2.1 目标的电磁特征

雷达的目标信息包括目标位置信息和目标特征信息两大类。目标的位置信息隐含于目标回波中，可以通过对目标回波的距离和角度的精密跟踪获取目标的位置信息。实时获取运动目标的位置信息，还可以得到目标的运动参数和运动轨迹。目标特征信息也隐含于目标回波中，从中可以获取目标的雷达散射截面及其起伏模型、目标极化散射矩阵、目标多散射中心分布和目标图像等信息，它们表征了雷达目标的固有特征。

2.1.1 散射特性

目标的散射特性是影响主动和半主动导引头探测性能的重要因素。

1．雷达散射截面的定义

目标的雷达散射截面（RCS）是表征目标对于照射电磁波散射能力的一个物理量。RCS的量符号为σ，单位为平方米（m2）。RCS有两种定义：一是理论定义；二是实验定义。

RCS的理论定义由简明方程表达，即

式中：R 为观测点至目标的距离；Es为观测点处的目标散射电磁场的电场强度；E0为目标处的入射电磁场的电场强度。当距离R趋向无限大，即满足远场条件时，照射目标的入射波近似为平面波，且散射场强Es与R成反比，此时RCS与R无关。

RCS的实验定义由雷达方程导出，雷达方程可以表达为

式中：PR为雷达天线的接收功率；PT为雷达发射功率；GA为雷达天线增益；R为雷达-目标距离；σ 为目标的雷达散射截面；λ为雷达工作波长。式（2-2）具有明确的物理意义：第一个因子表示雷达在目标处建立的功率密度；前两个因子之积表示目标以一个等效面积σ 俘获入射能量并各向同性地辐射的功率密度；第三个因子为雷达天线的等效孔径面积，即AA=GAλ2/（4π），三个因子之积表示天线俘获目标的二次辐射功率。

由式（2-2）可写出RCS的实验定义：

当探测雷达的发射功率、天线增益和和工作波长确定后，根据距离和接收功率的测量统计值，可求得目标的RCS。

2．后向散射

主动导引头接收的反射波是导引头发射机照射目标后的后向散射，相应的目标雷达散射截面称为后向RCS，简称RCS。

1）典型飞机的RCS统计平均值

典型飞机的RCS统计平均值如表2-1所示，对应的工作波长为5 cm。飞机类目标方位维的RCS随方位角呈规律性变化，最小值出现在5°～20°范围（鼻锥方向为0°），最大值出现在90°附近。为了规范飞机类目标的RCS，通常取方位维-45°～+45°范围内的RCS统计平均值作为典型的RCS数值。飞机类目标俯仰维的RCS较大，隐身飞机的俯仰维的隐身效果也较差。对于隐身侦察强击机，俯仰角90°方向的RCS比俯仰角为0°的鼻锥方向的RCS增大约40 dB。

典型飞机的RCS统计平均值与波段的关系如表2-2所示。常规飞机的微波频段的RCS较小，RCS的频率响应通常两端高，中间低。

在（50～400）MHz范围内，飞机类目标可能产生RCS谐振现象，RCS数值明显增大。

2）典型导弹的RCS统计平均值

表2-3为典型导弹的RCS统计平均值，它给出了三种导弹在S、C、X、Ku波段上，俯仰角为0°时两种极化（水平极化或垂直极化）的方位维RCS，其值分别为导弹的头部和正侧部-45°～+45°范围内的RCS统计平均值。

在微波波段内，一般导弹类目标的RCS值应取0.1m2，侧向探测时可取（2～4）m2。

3）坦克和装甲车的RCS统计平均值

反坦克导弹的探测装置通常工作在Ka波段。坦克和装甲车的Ka波段RCS全方位统计平均值为（23～25）dBm2。坦克背部的RCS最大，可达32 dBm2。常规坦克和装甲车的RCS可取20 dBm2，隐身坦克的RCS可取10 dBm2。

4）军舰的RCS统计平均值

表2-4给出了典型导弹驱逐舰在Ku波段（16 GHz）和45°方位角条件下，水平极化RCS平均值与视线擦海角（天顶角的余角）的关系。

由表2-4可见，当视线擦海角较小时，海面影响不明显，典型导弹驱逐舰的平均RCS为45 dBm2。当视线擦海角大于55°时，海面散射影响很大，舰艇往往被淹没在海杂波之中，后向散射由舰艇和海面共同决定。

