雷達柵在外場RCS測試中的設(shè)計及應(yīng)用
2014-09-01 07:45:25張雷吳杰
新媒體研究 2014年11期
張雷+吳杰
摘要隨著低可觀察技術(shù)在軍事裝備上的廣泛應(yīng)用，目標(biāo)的RCS值越來越小，對測試設(shè)備及環(huán)境的要求越來越高，多路徑效應(yīng)已成為制約進一步提高雷達目標(biāo)散射特性測量精度的重要因素。
關(guān)鍵詞多路徑效應(yīng)；雷達柵；RCS
中圖分類號：TN958 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0134-01
外場靜態(tài)RCS測量是獲取目標(biāo)RCS的重要手段。其測試是模擬自由空間環(huán)境，但實際的測試場在測量中不可避免的會受到環(huán)境干擾雜波的影響。通常，測量雷達需在距離域和角域內(nèi)具有分離和抑制干擾的能力，但在以雷達、目標(biāo)為焦點，二者間距為焦距的立體橢球內(nèi)有障礙物，則存在不能用距離門濾除的多路徑效應(yīng)干擾，因此，需采用雷達柵的方法，來抑制雜波信號的影響。
1平滑地面多路徑效應(yīng)對外場RCS測試的影響
當(dāng)測試?yán)走_與待測目標(biāo)間的反射地面的最大不平坦度hs，滿足Rayleigh準(zhǔn)則：
≤ （1）
可認(rèn)為多路徑反射以鏡面反射為主。一個典型的室外靜態(tài)RCS測試場布局如圖1所示。
圖1室外靜態(tài)RCS測試場布局示意圖
如圖所示，測試天線中心距地面為hA，待測目標(biāo)的中心高度為hT，雷達的工作頻率范圍為2-18 GHz。當(dāng)?shù)孛娲嬖谡系K物時，自天線發(fā)射的電磁波照射到地面或障礙物時，就會發(fā)生折射和衍射現(xiàn)象，到達目標(biāo)的信號包含直達、地面反射和衍射信號，即產(chǎn)生了多路徑效應(yīng)。
實際外場測量條件下，測試天線和待測目標(biāo)的距離總是遠(yuǎn)大于測試天線及待測目標(biāo)本身的高度，可得單程行程差為：
（2）
當(dāng)單程行程差為（式中m為不等于零的正整數(shù)）時，待測目標(biāo)處接收到的場強最大，取m=1，有：
（3）
式（3）即為利用地面反射的室外測試場普遍采用的公式。從中可以看出，天線和目標(biāo)的架設(shè)高度與測試?yán)走_的工作頻率有關(guān)，因此，對于線性調(diào)頻或脈間頻率步進的雷達，往往采用抑制多路徑的措施。
2基于雷達柵的多路徑抑制技術(shù)
1）雷達柵位置的確定。
由圖1所示，雷達柵的位置由測試天線和待測目標(biāo)的高度確定，其中心位置為測試天線鏡像的中心與待測目標(biāo)中心的連線，與光滑主反射地面的交點。
由此可得：
（4）
當(dāng)測試天線和待測目標(biāo)的中心高度相同時，雷達柵放置位置位于主反射面的中點，有：
（5）
2）雷達柵高度的確定。
遠(yuǎn)程無線電通信和高分辨率雷達往往采用高增益的反射器系統(tǒng)，常規(guī)條件下，它在微波頻段的增益大于30dB。軸對稱拋物面反射器可由直徑和焦距兩個參數(shù)完全確定，因此其天線口面直徑DA與3dB波束寬度的關(guān)系為：
（6）
式中的單位為弧度。
通過計算可知，滿足上述條件的S、C、X、Ku天線口面的直徑分別為：3.12 m，1.76 m，1.02 m和0.68 m。
對于光滑地反射面，收發(fā)天線和待測目標(biāo)的高度有如下關(guān)系式：
