梁子長, 方金鵬, 高 偉

（環(huán)境電磁特征國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200438）

基于亞ns窄脈沖瞬態(tài)散射的目標(biāo)RCS測量

梁子長, 方金鵬, 高 偉

（環(huán)境電磁特征國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200438）

利用亞ns級脈沖源及取樣示波器,采用雙接收天線分別接收回波信號與觸發(fā)信號的形式,減少了系統(tǒng)的時(shí)基抖動(dòng),提高了系統(tǒng)穩(wěn)定度和靈敏度；在復(fù)雜測試背景中實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)散射測量,獲取了目標(biāo)超寬帶RCS；與標(biāo)準(zhǔn)體的理論RCS值相比,測量結(jié)果誤差小于1 d B,說明了該瞬態(tài)散射測試系統(tǒng)及方法的有效性。

目標(biāo)識(shí)別；脈沖；時(shí)域測量

0 引言

超寬帶窄脈沖瞬態(tài)散射測量系統(tǒng)通常由UWB脈沖發(fā)射源、高帶寬數(shù)字示波器和超寬帶天線等組成［1-3］。隨著超寬帶脈沖功率技術(shù)、超寬帶天線技術(shù)和數(shù)據(jù)采集技術(shù)的發(fā)展［4,5］,超寬帶窄脈沖瞬態(tài)散射測量技術(shù)已逐漸成熟。

由于窄脈沖瞬態(tài)散射測量具有良好的時(shí)間及空間分辨力,復(fù)雜目標(biāo)瞬態(tài)散射回波測量可分辨其不同部位的散射回波；且單次的瞬態(tài)散射測量回波包含目標(biāo)從低頻到高頻的豐富信息,從中可提取目標(biāo)的散射截面、沖擊響應(yīng)、散射中心和極點(diǎn)分布等特性數(shù)據(jù)。與傳統(tǒng)頻域RCS幅相測量技術(shù)相比,超寬帶散射時(shí)域測量技術(shù)具有分辨率較高、無需暗室環(huán)境等優(yōu)點(diǎn)。本文主要利用亞ns級脈沖源及取樣示波器,采用雙接收天線形式實(shí)現(xiàn)了目標(biāo)散射回波脈沖的同步采集；并在非暗室環(huán)境中開展了目標(biāo)的窄脈沖瞬態(tài)散射回波測量及分析,標(biāo)定獲取了目標(biāo)超寬帶RCS分布,與標(biāo)準(zhǔn)體的理論RCS值相比,誤差小于1 dB。

1 瞬態(tài)散射測量系統(tǒng)及方法

由于實(shí)時(shí)示波器采集數(shù)據(jù)精度及帶寬相對較低,目標(biāo)散射特性的瞬態(tài)測量通常采用取樣示波器。后者要求采集觸發(fā)信號與散射回波信號嚴(yán)格同步,通常人們利用脈沖源直接提供同步觸發(fā)信號［3,6,7］,但該同步方法仍存在觸發(fā)時(shí)基抖動(dòng)較大、發(fā)射功率降低等問題。

本文介紹的超寬帶窄脈沖瞬態(tài)散射測量系統(tǒng)主要由亞ns級窄脈沖源、取樣數(shù)字示波器及超寬帶天線等組成,圖1給出了測量系統(tǒng)示意圖,為提高測量穩(wěn)定度及系統(tǒng)靈敏度,這里采用了3天線測量方式,即除發(fā)射與接收天線外,利用第3個(gè)天線提供示波器觸發(fā)信號,與利用接收天線的分路信號觸發(fā)相比,既保證了觸發(fā)信號的同步性,又可減少有效信號分路衰減及電纜中多次反射的干擾。

圖1 超寬帶時(shí)域窄脈沖散射測量系統(tǒng)框圖

目標(biāo)散射測量過程中,分別進(jìn)行脈沖源信號、目標(biāo)及背景散射回波的時(shí)域波形測試；并利用脈沖對準(zhǔn)方法,抵消背景回波的干擾；同時(shí),通過多次測量平均（64次）的方法提高測試數(shù)據(jù)精度。

窄脈沖瞬態(tài)散射測量的RCS定標(biāo)則采用相對定標(biāo)法,如式（1）所示：

式中：E目標(biāo)測試為目標(biāo)隨方位角和相對時(shí)間變化的測試時(shí)域響應(yīng)；E定標(biāo)體測試為標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)體的測試時(shí)域響應(yīng)；σ定標(biāo)體理論值為定標(biāo)體RCS理論值；θ為測試方位角；t為時(shí)間；f為電磁波頻率；FFT表示傅里葉時(shí)頻變換。

