動態RCS測量的信號仿真

周 霞，周建江，李海林

(南京航空航天大學電子信息工程學院，江蘇南京 210016)

雷達散射截面是度量目標在雷達波照射下產生的回波強度的物理量，是雷達探測與識別、隱身與反隱身研究的基礎，是現代軍事對抗技術的主要內容[1]。RCS測量是獲取目標電磁散射特性的一個重要手段，按測量對象可分為動態測量和靜態測量兩大類，這兩種方式互為補充，不能相互替代，靜態RCS測量一般在飛機方案論證和設計階段大量進行，而最終隱身指標的確認則由空中動態RCS[2]測量來完成。通過動態測試，不但能夠反映在真實背景環境下的目標散射特征，而且可以反映出目標的活動部件運動、機身與機翼撓動和振動產生的調制影響以及發動機尾噴焰對目標整體RCS的貢獻，而這一點是靜態RCS測量所無法比擬的。另外，RCS動態測試突破了微波暗室縮比模型靜態測試[3]或全尺寸目標靜態測量[4]的技術瓶頸，為我國未來武器裝備的發展提供技術支持，因此，對動態RCS測試數據的仿真和處理成為當下研究的重要課題。

在真實動態RCS測量中，測量產生的數據有雷達伺服、機載姿態和雷達回波數據。分析、計算這些數據可以得到隨時間起伏的RCS值，統計分析動態RCS數據，對目標特性的研究具有重要意義。文中目的就是開發動態RCS測量的雷達信號仿真與管理系統，在沒有實測數據的情況下，為RCS動態數據統計分析提供數據保障，同時為真實RCS數據統計分析提供了理論依據，且該系統已成功應用于某研究所。

1 系統仿真功能實現

系統開發流程如圖1所示，首先利用像素法產生各目標的RCS數據，然后基于點目標模型，仿真飛機在擾動下，直行、盤旋運動軌跡下的雷達伺服和載姿態數據，最后仿真雷達回波數據。在仿真過程中，系統需要處理若干雷達目標的眾多參數，其中包括雷達波段、工作頻率、極化方式、采樣時間、飛機俯仰角、飛機橫滾角、飛機真航向、雷達方位角、雷達俯仰角、目標距離和回波功率等。為便于用戶管理，該系統搭建在SQL Server的環境上，將仿真相關的所有參數存放在數據庫中，以提高數據訪問效率和可靠性。

圖1 系統開發流程圖

1.1 RCS仿真

RCS仿真結果產生的是各雷達目標在不同工作波段、頻率和極化方式下，每個視向方位角和俯仰角對應的RCS值。該部分仿真結果由某大學目標特性研究中心，RCS像素法仿真軟件計算得出，且最終導入數據庫，供用戶查看、使用。像素法[5]是一種將高頻物理光學法與計算機圖形學相結合的RCS計算方法，它的基本思想是對目標投影在計算機屏幕上的每個像素計算RCS，最后綜合得到目標雷達反射特性數值。“像素”也就是計算機屏幕上，組成圖像的最小單位，而這些像素點，也可以視為雷達射線與目標表面相交的點集。圖2給出了利用像素法仿真軟件仿真F22的RCS隨方位角變化的結果，由于形體具有對稱性，所以只給出了0°～180°范圍內的變化情況，其中雷達工作在Ku波段，頻率12.5 GHz，極化方式HH，俯仰角0°。

圖2 某飛機的RCS仿真結果

由圖2可以看出，該軟件的仿真結果具有可靠性，可用來仿真各目標的RCS，保證了后續動態RCS仿真正確性。

1.2 航跡路徑仿真

航跡仿真采用點目標模型，在目標航跡的每個時刻點上認為其RCS是一個定值，等于該目標在相同姿態下的靜態RCS值。基于該模型，本系統首先仿真產生了雷達伺服數據和機載姿態數據，在視向角合成后，得到隨時間變化的視向角序列，通過檢索數據庫中像素法產生的RCS，即可以得到動態RCS序列。

圖3 雷達坐標系

在該模塊的實現過程中，主要涉及雷達坐標系和飛機坐標系，以及兩個坐標系的轉換。在雷達坐標系中，一般取正東方向為X軸，正北方向為Y軸，雷達方位角、俯仰角和目標距離如圖3所示;在飛機坐標系統中，一般取平行于機身軸線且指向前為XV軸，右機翼指向為YV軸，滿足右手法則，視向方位角和視向俯仰角φE如圖4所示。在一次航跡仿真后，系統將生成雷達伺服數據，如時間、雷達方位角、雷達俯仰角和目標距離等參數，以及機載姿態數據，如同一時刻下的目標真航向角φ、目標俯仰角θ和目標橫滾角γ等參數。