（7）
位于地面反射點和測試場中心間的地面反射信號將落在距地面高度為HT的待測目標(biāo)區(qū)DT內(nèi)。因此，位于測試場中心處的雷達柵的最小高度hfmin為：
（8）
當(dāng)取hA=HT=3.5 m，待測目標(biāo)高度為DT=3 m時，計算得到對應(yīng)S、C、X、Ku等波段天線口面尺寸DA的雷達柵最小高度hfmin分別為：1.53 m、1.20 m、1.01 m和0.92 m。因此，雷達柵的高度應(yīng)為：hf≥1.53 m。
雷達柵約束條件：
當(dāng)雷達柵位于測試天線的附近時，提高雷達柵高度可導(dǎo)致測試天線方向圖畸變。因此，其高度設(shè)計應(yīng)以不遮擋測試天線主波束的照射為原則。那么，雷達柵高度與天線垂直向口徑有如下關(guān)系：
（9）
當(dāng)取hA=hT=3.5 m，待測目標(biāo)高度為DT=3 m時，計算得到對應(yīng)的S、C、X、Ku4個波段天線口面尺寸DA的雷達柵最小高度hfmin分別為：1.97 m、2.31 m、2.495 m和2.58 m。顯然，滿足S波段天線的雷達柵高度為最大允許高度，因此雷達柵高度為：hfmax≤=1.97 m。綜合考慮雷達柵高度的約束條件1、2及工程應(yīng)用，取雷達柵垂直高度取值范圍為1.8 m。
3）雷達柵橫向?qū)挾鹊拇_定。
工程實踐中，為了有效抑制多路徑反射的影響，一般使用雷達柵將照射到主反射地面前10個菲涅耳區(qū)的電磁波吸收。對于工作頻率3 GHz的信號，當(dāng)hA=hT=3.5 m時，且雷達柵高度為1.8 m時，第10菲涅耳區(qū)橢球體與平面相交的橢圓短軸長度為28 m。因此，為有效抑制多路徑效應(yīng)，雷達柵的最小橫向?qū)挾葹椋篧min≥28 m。
4結(jié)論
為阻斷或降低地面反射波的多路徑效應(yīng)，設(shè)計了一套切實可行的雷達柵方案，并將其在室外RCS測試場進行了相關(guān)驗證，發(fā)現(xiàn)外場背景電平均有較大幅度的改善，由此可看出雷達柵技術(shù)在外場RCS測試中對多路徑抑制的合理性和可行性，可有效提高外場RCS的測試精度。
參考文獻
[1]黃培康.雷達目標(biāo)特征信號[M].宇航出版社，1993.
[2]何國瑜，盧才成.電磁散射的計算和測量[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2006.
endprint
摘要隨著低可觀察技術(shù)在軍事裝備上的廣泛應(yīng)用，目標(biāo)的RCS值越來越小，對測試設(shè)備及環(huán)境的要求越來越高，多路徑效應(yīng)已成為制約進一步提高雷達目標(biāo)散射特性測量精度的重要因素。
關(guān)鍵詞多路徑效應(yīng)；雷達柵；RCS
中圖分類號：TN958 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0134-01
外場靜態(tài)RCS測量是獲取目標(biāo)RCS的重要手段。其測試是模擬自由空間環(huán)境，但實際的測試場在測量中不可避免的會受到環(huán)境干擾雜波的影響。通常，測量雷達需在距離域和角域內(nèi)具有分離和抑制干擾的能力，但在以雷達、目標(biāo)為焦點，二者間距為焦距的立體橢球內(nèi)有障礙物，則存在不能用距離門濾除的多路徑效應(yīng)干擾，因此，需采用雷達柵的方法，來抑制雜波信號的影響。
1平滑地面多路徑效應(yīng)對外場RCS測試的影響
