雷達散射截面是目標物體在雷達接收機方向上反射雷達信號能力的一種表示方式，其定義為在一個給定方向上的單位角弧度內(nèi)目標物體散射功率與注入目標物體的功率密度之比。本文主要涉及怎樣使用安立公司高性能手持式電池操作微波矢量網(wǎng)絡分析儀以及使用此儀表中的時域門功能在現(xiàn)場或航線中對目標的雷達散射截面進行測量。從圖1中可以看出一個目標的雷達散射截面大小可以通過比較此目標和標準散射截面（1m²）校準球對信號的反射直觀的導出。當金屬球體的半徑遠大于信號波長λ 時 >15 λ，并且球和雷達的距離R>15λ 時，此金屬球的雷達散射截面與信號頻率無關。
 

圖1 雷達散射界面的基本概念

雷達方程
圖2 為典型的雷達方程描述，發(fā)射信號功率P_t通過增益為 G_t的發(fā)射天線，并通過空間的衰減（距離為R）后，遇到目標并將部分信號功率（反射信號與入射信號的功率比為目標的雷達散射截面 ）反射回雷達接收天線，同樣經(jīng)過空間衰減，通過增益為 G_r的接收天線得到功率為 P_r， P_r與以上這些參數(shù)的關系在圖3方程中表示。
 

圖2 典型雷達方程，

這里發(fā)射和接收天線分開了一個β角，單站雷達的發(fā)射和接收天線處于同一位置（β=0），目標與雷達的距離為R，信號的極化與發(fā)射和接收天線的極化相關
 

圖3 雷達散射界面測量框圖

 

P_t＝雷達發(fā)射功率
P_r＝雷達接收功率
G_t＝雷達發(fā)射天線增益
G_r＝雷達接收天線增益
G_σ＝目標雷達散射截面等效增益
A_e＝雷達接收天線有效面積（m²）
R＝目標距離
λ＝信號波長
         ＝目標雷達散射截面積（m²），（定義為 ，其中k 為常數(shù)）
這里雷達散射截面積可以通過

這里k是常數(shù)

由以上方程得出，只要測得 ，我們即可以推導得到目標雷達散射截面積 ，如果我們將發(fā)射天線和接收天線分別接在矢量網(wǎng)絡分析儀的測量端口1 和端口2，那么 測量等同于S21 測量，而由于k 是常數(shù)與被測目標無關，因此我們只要對標準球進行校準測量即可以得到在測量條件下（測量距離和測量頻率）的k 值。矢量網(wǎng)絡分析儀一般采用頻率掃描測量，在此測量模式下我們可以通過傅立葉反變換得到時域（距離域）測量結果（類似于脈沖雷達），通過將不是目標（不同的距離）的反射響應濾除的方法，可以提高測量準確度。

矢量網(wǎng)絡分析儀測量雷達散射截面
矢量網(wǎng)絡分析儀以圖5所示方式以頻率掃描測量S 參數(shù)。掃描的頻率范圍以相應的雷達頻率范圍為參考，圖5 中采用WR-90 波導在X波段（8.2－12.4GHz）進行測量。

圖5，MS2028C使用波導天線進行散射界面測量
 

圖6 為矢量網(wǎng)絡分析儀測量雷達散射截面的典型連接框圖。發(fā)射天線和接收天線分別接在矢量網(wǎng)絡分析儀的兩個測量端口上。一般來說這兩個天線應處于同一平面上（相對于被測目標來說），并相互貼近。如果需要考慮極化影響，無論發(fā)射天線和接收天線應該可以單獨或同時90 度旋轉（如圖5 中波導天線的E 面和H 面旋轉）。被測目標應置于低反射的支架上或者單獨在空中（航線上）。為了濾除其他位置的物體反射造成的測量誤差，我們可以采用頻率掃描測量并進行傅立葉反變換得到時域（距離域）測量曲線，使用時域濾波運算（時域門功能）將不屬于被測目標的反射濾除，然后，將濾波后的結果再進行傅立葉變換轉為頻率域顯示。但是由于矢量網(wǎng)絡分析儀采用離散頻率點掃描方式，因此，傅立葉反變換會有距離折疊現(xiàn)象（即在一定距離后，前面位置的響應重復出現(xiàn)），出現(xiàn)折疊的時間（距離）與頻率掃描測量的關系是：t_a=(N-1)/(頻率掃寬)，這里N是頻率掃描點數(shù)。因此，測量距離R一般應小于t_a×C/2，此處除2是因為信號傳播路徑是在測量距離上的來回。

 