圖4 飛機坐標系

視向角合成，即雷達坐標系轉換為飛機坐標系的公式為

其中，當忽略地球曲率半徑的影響時，

在航跡路徑的仿真上，文中設計了3種航跡路線:

(1)徑向直線飛行，對仿真飛機隱身性能測試中的關鍵指標——最大可探測距離具有重要意義。使用較多的航跡路徑是相對雷達徑向臨近、然后再徑向遠離的等高飛行，且航線中點為雷達頂空，該航跡中最大可探測距離為縱向逼近距離和尾向暴露距離，假設在飛行過程中，目標的真航向、俯仰角和橫滾角保持不變。

(2)橫向直線飛行，且假設目標的真航向、俯仰角和橫滾角保持不變，此航跡路徑中，視向方位角近似為0°～180°全方位變化，視向俯仰角在距離雷達橫向距離最短時達到最大，橫向距離R滿足RCS遠場測量條件R≥2d2/λ，其中，d為飛機的橫向尺寸;λ為測量雷達工作波長。

(3)盤旋飛行，即以測量雷達頂空為盤旋中心，目標到雷達的距離保持不變，在同一高度飛行，如果目標的真航向、俯仰角和橫滾角保持不變，那么視向角度將是不變的，對某一視向角的RCS統計分析提供數據保障。

3種航跡路徑的仿真，可以得到方位角一定時，動態RCS隨俯仰角變化的情況，也可以得到動態RCS隨方位角的變化情況，同時可以利用滑動窗口法統計分析某一視向角的RCS，對雷達隱身性能評估有著重要意義。

1.3 擾動添加

在實際動態RCS測量過程中，一般采用相對測量法，即通過對標準體進行標定實驗，然后再測量、計算出復雜目標的RCS。因此，RCS的誤差來源于測量過程引入的誤差和標定過程引入的誤差。在實際飛行測試過程中，由于飛行過程中氣流的抖動、背景噪聲、測量雷達的性能以及飛機性能等多因素的影響，會對測量帶來各種誤差，這些誤差一般根據實測經驗數據統計得出。表1列出了航跡測量過程中主要參數的擾動，且服從高斯分布。

表1 動態測量中主要參數的擾動

表1中各參數的擾動對動態RCS的影響，最終可以歸結為視向方位角、俯仰角產生的影響，其中一種飛行擾動模型[6]為

式中，φA(t+1)、φE(t+1)為t+1時刻視向方位角、俯仰角的擾動量，Δt為采樣間隔，T為目標擾動周期，N(0，1)為在[-1，1]區間上服從標準高斯分布的隨機數，σA、σE為視向方位角、俯仰角擾動方差。

設計中取 Δt=5 ms、T=8 s、σA=0.5°、σE=3°，用戶在界面操作上，輸入目標機起始坐標(-10，-40，8)km、終點坐標(-10，40，8)km，飛行速度700 km·h-1，采樣間隔50 ms，則添加視向角度和距離擾動后，一次直線航跡仿真結果如圖5所示。

圖5 直線航跡仿真

1.4 動態回波數據仿真

動態回波仿真就是計算每個采樣時刻的回波值，采用收發天線分置的雷達方程公式，且對于單基站雷達，有

式中，K為雷達常數，由標準金屬球經過標定試驗測量、統計得出，與雷達性能相關，因此由界面輸入;Lm為雷達系統到目標之間的大氣傳輸損耗，跟測量的天氣、環境等因素有關，且損耗隨距離不同而不同，也由用戶界面輸入;σ(φA，φE)為檢索數據庫得到的RCS值。

利用圖5仿真的航跡，以及目標F22在雷達工作波段Ku、頻率12.5 GHz和極化方式 HH下的靜態RCS數據，仿真該航跡下的動態RCS以及回波數據。圖6中實線表示該航次下，添加擾動后的動態RCS值，虛線表示未添加擾動的動態RCS值。圖7為該航跡下，添加擾動后的回波序列。

如圖6和圖7所示，飛行過程中角度、距離的隨機擾動，對目標RCS值影響很大，在真實測量過程中，如何從擾動中提取正確的RCS是個難題，因此分析仿真數據，對動態RCS的研究具有重要的參考價值。其中，曲線中存在小部分平坦線段，這是由于RCS仿真精度的限制，在檢索數據庫時，如果數據庫中不存在某視向角下的RCS，則利用相鄰角度的RCS替代，完全符合真實測量中的精度要求。另外，該部分實現的難點就是，每仿真一次航跡，就必須檢索該航次中每個時刻的靜態RCS值，如果采樣間隔為1 ms，飛行時間為5 min，那么一次飛行中將產生30萬個采樣點，對每一點都檢索一次數據庫，將會消耗很多時間，也會造成界面假死狀態，因此數據庫操作的加速和編程中多線程的使用是必須的。

