李軍獅 王小臻 高修賓

(中國洛陽電子裝備試驗(yàn)中心 洛陽 471003)

0 引言

目標(biāo)雷達(dá)散射截面(RCS)是表征目標(biāo)對(duì)照射電磁波散射能力的一個(gè)物理量，它是雷達(dá)目標(biāo)特性中最基本最重要的一個(gè)參數(shù)。通過對(duì)目標(biāo)RCS 的測(cè)量，不僅可以取得對(duì)目標(biāo)基本散射現(xiàn)象的了解，檢驗(yàn)理論分析的結(jié)果，而且可以獲得大量的目標(biāo)特征數(shù)據(jù)，建立目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫。本文基于Agilent 公司PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成的RCS 掃頻測(cè)量系統(tǒng)，可以在微波暗室下中進(jìn)行小目標(biāo)RCS 測(cè)試的，系統(tǒng)的工作頻率范圍500MHz-26.5GHz。該系統(tǒng)與已有測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)相比較，簡(jiǎn)單易行，測(cè)量精度高。

1 RCS 的測(cè)量原理［1］

當(dāng)忽略各種損耗時(shí)，雷達(dá)方程可簡(jiǎn)化為:

將被測(cè)目標(biāo)和已知精確RCS 值的標(biāo)準(zhǔn)球交替放置于相對(duì)于測(cè)量雷達(dá)的同一距離上，當(dāng)測(cè)量雷達(dá)的威力系數(shù)(即Pt，Gt與Ar均不變)相同時(shí)，可分別測(cè)得接收功率Pr和Pr0，則:

將上式單位取dB 值后，可得到:

由上式可知，已經(jīng)標(biāo)校球σ0，分別測(cè)量得到標(biāo)校球的Pr0和被測(cè)目標(biāo)的Pr，可求得σ 。

圖1 RCS 測(cè)量系統(tǒng)工作示意圖

2 測(cè)量系統(tǒng)的組成

2.1 PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主要用于測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的s 參數(shù)，當(dāng)測(cè)量目標(biāo)RCS 的值時(shí)，讓矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的一個(gè)通道發(fā)射信號(hào)，經(jīng)功率放大器進(jìn)一步放大后，通過饋線送往發(fā)射天線發(fā)射出去。它的另一個(gè)通道接收目標(biāo)回波信號(hào)，通過它的測(cè)量功能就可直接得到待測(cè)網(wǎng)絡(luò)的S21 參數(shù)。如果需要，也可以在接收通道中接入低噪聲放大器，以提高系統(tǒng)測(cè)試動(dòng)態(tài)范圍。

2.2 收發(fā)天線

采用一對(duì)與靜區(qū)中心進(jìn)行過嚴(yán)格電校準(zhǔn)的寬帶喇叭天線，通過饋線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連，距轉(zhuǎn)臺(tái)35m 基本滿足遠(yuǎn)場(chǎng)要求(R＞2d2/λ，其中d 為無人機(jī)的最大幾何尺寸)。為了滿足單站RCS 的要求，收發(fā)天線距離為40cm，且嚴(yán)格極化匹配。

2.3 轉(zhuǎn)臺(tái)及支架

轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在靜區(qū)下的測(cè)試平臺(tái)上，放置待測(cè)物體的泡沫支架上，測(cè)量時(shí)受到的雜波干擾最小且滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件。支架采用圓柱形聚乙烯支架，加工精度高，360 度反射信號(hào)固定，便于背景信號(hào)消除。

2.4 轉(zhuǎn)臺(tái)控制器

采用天線方向圖測(cè)試系統(tǒng)使用的轉(zhuǎn)臺(tái)控制器，它既可以直接控制轉(zhuǎn)臺(tái)，又可以與計(jì)算機(jī)連接進(jìn)行自動(dòng)控制，通常以自動(dòng)控制為主，以保證測(cè)量精度的要求。

