雷達定標技術對飛機RCS動態測量的影響分析

丁歡

摘 要本文首先簡要介紹了飛機RCS動態測量的原理，然后對測量過程中的雷達定標技術進行詳細討論。分析了真實雷達截面特性。通過對各種目標的實際測量，了解目標的基本散射特征，檢驗了理論分析的結果，詳細介紹兩種精確的方法進行幅度定標：直接方法和間接方法。為后續獲得準確數據和更高的準確度起到重要作用。

【關鍵詞】RCS 雷達 定標

研究目標雷達特征的一個重要手段是RCS的動態測量，它能夠真實反映目標在實際背景環境中運動時的雷達特征。通過RCS的動態測量數據分析可以得到大量的目標特征數據，為建立目標特性數據庫提供保障，同時還可以了解目標基本的散射現象，并驗證理論分析的正確性。

目標的雷達截面積由雷達方程可知為：

其中：σ表示目標雷達的截面；Pt表示雷達的發射功率；λ表示雷達的波長；Lt表示發射支路的衰減因子；Lm表示單行程大氣損耗因子；Pr表示雷達接收的目標回波功率；G表示雷達天線增益；Lr表示接收支路的衰減因子；R表示目標與雷達的徑向距離；Lp表示極化衰減因子。

如果上式中的Pt、G、λ、Lt、Lr在測量過程中為常量，同時將極化因子Lp合并到待求的σ中去，那么上式可寫為：

則對數形式為：

式中K為雷達常量，由雷達參數確定，

其中L為總的饋線損耗系數，包括Lt、Lr，同時還令其包括因測試方法而引入的固定衰減。

在測試過程中采取一定方法使雷達的高頻參量保持穩定，使得Pt、G、λ、L的變化保持在允許的范圍之內。

在σ的表達式中，大氣傳播損耗因子Lm可通過計算獲得，也可在對精度要求不高的前提下通過查閱文獻獲得一個單一的近似值，由標準金屬球的實測獲得K，同時目標的RCS動態測試數據可通過測得的瞬時Pr和R值來得到。

RCS動態測量的定標過程包括兩部分：一部分是直接定標，直接方法又可分為絕對定標和相對定標幾個過程。其中，絕對定標過程是通過測量標準金屬球的RCS值，得到比較測量方法的基準；間接定標過程是通過測量雷達的輸出功率校線，得到被測雷達輸出電壓與功率的對應曲線。另一部分是間接定標方法，包括對雷達特征的詳細測量、對未知目標回波功率的測量、以及應用雷達方程對未知目標RCS的計算等幾個過程。下面將分別對此幾種定標方法進行討論。

直接定標包含絕對定標和相對定標兩種：

1 絕對定標

該過程需要使用標準體如金屬球或角反射器作為定標標準，通過這些標準體的幾何特征可以求得其精確的RCS值。同時，將未知目標與標準體的雷達回波直接進行對比，最終求得未知目標的RCS值。理想情況下，未知目標和參考目標的RCS測量值相等，并且參考目標到雷達的距離和未知目標到雷達的距離相同。因此，未知目標與參考反射器的回波功率值可直接進行對比。但是，由于實際情況中，參考目標和未知目標到雷達距離無法相等，并且需要具有不同RCS值的各種尺寸目標。為克服這一困難，采取了如下措施：通過修正雷達距離方程來消除兩種目標到雷達距離的差異。修正方程式如下：

上式中：σu：未知目標的RCS

Pu、Pr：未知目標與參考目標的回波功率

Ru：未知目標與雷達間的距離

Rr：參考目標與雷達間的距離

Fu：未知目標的傳播因子

Fr：參考目標的傳播因子

σr：參考目標的RCS

（5）式中的傳輸因子Fr和Fu包含著兩個目標和雷達之間的電磁波的傳播條件、大氣衰減或散射、以及可能存在的多徑效應等信息。如果定標和對未知目標同時進行RCS測量，那么兩個傳播因子相等，所以（5）式則可化簡為：

如果參考目標的距離分辨單元以內沒有其它大的目標，同時在測量過程中傳播因子保持不變時，這種定標方法的精度僅僅依賴于參考目標的RCS精度。

由于，標準金屬球測得的K值為：

那么，標準金屬球的真實RCS值必須精確。在波長較長時，由于機械公差等原因所引起的球體表面潔度、規則性、光度等方面的問題對未知目標RCS測量值影響不是很大，但是當較短的波長特別是毫米波照射時，這些客觀存在的問題對未知目標的RCS值就存在著很大影響。

圖1為金屬球體上類似于二面角或三面角的溝槽引起的自身RCS誤差曲線。由圖顯示不難得到，在X波段，4mm溝槽使金屬球RCS產生1dB的誤差。而在毫米波95Hz頻率下，1mm的溝槽引起4～5dB的金屬球RCS誤差。根據國外的資料顯示，一般的標準金屬球誤差約為0.8dB，其不可預計誤差也為0.8dB。

GJB6180規定了其表面粗糙度的均方跟誤差，同時規定了金屬球的最小RCS，并且要求應采用兩點定標法，即采用兩個不同大小的標準金屬球進行定標，并且兩個金屬球相互定標所得的RCS應該與其理論值相對應。GJB6180還要求應該在飛行前后各完成一次定標，或者在被測飛機飛行過程中完成一次定標。GJB6180對金屬球和定標過程的規定，其主要目的是為了最大限度提高RCS動態測量的精度，降低標準體引入的測量誤差。

2 相對定標

該方法提供測量雷達的功率校線，即回波的功率幅度與電壓值的對應關系。在此過程中，需要信號發生器向雷達接收機提供一定的功率電平，此功率電平從飽和狀態到接收機噪聲電平，在雷達接收機的整個動態范圍內逐漸提高或降低，最后記錄雷達輸出端的信號電壓。在某些情況下，還可以使用雷達接收機IF組合的衰減器進行定標過程，但由于IF組合與RF組合之間有可能存有一定的非線性，在RF放大器以、接收機混頻器和前置放大器這些設備中會產生這種非線性。所以使用IF衰減可能會產生定標誤差，應盡可能不使用IF衰減器。

我們通過對相對定標的結果分析，了解到接收機輸出電壓作為輸入功率電平的函數曲線，其線性范圍至少要達到50dB，把這種曲線稱為接收機的功率校線。

圖2為某次測量時所得到的某雷達接收機功率校線。

間接定標包括對雷達特征、未知目標回波功率的測量，以及應用雷達方程對未知目標RCS的計算分析等幾個過程。由雷達方程得到未知目標RCS的表達式為：

要直接通過上式求得目標的RCS精確值，必須對雷達參數、回波功率進行詳細、準確的測定。同時確定各傳播因子的大小，而這種方法引起的誤差存在于雷達參數和回波功率的測量以及各傳播因子的使用方面上。

在實際使用時，無論是直接定標還是間接定標方法，都需要確定接收機的功率校線，即需要確定輸入功率與輸出電壓的關系。

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作者單位

西安航空職業技術學院 陜西省西安市 710089