CN111564702B - 一种雷达散射截面缩减方法及加载在天线阵上的调控系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达信号技术领域，公开了一种雷达散射截面缩减方法及加载在天线阵上的调控系统，在天线对之间加载RCS调控模块，通过信号控制电路选择不同的通路，获取多种不同的工作状态；根据不同应用场景需求，选择不同的工作状态，获得所需要的RCS差值，实现对工作阵列的隐身和保护。本发明不同于以往RCS缩减的方法，不需要在天线阵列外部加载任何物体，仅需要在内部加载特殊的RCS调控模块，可以在不影响原天线正常工作的前提下，通过工作状态的切换，使得RCS呈现一定的差值，在无源条件下即可实现较为良好的效果。也可以通过加载放大器的方法，进一步提高RCS的差值，达到更佳的RCS缩减效果。

Description

一种雷达散射截面缩减方法及加载在天线阵上的调控系统

技术领域

本发明属于雷达信号技术领域，尤其涉及一种雷达散射截面缩减方法及加载在天线阵上的调控系统。

背景技术

目前，雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)是度量目标物体在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量，是表征目标隐身性能的重要指标。对于如何降低天线的雷达散射面积，主要可概括为：(1)天线系统的伪装技术，即在天线系统不工作时将其伪装起来，在需要的时候再将其恢复到工作的状态。实现天线系统伪装的途径有很多，在天线系统关闭时，可改变天线的指向，从而改变其散射的主要方向，使得探测的雷达波无法直接照射到天线上。此外，还可加载涂覆有隐身材料的天线罩，在天线不工作时，再将天线罩摘除。

(2)加载技术，随着电磁超材料的出现，可以利用超材料的特殊性质通过加载超材料结构进行有效的雷达散射面积缩减，例如通过加载电磁带隙结构、人工磁导体、频率选择表面等方式。

(3)天线加载对消技术，即通过加载不同尺寸和形状的结构，使得入射波的各个散射场进行相互干渉和抵消，从而达到对雷达散射面积的缩减。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)天线系统的伪装技术，大多只适合天线不工作时的隐身，对天线工作时无法达到有效的隐身效果，同时也会增加整个系统的尺寸以及复杂性。

(2)加载技术虽然能够实现非常良好的RCS缩减效果，但与此同时会对天线系统本身产生负面影响，需要在牺牲一定性能的前提下进行RCS的缩减。

(3)对消技术通过加载特殊结构，使得散射场进行抵消，但需要极高的精度把握，一旦出现偏差，很有可能使得原本缩减的RCS变大，取得适得其反的负面效果。

解决以上问题及缺陷的难度为：为了实现目标隐身效果的提高，需要降低其RCS，但不可避免会带来一定的负面影响，因此既要保证RCS缩减效果的同时，也要尽可能降低对天线本身性能的负面影响，这是RCS缩减技术的难点之一。

解决以上问题及缺陷的意义为：雷达散射截面的缩减技术会极大提高目标的隐身效果，但如今大多缩减技术都会在实现隐身效果的同时，为天线系统本身带来不同程度的负面效果，且不易实现小型化。因此可以提出一种解决此问题的RCS缩减和调控方式，可以在保证RCS缩减效果的前提下，最大化天线自身性能，以保证系统工作性能。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明提供了一种雷达散射截面缩减方法及加载在天线阵上的调控系统。具体涉及一种基于Van Atta天线阵的RCS缩减方法及加载在VanAtta天线阵上的新型RCS调控系统。

本发明是这样实现的，一种雷达散射截面缩减方法，所述雷达散射截面缩减方法包括：

在天线对之间加载RCS调控模块，通过信号控制电路选择不同的通路，获取多种不同的工作状态；

根据不同应用场景需求，选择不同的工作状态，获得所需要的RCS差值，实现对工作阵列的隐身和保护。

进一步，四元天线构成Van Atta天线阵列，在天线对中添加两个RCS调控模块，通过控制信号进行开关切换，选择不同的通路，对应四种不同的工作状态；

一种工作状态为最基本Van Atta天线阵列，天线阵列正常工作，其余三种工作状态分别基于不同的原理，实现不同程度的RCS缩减。

进一步，所述多种不同的工作状态包括：

工作状态1：两个RCS调控模块均指向通路1，对应最为基础的Van Atta 天线阵列，具备方向回溯特性，接收入射波雷达信号时，通过等长传输线，在发射天线处相位梯度相反，回溯信号指向来波信号方向，获取较大RCS值；

