測(cè)量雷達(dá)穩(wěn)定性及測(cè)量精度檢測(cè)方法研究

魏 挺，張銳娟

（中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

測(cè)量雷達(dá)穩(wěn)定性及測(cè)量精度檢測(cè)方法研究

魏 挺，張銳娟

（中國飛行試驗(yàn)研究院，陜西 西安 710089）

文章總結(jié)了測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)評(píng)情況，通過多次地面實(shí)驗(yàn)，求取雷達(dá)系統(tǒng)K值，并分析了雷達(dá)K值變化的情況來檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，通過不同尺寸金屬球相互校準(zhǔn)的形式檢測(cè)雷達(dá)的RCS測(cè)量功能。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，雷達(dá)狀態(tài)相對(duì)穩(wěn)定，具備RCS測(cè)量功能。

測(cè)量雷達(dá)；穩(wěn)定性；精度；檢測(cè)方法

高技術(shù)戰(zhàn)爭條件下的復(fù)雜戰(zhàn)場(chǎng)環(huán)境，對(duì)目標(biāo)特性的研究提出越來越高的要求。雷達(dá)目標(biāo)電磁散射特性作為目標(biāo)特性專業(yè)的重要分支之一，近20年來取得了飛速發(fā)展。因此，目標(biāo)特性測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定性及測(cè)量精度的測(cè)評(píng)，在電磁專業(yè)的工程應(yīng)用中尤為重要。

雷達(dá)定標(biāo)實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)雷達(dá)整體性能的常用方法，常用的標(biāo)校方法分為相對(duì)標(biāo)校和絕對(duì)標(biāo)校。絕對(duì)標(biāo)校法忽略了發(fā)射系統(tǒng)的影響且對(duì)測(cè)量設(shè)備精度要求高，因此工程中通常采用相對(duì)標(biāo)校法。

1　基本原理介紹

雷達(dá)標(biāo)定試驗(yàn)主要利用標(biāo)準(zhǔn)金屬球進(jìn)行標(biāo)校，以獲取雷達(dá)系統(tǒng)K值。K值涵蓋了雷達(dá)系統(tǒng)損耗、大氣衰減等不確定因素，是計(jì)算目標(biāo)RCS值的關(guān)鍵參量，因此標(biāo)定試驗(yàn)的效果直接影響動(dòng)態(tài)RCS的測(cè)試精度。

單站測(cè)量時(shí)，雷達(dá)方程可表示為目標(biāo)回波功率、目標(biāo)RCS、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)和傳播路徑等若干參數(shù)的方程，其定義如式（1）：

（1）

（1）式中各字母如下，Pr：雷達(dá)接收的目標(biāo)回波功率；Pt：雷達(dá)發(fā)射功率；G：天線增益；λ：雷達(dá)波長；R：天線到目標(biāo)的距離；σ：目標(biāo)的雷達(dá)散射截面積；Lt：發(fā)射支路損耗；Lr：接收支路損耗；Lm：大氣傳輸損耗；LP：極化損耗。令

其中，常數(shù)K可利用已知RCS的標(biāo)準(zhǔn)金屬球校準(zhǔn)得到：

式（5）中各字母含義如下，σs：標(biāo)準(zhǔn)金屬球的雷達(dá)散射截面積；Prs：標(biāo)準(zhǔn)金屬球的回波功率；Pts：測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)金屬球的雷達(dá)發(fā)射功率；Rs：標(biāo)準(zhǔn)金屬球到天線的距離；Lms：定標(biāo)時(shí)的大氣損耗。

其中Lm需要根據(jù)目標(biāo)距離進(jìn)行修訂，Pts可通過高精度功率檢測(cè)計(jì)實(shí)時(shí)測(cè)量，Prs可通過功率校準(zhǔn)曲線獲得。

大部分測(cè)量雷達(dá)都采用測(cè)量支路與跟蹤支路融合的設(shè)計(jì)方案。在數(shù)據(jù)采集端，信號(hào)回波功率被分解為AGC和脈壓幅度Amp兩部分，在dB空間內(nèi)AGC+20×lg（Amp/A0）與回波功率Pr呈線性關(guān)系，其中A0是AGC起控電平，為固定參量。在實(shí)際測(cè)量中一般采用相對(duì)測(cè)量法，Pr（dB）和Prs（dB）在計(jì)算中可用AGC+20×lg（Amp/A0）代替，且在特定頻段、距離內(nèi)Lms變化可忽略不計(jì)。式（5）可簡化為：K（dB）=σs（dB）+Pts（dB）-AGC-20×lg（Amp/A0）-4Rs（dB） （6）

2　試驗(yàn)處理方法

2.1接收通道線性度檢查

接收機(jī)線性度直接影響測(cè)量結(jié)果的準(zhǔn)確性。以某測(cè)量雷達(dá)為例，耦合出一路固定功率的頻綜信號(hào)，接精密可變衰減器后由接收系統(tǒng)接收，將輸入信號(hào)逐dB衰減并在數(shù)據(jù)采集端記錄。分析數(shù)據(jù)后得出，dB空間內(nèi)AGC+20×lg（Amp/A0）與回波功率Pr呈線性關(guān)系，圖1為該雷達(dá)驗(yàn)證結(jié)果，X軸為dB空間信號(hào)輸入功率，Y軸為AGC+20×lg（Amp/A0）變化曲線。

