基于室外場ＲＣＳ精確測量分析

摘 要：在現(xiàn)代高科技戰(zhàn)爭中，不論是空中目標(biāo)還是地面目標(biāo)，其隱身性能(雷達(dá)散射截面RCS)的大小直接影響其生存能力。因此，隨著隱身技術(shù)的高速發(fā)展，對RCS的測試也提出了更高的要求。如何精確測量目標(biāo)的RCS，特別是低散射物體，將對武器系統(tǒng)的研究設(shè)計(jì)及定型改進(jìn)具有十分重要的意義。對如何實(shí)現(xiàn)室外RCS精確測量進(jìn)行了相關(guān)的研究和分析，并通過實(shí)驗(yàn)，結(jié)果證明具有較好的效果。

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關(guān)鍵詞：雷達(dá)散射截面積；吸波材料；瑞利準(zhǔn)則；對消系統(tǒng)；緊縮場法

中圖分類號：TN972+.4 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B

文章編號：1004-373X(2008)11-012-03

RCS Precision Measurement Analysis Based on Room Outfield

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ZHAO Guoqun1，ZHU Feng1，LIU Li′na1，TAN Dong2，ZHANG Saiqiao1，OUYANG Juan1

(1.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031，China;2.95948 Unit，Lanzhou，732750，China)

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Abstract：In modern high tech war，no matter the airborne target or the ground object，the size of its stealth performance，radar cross section，affects its survivability directly.Therefore，along with the high speed development of stealth technology，mankind also sets a higher request to the RCS test.How precision measuring goal's RCS，specially the low scattering object，it has the extremely vital significance to designation，setting and improvement of the armament system research.How to realize precision measurement of RCS，this paper studies and analyses it，through the experiment，the results prove the good effect.

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Keywords：radar cross section;absorbing material;Rayleigh criterion;cancellation system;contraction field

雷達(dá)散射截面積(RCS)的測量通常分為室內(nèi)測量和室外測量兩種。所謂室內(nèi)測量，是指暗室測量，其主要優(yōu)點(diǎn)是背景電平低、使用經(jīng)濟(jì)、操作方便、不受天氣的影響。但其主要的缺點(diǎn)是暗室空間不夠大，被測目標(biāo)的尺寸受到限制，無法對大型、真實(shí)的目標(biāo)進(jìn)行直接測試，對于大型目標(biāo)，只能對其按一定的比例進(jìn)行縮比模型測量，然后進(jìn)行散射幅度和頻率的換算，以得到實(shí)際的RCS值。因此，測量精度與模型的逼真程度有很大關(guān)系，而縮比模型不可能擁有實(shí)際真實(shí)目標(biāo)的所有復(fù)雜細(xì)節(jié)，這樣就會造成測量結(jié)果與實(shí)際目標(biāo)的散射之間有一定的差距。鑒于暗室測量的局限，本文主要在測試方法及測試場地的選擇及設(shè)計(jì)方面討論了如何實(shí)現(xiàn)室外全尺寸目標(biāo)散射截面積的精確測試。

1 測試方法

室外場測試可分為動態(tài)測試和靜態(tài)測試，動態(tài)測試可對目標(biāo)進(jìn)行1∶1測試，但其成本太高，并且受天氣的影響，目標(biāo)姿態(tài)控制困難，角閃爍嚴(yán)重。相比動態(tài)測試，靜態(tài)測試無須跟蹤目標(biāo)，被測目標(biāo)固定在轉(zhuǎn)臺上，不需轉(zhuǎn)動天線，只需通過控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度，就可以實(shí)現(xiàn)被測目標(biāo)360°的全方位測量，因此大大降低了系統(tǒng)的成本及測試費(fèi)用。同時由于目標(biāo)中心相對于天線是靜止不動的，姿態(tài)控制精度高，并且可以重復(fù)測量，不但提高了測量和標(biāo)定的精度，而且方便、經(jīng)濟(jì)、可操作性好。靜態(tài)測試便于對目標(biāo)多次測量。