工作状态2：RCS调控模块1导通通路1，调控模块2导通通路2，在1号阵元和4号阵元的传输线上增加180°相位；接收入射波雷达信号后，两通路相位相消。

进一步，所述多种不同的工作状态进一步包括：

工作状态3：RCS调控模块1导通通路2，调控模块2导通通路3，1号和 4号阵元的传输线上增加长度为2l_a的传输线，2号和3号阵元则增加长度为l_a的传输线，重新定义回溯波方向，偏移源方向固定角度，将散射场最大值方向偏离源方向；

工作状态4：RCS调控模块1导通通路3，RCS调控模块2导通通路4，天线接收的入射波信号在理想情况下全部被匹配负载吸收，没有回溯信号发出。

进一步，所述工作状态3的获取方法进一步包括：

原有入射波角度为θ，则各阵元间相位梯度为：

传输线等长或者相差波导波长的整数倍，则回溯波指向来波方向，角度为θ；

总的相位梯度为：

再辐射角度为：

入射信号角度为θ时，附加的相位梯度为：

δ＝k₀d(sinθ-sinα)

附加相位是δ的倍数。

进一步，相位附加的方法包括：

微带线上的波导波长λ_g与自由空间中的波长λ₀关系：

其中，ε_e为有效介电常数，由下式计算：

其中，ε_r为相对介电常数，h为介质板厚度，w为微带线宽度；

由式

和式

计算出波导波长，使用等长或相差波导波长整数倍的传输线来连接天线对，获得Van Atta天线阵列；

计划实现γ＝θ-α的角度偏差，由式δ＝k₀d(sinθ-sinα)计算出需要附加的相位梯度δ；需要改变的传输线长度：

其中，β_g为相移常数，表示传输线上每单位长度上波的相位滞后，计算公式为：

以l_a的整数倍对传输线进行调整获得附加的相位梯度。

本发明的另一目的在于一种加载在天线阵上的调控系统包括：

四元天线构成VanAtta天线阵列；

在VanAtta天线阵列的传输线中添加的两个RCS调控模块，通过控制信号进行开关切换，选择不同的通路，对应四种不同的工作状态，获取不同的RCS 测量值。

本发明的另一目的在于一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行所述的雷达散射截面缩减方法，包括：

在天线对之间加载RCS调控模块，通过信号控制电路选择不同的通路，获取多种不同的工作状态；

根据不同应用场景需求，选择不同的工作状态，获得所需要的RCS差值，实现对工作阵列的隐身和保护。

本发明的另一目的在于一种存储在计算机可读介质上的计算机程序产品，包括计算机可读程序，供于电子装置上执行时，提供用户输入接口以实施所述的雷达散射截面缩减方法。

本发明的另一目的在于一种执行所述的雷达散射截面缩减方法的天线伪装设备。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：不影响天线系统正常工作的前提下，本发明提出了一种结合单刀多掷开关的可调控RCS 天线系统，针对不同的工作环境，实现工作状态与隐身状态下具有不同的RCS 差值。传统的RCS缩减方法如天线系统伪装技术，大多是通过关闭系统来实现隐身，但工作时无法隐身，如果添加天线罩等，则系统十分笨重且比较繁琐。此外，加载技术和对消技术等，大多需要增加额外的结构来实现，在一定程度上限制天线的性能。本发明仅需要使用开关芯片来进行工作模式的切换，对天线性能的影响微乎其微，在无源情况下便具备较好的性能，同时可以实现系统小型化。