2.5 標(biāo)準(zhǔn)球

選取目標(biāo)特性測(cè)量雷達(dá)測(cè)量目標(biāo)RCS 所用的Φ618mm、Φ300m 標(biāo)校球作為暗室測(cè)試用標(biāo)準(zhǔn)球，標(biāo)校球加工誤差±0.5dB。通過兩種標(biāo)校球互相測(cè)試比較，驗(yàn)證測(cè)試系統(tǒng)測(cè)試誤差。

根據(jù)標(biāo)校球的RCS 理論值計(jì)算公式:

式中D 為標(biāo)校球半徑。根據(jù)雷達(dá)目標(biāo)特性測(cè)量系統(tǒng)對(duì)雷達(dá)目標(biāo)RCS 測(cè)量精度要求，委托加工的兩種標(biāo)校球的技術(shù)指標(biāo)為:

3 掃頻法測(cè)量目標(biāo)RCS

3.1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù)設(shè)置

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是RCS 測(cè)試核心設(shè)備，其測(cè)試參數(shù)設(shè)置必須滿足微波暗室條件和被測(cè)目標(biāo)RCS測(cè)試要求。微波暗室從測(cè)試天線到暗室后墻的距離約為46m，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行掃頻測(cè)試距離需大于92m。為方便區(qū)分測(cè)量目標(biāo)和暗室后墻，所以選擇的測(cè)試距離設(shè)置為100m 以上。

3.1.1 測(cè)試點(diǎn)數(shù)［4］［5］

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用帶通工作方式，經(jīng)傅里葉變換后給出時(shí)域響應(yīng)，模擬脈沖函數(shù)對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行照射。脈沖寬度T 由掃頻的帶寬B 和所選的窗函數(shù)決定。

式中:k 是常數(shù)，取決測(cè)試所用窗函數(shù)，測(cè)試選取最小窗，取k=1.2;B 為掃頻信號(hào)帶寬。所以距離分辨力ΔL 為:

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試所需的采樣點(diǎn)數(shù)為:

上式中N 為采樣點(diǎn)數(shù)、L 為要保障的暗室測(cè)量距離。由公式(5)、(6)、(7)可知，當(dāng)中心頻率為3GHz，掃頻帶寬為2GHz 時(shí)，時(shí)間分辨率為0.6ns，距離分辨率為90mm。在滿足暗室測(cè)量距離92m 情況下，采樣點(diǎn)數(shù)必須大于1223 點(diǎn)，所以在微波暗室中對(duì)無人機(jī)進(jìn)行RCS 測(cè)試，需設(shè)定的測(cè)試點(diǎn)數(shù)可設(shè)為1601 點(diǎn)，這時(shí)測(cè)試距離為144m，可滿足暗室條件下無人機(jī)RCS 測(cè)試要求。

3.1.2 其它參數(shù)

為提高系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍，降低系統(tǒng)噪聲，采取測(cè)試數(shù)據(jù)平均和降低掃描帶寬的方法。綜合測(cè)試系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍和測(cè)試需要，擬提高20dB 動(dòng)態(tài)范圍，所以選取測(cè)量數(shù)據(jù)平均10 次、1kHz 中頻帶寬，此時(shí)測(cè)試速度下降原來的77.5 倍。當(dāng)掃頻點(diǎn)數(shù)為1601 點(diǎn)，一次測(cè)試時(shí)間約為4.5μs/點(diǎn)×1601 ×77.5=558ms，測(cè)試速度可滿足測(cè)試要求。

3.2 RCS 測(cè)試程序［2］［3］

(1)將PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與收發(fā)天線按一定極化連接起來。PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀預(yù)熱半小時(shí)以上后，對(duì)包括測(cè)試用雙脊喇叭天線和測(cè)試線纜進(jìn)行二端口校準(zhǔn)，存儲(chǔ)校準(zhǔn)狀態(tài)，使校準(zhǔn)數(shù)據(jù)準(zhǔn)確到測(cè)試天線收發(fā)端。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與控制計(jì)算機(jī)用直通網(wǎng)線連接起來，利用Windows XP 遠(yuǎn)程桌面連接功能，在計(jì)算機(jī)上根據(jù)測(cè)試要求設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)試參數(shù)。

