概述
雷达目标截面积建模
1.概述
此示例介绍如何以更高的保真度为雷达目标建模。首先介绍了简单点目标的雷达横截面（RCS）概念，并将其扩展到具有多个散射中心的目标更复杂的情况。 然后还讨论了如何对RCS随时间的波动建模，并简要考虑了极化信号的情况。
雷达系统依靠目标反射或散射来检测和识别目标。目标反射的强度越大，雷达接收器返回的回波就越大，从而导致更高的信噪比（SNR）和更可能的检测。在雷达系统中，目标反射的能量由雷达截面(RCS)决定，RCS定义为
其中代表RCS，R表示雷达与目标之间的距离，表示从目标反射回来的信号场强，表示入射到目标上的信号场强。通常，目标在所有方向上散射能量，RCS是入射角，散射角和信号频率的函数。RCS取决于目标的形状和构成目标的材料。RCS常用的单位包括平方米或dBsm。
该示例主要以窄带单基地雷达系统介绍，即发射机和接收机在同一位置。入射角和散射角相等，RCS仅是入射角的函数。这是后向散射的情况。对于窄带雷达，与工作频率相比，信号带宽很小，因此被认为是恒定的。
2.简单点目标的RCS
最简单的目标模型是各向同性散射体。各向同性散射体的一个例子是密度均匀的金属球。在这种情况下，反射能量与入射角无关。各向同性散射体通常可以作为远离雷达的更复杂点目标的一阶近似。例如，一个行人可以用1平方米RCS的各向同性散射体来近似。
c = 3e8;
fc = 3e8;
pedestrian = phased.RadarTarget('MeanRCS',1,'PropagationSpeed',c,...
'OperatingFrequency',fc)pedestrian =
phased.RadarTarget with properties:
EnablePolarization: false
其中c是光传播速度，fc是雷达系统的工作频率。来自单位输入信号的散射信号可以计算为：
x = 1;
ped_echo = pedestrian(x)ped_echo =
3.5449
其中x是入射信号。入射信号和反射信号之间的关系可以表示为，其中。G代表由目标反射产生的增益，是对应于系统工作频率的波长。
3.复杂目标的RCS
对于具有更复杂形状的目标，不能再认为所有方向的反射都相同。RCS随入射角(也称为方向角)而变化。可以像测量天线辐射方向图一样测量或建模与方面相关的 RCS 方向图。这种测量或模型的结果是作为目标局部坐标系中方位角和仰角函数的RCS值表。下面的示例首先计算半径为 1 米、高度为 10 米的圆柱形目标的RCS模式，作为方位角和仰角的函数。
[cylrcs,az,el] = rcscylinder(1,1,10,c,fc);因为圆柱绕z轴对称，所以没有方位角依赖关系。RCS值只随仰角变化。
helperTargetRCSPatternPlot(az,el,cylrcs);
title('RCS Pattern of Cylinder');
立体面切割中的图案看起来像
plot(el,pow2db(cylrcs));
grid; axis tight; ylim([-30 30]);
xlabel('Elevation Angles (degrees)');
ylabel('RCS (dBsm)');
title('RCS Pattern for Cylinder');
然后可以将RCS模式导入到 phased.BackscatterRadarTarget 函数中。
cylindricalTarget = phased.BackscatterRadarTarget('PropagationSpeed',c,...
'OperatingFrequency',fc,'AzimuthAngles',az,'ElevationAngles',el,...
'RCSPattern',cylrcs)cylindricalTarget =
phased.BackscatterRadarTarget with properties:
EnablePolarization: false
AzimuthAngles: [1x361 double]
ElevationAngles: [1x181 double]
RCSPattern: [181x361 double]
Model: 'Nonfluctuating'
PropagationSpeed: 300000000
OperatingFrequency: 300000000生成目标回波信号。假设三个相同的信号从目标处以三个不同的角度反射。前两个具有相同的仰角，但方位角不同。最后一个与前两个有不同的仰角。
x = [1 1 1];
% 3 unit signals
ang = [0 30 30;0 0 30]; % 3 directions
cyl_echo = cylindricalTarget(x,ang)
cyl_echo =
88.8577
88.8577
1.3161可以看出回波信号与方位角无关，因为前两个回波信号是相同的。
存在解析导出的RCS图的目标形状的数量很少。对于更复杂的形状和材料，计算电磁学方法，如矩量法(MoM)，或有限元分析(FEM)，可以用来准确预测RCS模式。
4.多散射体扩展目标的RCS
虽然计算电磁方法可以提供精确的RCS预测，但它们通常需要大量的计算，不适合实时仿真。描述复杂目标的另一种方法是将其建模为简单散射体的集合，从简单散射体的RCS模式可以得到复杂目标的RCS模式。
其中表示目标截面积，表示第p个散射体的截面积，是第p个散射体的相对相位，多散射体目标与天线阵列相类似。
以建模一个由四个散射体组成的目标为例。散射体位于正方形的四个顶点上，每个散射体都是上一节推导的圆柱形点目标。正方形被放置在xy平面上，边长是0.5米。
首先，定义散射体的位置。
scatpos = [-0.5 -0.5 0.5 0.5;0.5 -0.5 0.5 -0.5;0 0 0 0];如果目标在发射机的远场，则每个分量散射体的入射角是相同的。然后，总RCS模式可计算为
naz = numel(az);
nel = numel(el);
extrcs = zeros(nel,naz);
for m = 1:nel
sv = steervec(scatpos,[az;el(m)*ones(1,naz)]);
% sv is squared due to round trip in a monostatic scenario
extrcs(m,:) = abs(sqrt(cylrcs(m,:)).*sum(sv.^2)).^2;
end总的RCS模型是
这个RCS模型可以分阶段使用。BackscatterRadarTarget函数来计算反射信号。结果表明，反射信号与方位角和仰角有关。
extendedTarget = phased.BackscatterRadarTarget('PropagationSpeed',c,...
'OperatingFrequency',fc,'AzimuthAngles',az,'ElevationAngles',el,...
'RCSPattern',extrcs);
ext_echo = extendedTarget(x,ang)
ext_echo =
355.4306
236.7633
0.0000最后
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