本发明在天线对之间加载特殊的RCS调控模块，通过信号控制电路来选择不同的通路，呈现四种不同的工作状态。其中一种工作状态表现为最基本Van Atta天线阵列，此时天线阵列正常工作，由于具备方向回溯特性，因此RCS较高。其余三种工作状态分别基于不同的原理，可以实现不同程度的RCS缩减，根据不同应用场景的需要，选择不同的工作状态，进而呈现出所需要的RCS差值，实现对工作阵列的隐身和保护。本发明不同于以往RCS缩减的方法，不需要在天线阵列外部加载任何物体，仅需要在内部加载特殊的RCS调控模块，可以在不影响原天线正常工作的前提下，通过工作状态的切换，使得RCS呈现一定的差值，在无源条件下即可实现较为良好的效果。也可以通过加载放大器的方法，进一步提高RCS的差值，达到更佳的RCS缩减效果。

RCS调控模块可以通过控制电路来选择不同的通路，呈现四种不同的工作状态，其中一种表现为正常工作的状态，其余三种状态基于不同的原理，实现不同程度的RCS缩减。对比现有技术，加载RCS调控模块具有更强的灵活性，可以根据不同应用场景的需要，选择不同的工作状态，进而展现出不同的RCS 差值。同时，由于RCS调控模块的结构并不复杂，因此易于集成，可以实现小型化。此外，由于并未在天线系统外部添加任何因素，只是丰富了电路结构，因此结合合理的设计方案，对天线系统的影响会较小，可以在保证原有系统工作性能的前提下，实现RCS缩减。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的雷达散射截面缩减方法流程图。

图2是本发明实施例提供的Van Atta天线阵示意图。

图3是本发明实施例提供的加载RCS调控模块的Van Atta天线阵列图。

图4是本发明实施例提供的偏离固定角度示意图。

图5是本发明实施例提供的工作状态2示意图。

图6是本发明实施例提供的工作状态3示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

随着各种新型RCS缩减方法的出现，给予了实现方式更多的选择，但大多方法在实现RCS缩减的同时，会对天线系统本身产生负面影响，需要在牺牲一定性能的前提下进行RCS的缩减，同时也会增加整个系统的复杂性。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种雷达散射截面缩减方法及加载在天线阵上的调控系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供一种雷达散射截面缩减方法包括：

S101，在天线对之间加载RCS调控模块，通过信号控制电路选择不同的通路，获取多种不同的工作状态。

S102，根据不同应用场景需求，选择不同的工作状态，获得所需要的RCS 差值，实现对工作阵列的隐身和保护。

如图2所示，本发明提供一种加载在天线阵上的调控系统包括：

四元天线构成Van Atta天线阵列。

在Van Atta天线阵列的传输线中添加的两个RCS调控模块，通过控制信号进行开关切换，选择不同的通路，对应四种不同的工作状态，获取不同的RCS 测量值。

方向回溯阵列的主要实现方式有角反射器、VanAtta阵、外差混频技术等，考虑到尽可能降低系统的复杂度，采用实现相位共轭条件相对简单的Van Atta 天线阵列。如图2，Van Atta天线阵列中的天线单元关于阵列几何中心对称，互为对称关系的两个天线单元由等长传输线连接，记为一组天线对。所有天线对之间连接所用的传输线均相等。其中一个天线单元接收入射波信号后，经过等长传输线到达天线对中的另一个天线单元并发射出去，以此保证不同天线单元之间具有相同的相位延迟，进而实现空间上的相位共轭，使得阵列天线的回波对准来波方向，实现方向回溯。

由于VanAtta天线阵列实现相位共轭的原理较为简单，因此可以在电路部分添加RCS调控模块，进而实现基于方向回溯阵列天线的RCS缩减，拓展其应用范围，实现更加丰富的功能。如图3所示，四元天线构成Van Atta天线阵列，在传输线中添加两个RCS调控模块，通过控制信号来进行开关切换，选择不同的通路，对应四种不同的工作状态，具备不同的RCS测量值。切换前后的RCS 差值可根据系统设计满足不同的工作环境需求，进而实现RCS隐身效果。

在本发明中，四元天线构成Van Atta天线阵列，在天线对中添加两个RCS 调控模块，通过控制信号进行开关切换，选择不同的通路，对应四种不同的工作状态；

一种工作状态为最基本Van Atta天线阵列，天线阵列正常工作，其余三种工作状态分别基于不同的原理，实现不同程度的RCS缩减。

工作状态1：两个RCS调控模块均指向通路1，此时对应最为基础的VanAtta 天线阵列，具备方向回溯特性，当接收入射波雷达信号时，通过等长传输线，在发射天线处相位梯度相反，回溯信号指向来波信号方向，具有较大RCS值。