當(dāng)測試?yán)走_與待測目標(biāo)間的反射地面的最大不平坦度hs，滿足Rayleigh準(zhǔn)則：
≤ （1）
可認(rèn)為多路徑反射以鏡面反射為主。一個典型的室外靜態(tài)RCS測試場布局如圖1所示。
圖1室外靜態(tài)RCS測試場布局示意圖
如圖所示，測試天線中心距地面為hA，待測目標(biāo)的中心高度為hT，雷達的工作頻率范圍為2-18 GHz。當(dāng)?shù)孛娲嬖谡系K物時，自天線發(fā)射的電磁波照射到地面或障礙物時，就會發(fā)生折射和衍射現(xiàn)象，到達目標(biāo)的信號包含直達、地面反射和衍射信號，即產(chǎn)生了多路徑效應(yīng)。
實際外場測量條件下，測試天線和待測目標(biāo)的距離總是遠(yuǎn)大于測試天線及待測目標(biāo)本身的高度，可得單程行程差為：
（2）
當(dāng)單程行程差為（式中m為不等于零的正整數(shù)）時，待測目標(biāo)處接收到的場強最大，取m=1，有：
（3）
式（3）即為利用地面反射的室外測試場普遍采用的公式。從中可以看出，天線和目標(biāo)的架設(shè)高度與測試?yán)走_的工作頻率有關(guān)，因此，對于線性調(diào)頻或脈間頻率步進的雷達，往往采用抑制多路徑的措施。
2基于雷達柵的多路徑抑制技術(shù)
1）雷達柵位置的確定。
由圖1所示，雷達柵的位置由測試天線和待測目標(biāo)的高度確定，其中心位置為測試天線鏡像的中心與待測目標(biāo)中心的連線，與光滑主反射地面的交點。
由此可得：
（4）
當(dāng)測試天線和待測目標(biāo)的中心高度相同時，雷達柵放置位置位于主反射面的中點，有：
（5）
2）雷達柵高度的確定。
遠(yuǎn)程無線電通信和高分辨率雷達往往采用高增益的反射器系統(tǒng)，常規(guī)條件下，它在微波頻段的增益大于30dB。軸對稱拋物面反射器可由直徑和焦距兩個參數(shù)完全確定，因此其天線口面直徑DA與3dB波束寬度的關(guān)系為：
（6）
式中的單位為弧度。
通過計算可知，滿足上述條件的S、C、X、Ku天線口面的直徑分別為：3.12 m，1.76 m，1.02 m和0.68 m。
對于光滑地反射面，收發(fā)天線和待測目標(biāo)的高度有如下關(guān)系式：
（7）
位于地面反射點和測試場中心間的地面反射信號將落在距地面高度為HT的待測目標(biāo)區(qū)DT內(nèi)。因此，位于測試場中心處的雷達柵的最小高度hfmin為：
（8）
當(dāng)取hA=HT=3.5 m，待測目標(biāo)高度為DT=3 m時，計算得到對應(yīng)S、C、X、Ku等波段天線口面尺寸DA的雷達柵最小高度hfmin分別為：1.53 m、1.20 m、1.01 m和0.92 m。因此，雷達柵的高度應(yīng)為：hf≥1.53 m。
雷達柵約束條件：
當(dāng)雷達柵位于測試天線的附近時，提高雷達柵高度可導(dǎo)致測試天線方向圖畸變。因此，其高度設(shè)計應(yīng)以不遮擋測試天線主波束的照射為原則。那么，雷達柵高度與天線垂直向口徑有如下關(guān)系：
（9）
當(dāng)取hA=hT=3.5 m，待測目標(biāo)高度為DT=3 m時，計算得到對應(yīng)的S、C、X、Ku4個波段天線口面尺寸DA的雷達柵最小高度hfmin分別為：1.97 m、2.31 m、2.495 m和2.58 m。顯然，滿足S波段天線的雷達柵高度為最大允許高度，因此雷達柵高度為：hfmax≤=1.97 m。綜合考慮雷達柵高度的約束條件1、2及工程應(yīng)用，取雷達柵垂直高度取值范圍為1.8 m。
