外場RCS測量中背景雜波抑制技術研究

李 勇，胡偉東，張 洋，文 斌

(1.中國人民解放軍32184部隊， 北京 100093； 2.北京理工大學， 北京 100081)

隨著雷達探測技術的不斷發展和設備性能的不斷提高，各種中遠程空基偵察和探測雷達在戰場上被大量使用，特別是全天候對地攻擊雷達以及為對地攻擊提供目標信息的中近程探測雷達，對地面武器裝備的作戰部署造成了極大威脅。地面裝備無論是在作戰準備、戰術部署還是在對敵進攻的各個階段，始終處于不同形式的雷達監視之下，越來越先進的探測手段使地面武器裝備的戰場生存環境越來越嚴峻。因此，賦予裝備隱身防護能力是提高武器裝備戰場生存能力的重要保障。

隨著具備一定雷達隱身能力的武器裝備大量配備部隊，依托配裝部隊實地開展裝備隱身性能檢測和評估將貫穿裝備作戰運用的全過程。裝備在日常維護保養時，需要對其隱身性能進行診斷評估，及時修復出現的隱身故障；在執行任務前，需要對隱身性能進行檢測，評估完成任務的可用度；在作戰部署時，需要對其實施偽裝措施，并要對偽裝措施的效果進行評估。

然而，武器裝備配發到部隊后，無法依托大型暗室進行隱身性能檢測評估，也無法提供標準的測試外場進行檢測，因此，唯一可行的就是在實際外場環境中，使用相關檢測評估設備對武器裝備的隱身性能進行檢測評估。

RCS是評估裝備雷達隱身性能的關鍵指標。在實際外場環境下，由于受到地表材質及地面平坦度、周圍建筑物及植物等背景環境雜波的影響，RCS測量的精度會產生偏差[1-2]。因此，如何抑制背景環境雜波對測量值的影響，是實際外場RCS測量需要解決的關鍵問題。

為解決外場RCS測量中背景雜波抑制問題，北京航空航天大學的原賽賽等[3]建立了測試系統、測試場的時變傳遞函數參數化模型，并提出利用軟件距離門技術提取輔助校準區域數據來估計模型參數，實現了時變響應特性的精確幅度和相位補償，提高了背景抵消的精度。該方法針對標準測試外場進行了仿真驗證，但野外背景的雜波抑制效果并未提及。

本文重點對實際外場RCS測量中采用的背景矢量相減、軟硬件距離門控制等背景雜波抑制相關技術進行了研究，并將雜波抑制后的回波數據進行一維距離像反演得到目標RCS值，最后綜合運用背景雜波抑制技術對實際裝備的RCS進行測量，驗證實際背景環境中雜波抑制方法的有效性。

1 背景矢量相減

1.1 頻域背景矢量相減

頻域背景矢量相減[4]方法是先記錄背景的頻率響應，然后在不改變周圍環境的條件下，記錄被測目標及環境的頻率響應，然后將所得到的2個頻率數據進行矢量相減，從而消除背景噪聲變化帶來的影響。

為簡單起見，假設測量系統沒有噪聲，背景雜波只來自于地面的M個散射點，雷達與目標的距離為Rt，地面散射點分布在以目標為中心，前后距離為Rg(m)的范圍內，目標的反射系數為kt，地面各個散射點的反射系數為kg(m)，電磁波的起始頻率為f0，步進間隔為Δf，步進N個點。

地面散射點的回波信息為：

(1)

目標的回波信息為：

(2)

地面散射點和目標的綜合回波信號是sg(t)與st(t)的矢量和sa(t)。此時的回波信息為頻域信息，頻域背景矢量相減時，先測量背景回波頻域信號，即得到sg(t)，再在背景環境不變的條件下放置被測目標進行測量，得到目標和背景的總回波頻域信號sa(t)，再將sa(t)與sg(t)進行矢量相減，即可得到目標的回波頻域信號st(t)。

1.2 時域背景矢量相減

時域背景矢量相減的原理是先測量背景的時域回波信號，然后測量放置目標后的時域回波信號，最后通過矢量相減的方法對背景雜波進行相減[5]，其原理與頻域矢量相減方法類似，只是在時域上實現背景相減功能。