工作状态2：RCS调控模块1导通通路1，调控模块2导通通路2，此时在 1号阵元和4号阵元的传输线上增加了180°相位。当接收入射波雷达信号后，由于两通路存在180°相位差，因此实现了相位相消，方向图在原最大方向上具有较大凹陷，此时RCS值很低。

工作状态3：RCS调控模块1导通通路2，调控模块2导通通路3，此时1 号和4号阵元的传输线上增加了长度为2l_a的传输线，而2号和3号阵元则增加长度为l_a的传输线，可以重新定义回溯波方向，使其偏移源方向固定角度，将散射场最大值方向偏离源方向，降低RCS值。接下来对基本原理和计算过程做推导。

假设原有入射波角度为θ，则各阵元间相位梯度为：

如果传输线等长或者相差波导波长的整数倍，则回溯波指向来波方向，角度为θ。如果人为改变这种自然形成的相位梯度，即可改变再辐射的方向至α，如图4所示，其中附加相位梯度δ可由移相器或者调整传输线长度来实现。

此时总的相位梯度为：

此时再辐射角度为：

因此，入射信号角度为θ时，需要附加的相位梯度为：

δ＝k₀d(sinθ-sinα) (4)

附加相位是δ的倍数即可。接下来以改变传输线来实现相位附加为例，介绍完整计算过程。

微带线上的波导波长λ_g与自由空间中的波长λ₀有如下关系：

其中，ε_e为有效介电常数，可由下式计算：

其中，ε_r为相对介电常数，h为介质板厚度，w为微带线宽度。

可由式和式计算出波导波长，使用等长或相差波导波长整数倍的传输线来连接天线对，即可实现Van Atta天线阵列。

假设计划实现γ＝θ-α的角度偏差，由式可计算出需要附加的相位梯度δ。

则需要改变的传输线长度：

其中，β_g为相移常数，表示传输线上每单位长度上波的相位滞后，计算公式为：

为实现附加的相位梯度，需要以l_a的整数倍来对传输线进行调整。

工作状态4：RCS调控模块1导通通路3，RCS调控模块2导通通路4，此时天线接收的入射波信号在理想情况下全部被匹配负载吸收，没有回溯信号发出，RCS值较低。

这四种工作状态分别具有不同的RCS值，其中工作状态1的RCS值较高，可以为正常工作时的状态。其余三种工作状态基于不同的原理，可以实现不同程度的RCS缩减，可以根据实际需要，选择不同的工作状态进行切换，呈现出不同的RCS差值，进而可以实现在无源情况下对天线阵列的隐蔽和保护。

在实际应用中，可以根据需要，来选择开关芯片的开关切换速度，进而确保基于这种方法实现RCS缩减的有效性。同时，如果需要进一步增加RCS差值，可以通过加载放大器的形式来实现。

下面结合仿真对本发明的技术效果作详细的描述。

以工作状态2和3为例，简要展示本发明的仿真实验效果。

如图5所示，当实现工作状态2时，在1号阵元和4号阵元的传输线上增加了180°相位，因此两通路存在180°相位差，实现了相位相消。以30°来波方向为例，如上图所示，当VanAtta天线接收30°方向来波后，会自动朝来波方向发射回溯波，方向图最大值仍位于30°。在切换至工作状态2后，方向图最大方向产生较大偏离，同时，在原最大方向上具有较大凹陷，实现了20dB以上的差值，因此具有较低的RCS。

如图6所示，当实现工作状态3时，可以调整回溯波的方向，使其偏离雷达来波方向，进而降低RCS。如上图所示，模拟了当来波方向为45°时，通过调整相位，将回波方向偏离至15°的情况。可以看出，偏离角度这种方式可以有效改变雷达回波的最大值方向，从而降低被保护目标处的RCS，实现RCS缩减。