2 數據庫、界面設計

2.1 系統結構

為便于用戶訪問和操作數據，系統采用了3層的C/S結構，即表示層、中間層和數據層，如圖8所示。與兩層的C/S結構相比，客戶端不直接與數據庫相連，增加了訪問的安全性。

表示層負責用戶與系統的交互，是在Visual Studio 2008平臺上開發的窗體程序。客戶端的功能包括:支持用戶以不同的權限訪問、添加、修改或刪除數據庫中數據;依據隱身性能研究要求，設計飛行航跡路徑，且直觀地顯示出理想路徑;計算添加擾動后的動態RCS、回波數據存入數據庫中。表示層將用戶操作數據庫的請求傳遞給中間層，然后由中間層把結果返回給用戶，而不直接訪問后臺數據庫。

圖8 3層C/S設計結構

中間層是連接客戶端和數據庫服務器的橋梁，采用了ADO.NET存儲技術。中間層執行用戶發來的Transact-SQL語句，數據庫服務器處理完成后，將結果反饋給用戶。中間層其實是把數據庫操作中頻繁用到的功能進行封裝，并規范統一的接口，供其他層調用，中間層的應用可以提高企業級應用的性能，增強了系統的可移植性。

數據層主要負責動態測試仿真數據的存儲、管理和處理。在數據表格的建立中，設計了一個檢索表格，所有表格都是動態建立的，不僅管理方便，而且可伸縮性強。

2.2 數據庫操作

系統采用數據庫除了用來存儲大容量數據外，還用來加快數據查找和計算的速度。在ADO.NET技術中，采用 SqlConnection、SqlCommand、SqlDataReader以及SqlDataAdapter類來連接訪問數據庫，執行Transact-SQL語句，并讀取結果，其中SqlDataReader是一種只讀、快速的單向流，適合內存緊張時檢索大量數據，且訪問數據速度快;應用 DataSet、DataTable、DataRow、DataColumn來存儲獨立于數據域的數據結構和內容，因此常用于在內存中緩存數據源檢索到的數據，方便用戶計算和界面顯示;同時，應用 DataRelation和Constraint類保證了數據的完整性。

在RCS仿真數據入庫的過程中，對大批量的仿真數據，沒有采用INSERT語句逐行插入新數據，而是用.NET中的SqlBulkCopy類來進行批量更新，它首先從數據文件中讀入一塊數據存入DataTable或DataReader中，然后通過數據流直接對數據庫表格裝載，其原理等同于SQL Server的BCP協議進行數據的批量復制。在少量數據入庫時，INSERT語句跟SqlBulkCopy類的性能差不多，但對大數據量的數據來說，如果頻繁連接數據庫、操作數據庫表格，則運行效率低且系統性能差，SqlBulkCopy類的使用大大提高了數據入庫的速度。

3 結束語

基于SQL Server數據庫的動態RCS測量的信號仿真系統，使用戶能方便、快速地檢索多個雷達目標在不同雷達波段、工作頻率和極化方式下的RCS仿真數據，逼真地仿真了目標在指定條件下的航跡數據，且直觀地顯示了視向合成角度隨時間變化的曲線，最后仿真了飛行過程中不可避免的擾動誤差，得出不同航跡下的動態RCS及回波數據，為沒有雷達實測數據的RCS統計分析，提供了可靠地仿真數據源，對目標隱身與反隱身技術的研究有著重要的實用價值。

[1]黃培康.雷達目標特性[M].北京:電子工業出版社，2005.

[2]JAIN A，PATE I.Dynamic imagine and RCS measurements of aircraft[J].IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems，1995，31(1):211-26.

[3]郭靜.微波暗室目標RCS測試方法的研究與實驗[D].南京:南京航空航天大學，2008.

[4]CHAN K K，WONG S.RCS predictions and measurements of a full size jet engine model[J].IEEE Antenna and Propagation Society International Symposium，2005，3A:97-100.

[5]昂海松，舒永澤，周建江，等.復雜目標RCS計算的新方法——曲面像素法[J].電子與信息學報，2001，23(10):962-969.

[6]李民權，吳先良.飛行目標的抖動及雷達散射截面計算[J].合肥工業大學學報:自然科學版，2003，25(5):1021-1024.