由式(1)與式(2)可得雷達接收到的信號sa(t)為：

sa(t)=sg(t)+st(t)

(3)

對式(1)和式(3)分別作IFFT，得到sg(t)和sa(t)的時域形式IFFT[sg(t)]和IFFT[sa(t)]，再將IFFT[sa(t)]與 IFFT[sg(t)] 矢量相減，即可完成背景矢量相減。

2 軟硬件距離門控制

2.1 硬件距離門

硬件距離門是通過在RCS測量雷達中設計定時器來控制發射脈沖寬度，實現對目標和背景雜波之間的分離。

在RCS測量中，多數脈沖雷達的發射脈沖寬度在1 μs以內，定時器觸發發射機發射一個射頻脈沖，經過一定時延后，接收機完成對目標回波脈沖的接收。對于室外測試場，在脈沖發射后，來自測試場周邊環境的雜波到達接收天線的時延通常可能長達數微秒，而通過定時器對接收開關的控制，接收機可將位于距離門以外的絕大部分雜波濾除掉[6-7]。

具體設計時，硬件距離門的功能由開關芯片實現。該開關芯片在發射支路發射信號時，關閉開關，使發射信號無法經過環形器進入接收支路；而在回波信號到達時，打開開關，使接收支路能夠接收到回波信號。

實際測量時，對于單散射點目標，需要在回波脈沖的上升沿到來之前一小段時間打開開關，在回波脈沖的下降沿結束之后的一小段時間之后關閉開關。硬件距離門控制時序如圖1所示。

圖1 硬件距離門控制時序圖

圖1中，PRT為PLL的控制字，每個PRT的周期即是一個脈沖重復周期，Pulse為脈沖調制信號，而Protect信號即是回波信號進入接收支路前經過的保護開關的調制信號，Pulse和Protect信號都是低電平代表斷開，高電平代表接通。由圖1可見，Protect信號比Pulse信號延時了一段時間，并且Protect信號比Pulse信號接通的時間要長了一些。

若開關打開時間過長，會使被測目標的前后一段范圍內的背景雜波被接收機接收到；若開關打開時間過短，會使回波脈沖不能完全進入接收機，導致遺漏目標散射信息，最終不能得到準確的測量結果；若開關打開的時間不是回波信號到達的時間，則回波脈沖完全不能進入接收機，那么接收機接收到的信號只是接收機的噪聲?？梢姡瑴蚀_地控制接收機前開關的通斷時間，能夠確保背景雜波得到有效抑制。

2.2 軟件距離門

經過硬件距離門的處理，進入接收機的是目標以及距離目標很近的背景，此時，若背景遠小于目標，則測量結果已經比較準確，不需要再作處理，但是如果目標前后很近的地方出現較大的背景噪聲，則需要設計軟件距離門，通過合理設置數據截取的軟件距離門參數濾出目標區域外的雜散信號，進一步減小目標區前后的雜散信號影響[8]。軟件距離門可通過時域加窗來實現[9]，將窗函數低值部分對準雜波進行加權，能夠直接抑制背景干擾。

由式(3)可得到目標和背景雜波的回波信號，對其進行IFFT運算，有：

(4)

在實際測量中，往往測量距離是已知的，對于單散射點目標，可以以目標位置為中心，對g(l)進行加窗運算，能夠有效濾除雜波。但是對于多散射點目標，由于目標的散射中心本身就覆蓋了一段距離，而為了保留目標的全部散射信息，時域窗必須將這段距離內完全覆蓋，因此這段距離內的背景雜波仍然無法消除，此時需要結合前文介紹的背景矢量相減技術來進一步減弱背景雜波。

3 一維距離像反演RCS

傳統的RCS測量數據處理方法是直接對回波的頻域數據取模。在背景復雜的環境下，傳統的RCS計算結果會與實際情況有較大的出入，無法滿足精確測量的要求。本節綜合利用前兩節介紹的背景矢量相減、時域加窗等方法，給出一種RCS計算的方法，即由一維像反演RCS的方法。