圖1　水平支路測(cè)試結(jié)果

根據(jù)回波數(shù)據(jù)算出該通道接收機(jī)線性度為：η=0.23%，非線性誤差為：ε=0.14dB。

2.2應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)金屬球?qū)走_(dá)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校

2.2.1定標(biāo)金屬球選擇

由于標(biāo)準(zhǔn)金屬球各向同性，回波不隨入射波角度變化而變化，但其RCS隨電尺寸的變化而變化，散射的精確解為熟知的Mie級(jí)數(shù)，其標(biāo)準(zhǔn)RCS計(jì)算公式如下：

k=2π/λ為波數(shù)。

當(dāng)ka＞20時(shí)，標(biāo)準(zhǔn)金屬球的RCS趨向于其幾何投影面積πa2，ka＜20可通過查表先查取相對(duì)應(yīng)的NRCS值，再依據(jù)式（9）求得相應(yīng)金屬球標(biāo)準(zhǔn)RCS值。

2.2.2放球方式

業(yè)界常用的外場(chǎng)定標(biāo)方法分為地面放球和直升機(jī)放球兩種。前者受風(fēng)速和背景干擾影響小，但成本偏高；后者成本低，流程時(shí)間短。外場(chǎng)定標(biāo)通常采用后者。

為減少氣球以及地面雜波對(duì)標(biāo)校精度的影響，標(biāo)準(zhǔn)球金屬與雷達(dá)應(yīng)保持在適當(dāng)距離范圍。距離太遠(yuǎn)容易使氣球與金屬球同在主波束內(nèi)，影響定標(biāo)效果。若因距離遠(yuǎn)導(dǎo)致雷達(dá)仰角偏小，容易引入地雜波。若距離太近，金屬球容易進(jìn)入雷達(dá)測(cè)量盲區(qū)。

3　實(shí)驗(yàn)結(jié)果

為了綜合檢測(cè)雷達(dá)系統(tǒng)的穩(wěn)定性，某波段雷達(dá)共進(jìn)行6次標(biāo)定試驗(yàn)。其中大球?qū)?yīng)散射截面：0.0675m2（-11.70878dB）；小球?qū)?yīng)散射截面：0.0487m2（-13.10769dB）。圖2為該雷達(dá)K值（式6）統(tǒng)計(jì)結(jié)果，圖3為6次放球溫度、濕度和場(chǎng)壓的變化曲線。

從圖2可以看出，同一天內(nèi)同一極化方式下大球和小球得到的K值基本一致，并且K值起伏不超過1.5dB，該結(jié)果表明目前雷達(dá)系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，且從圖3中的溫度、濕度、場(chǎng)壓變化曲線可以看出，K值的起伏不隨單一環(huán)境因素變化而變化，受環(huán)境的綜合影響。

以進(jìn)一步檢測(cè)該雷達(dá)的測(cè)量精度為目的，ε挑選某日的放球數(shù)據(jù)，以大小球相互為基準(zhǔn)，測(cè)量對(duì)方雷達(dá)散射截面。

圖2　 K值變化曲線

圖3　溫度、濕度、場(chǎng)壓變化曲線

表1中大球和小球相互為基準(zhǔn)測(cè)量雷達(dá)散射截面的結(jié)果表明，該雷達(dá)已經(jīng)具備RCS測(cè)量功能，且從表1中測(cè)量誤差一項(xiàng)可以看出，雷達(dá)測(cè)量靜止目標(biāo)RCS效果良好，精度比較高。但動(dòng)目標(biāo)測(cè)量精度還需等條件具備后，對(duì)后期直升機(jī)放球數(shù)據(jù)、飛行數(shù)據(jù)以及RCS測(cè)量不確定度作出進(jìn)一步分析后得出結(jié)論。

表1　相互測(cè)量結(jié)果

4　結(jié)語

金屬球定標(biāo)實(shí)驗(yàn)是檢驗(yàn)雷達(dá)整體性能的常用方法。通過本文對(duì)某雷達(dá)標(biāo)定數(shù)據(jù)的舉例分析，表明該雷達(dá)目前系統(tǒng)穩(wěn)定性良好，具備RCS測(cè)量功能，且測(cè)量靜止目標(biāo)RCS精度較高。該分析方法能為目標(biāo)特性相關(guān)工作的開展打好基礎(chǔ)，同時(shí)也具有一定的普遍適用性，對(duì)其他測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)的測(cè)評(píng)有借鑒意義。

［1］楊沛.外場(chǎng)RCS測(cè)量常用方法比較［J］.電子科技，2011（24）：69-72.

［2］張德保.外場(chǎng)毫米波RCS測(cè)量中的無源標(biāo)校法［J］.船舶電子對(duì)抗，2006（29）：31-33.

［3］楊沛.外場(chǎng)RCS目標(biāo)特性測(cè)量標(biāo)校誤差分析及改進(jìn)［J］.電子科技，2009（22）：76-79.

Research of Measuring Radar Stability and Accuracy of Measurement Method

Wei Ting， Zhang Ruijuan （China Flight Test Establishment， Xi'an 710089， China）

Measurement instrumentation radar system is summarized in this paper， by many times the ground experiments， K value to calculate the radar system， and analyzing the radar K value changes， to test the stability of the radar system. And through the different size of metal ball in the form of mutual calibration detection radar RCS measurement function. The experimental results show that the radar is relatively stable， have RCS measurement function.

measuring radar； stability； precision； detection method

魏挺（1984-），男，黑龍江哈爾濱，碩士，工程師；研究方向：雷達(dá)電磁目標(biāo)特性。