這里選擇邊長為10 cm的金屬平板作為定標(biāo)體,同時(shí),對該定標(biāo)體RCS值進(jìn)行掃頻數(shù)值計(jì)算,獲取其近似的超寬帶RCS理論值。

2 瞬態(tài)散射測量結(jié)果及比較

為驗(yàn)證測試系統(tǒng)和方法的有效性,分別對金屬平板、金屬球目標(biāo)進(jìn)行瞬態(tài)散射開展了測量。測量試驗(yàn)中,選取的窄脈沖寬度約為0.3 ns,測量場地為7 m×3 m的普通房間,測量距離取為4 m。

先對邊長20 cm的金屬平板進(jìn)行瞬態(tài)散射回波測量,圖2給出了測量的目標(biāo)時(shí)域散射回波結(jié)果,兩次測量回波十分一致。

圖2 金屬平板目標(biāo)的瞬態(tài)散射回波

由于測試場地是非吸波的普通房間,測量回波中明顯包含目標(biāo)及其與房間北墻耦合的兩部分回波,如圖2（a）所示,兩者時(shí)間差約13 ns,對應(yīng)的空間距離約為1.9 m,與實(shí)際的平板目標(biāo)與北墻間距離一致。圖2（b）給出了金屬平板散射回波的局部放大結(jié)果?？梢?除約54 ns處的主脈沖回波外,后續(xù)還存在一定的拖尾,其中部分包含側(cè)墻的多路徑反射回波,一般可根據(jù)目標(biāo)尺寸設(shè)置合適的時(shí)間窗減小其影響。

在此基礎(chǔ)上對回波信號依次進(jìn)行高斯濾波、RCS定標(biāo)處理,圖3給出了該金屬平板目標(biāo)1 GHz～3 GHz范圍內(nèi)的RCS對比結(jié)果；測量結(jié)果與其數(shù)值計(jì)算結(jié)果的最大偏差約為0.9 dB。

圖3 瞬態(tài)散射測量的金屬平板目標(biāo)（邊長20 cm）RCS比較

再對直徑為8 cm的金屬小球進(jìn)行瞬態(tài)散射回波測量,測量獲得時(shí)域回波及RCS分布結(jié)果如圖4所示。

圖4 直徑8 cm金屬球時(shí)域回波及定標(biāo)

圖4（a）為該金屬小球的時(shí)域脈沖回波,其中包含金屬球前點(diǎn)反射及經(jīng)后點(diǎn)繞射的爬行波兩部分,兩者時(shí)延約為0.7 ns,與金屬球的半周長近似一致。圖4（b）為該金屬小球定標(biāo)后的超寬帶RCS結(jié)果,與其數(shù)值計(jì)算RCS（Mo M）比較,兩者偏差小于1 d B；由于直接反射回波與爬行波的干涉作用,其RCS曲線在2.1 GHz附近存在干涉谷值。

3 結(jié)論

利用建立的亞ns窄脈沖瞬態(tài)散射測量系統(tǒng),采用雙接收天線分別接收回波信號與同步觸發(fā)信號的形式進(jìn)行散射測量,減少了電纜中多次反射導(dǎo)致的時(shí)基抖動(dòng),提高了系統(tǒng)靈敏度；并在非暗室環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了金屬平板、金屬小球等目標(biāo)的瞬態(tài)散射回波測量,獲取了其超寬帶RCS數(shù)據(jù),與理論計(jì)算的RCS結(jié)果相比,測量誤差小于1 dB,說明了本文建立的瞬態(tài)散射測量系統(tǒng)及測量處理方法的有效性。

［1］Robert J.Fontana,Edward Richley and Jo Ann Barney.Commercialization of an Ultra Wideband Precision Asset Location System［C］.IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies,2003,Reston.

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［3］關(guān)鑫璞,王少剛,王黨衛(wèi),等.超寬帶目標(biāo)時(shí)域電磁散射特性測量［J］.微波學(xué)報(bào),2008,24（1）：29-34.

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Target RCS Measurements Based on Sub-ns Narrow Pulse Transient Scattering

LIANG Zi-chang, FANG Jin-peng, GAO Wei
（National Key Laboratory of Electromagnetic Environmental Research,Shanghai 200438,China）

Synchronized collecting of echo signal and the triggor signal is achieved by the dual-receiving antenna using sub-ns pulse source and sampling oscilloscope.It reduces jitter and improves stability and sensitivity of system and wideband RCS distribution of the target is obtained.Compared to theoretical RCS of standard targets,the error of the measured data is less than 1 d B.It illustrates the validlity of the test system and method of transient scattering.

target recognition；pulse；time domain measurement

TN958

A

1671-0576（2014）01-0025-03

2013-08-08

梁子長（1978-）,男,碩士,高工,主要從事目標(biāo)與環(huán)境電磁散射特性技術(shù)的研究。