3）雷達柵橫向?qū)挾鹊拇_定。
工程實踐中，為了有效抑制多路徑反射的影響，一般使用雷達柵將照射到主反射地面前10個菲涅耳區(qū)的電磁波吸收。對于工作頻率3 GHz的信號，當(dāng)hA=hT=3.5 m時，且雷達柵高度為1.8 m時，第10菲涅耳區(qū)橢球體與平面相交的橢圓短軸長度為28 m。因此，為有效抑制多路徑效應(yīng)，雷達柵的最小橫向?qū)挾葹椋篧min≥28 m。
4結(jié)論
為阻斷或降低地面反射波的多路徑效應(yīng)，設(shè)計了一套切實可行的雷達柵方案，并將其在室外RCS測試場進行了相關(guān)驗證，發(fā)現(xiàn)外場背景電平均有較大幅度的改善，由此可看出雷達柵技術(shù)在外場RCS測試中對多路徑抑制的合理性和可行性，可有效提高外場RCS的測試精度。
參考文獻
[1]黃培康.雷達目標(biāo)特征信號[M].宇航出版社，1993.
[2]何國瑜，盧才成.電磁散射的計算和測量[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2006.
endprint
摘要隨著低可觀察技術(shù)在軍事裝備上的廣泛應(yīng)用，目標(biāo)的RCS值越來越小，對測試設(shè)備及環(huán)境的要求越來越高，多路徑效應(yīng)已成為制約進一步提高雷達目標(biāo)散射特性測量精度的重要因素。
關(guān)鍵詞多路徑效應(yīng)；雷達柵；RCS
中圖分類號：TN958 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-7597（2014）11-0134-01
外場靜態(tài)RCS測量是獲取目標(biāo)RCS的重要手段。其測試是模擬自由空間環(huán)境，但實際的測試場在測量中不可避免的會受到環(huán)境干擾雜波的影響。通常，測量雷達需在距離域和角域內(nèi)具有分離和抑制干擾的能力，但在以雷達、目標(biāo)為焦點，二者間距為焦距的立體橢球內(nèi)有障礙物，則存在不能用距離門濾除的多路徑效應(yīng)干擾，因此，需采用雷達柵的方法，來抑制雜波信號的影響。
1平滑地面多路徑效應(yīng)對外場RCS測試的影響
當(dāng)測試?yán)走_與待測目標(biāo)間的反射地面的最大不平坦度hs，滿足Rayleigh準(zhǔn)則：
≤ （1）
可認(rèn)為多路徑反射以鏡面反射為主。一個典型的室外靜態(tài)RCS測試場布局如圖1所示。
圖1室外靜態(tài)RCS測試場布局示意圖
如圖所示，測試天線中心距地面為hA，待測目標(biāo)的中心高度為hT，雷達的工作頻率范圍為2-18 GHz。當(dāng)?shù)孛娲嬖谡系K物時，自天線發(fā)射的電磁波照射到地面或障礙物時，就會發(fā)生折射和衍射現(xiàn)象，到達目標(biāo)的信號包含直達、地面反射和衍射信號，即產(chǎn)生了多路徑效應(yīng)。
實際外場測量條件下，測試天線和待測目標(biāo)的距離總是遠(yuǎn)大于測試天線及待測目標(biāo)本身的高度，可得單程行程差為：
（2）
當(dāng)單程行程差為（式中m為不等于零的正整數(shù)）時，待測目標(biāo)處接收到的場強最大，取m=1，有：
（3）
