论文总字数：26716字

摘 要

雷达散射截面是雷达目标的重要特性，在目标探测方面具有重要意义。本文从雷达散射截面概念的建立出发，完成了从理论建立到分析、计算过程的研究，探讨了影响雷达散射截面的因素，分析了解析法、时域有限差分算法、高频渐进法的适用范围和特点，并且使用电磁仿真软件对不同的物体进行了仿真，得到了一些简单结构目标的雷达散射截面，两组简化无人机模型在不同频率不同极化形式下的雷达散射截面，以及大疆精灵3标准版在30GHz水平极化下的雷达散射截面。理论分析与实例计算相互一致，分析出改变入射波极化形式、入射波频率和目标结构对雷达散射截面的影响方式和程度。最终落脚于无人机的雷达探测和分类，单独用雷达散射截面来区分无人机的类型，可以用阈值分辨，由于无人机各方位角散射截面的分布有很多交叉，准确性较低，或者比对一定方位角的雷达散射截面，提取出一定的局部结构信息，消耗长时间的多角度观测达到更好的效果。在更进一步的研究中应该更多的关注不同频率不同极化的散射截面尤其是多站散射截面结合的目标判断方式。

关键词：雷达散射截面；雷达散射截面计算；无人机探测；无人机分类

Abstract

Radar cross-section is an important characteristic of radar targets, which is of great significance in target detection. In this paper, starting from the establishment of the concept of radar cross-section, from the study of the theory to the analysis and calculation, discusses the factors that affect the radar cross-section, the characteristics and scope of analytic method, Finite Difference Time Domain Methods and High Frequency Methods are analyzed. Then using the electromagnetic simulation software simulation is conducted for different objects, get radar cross-section results of some simple structure targets, two groups of simplified drone model under different polarization in different frequencies and DJI Phantom 3 in 30 GHZ under the horizontal polarization. The theoretical analysis is consistent with the calculation cases, the influence of the polarization of incident wave, the frequency of incident wave and target structure on the radar cross section is analyzed. Finally, come to the issue: radar detection and classification of drones. Radar cross-section alone can be used to distinguish the types of drones. The threshold value is used to distinguish the drones with low accuracy because many drones’ radar cross-section distributions are similar, or comparing the radar cross-section with a certain azimuth but need long time to implement. In the further study, more attention should be paid to the scattering cross sections with different frequencies and different polarities, especially the target judgment method of multi-station scattering cross sections.

Key Words: radar cross-section; radar cross-section calculation; drone detection; drone classify

