实电磁散射特性的必要手段，但其实施过程仍存在以下问题：
（1）测试场占地大，建设成本高；
（2）背景电平较高，受气候影响较大；
（3）测试耗费大量人力物力；
（4）进行重复实验成本高；
（5）无法针对非合作目标开展测量工作。
由于外场测量的以上问题，工程上通常采用暗室测量数据和电磁仿真数据作为研究雷达目标特性的工具。暗室测量一般在微波暗室内进行，一方面防止了信号的辐射泄漏，满足保密要求；另一方面不会被外界环境、电磁信号干扰等因素影响仿真的可靠性。因此，暗室测量技术受到世界各国的高度重视和广泛研究。
微波暗室通过在房间内敷设吸波材料，通过减少墙壁反射，在某一部分形成一个近似无回波区（静区）的内场环境。因此，微波暗室的设计决定了其用途与实验精度，在研制雷达系统的过程中有着举足轻重的作用。在一系列影响微波暗室设计的因素中，尤其以反映静区反射强度的电性能指标最为重要。
国外微波暗室的建设起步较早，技术成熟，不少暗室的静区反射率电平能够达到-30～-40dB，可以满足一般的微波工程测量任务。1984年，美国俄亥俄大学建立了微波暗室，以完成目标散射截面积测量等任务。美国Raytheon公司构建了天线测量微波暗室，能够完成天线测量、RCS测量、逆合成孔径雷达（Inverse Synthetic Aperture Radar，ISAR）成像等任务。林肯实验室则构建了近场测量暗室、系统测量暗室、锥形暗室等一批功能丰富的微波暗室，如图1.1所示。
图1.1 美国微波暗室实物图
随着我国经济和技术的发展，国内工业集团和各高校也建立了不同功能的微波暗室，大部分暗室静区性能可以达到-40dB。
天线测量及雷达系统性能测量应当在远场区进行，一般远场条件需要测试距离大于R0=2D2/λ，对于X波段而言，当天线口径为1.5m时，要求实验距离大于150m。这对微波暗室的设计和成本而言，是难以实现的。工程中通常采用紧缩场技术解决远场条件测试的问题。
紧缩场技术是通过对被测量天线的波前进行修正，达到在较近距离满足远场测量条件，从而降低天线测试中对试验距离的要求。实现紧缩场主要有三种方法，一种是利用金属抛物反射面，这种方法比较成熟，静区特性好且工作频带较宽，因此国内研究机构、高校广泛采用这种方式实现目标电磁特征测量。图1.2为紧凑场微波暗室的金属抛物反射面，支持频率范围为0.1～40GHz。第二种是全息紧缩场，在天线测量领域也获得了广泛应用。最后一种是介质透镜紧缩场，这种紧缩场方式易于满足辐射式仿真试验时阵列模拟目标与被试天线间的相对态势关系，因而也被广泛使用。
图1.2 时域紧缩场微波暗室抛物反射面
在目标特性测量方面，国内外主要采用冲激脉冲与扫频信号模拟雷达发射信号，获取目标电磁特征。
1.冲激脉冲目标测量方法
冲激脉冲目标测量是通过发射超短脉冲信号对目标特性进行测量。由于信号脉宽较短，从而具有大带宽特性，利于获取宽带雷达目标散射特性。另一方面，冲激脉冲持续时间很短，在时域即可解决收发信号隔离问题，可以在较小的微波暗室中完成测量。
2.扫频信号目标测量方法
扫频方案通常是利用矢量网络分析仪的扫频源发射扫频信号，在测试带宽内对目标进行测量和分析，扫频测量的方法精度更高、能实现一维成像、具有高分辨率，且包含了整个扫频宽度内各频点的目标特性信息，是目前雷达目标特性测量广泛采用的方式。图1.3中美国林肯实验室利用微波暗室，通过发射扫频信号，对弹头目标微动特性进行了测量与目标特性分析。
图1.3 弹头目标欠采样数据特性分析
图1.3 弹头目标欠采样数据特性分析（续）
随着对雷达目标运动特性的认识加深，国内学者利用微波暗室射频仿真的方法对雷达的宽带目标特性开展了广泛研究。图1.4为中国防科技大学的刘进等构建的紧凑场微波暗室动态测量系统，采用扫频信号分析了空间进动目标动态散射特性。北京航空航天大学的高旭等，在微波暗室中利用扫频信号研究了飞机目标中缝隙部位的电磁散射特性。
