地平場條件下小尺寸低RCS 目標測量方法研究

劉宗信，李斌，張書迪，劉進北

（解放軍95841 部隊，甘肅 酒泉 735018）

地平場是室外靜態RCS 測試場中的一種，主要用于大尺寸、全尺寸目標部件、模型的測試。為保障大尺寸、大噸位目標測試需求，建設有一定規模體積的目標支撐系統，目標支撐系統通常由金屬支架和兩軸轉頂組成。測量大尺寸、全尺寸目標時，兩軸轉頂可以內嵌于被測目標體內，不會產生強的反射回波信號增大背景RCS 影響測試精度；測量小尺寸目標時，兩軸轉頂無法內嵌于被測目標體內，將產生極強的反射回波信號提高背景RCS，在這種情況下，背景RCS 將遠強于被測目標RCS，被測目標信號淹沒于背景信號中無法識別，造成小尺寸低RCS 目標測試難題。但在室外靜態RCS 測試場中，為準確測試評估RCS 測量不確定度、獲取數據與室內測試場比對及建立與其他測試場的溯源關系，需要定期對一些小尺寸的標準體（件）進行測量。因此，研究使用有一定規模體積的目標支撐系統，保障小尺寸標準體（件）的測試非常有必要。該文以某地面靜態RCS測試場現有目標支撐系統為目標架設保障條件，以金屬球作為典型的小尺寸低RCS 量級目標，對小尺寸低RCS 量級目標在室外地面靜態RCS 測試場條件下的測試和數據處理方法進行研究[1-16]。

1 測試原理

以地平場為實現形式的室外靜態RCS 測試場，測試原理如圖1 所示。

圖1 地平場測試原理示意圖

圖1 中，待測目標位于測量設備前端RT處，由目標支撐系統支撐至距地面高hT處；定標體位于距測量設備前端RC處，由標校支架將定標體支撐至距地面高hC處。目標支撐系統由金屬支架和兩軸轉頂組成，測量大尺寸（全尺寸）目標時，兩軸轉頂可內嵌于被測目標體內，不會對測試產生影響。金屬支架及標校支架均采用低散射設計，其自身后向RCS通常比被測目標低兩個數量級，不影響測試。測試時，要求RT、hT、RC、hC滿足式（1）的約束[3]：

在滿足式（1）約束的基礎上，由于定標體和待測目標所處的位置不同，可以采用雙波門技術，同時獲取定標體和測試目標的回波信號，采用比較法計算，由式（2）計算獲得測試目標的RCS 值。

2 測試設計

在進行大尺寸部件或全尺寸目標測試時，兩軸轉頂內嵌于測試目標內部，轉頂對測試目標RCS 的影響可以忽略不計。測試小尺寸目標時，轉頂無法內嵌于目標體內，轉頂回波信號對測試目標的回波信號影響特別大，甚至淹沒目標回波信號，因此小尺寸目標無法直接放置在兩軸轉頂進行測量。

為評估目標支架的低散射特性，通常研制有低散射金屬罩，遮擋轉頂所產生的回波信號，當低散射金屬罩安裝于轉頂上時，可以得到小尺寸低RCS 目標測試所需要的背景條件。因此，該文對小尺寸低RCS 目標的測量，采用低散射金屬罩遮擋轉頂獲取所需要的低RCS 背景條件，以低散射金屬罩為基礎進行設計。

圖2 所示為其中的一種目標安裝方式。該方法在低散射金屬罩的前端，固定一段聚苯乙烯泡沫，對泡沫正對測量雷達方面進行斜切，防止聚苯乙烯泡沫鏡面反射回波增大背景。然后，將待測目標固定在聚苯乙烯泡沫前段。圖中的待測目標為直徑12 cm的金屬球。

圖2 測試目標安裝示意圖

圖3 給出了X 波段直徑12 cm 標準球按理論值進行一維距離成像的結果。目標一維像是對掃頻結果的傅里葉變化，它是該頻段內目標RCS 值的一個均值，通常用以代替中心頻點的RCS 值[5]。因此，直徑為12 cm 金屬球在X 波段的RCS 均值，可視為-21.58 dBsm。