1.1 點(diǎn)頻方式

首先測出來自支架、地面反射、遠(yuǎn)區(qū)阻擋物等背景的信噪比(S/N)，然后再將被測目標(biāo)放于支撐塔架上并測出來自目標(biāo)背景的信噪比。通過二次矢量場相減技術(shù)(對消)，將背景噪聲消除，從而得到被測目標(biāo)的信噪比，再根據(jù)下列公式計(jì)算出目標(biāo)的信噪比：



S/Ntarg=K+10lg σtarg－40lg R

(1)



式中K為測量設(shè)備的時變物理參數(shù)；σtarg為被測目標(biāo)的散射截面積；R為被測目標(biāo)到天線的距離，常量；S/Ntarg為被測目標(biāo)的信噪比。

需要指出的是，K值并非一個固定常量，他與測量設(shè)備自身狀態(tài)、氣候、溫度等環(huán)境因素均有關(guān)系，K值只在某一時間段內(nèi)(測量設(shè)備穩(wěn)定工作，氣候、溫度等環(huán)境變化很小)為一常量。因此，在每次進(jìn)行測量的時候(時間跨度較長，環(huán)境改變)均需對K值進(jìn)行重新標(biāo)定。具體標(biāo)定方法為：用一已知散射截面積σ的標(biāo)準(zhǔn)金屬球放置于支撐塔架上，然后按照上述的方法測出標(biāo)準(zhǔn)金屬球的信噪比，從而反算出當(dāng)前條件下的K值。

將先前測出的目標(biāo)信噪比及算出的K值代入上式就可以反求出被測目標(biāo)的散射截面積σtarg。

用標(biāo)定法對金屬球散射截面進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。因當(dāng)k0r1時(其中k0=2π/λ)，金屬球散射截面積達(dá)極大值σmax。取半徑r=0.1 m的標(biāo)準(zhǔn)金屬球，實(shí)驗(yàn)頻率f=478 MHz，測算其σ值。如圖 1，得單站RCS值σmax為-9.55 dB，由σmax3.63σ得實(shí)驗(yàn)σ值:



σ=σmax3.63=－15.149 dBm

(2)



該金屬球散射截面積理論值σ′=πr2=0.031 4m2=－15.03 dBm，其誤差為：

|σ′－σ|=0.119<0.2，說明了此方法的有效性。該測試法同樣適用于掃頻方式。

圖1 實(shí)驗(yàn)結(jié)果

1.2 掃頻方式

點(diǎn)頻測試最大的優(yōu)點(diǎn)是設(shè)備簡單，數(shù)據(jù)處理速度快。但存在的主要缺陷是每個測量周期(目標(biāo)相對雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一周)僅獲得單頻點(diǎn)的RCS方位曲線，背景不易完全消除，對于低散射物體，會造成較大的測量誤差，因此該方法比較適合于大型目標(biāo)的RCS測量。對于低散射物體的測量，用掃頻方法測量則能得到較高的測量精度。

掃頻是相對點(diǎn)頻而言，點(diǎn)頻是單一頻率，而掃頻則為一個頻段。在每個測量周期可獲得該頻段內(nèi)的測量數(shù)據(jù)，通過對接收到的目標(biāo)反射的頻域信號進(jìn)行快速IFFT處理將頻域信號轉(zhuǎn)換到時域中，然后計(jì)算目標(biāo)回波時間，其目標(biāo)回波時刻可通過大散射體初步確定，然后采用時域加門技術(shù)(加時間窗)將目標(biāo)的回波位置卡在時間門內(nèi)，從而不考慮環(huán)境雜波的影響，提高了精度。然后對門內(nèi)時域信號進(jìn)行FFT處理則獲得測量值的頻域數(shù)據(jù)^[1]。測試中，采取多次平均和加時間窗的方法可以提高信噪比，理論上取100次平均，信噪比可提高約20 dB。通過對75 mm小球的測試，其測試值與理論值相比，誤差小于0.1 dB^[2]。在相同條件下，信噪比的提升本身就有利于提高測量精度。相比用提高發(fā)射功率來增大信號強(qiáng)度，掃頻方式顯得更加經(jīng)濟(jì)和簡單。由此看出，掃頻方式在其他條件均沒有改變的情況下，就能提高信噪比，從而使得測量精度更高，因此也更加適合于低散射目標(biāo)的測試，較點(diǎn)頻試具有明顯的優(yōu)勢，掃頻方式是一種先進(jìn)的、很有前途的RCS測試方法。其具體測試方法與點(diǎn)頻式相同。