圖6 矢量網(wǎng)絡分析儀測試雷達散射界面框圖

天線系統(tǒng)的校準
根據(jù)前面的描述，我們對雷達散射截面的測量可以歸于矢量網(wǎng)絡分析儀的S21測量，而矢量網(wǎng)絡分析儀的端口校準（圖6 中的矢網(wǎng)校準面），可以認為是對矢量網(wǎng)絡分析儀本身的發(fā)射功率和接收增益的歸一化，而對天線增益和空間衰減的校準一般使用校準球或校準平面金屬板。當然，也可以使用其他形狀的物體，只要已知其散射截面積。使用球體的好處在于其散射截面積與頻率無關，而校準物體的散射截面積最好與被測目標的散射截面積相近。例如，直徑1.13米的金屬球體的雷達散射截面積為1m²。

圖7，雷達散射截面與目標物理尺寸

測量顯示
在完成矢量網(wǎng)絡分析儀端口12項誤差修正（校準）后，將天線接入測量端口并對準測量目標（或校準球體）區(qū)域，進行頻率掃描測量得到S21_（f），然后使用帶通模式時域變換得到時域（距離域）S21_（D），如圖8 和圖9 所示，并且可以使用時域門（時域濾波器）將不需要的反射濾除。

 

圖8，目標區(qū)域（沒有放置被測目標和校準）所有反射的時域顯示

 

圖9，在目標區(qū)域放置RCS為0.018平方米的校準球體的時域顯示

測量步驟和測量運算
將對目標的雷達散射截面測量所使用的矢量網(wǎng)絡分析儀設定為S21的測量。

圖10，使用矢量網(wǎng)絡分析儀對雷達散射截面測量設定
 

1.矢量網(wǎng)絡分析儀進行12 項端口誤差校準后，將發(fā)射天線接入端口1，將相應的接收天線接入端口2。注意天線極化方向。并保證測量距離D>20 λ，這里 λ為信號波長。注意，根據(jù)目標尺寸選擇天線，調整天線角度（偏角和仰角）和調節(jié)測量距離，應保證被測目標落在天線增益下降小于-1dB 的信號波束內(nèi)。
2.將被測目標從支架上移開，并測量支架的反射頻率掃描S21_（str）測量，如果目標不便移開，可以將天線同時（包括發(fā)射天線和接收天線）轉到一個空曠位置，并保證在相同的距離上沒有其他物體存在。如圖10 中表示的校準區(qū)域。
3.將頻率掃描S21_（str）結果轉換為時域，同時將時域門設置在目標位置，并調節(jié)門寬將目標的所有反射均包含在內(nèi)，將時域濾波后的結果保存至儀表內(nèi)存。
4.如果目標無法從支架上移開，應保證支架本身的反射S21_（str）較反射目標低20dB以上（S21_（str）＋20dB<< S21_（tgt））。為達到此目的，可以采用在支架上包覆微波吸收材料的方法。
5.將標準物體置于目標區(qū)域，測量標準物體頻率掃描的S21_（std），并將結果轉換為時域，同時將時域門設置在目標位置，并調節(jié)門寬將目標的所有反射均包含在內(nèi)，將時域濾波后的結果保存至儀表內(nèi)存。注意，標準物體的雷達散射截面應接近目標雷達散射截面。
6.將被測目標置于目標區(qū)域并移開標準物體，測量標準物體頻率掃描S21_（tgt），并將結果轉換為時域，同時將時域門設置在目標位置，并調節(jié)門寬將目標的所有反射均包含在內(nèi)，將時域濾波后的結果保存至儀表內(nèi)存。
7.雷達散射截面運算方程：

這樣，， ，
由于 ，所以
因此， ，如果支架的反射較大，并且標準物體也是放在支架上進行校準測量的。那么，

由于 已知，我們即可以得到 ，例如，
圖11 中的目標與圖9中直徑為6英寸的校準金屬球體相比較（參考光標讀數(shù)），知道 ， ，，根據(jù)
，得到

圖11，測量一個直徑為12英寸的金屬球體的S21時域曲線

信號極化
反射信號的極化方向可能與雷達發(fā)射信號的極化方向不同，目標的形狀不同反射的極化也會不同，見圖2 中的Et 和Er描述。
為了修正極化誤差，我們可以分別測量目標在垂直和水平極化情況下的雷達散射截面，這樣我們就可以建立散射截面極化矩陣。所要做的是，在一種發(fā)射極化（垂直或水平）情況下，測量兩種極化（垂直和水平）的S參數(shù)。

發(fā)射 水平極化 垂直極化

接收 水平極化/垂直極化 水平極化/垂直極化

極化矩陣


Et 與Er的關系為


這里Sxx為上面提到的4 種不同狀態(tài)測得的S參數(shù)
發(fā)射垂直極化，接收垂直極化
發(fā)射垂直極化，接收水平極化
發(fā)射水平極化，接收垂直極化
發(fā)射垂直極化，接收垂直極化
根據(jù)上面的描述，對于4 種狀態(tài)下得到的S參數(shù)，我們也可以推出類似的雷達散射截面矩陣

如果發(fā)射天線是垂直極化的，那么 ，并以此類推。