图1.4 扫频信号暗室测量的目标动态特性分析
采用扫频信号进行目标静态测量时，通常是将目标置于转台上，通过转台旋转对每个方位角进行宽带扫频测量，实现目标RCS二维成像。但静态测量无法反映目标的运动特性，难以逼真地再现实际场景中目标RCS的动态信息。尤其对于实现高精度方位下的目标特性测量，需要设定较小的转台方位角间隔。例如，对0°～180°的方位角进行测量，若方位角间隔为0.2°，则需要900个角度的测量，当扫频带宽为2GHz，扫频间隔为5MHz时，每个角度需要进行400个频点的扫描，这大大增加了开展实验的工作量和数据处理的难度。由于矢量网络分析仪通过对设定带宽内的所有频点扫描结束后才能进行下一方位角的测量，使得测量系统信号等效脉冲重复频率（Pulse Repetition Frequency，PRF）较低，通常仅能达到几十赫兹量级。
当前，雷达系统广泛采用脉冲信号完成空间目标的探测、特性测量与成像。由于脉冲信号能够达到较高的PRF，对高动态目标特性测量具有较大的优势。在外场环境中，目标与雷达距离在数十千米至百千米。但微波暗室空间有限，天线与目标距离较近，至多在百米范围内，如图1.5所示。对于雷达系统，在收发分时方式下，发射信号与接收信号将会在接收天线处产生遮挡，无法获取完整的目标回波。在收发同时方式下，接收天线将会收到发射天线的强耦合信号，使得收发信号难以被有效分离。在收发天线之间放置隔离器，可以降低信号互耦的程度，但是对隔离器的设计提出了较高要求。
图1.5 暗室尺寸与脉冲宽度的矛盾
电磁仿真作为一种获取目标静态散射特性的低成本途径，具有用时少、周期短、节约资源等优点。随着计算机技术的发展及GPU编程、分布式计算等程序并行方法的实现，使得仿真时间大大缩短。电磁仿真方法在这个基础上逐渐成为复杂目标特性分析的重要辅助手段，并成为学界和工程界研究目标特性最主要的工具。随着计算电磁学在工程应用领域影响力的不断加深以及相关理论的不断成熟，各种集成的商用电磁分析软件越来越多。这些专业的电磁分析软件大多集成了建模、数值分析以及结果显示等相关功能模块，使得操作者可以更加方便、直观地进行目标电磁特性分析，大大降低了计算电磁学的研究门槛。
（1）以矩量法为主的微波软件：FEKO，ADS，Ansys Designer，Zeland IE3D，Sonnet，Microwave Office，Ansys Esemble，Super NEC；
（2）以有限元法为主的微波软件：HFSS和ANSYS；
（3）以时域有限差分法为主的微波软件：EMPIRE和XFDTD；
（4）以有限积分法为主的微波软件：CST Microwave Studio；
需要指出的是，上述的分类并非是固定的，随着各种电磁分析软件开发商的不断更新维护，现有的电磁分析软件往往不局限于一种算法，正向着多种算法相结合的趋势发展。
国内在电磁仿真领域起步相对较晚，但是发展十分迅速。东南大学、武汉大学、北京航空航天大学、浙江大学、上海交通大学、南京大学等高校已开发出各具特色的电磁特性预估软件。上海东骏信息科技有限公司自主研发了国内首款成熟的全矢量三维电磁模拟仿真软件EastWave。EastWave是基于严格的时域有限差分算法（FDTD）和近似的物理光学算法（PO）等的软件系统。经过十多年长期研发，上海东峻在严格全波FDTD算法方面取得系列突破，在保证计算精度的前提下，EastWave软件在计算速度上大大提高。
本书利用的电磁仿真软件以FEKO为主，但是更加侧重的是对电磁仿真数据的处理和目标散射特性的认知，相关电磁波方向、极化坐标系的设置等在各款电磁计算软件也基本都是互通的，因此，研究人员具体采用哪一款电磁仿真软件并没有什么影响。