(2)在微波暗室中，將測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置到測(cè)試平臺(tái)靜區(qū)中心下方，通過連接件把測(cè)試支架固定在轉(zhuǎn)臺(tái)上。在轉(zhuǎn)臺(tái)周圍鋪設(shè)好吸波材料，將測(cè)試平臺(tái)上升到適當(dāng)高度。將轉(zhuǎn)臺(tái)控制器及控制計(jì)算機(jī)安裝在測(cè)試平臺(tái)側(cè)下方控制室內(nèi)，方便測(cè)試人員更換測(cè)試件。對(duì)微波暗室背景信號(hào)進(jìn)行測(cè)試，將暗室背景信號(hào)存儲(chǔ)到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)存中。

(3)架設(shè)Φ618mm 標(biāo)準(zhǔn)球。

圖2 標(biāo)準(zhǔn)球測(cè)試狀態(tài)圖

(4)調(diào)整轉(zhuǎn)臺(tái)到起始位置，設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示為S21-背景信號(hào)，開始測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)球回波信號(hào)S21，得到標(biāo)準(zhǔn)球的測(cè)量數(shù)據(jù)Pr0。

(5)將標(biāo)準(zhǔn)球換為被測(cè)目標(biāo)，設(shè)轉(zhuǎn)臺(tái)起始位置與無人機(jī)機(jī)頭對(duì)準(zhǔn)發(fā)射天線相一致方向?yàn)?。

圖3 無人機(jī)測(cè)試狀態(tài)圖

(6)設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示為S21-背景信號(hào)，測(cè)試轉(zhuǎn)臺(tái)2°步進(jìn)，測(cè)量被測(cè)目標(biāo)的S21，得到被測(cè)目標(biāo)的Pr。

(7)把測(cè)量數(shù)據(jù)代入計(jì)算公式(1-5)計(jì)算可獲得目標(biāo)的RCS 值。

3.3 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

為準(zhǔn)確測(cè)試被測(cè)目標(biāo)的RCS 值，減小測(cè)試誤差，系統(tǒng)采用標(biāo)準(zhǔn)球校準(zhǔn)、背景對(duì)消、時(shí)域門等技術(shù)進(jìn)行測(cè)試數(shù)據(jù)處理。

3.3.1 標(biāo)準(zhǔn)球校準(zhǔn)

采用兩個(gè)標(biāo)校球360°測(cè)試，互為標(biāo)準(zhǔn)球和測(cè)試目標(biāo)，以理論值印證測(cè)試值，將測(cè)試值與理論值最接近的一面做為標(biāo)準(zhǔn)球測(cè)試面，與測(cè)試目標(biāo)值進(jìn)行比較，減小標(biāo)準(zhǔn)球引入誤差。

3.3.2 背景對(duì)消

系統(tǒng)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量場(chǎng)相關(guān)技術(shù)，先對(duì)微波暗室背景進(jìn)行測(cè)試，將其數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ)在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀存儲(chǔ)器中，認(rèn)為背景信號(hào)為一白噪聲，最后在標(biāo)準(zhǔn)球或被測(cè)目標(biāo)數(shù)據(jù)中進(jìn)行相減，消除暗室后墻、側(cè)墻、目標(biāo)支架等引起的反射回波對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。

3.3.3 時(shí)域門

將被測(cè)目標(biāo)架設(shè)于靜區(qū)中心進(jìn)行RCS 測(cè)試，可以采用時(shí)域門技術(shù)，將平臺(tái)邊緣和后墻反射信號(hào)選通在時(shí)域門之外，減小測(cè)試誤差。測(cè)試目標(biāo)小于3m時(shí)，對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行360 度圓周測(cè)試，時(shí)域門設(shè)置為以靜區(qū)為中心±30ns 以內(nèi)。