2 測試場地的選擇和設(shè)計(jì)

為了減小環(huán)境因素的影響，測試場地應(yīng)該選擇在開闊平坦地帶，周圍沒有高山、湖泊、森林、建筑物、莊稼地等。

2.1 遠(yuǎn)場邊界條件^[3]

根據(jù)雷達(dá)原理，遠(yuǎn)場雷達(dá)目標(biāo)散射截面積與雷達(dá)到目標(biāo)的距離無關(guān)，即電磁波要對被測目標(biāo)進(jìn)行平面波照射。因此，在室外靜態(tài)測試場中，要消除距離的影響，天線與轉(zhuǎn)臺的距離R0必須首先滿足遠(yuǎn)場邊界條件：



R0≥2D2/λ(3)



式中，D為目標(biāo)橫向尺寸，λ為波長。需要說明的是該公式只是一個經(jīng)驗(yàn)公式，是當(dāng)前廣泛采用的保證遠(yuǎn)場RCS測量精度的遠(yuǎn)場標(biāo)準(zhǔn)，即只要滿足這樣的距離條件，可以認(rèn)為，電磁波對被測物體進(jìn)行了平面照射。

從式(3)可以看出，當(dāng)被測目標(biāo)尺寸較大，而波長很小時，R0很大，這要求測試場地十分龐大，很不經(jīng)濟(jì)。因此，必要時可以用緊縮場法來進(jìn)行測，即用緊縮場反射面天線產(chǎn)生準(zhǔn)平面波，模擬平面波對待測目標(biāo)進(jìn)行照射，這樣可以較小的R0獲得平面波。該方法可以大大減小測試場地，也是一種測量目標(biāo)散射特性的有效方法。

2.2 地面平整處理^[4]

地雜波是影響RCS測量精度的一個主要因素，因此，除了要滿足遠(yuǎn)場邊界條件進(jìn)行測試外，還要考慮地雜波的影響。雖然多年來，國際國內(nèi)都對地面的反射狀況進(jìn)行了廣泛和深入的分析、研究，但是由于地面的復(fù)雜性，很難用一個精確的數(shù)學(xué)模型來進(jìn)行準(zhǔn)確的描述。因此，在解決地雜波問題上始終是一個比較突出的問題和難題。對于測試場地，更是不能回避這個問題，因此對地面的平整處理是必須的。

電磁波在地面將產(chǎn)生漫反射和鏡面反射，具體以哪種方式為主則以地面粗糙度(起伏度)來決定。如果是漫反射，那么將有更多的地面反射電磁波進(jìn)入天線，而測試中需要的是直接反射波進(jìn)入天線，因此這會增大測量誤差，這是我們不希望的。若電磁波以入射角余角θ照射在凹凸不平的地面時(圖2)，地面起伏度為h，電磁波會在H點(diǎn)和O′點(diǎn)產(chǎn)生反射。

圖2 地面起伏度對電磁波的影響

由圖2看出，由大地起伏度h引起的波程差ΔR為：



ΔR=hsin θ［1－(1－2sin2θ)］=2hsin θ

(4)



根據(jù)瑞利準(zhǔn)則，只有當(dāng)ΔR<λ/8，即有：2hsin θ<λ/8時才能產(chǎn)生鏡面反射。因此當(dāng)波長λ一定時，大地起伏度h必須滿足：h<λ/16sin θ，大地反射才為鏡面反射，反之為漫反射。

