摘 要：图形电磁计算（GRECO）方法是计算复杂目标高频区RCS的有效方法之一，本文介绍了由GRECO发展而来的图像像素法，论述了像素法的特点以及与GRECO方法的不同之处，给出了通过像素法计算各种不用目标在高频区的RCS结果，并与传统方法进行比较，证实了像素法在目标RCS特性分析计算方面的显著优势。
关键词：像素法雷达目标RCS计算
中图分类号：TN97文献标识码：A文章编号：1007-9416（2010）10-0148-03
引言
目前，高频区雷达复杂目标RCS计算方法主要包括数值计算和高频近似计算。电磁散射的数值计算有矩量法、时域有限差分法和有限积分法等。数值解的特点是对任意形状和材料的复杂物体，计算结果都比较准确，但是受计算机存储量和运算速度的限制。数值解一般只适用于求解几个波长左右物体的电磁散射问题，而要有效地分析和计算电大尺寸物体的电磁特性，多采用高频近似方法。高频近似方法有几何光学法、物理光学法、几何绕射理论及其修正方法、物理绕射理论及其修正方法以及口径场法等[3]。高频近似方法用于复杂形体目标的电磁计算时，其实现途径包括组件法、板块法、射线跟踪法、GRECO方法和像素法等。高频近似解法具有物理概念清楚、场分布可以直接写出表达式和简单易用等优点。图像像素法是在GRECO方法上发展起来的，是基于自编软件计算的像素个数和显示比例，不受GRECO方法屏幕显示像素数量的局限。
1 像素法的基本思想
像素法是将高频物理光学法和计算机图形学结合起来的一种基于图像空间的RCS计算方法。像素是计算机图像元素的简称，像素法是对于目标在“屏幕”上投影的每一个像素分别进行RCS计算，最后综合起来得到目标雷达的反射特性数值的一种计算方法。
像素法分析将雷达在一定的视角下目标外形的旋转在计算机屏幕上进行投影和消隐，也就是在计算机屏幕上得到目标的投影图像。像素法在进行RCS计算时要求知道目标投影的每个像素点的法矢大小，通常以红、蓝、绿三种颜色的不同量级组合来表示法矢的三个分量，形成目标的像素法矢向量图,再对每一个像素进行计算，将结果直接在屏幕上显示出来。
在对复杂的曲面外形进行计算时，为了提高速度，大多用网格划分的面元代替曲面进行计算，不仅可以大幅提高运算速度，而且网格数据也是通常能够得到的基本数据，数据量小。在考虑遮挡关系时，网格所代表的小平面采用‘Z缓冲’方法进行消隐计算，其算法简单、速度快、可以借助于计算机显卡‘Z缓冲’硬件功能。
综上所述可以得到目标的法矢向量图形，再用物理光学法计算未被遮挡的各像素点散射场，最后综合边缘计算的结果，得出目标整体RCS值。
2 像素法的计算方法
2.1 雷达散射截面定义
通常把定量表征目标散射强弱的物理量称为目标对入射雷达电磁波的有效散射截面积,简称为目标的雷达散射截面[1],其定义是基于平面波照射下目标各向同性散射的概念,表示为:
式中,，分别是散射磁场和入射磁场强度，，分别是散射电场和入射电场强度,因入射波是平面波,目标假定为点散射体,所以距离R应趋于无穷大。
2.2 表面散射场的计算
对于理想导体表面的散射场强，如果该点附近曲率半径比波长大得多，其物理散射光学场为
其中为入射波波数，为边缘单元到远场观察点方向的单位矢量，为曲面法矢，为边缘单元的位置矢量，为散射体至远场观察点的距离，为远场区格林函数，为曲面。对于复杂曲面目标，上式积分困难，若离散为足够小的许多平面，由像素法可推导其在后向散射情况下的散射场
这里为像素元对应的实际边长，为雷达入射波与像素法矢的夹角。对于像素法，利用Z-Buffer技术可以实现目标的严格消隐，获取目标的计算表面。
2.3 边缘绕射场的计算
关于边缘绕射场对总散射场的贡献，采用Michael所发展的等效边缘电流法[4]，由线积分来求边缘棱角绕射场
其中，为边缘切向单位矢量，为边缘。曲线边缘积分可用离散化直线线段组进行计算，其边缘等效电流和等效磁流分别为
其中为电磁波入射方向和边缘的夹角，绕射系数，的定义参见文献。单站情况下，分解上式可得到各种极化条件下的边缘绕射场，如对VV极化有
像素法的边缘遮挡消隐计算，首先由小边缘直线段的两端点与表面像素的关系，来确定该小段时全部被遮挡还是部分被遮挡，如果是部分被遮挡，则再由几次黄金分割法搜索，来确定该小段的可见部分，这一方法，较好地解决了板块法处理边缘部分被遮挡情况下难于计算交点的问题[2]。
3 计算结果的比较分析
应用像素法，本文分析计算了圆锥、圆柱和飞机模型的RCS，并与实测结果进行比较。
3.1 圆锥
当入射波电场矢量与对应球坐标系中矢量平行时，称为平行极化；当入射波电场矢量与矢量平行时，称为垂直极化。所计算的圆锥结构参数为:底面圆半径为80.3mm,高为401.7mm,锥角为,表面划分为24个板块．入射平面电磁波波长为5cm，频率6.0GHZ。实测值为国外的实测数据[5]，虚线是GTD方法的计算值[6]，从图中可以看出，像素法计算结果更加接近测试值。
3.2 尖锥-圆柱体
尖锥-圆柱体的尺寸是：圆柱半径80.3mm，圆柱段长267mm，锥半角，波长50.2mm，频率5.975GHz。实测值为国外的实测数据，虚线是GTD方法的计算值。
3.3卫星模型RCS计算
下图为某卫星缩比模型的RCS计算和测量数据的比较，模型底面半径约0.3米，高度约0.8米，雷达发射频率为9.0GHz，垂直极化。由图可以看出，像素法计算结果和测量值吻合。
4 结语
本文从计算速度快，计算精度高等角度提出了像素法来计算雷达目标的RCS,实验数据表明，像素法是一种实用有效地RCS分析计算方法，可以用于目标特性实时仿真，能用于复杂目标的RCS计算。
参考文献
[1]阮颖铮，雷达截面与隐身技术[M],北京: 国防工业出版社, 2001.
[2]昂海松、舒永泽、周建江、张铁兵、彭芸，复杂目标RCS计算的新方法-曲面像素法[J]，电子与信息学报，2001年，第23卷（10期）：962~969.
[3] E.F.克拉特等著，雷达散射截面—预估、测量和减缩，北京:电子工业出版社，1985年：118～119.
[4]A.Michaeli, Equivalent Edge Currents for arbitrary aspects of observations,IEEE Trans.,on AP,1984,AP-32(3),252-258.
[5]李柱贞、吕婴、向家武，雷达散射截面常用计算方法，目标特性研究编辑部，1981，第六章.
作者简介：佘季（出生年月：1987年6月）,女,硕士在读,研究方向：雷达信号处理.