式（3）即為利用地面反射的室外測試場普遍采用的公式。從中可以看出，天線和目標(biāo)的架設(shè)高度與測試?yán)走_的工作頻率有關(guān)，因此，對于線性調(diào)頻或脈間頻率步進的雷達，往往采用抑制多路徑的措施。
2基于雷達柵的多路徑抑制技術(shù)
1）雷達柵位置的確定。
由圖1所示，雷達柵的位置由測試天線和待測目標(biāo)的高度確定，其中心位置為測試天線鏡像的中心與待測目標(biāo)中心的連線，與光滑主反射地面的交點。
由此可得：
（4）
當(dāng)測試天線和待測目標(biāo)的中心高度相同時，雷達柵放置位置位于主反射面的中點，有：
（5）
2）雷達柵高度的確定。
遠(yuǎn)程無線電通信和高分辨率雷達往往采用高增益的反射器系統(tǒng)，常規(guī)條件下，它在微波頻段的增益大于30dB。軸對稱拋物面反射器可由直徑和焦距兩個參數(shù)完全確定，因此其天線口面直徑DA與3dB波束寬度的關(guān)系為：
（6）
式中的單位為弧度。
通過計算可知，滿足上述條件的S、C、X、Ku天線口面的直徑分別為：3.12 m，1.76 m，1.02 m和0.68 m。
對于光滑地反射面，收發(fā)天線和待測目標(biāo)的高度有如下關(guān)系式：
（7）
位于地面反射點和測試場中心間的地面反射信號將落在距地面高度為HT的待測目標(biāo)區(qū)DT內(nèi)。因此，位于測試場中心處的雷達柵的最小高度hfmin為：
（8）
當(dāng)取hA=HT=3.5 m，待測目標(biāo)高度為DT=3 m時，計算得到對應(yīng)S、C、X、Ku等波段天線口面尺寸DA的雷達柵最小高度hfmin分別為：1.53 m、1.20 m、1.01 m和0.92 m。因此，雷達柵的高度應(yīng)為：hf≥1.53 m。
雷達柵約束條件：
當(dāng)雷達柵位于測試天線的附近時，提高雷達柵高度可導(dǎo)致測試天線方向圖畸變。因此，其高度設(shè)計應(yīng)以不遮擋測試天線主波束的照射為原則。那么，雷達柵高度與天線垂直向口徑有如下關(guān)系：
（9）
當(dāng)取hA=hT=3.5 m，待測目標(biāo)高度為DT=3 m時，計算得到對應(yīng)的S、C、X、Ku4個波段天線口面尺寸DA的雷達柵最小高度hfmin分別為：1.97 m、2.31 m、2.495 m和2.58 m。顯然，滿足S波段天線的雷達柵高度為最大允許高度，因此雷達柵高度為：hfmax≤=1.97 m。綜合考慮雷達柵高度的約束條件1、2及工程應(yīng)用，取雷達柵垂直高度取值范圍為1.8 m。
3）雷達柵橫向?qū)挾鹊拇_定。
工程實踐中，為了有效抑制多路徑反射的影響，一般使用雷達柵將照射到主反射地面前10個菲涅耳區(qū)的電磁波吸收。對于工作頻率3 GHz的信號，當(dāng)hA=hT=3.5 m時，且雷達柵高度為1.8 m時，第10菲涅耳區(qū)橢球體與平面相交的橢圓短軸長度為28 m。因此，為有效抑制多路徑效應(yīng)，雷達柵的最小橫向?qū)挾葹椋篧min≥28 m。
4結(jié)論
為阻斷或降低地面反射波的多路徑效應(yīng)，設(shè)計了一套切實可行的雷達柵方案，并將其在室外RCS測試場進行了相關(guān)驗證，發(fā)現(xiàn)外場背景電平均有較大幅度的改善，由此可看出雷達柵技術(shù)在外場RCS測試中對多路徑抑制的合理性和可行性，可有效提高外場RCS的測試精度。
參考文獻
[1]黃培康.雷達目標(biāo)特征信號[M].宇航出版社，1993.
[2]何國瑜，盧才成.電磁散射的計算和測量[M].北京航空航天大學(xué)出版社，2006.
endprint