由鏡面反射的條件可以看出，測試頻率越高，波長越小，那么大地起伏度h越小，對地面的平整度要求就越高。因此，對于測試場地，要根據(jù)實(shí)際的測試頻段來確定，應(yīng)當(dāng)以所測最高頻率所對應(yīng)的波長來確定地面的平整度。

2.3 天線和目標(biāo)高度

增大天線高度可以減小副瓣電平以及地雜波的影響，增大目標(biāo)高度可以減小地面反射波進(jìn)入天線。但實(shí)際中，不可能無限度的升高天線和目標(biāo)高度，在可能的情況下增大天線和目標(biāo)高度，有助于提高測量精度。如果是雷達(dá)測試場，仰角在1°內(nèi)，采用的經(jīng)驗(yàn)公式為：



ha×ht=nRλ4(n=1，3，5，…)



式中ha為天線相對地面的高度，ht為目標(biāo)在支架上相對地面的高度，R為天線到目標(biāo)的距離。通常情況下：ht/R≤1%。

2.4 斜坡及傾斜塔架

天線高度也受地面影響。天線到塔架之間的地面設(shè)計(jì)為一傾斜面以及傾斜支撐塔架，前者有利于減小地面反射波進(jìn)入天線，后者有利于減小支撐塔架及轉(zhuǎn)臺反射的電磁波經(jīng)地面再反射進(jìn)入天線，從而干擾天線。支撐塔架和轉(zhuǎn)臺將會反射電磁波，為了減小塔架及轉(zhuǎn)臺反射帶來的影響，在其表面涂抹吸波材料是必須的。吸波材料能夠吸收大部分電磁波，但仍有少量部分一路經(jīng)直接反射回天線，而另一路則通過地面反射進(jìn)入天線。因此，為了減小地面反射部分的影響，傾斜支撐塔架是一種有效的途徑。

圖3中，MN代表水平地面，MS代表傾斜一定角度的

[CM(21*2]斜面。A為天線位置，B為放在支撐塔架上的被測物體。[CM)]

AB為天線發(fā)射波，BP為被測物體的反射波，PA為水平面反射波，SC為斜面反射波。從該圖看出，當(dāng)為水平面時，其反射的電磁波剛好進(jìn)入天線，從而干擾天線，而SC方向向上射向天空。因此，傾斜一定地面角度將能減小地面反射波進(jìn)入天線，從而提高測量精度。

傾斜塔架也是相同的原理，不再贅述。

圖3 傾斜地面對電磁波地面反射的影響

3 結(jié) 語

本文分析了RCS室內(nèi)室外測試的優(yōu)劣，從而提出了建立室外測試場的方法，進(jìn)而給出了具體測試法。該方法克服了傳統(tǒng)室內(nèi)測試場法的局限性，通過實(shí)驗(yàn)，證明了其有效性。同時本文也對怎樣建立和設(shè)計(jì)測試場地在原理分析上提出了一些方法和建議，在實(shí)踐中特別是對于建立雷達(dá)測試靶場具有指導(dǎo)意義。

參 考 文 獻(xiàn)

［1］薛元松，許家棟.單點(diǎn)頻與寬帶掃頻測試目標(biāo)RCS的比較［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，29(3):25-27.

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［2］李南京，張麟兮，許家棟，等.遠(yuǎn)場RCS的精確測試方法研究［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28(8):70-73.

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［3］陶建鋒，盛孝鵬，孫青.復(fù)雜目標(biāo)的近場散射特性分析［J］.現(xiàn)代雷達(dá)，2006，28(10):75-78.

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［4］王英智，雷彬，張萬君.大地靶場地面散射特性的測試方法［J］.軍械工程學(xué)院學(xué)報(bào)，2005，17(6):7-10.

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作者簡介 趙國群 女，西南交通大學(xué)電磁散射理論研究工作者。

朱 峰 男，西南交通大學(xué)教授，博士生導(dǎo)師。主要研究領(lǐng)域?yàn)殡姶偶嫒荩姶艌雠c微波等。

注：本文中所涉及到的圖表、注解、公式等內(nèi)容請以PDF格式閱讀原文。