目 录

摘 要 Ⅰ

Abstract Ⅱ

第1章 绪论 1

1.1 研究目的与意义 1

1.2 国内外技术现状分析 1

1.3 研究内容和结构安排 3

第2章 RCS理论基础与RCS的不同计算方法 5

2.1 RCS理论基础的建立 5

2.1.1 雷达测量过程定义RCS 5

2.1.2 电磁散射理论定义RCS 6

2.2 分析与计算 7

2.2.1 散射截面影响因素 7

2.2.2 计算RCS 9

2.2.3 并行计算与分布式计算 9

2.3 小结 10

第3章 理想金属小球的单站RCS 11

3.1 高频方法计算金属小球的单站RCS 11

3.2 三个散射区 11

3.2.1 瑞利散射区 11

3.2.2 谐振区 11

3.2.3 光学区 12

3.3 探测与隐身 12

3.4 用CST仿真理想金属球的RCS 13

3.5 小结 15

第4章 理想导体圆柱RCS随频率变化敏感性分析 16

4.1 理想导体圆柱RCS 16

4.1.1 入射波极化方向与圆柱母线垂直时RCS对频率敏感性 16

4.1.2 入射波极化方向与圆柱母线平行时RCS对频率敏感性 19

4.2 小结 20

第5章 多轴旋翼无人机的RCS 21

5.1 四轴无人机的RCS 21

5.2 四轴和八轴旋翼无人机的RCS 24

5.3 大疆精灵3标准版的RCS 26

5.4 对城市中探测无人机的建议 27

5.5 小结 28

第6章 结论 29

6.1 总结 29

6.2 应用方向 30

6.3 不足与展望 30

参考文献 31

致 谢 33

第1章 绪论

1.1 研究目的与意义

本文研究雷达散射截面的理论分析和计算方法，然后通过对无人机的雷达散射截面进行分析与计算，向雷达探测和分类无人机提供支持。

由于民用无人机有很多不可替代的优势，民用无人机进入高速发展期。农用无人机可以只用很少的人就能管理大片农田，使得农田管理变得更加标准化、自动化；无人机配送具有速度快，灵活性强的特点，可以利用城市的低空快速完成点对点的配送，对交通工具的应用从二维真正提升到三维，不用被复杂的城市地面交通所拖延，这个优势可用于特殊物资的紧急配送；同时无人机摄影的工业应用前景也很广阔，例如高压输电线自动巡视，大疆就试图使用北斗精确定位和图像处理来实现自动巡视高压输电线，每次无人机都会在固定位置对高压输电线拍摄同样的照片，对比每一次的照片从而发现问题，这种方法让危险地区高空作业不再需要工人艰苦的巡线。

而与此同时，无人机的大量使用也存在诸多风险，其中低空的安全风险是最需要被关注的。恶意利用无人机进行非法拍摄、故障无人机坠落、无人机发射的电磁波影响到重要频段……这些问题如果不进行有效预防，会产生巨大的。但是，在城市中监测大量无人机，而这些无人机可能穿行于各种桥梁、建筑之间，这比在繁忙的机场引导各式飞机的运行要困难得多，后者也是借助各式雷达完成的。如果能用雷达准确地探测并分类低空民用无人机，就能为低空开放提供技术上的支持，给民用无人机提供安全的飞行环境，使无人机大规模应用可以实现，给城市带来更高的效率

1.2 国内外技术现状分析

1886年，赫兹在实验室实现电磁波的发射和接收，开启了对电磁波的研究，这种信息与能量的传播形式得到了大量科研工作者的关注。到雷达开始迅猛地发展已是第二次世界大战，无数雷达系统在战争的推动下接连问世，并且产生了围绕雷达的攻防。二战后，民用航空迎来热潮，军民融合使雷达系统进一步发展，并且产生了各种不同场景使用的雷达，比如单就民航就有空管雷达、航路监视雷达、地面探测雷达等等，这些雷达都是在民用航空的快速发展中应需求产生的。后来随着电磁波理论、电子技术、各种算法以及其他工程技术的发展，大量应用领域飞速发展，如气象观测、遥感技术、射电望远镜，这些也都是利用电磁波对特定物体的探测。

近几年在雷达探测方面开始趋向于对小物体的探测，这一研究趋势一方面是因为远场大物体相对简单，已经研究地比较充分了。对远场大物体的研究趋向于对隐身设计结构的探测，比如针对大型舰艇的探测。新型舰艇通常会在外形上有隐身设计，所以要探测舰艇时也要考虑到对方可能是有一定隐身性能的舰艇。另一方面是应进一步建设智慧城市和安防机构的需求。比如防范使用小型无人机的袭击，在建筑物中探测人体^[1]，毫米波雷达辅助的无人驾驶系统^[2]等等。

本文所探讨的雷达散射截面(Radar Cross-section)概念，其英文缩写为RCS。RCS概念是1946年由戈德泰因斯(Goldteins)等在研究海面回波的时候正式提出的。但RCS特性的利用却有可能更加早，一种观点认为，RCS的测量实际上在二战期间就已由英国和德国实现了，并且德国曾用橡胶质加铁质填充物达到减少RCS的目的。RCS的提出可以说顺应了雷达发展的趋势，使得雷达系统不再只能探测出物体的位置和运动信息，而可以在更加多的维度上对目标进行探测，得到目标的结构、材料组成、姿态、内部相对运动等信息，从而可以更精确的确定目标、分辨目标。

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