3.3.4 誤差分析

采用掃頻測(cè)試方法得到目標(biāo)頻域數(shù)據(jù)，經(jīng)背景對(duì)消、加權(quán)平均并在時(shí)域加時(shí)域門等處理后，需要將時(shí)域數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)。在頻域數(shù)據(jù)中抽取需計(jì)算RCS 值的頻率下標(biāo)準(zhǔn)球和被測(cè)目標(biāo)功率電平值，利用公式(1-3)計(jì)算出被測(cè)目標(biāo)的RCS 值。

地面反射對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響:微波暗室在30m 處入射角為85°，吸波材料反射系數(shù)約為-15dB。反射信號(hào)在靜區(qū)中心位置反射信號(hào)高度為0.5m，而被測(cè)目標(biāo)架高為1.8m 左右，所以可以認(rèn)為時(shí)域門內(nèi)地面反射信號(hào)對(duì)被測(cè)目標(biāo)RCS 測(cè)試影響很小，可以忽略。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀噪聲影響［5］:根據(jù)PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀技術(shù)指標(biāo)可知軌跡噪聲(@1kHz IF BW)＞0.0006 dB at 22.5 GHz，校準(zhǔn)后儀表顯示結(jié)果軌跡噪聲電平很小，可以認(rèn)為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀噪聲未引入測(cè)試誤差。

3.4 測(cè)試誤差驗(yàn)證

對(duì)兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)球進(jìn)行測(cè)試可知 Pφ300=-109.55dBm、Pφ618=-102.49dBm

由公式(1-5)σφ300= Pφ300-Pφ618+σφ618=-109.55-(-102.49)+(-5.23)=-12.29dBm2

Δσ=-11.51-(-12.29)= 0.78dBm2

由于標(biāo)校球加工誤差±0.5dB，所以從測(cè)量結(jié)果可知，RCS 測(cè)試系統(tǒng)對(duì)標(biāo)校球RCS 測(cè)試測(cè)試引入誤差很小，說明測(cè)試系統(tǒng)可用于滿足測(cè)試條件目標(biāo)的RCS 測(cè)試，測(cè)試準(zhǔn)確。

4 掃頻RCS 測(cè)試系統(tǒng)應(yīng)用

采用掃頻測(cè)試方式，可以快速測(cè)試目標(biāo)一定頻率的RCS 值，還可以采用時(shí)域方式對(duì)被測(cè)目標(biāo)進(jìn)行一維成像。表1 是無人機(jī)在S 波段某頻率下的部分測(cè)試數(shù)據(jù)，圖4 是某無人機(jī)鼻準(zhǔn)方向的一維成像圖。

表1 無人機(jī)RCS 值測(cè)試表

圖4 無人機(jī)鼻準(zhǔn)方向一維成像圖

5 結(jié)束語

微波暗室內(nèi)RCS 的測(cè)量研究是目前我國隱身與反隱身技術(shù)研究的有效手段。本文基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀構(gòu)建的RCS 測(cè)量系統(tǒng)可通過發(fā)射寬帶掃頻信號(hào)來測(cè)量目標(biāo)RCS 隨頻率的關(guān)系，也可給出目標(biāo)的成像以以識(shí)別目標(biāo)。該系統(tǒng)通過加時(shí)間門，加窗函數(shù)等信號(hào)處理的手段來提高全頻段RCS 的測(cè)量精度，可為完成小目標(biāo)RCS 測(cè)試和進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別提供測(cè)試數(shù)據(jù)。

［1］黃培康、殷紅成、許小劍編著，雷達(dá)目標(biāo)特性［M］北京:電子工業(yè)出版社，2005.3.

［2］劉密歌、趙軍倉、張麟兮、李南京微波暗室中兩種RCS 測(cè)試系統(tǒng)的比較［J］計(jì)算機(jī)測(cè)量與控制2007，15(3):300-301.

［3］薛元松、許家棟單頻點(diǎn)與寬帶掃頻測(cè)試目標(biāo)RCS 的比較［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，218(3):25-27.

［4］陸申奇矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時(shí)域測(cè)量功能的分析和應(yīng)用電子測(cè)量與儀器學(xué)報(bào)2004 增:344-348.

［5］Agilent PNA-X Network Analyzer Quick Reference Guide，2006.