計算過程如下：首先將背景矢量相減后的目標回波頻域數據作IFFT變換，得到一維高分辨率距離像，再根據目標區位置、尺寸等參數，選擇合適的時域加窗信號，將一維高分辨率距離像和時域加窗信號相乘并濾除雜波，最后將加窗后的距離像再作FFT變換到頻域，計算出RCS。

4 背景雜波抑制流程

RCS測量采取的是相對測量法，即分別測量已知RCS大小的標準體和待測目標的回波電壓值，然后比較計算出目標的RCS[10]。為了提高測量精度，需要采用背景矢量相減技術，在相同的測量條件下，分別測量背景、定標體和目標的回波值，然后分別從目標和定標體中減去背景值作為新的目標和定標體數據，最后采用多種算法進行后續的RCS計算，具體測量步驟如下：

步驟1選定背景相對穩定的區域作為定標體和目標測量的位置。

步驟2測量定標體區域背景回波：根據定標體放置位置與測量雷達的相對位置，設置合適的硬件距離門參數，測量沒有放定標體時定標區背景回波數據。

步驟3測量定標體回波數據：將定標體置于定標體測量位置，設置合適的硬件距離門參數，測量定標體的回波數據。

步驟4測量目標區域背景回波：根據目標放置位置與測量雷達的相對位置，設置合適的硬件距離門參數，測量沒有放置目標時目標區域背景回波數據。

步驟5測量目標回波數據：將目標置于目標測量位置，設置合適的硬件距離門參數，測量目標的回波數據。

步驟6數據處理：由步驟2～步驟5測得的數據進行背景矢量相減，再采用一維距離像反演RCS方法計算目標的RCS值。

5 驗證

本節結合某型裝備的外場RCS測量數據，驗證本文提出的背景雜波抑制技術的效果。本次測量的目的是獲取某裝備在實際外場條件下的RCS值。測量過程選擇在水泥路面上，背景環境相對穩定。

圖2給出的是采用傳統RCS數據處理方法得到的結果，圖3給出的是采用不同加窗處理算子反演出的RCS值。

圖2 傳統RCS處理曲線

圖3 加窗反演RCS處理曲線

對比圖2和圖3，采用背景抑制方法計算出的RCS值比傳統數據處理方法得到的RCS值的均值要低。加矩形窗反演后，均值比傳統計算方法下降了4個dB，而加hamming、hanning、blac kman窗反演后，均值比傳統方法下降了將近7個dB，并且得到的RCS頻域曲線明顯比反演前平緩很多。

被測裝備在實際背景中采用本文方法測得的RCS值以及未經過背景雜波抑制測得的RCS值，與同型號裝備在變俯角RCS測試場[1]測得的經過背景抵消的RCS值進行對比，結果如表1所示。

表1 RCS均質測量結果

從表1可以看出，實際外場測試中，如果不進行背景雜波抑制，測得目標RCS值與背景雜波混雜在一起，與標準場測得的目標RCS值相差較大，誤差超過10 dB。采用本文背景雜波抑制技術對背景雜波進行抑制后，實際外場測得的目標RCS值與標準場測得的目標RCS值相比，雖然在數值上要偏大，但總體上誤差不超過1.5 dB。通過比較可知，采用本文背景雜波抑制技術能夠有效抑制背景雜波，獲得較高精度的目標RCS值。

6 結論

本文在背景矢量相減、軟硬件距離門控制等背景雜波抑制技術基礎上，給出了一維距離像反演RCS計算方法，有效提高了目標RCS測量精度。實際測試結果表明采用背景抑制方法計算出的RCS值比傳統數據處理方法得到的RCS值的均值要低，說明在外場RCS測量中采用背景雜波抑制技術能夠有效減小背景雜波對目標RCS測量值的影響，提高測量的SNR和精度。本文僅探討了相對穩定背景環境下背景雜波抑制方法，對于實際復雜背景下目標RCS測量中背景雜波的測量及抑制技術，還需進一步開展研究。