3．双站散射

半主动导引头接收的散射信号是照射器照射目标后偏离照射方向的散射，称为双站（或双基地）散射，相应的目标雷达散射截面称为双站RCS。由目标的后向RCS计算双站RCS的经验公式为[6]

式中：σd为双站RCS;σ 为目标的后向RCS;KT是由目标形体决定的经验系数；α为双站角（单位为弧度）。系数KT的计算式为

式中：AV为投影于波束垂直方向的目标面积；λ为波长。

对于隐身侦察强击机，当双基角大于120°时，双站RCS值相对于后向RCS值将增大（10～20）倍。采用大双站角的半主动寻的系统探测隐身目标时，可改善探测效果。

2.1.2 目标噪声

目标噪声是复杂形状的体目标相对于导引头的运动（包括轨迹变化和姿态角变化）引起的。复杂目标各部分散射回波幅度与相位的相对变化引起回波的波动，散射回波的幅度与相位是目标姿态角的函数。显然，目标噪声的统计分布不但取决于目标形状，还取决于目标与探测器的相对运动规律。此外，目标上的活动部件也是产生目标噪声的重要原因。目标噪声包括幅度噪声、角闪烁噪声、多普勒噪声与距离噪声。

1．幅度噪声

幅度噪声是指复杂目标的各散射中心的散射子矢量之和引起的信号幅度的起伏，幅度噪声频谱分布在低频至数千赫兹范围内。合理选择单脉冲跟踪体制的自动增益控制回路的带宽，可极大地抑制幅度噪声对角跟踪精度的影响。

2．角闪烁噪声

角闪烁噪声是由复杂体目标的多个散射中心的相位干涉导致接收天线口面处相位波前倾斜和随机摆动引起的。凡目标尺度与波长可比拟，且具有两个或两个以上等效散射中心的任何复杂目标，都会产生角闪烁噪声。角闪烁噪声用偏离目标几何中心的线偏差值表征，近距离时角闪烁噪声引起的角跟踪误差较大，这是弹载雷达导引头近距测角误差的主要误差源。

3．多普勒噪声

多普勒噪声是指体目标回波相位变化率相对于点目标回波相位变化率的差异所产生的随机量。目标的非线性径向运动（如目标机动或加速度飞行）、目标活动部件的运动、复杂目标的附加调制等都会产生多普勒噪声。

4．距离噪声

距离噪声是复杂目标引起的距离抖动，是影响测距精度极限值的重要因素。距离噪声功率谱密度分布与角噪声线偏差分布相似，距离噪声带宽约数赫兹，工作频率越高，距离噪声带宽越大。

2.1.3 起伏特性

视角不同时，目标的雷达散射截面也不同。由于雷达导引头和目标的相对运动，目标回波幅度是起伏的。20世纪50年代，斯威林（Swerling）提出了目标起伏的统计模型[7]，即斯威林Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ、Ⅳ模型。后来又出现了一种更通用的RCS起伏统计模型[8]，即χ2统计模型，它既包含了传统的斯威林模型，也适用于更多的雷达目标类型。χ2概率密度函数为

式中：σ 为RCS随机变量；为RCS平均值；kd为双自由度数值，称“2kd”为χ2分布的自由度。

1.2 自由度χ2分布

令kd=1，式（2-6）成为

式（2-7）为2自由度χ2分布，即斯威林Ⅰ分布。

2自由度χ2分布表示由多个均匀独立散射体组成的具有慢起伏特性的复杂目标的起伏特征，其特点为一次扫描过程中脉冲间相关，而扫描间有起伏。典型目标为前向观察的小型喷气飞机等。

2.4 自由度χ2分布

令kd=2，式（2-6）成为

式（2-8）为4自由度χ2分布，即斯威林Ⅲ分布。

4自由度χ2分布表示由一个占优势地位的大随机散射体和多个较小均匀独立散射体组成的具有慢起伏特性的复杂目标的起伏特征，其特点为一次扫描过程中脉冲间相关，而扫描间有起伏。典型目标为螺旋桨推进飞机和直升机等。