圖3 X波段直徑12 cm金屬球理論值一維距離像

3 數據處理方法步驟

測試選用掃頻模式，測量金屬球X 波段（8～12 GHz），HH、VV 兩種極化方式下的RCS 值。獲取測試數據后，主要數據處理方法及步驟如下[4]：

1）用波門1 所采集的數據對波門2 采集數據進行幅度相位修正；

2）通過比較法計算獲得波門2 處RCS 值作為金屬球RCS 測量值；

3）利用IFFT 變換進行一維距離成像，時域提取法獲取金屬球回波；

4）將時域提取回波信號采用傅里葉變換（FFT）變換至頻域，得到金屬球的頻域相應曲線。

通常時域提取可選擇矩形、hanning、Hamming、Tayler、Sinc 等窗函數，文中選擇Tayler 窗函數。

4 測試結果分析

按數據處理方法設計的步驟進行數據的處理分析。

4.1 幅相補償

圖4 給出了HH、VV 兩種極化下定標體、測試目標原始回波數據的幅相特性曲線。從原始回波數據曲線可以看出，VV 極化狀態下測試目標較HH 極化狀態下的幅度變化波動更為劇烈，主要原因是目標支撐系統在VV 極化狀態下的回波要比HH 極化狀態下的回波強度大，與測試目標回波疊加后造成幅度較大的起伏。

圖5 給出了HH、VV 兩種極化狀態下，經定標及幅相補償運算后的目標幅相特性曲線及其相位隨頻率變化的差分結果，從圖中可以看出，除個別頻點相位變化存在異點外，整個頻段內的相位隨頻率的變化被校準與理想步進頻相位隨頻率變化趨勢相接近。

4.2 時域信號分布

在幅相補償的基礎上，作進一步處理。圖6 給出了金屬球在X 波段HH、VV 兩種極化狀態下的一維距離成像結果，圖中橫坐標為-5.073 m（金屬球幾何中心位置到轉頂旋轉中心距離經測量為5.1 m）處為金屬球所成的像。從成像可以看出金屬球在X 波段HH、VV 兩種極化狀態下的RCS 測量均值分別為-21.42 dBsm、-21.34 dBsm，與理論均值相比誤差分別為-0.16 dB、-0.24 dB，測量精度均在0.5 dB以內。

從圖6 可以直接看出，VV 極化狀態下的強散射點要明顯多于HH 極化狀態下的強散射點數量，這點也直接解釋說明了VV 極化狀態下測試目標較HH極化狀態下的幅度起伏更為劇烈的原因。

圖4 定標體及測試目標原始信號幅相特性

圖5 測試目標定標及幅相補償后特性

圖6 回波信號時域分布

4.3 時域提取變換至頻域結果

根據時域信號分布，以-5.073 m 為中心加窗提取金屬球回波數據變換回頻域。圖7 給出了原始回波數據計算所得RCS 值、時域提取RCS 值及理論RCS 值在X 波段的比較曲線。從圖中可以看出，原始數據曲線來回波動較大，與理論值相比在變化趨勢上的吻合度差；時域提取RCS 曲線除加窗效應造成的頻段兩端RCS 值異常外，與理論值曲線在變化趨勢上高度一致，剔除加窗后兩端有明顯異常的數據后，每個頻點與理論值相比誤差均在±1 dB 以內。

5 結論

該文研究分析了時域提取法在地平場中測量小尺寸低RCS 目標時可以達到的測量精度，從數值結果看，在X 波段4 GHz 寬的掃頻帶寬內，剔除加窗效應造成兩端頻段測量精度不理想外，在整個頻段內兩種極化方式下的測量精度都十分理想，每個頻點均可保證±1 dB 以內的測量精度，整個頻段內的平均測量精度更是分別低至-0.16 dB、-0.24 dB，效果非常理想，驗證了室外地平場條件下測量小尺寸低RCS 量級目標的可行性。

圖7 原始數據、提取數據及理論數據比較曲線