通过以上的实施方式的描述，本领域的技术人员可以清楚地了解到本发明可借助软件加必需的硬件平台的方式来实现，当然也可以全部通过硬件来实施。基于这样的理解，本发明的技术方案对背景技术做出贡献的全部或者部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品可以存储在存储介质中，如ROM/RAM、磁碟、光盘等，包括若干指令用以使得一台计算机设备(可以是个人计算机，服务器，或者网络设备等)执行本发明各个实施例或者实施例的某些部分所述的方法。

以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种雷达散射截面缩减方法，其特征在于，所述雷达散射截面缩减方法包括：

在天线对之间加载RCS调控模块，通过信号控制电路选择不同的通路，获取多种不同的工作状态；

根据不同应用场景需求，选择不同的工作状态，获得所需要的RCS差值，实现对工作阵列的隐身和保护；

四元天线构成VanAtta天线阵列，在天线对中添加两个RCS调控模块，通过控制信号进行开关切换，选择不同的通路，对应四种不同的工作状态；

一种工作状态为最基本VanAtta天线阵列，天线阵列正常工作，其余三种工作状态分别基于不同的原理，实现不同程度的RCS缩减；

所述多种不同的工作状态包括：

工作状态1：两个RCS调控模块均指向通路1，对应最为基础的VanAtta天线阵列，具备方向回溯特性，接收入射波雷达信号时，通过等长传输线，在发射天线处相位梯度相反，回溯信号指向来波信号方向，获取较大RCS值；

工作状态2：RCS调控模块1导通通路1，调控模块2导通通路2，在1号阵元和4号阵元的传输线上增加180°相位；接收入射波雷达信号后，两通路相位相消；

所述多种不同的工作状态进一步包括：

工作状态3：RCS调控模块1导通通路2，调控模块2导通通路3，1号和4号阵元的传输线上增加长度为2l_a的传输线，2号和3号阵元则增加长度为l_a的传输线，重新定义回溯波方向，偏移源方向固定角度，将散射场最大值方向偏离源方向；

工作状态4：RCS调控模块1导通通路3，RCS调控模块2导通通路4，天线接收的入射波信号在理想情况下全部被匹配负载吸收，没有回溯信号发出；

所述工作状态3的获取方法进一步包括：

原有入射波角度为θ，则各阵元间相位梯度为：

传输线等长或者相差波导波长的整数倍，则回溯波指向来波方向，角度为θ；

总的相位梯度为：

再辐射角度为：

入射信号角度为θ时，附加的相位梯度为：

δ＝k₀d(sinθ-sinα)

附加相位是δ的倍数；

相位附加的方法包括：

微带线上的波导波长λ_g与自由空间中的波长λ₀关系：

其中，ε_e为有效介电常数，由下式计算：

其中，ε_r为相对介电常数，h为介质板厚度，w为微带线宽度；

由式

和式

计算出波导波长，使用等长或相差波导波长整数倍的微带线来连接天线对，获得VanAtta天线阵列；

计划实现γ＝θ-α的角度偏差，由式δ＝k₀d(sinθ-sinα)计算出需要附加的相位梯度δ；需要改变的传输线长度：

其中，β_g为相移常数，表示微带线上每单位长度上波的相位滞后，计算公式为：

以l_a的整数倍对微带线进行调整获得附加的相位梯度。

2.一种采用如权利要求1所述雷达散射截面缩减方法的加载在天线阵上的调控系统，其特征在于，所述加载在天线阵上的调控系统包括：

四元天线构成VanAtta天线阵列；

在VanAtta天线阵列的传输线中添加的两个RCS调控模块，通过控制信号进行开关切换，选择不同的通路，对应四种不同的工作状态，获取不同的RCS测量值。

3.一种接收用户输入程序存储介质，所存储的计算机程序使电子设备执行如权利要求1所述的雷达散射截面缩减方法，包括：

在天线对之间加载RCS调控模块，通过信号控制电路选择不同的通路，获取多种不同的工作状态；

根据不同应用场景需求，选择不同的工作状态，获得所需要的RCS差值，实现对工作阵列的隐身和保护。

4.一种执行如权利要求1所述的雷达散射截面缩减方法的天线伪装设备。

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