3.2 N自由度χ2分布

令kd=N，其中N为一次扫描中的脉冲积累数，式（2-6）成为

式（2-9）为2N自由度χ2分布，即斯威林Ⅱ分布。

2N 自由度χ2分布表示由多个均匀独立散射体组成的具有快起伏特性的复杂目标的起伏特征，其特点为脉冲间不相关。典型目标为喷气飞机和大型民用客机等。

4.4 N自由度χ2分布

令kd=2N，其中N也为一次扫描中的脉冲积累数，式（2-6）成为

式（2-10）为4N自由度χ2分布，即斯威林Ⅳ分布。

4N 自由度χ2分布表示由一个占优势地位的大随机散射体和多个较小均匀独立散射体组成的具有快起伏特性的复杂目标的起伏特征，其特点为脉冲间不相关。典型目标为舰船、卫星和侧向观察的导弹等。

相对于斯威林分布而言，χ2分布的双自由度kd值不一定是正整数。对于某一个特定目标的RCS起伏的概率密度分布曲线，可以用最小均方差法拟合出χ2分布的kd值。此外，当kd=∞ 时，σ 变为常值，可用来表示非起伏目标，如用于定标的球体等。

2.1.4 极化特性

飞机类目标的线极化回波的同极化分量在多数情况下强于交叉极化分量。然而某些角度上也存在交叉极化占优势的情况，有时高达20 dB，对隐身飞机尤其明显。显然，利用交叉极化分量进行探测，也是一种可能的反隐身措施[9]。

对海照射时，若采用水平极化发射，则同极化回波比正交极化回波强7 dB。若采用垂直极化发射，则同极化回波远强于正交极化回波。例如，在二级海情1°投射角时，同极化回波比正交极化回波强18 dB[10]。

尽管雷达散射截面是入射到目标上的电磁波的极化状态的函数，但它只是一个表征目标散射强度的标量。极化散射矩阵将散射场与入射场各分量联系起来，是一种对入射波和目标之间相互作用的最合理的描述。通常，散射矩阵具有复数形式，它随工作频率和目标姿态而变化，对于给定频率和目标姿态的特定取向，散射矩阵表征了目标散射特性的全部信息。

2.1.5 多散射中心

在高频区，复杂目标的电磁散射是由目标上的多个局部散射源的电磁散射合成的，这些局部散射源称为等效多散射中心，简称多散射中心。

采用线性系统方法分析目标的散射特征时，把目标作为一个线性系统。探测装置的照射信号为该线性系统的输入，而探测装置的接收信号为该线性系统的输出，即目标可以用一个系统传输函数来描述，它是目标中各个散射中心传输函数的集合。

主动导引头可实现高分辨处理：采用宽带信号高分辨探测技术获取散射中心在径向距离上的分布；采用多普勒高分辨处理技术获取散射中心在横向距离上的分布；采用距离-多普勒成像系统实现对目标散射中心的多维高分辨成像。高分辨探测以多散射中心的宽带散射为基础，故目标的多散射中心这一特点又称为目标的宽带特性[5]。

2.1.6 电磁辐射

目标的电磁辐射有两种形式：有源辐射和无源辐射。

1．有源辐射

有源辐射是指目标上装载的有源设备的辐射信号，如雷达和通信设备等的发射信号。只要确知被攻击目标上的有源装置辐射信号的先验信息，被动导引头就能从接收的众多信号中分选出目标辐射源信号，进行实时跟踪并提取目标的角位置信息。习惯上称探测有源辐射的被动导引头为反辐射导引头。

2．无源辐射

不同于主动导引头、半主动导引头和反辐射雷达导引头，无源探测依赖于目标的自然辐射。本质上，无源探测属于被动探测，但习惯上称无源探测装置为辐射计。在雷达导引头范畴，通常只讨论微波和毫米波辐射计。

热发射是自然辐射的主要来源，包括太阳和地球的热发射经其他物体反射或散射的辐射。对于地面上的物体，火箭喷焰之类的辐射源与周围的温度有明显的差别。对于一般物体，被其他辐射源照射而产生的发射或反射是无源辐射的主要来源，实际的温度差是相当小的。对于黑体，发射系数和吸收系数均为1；对于全反射体，发射系数和吸收系数均为0；介于1与0之间的中间值对应于灰体。发射率取决于材料性质与表面粗糙度。表面粗糙度与频率有关：在1 GHz附近，茂密树林可视为粗糙表面；在10 GHz附近，灌木林可视为粗糙表面；在35 GHz附近，低矮的草皮可视为粗糙表面。这些粗糙表面足以消除其覆盖下的地面的镜面反射。