朱 維，劉 寧，袁 英，陳建平

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第51研究所，上海201802;2.總參第54研究所，北京100191;3.海軍駐上海地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室,上海200232)

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電可控RCS值的理論和應(yīng)用研究

朱 維1，劉 寧2，袁 英1，陳建平3

(1.中國電子科技集團(tuán)公司第51研究所，上海201802;2.總參第54研究所，北京100191;3.海軍駐上海地區(qū)電子設(shè)備軍事代表室,上海200232)

從雷達(dá)截面積(RCS)定義出發(fā)，利用雷達(dá)電磁波傳輸模型引入了虛構(gòu)的“目標(biāo)增益”概念，結(jié)合轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)工作原理，提出了通過設(shè)置轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)系統(tǒng)增益實(shí)現(xiàn)對“目標(biāo)增益所對應(yīng)的RCS值”精確控制的理論分析和工程實(shí)現(xiàn)方法，并探討了電可控RCS值可能的應(yīng)用方向。

雷達(dá)截面積;目標(biāo)增益;轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī);系統(tǒng)增益

0 引 言

在雷達(dá)設(shè)計(jì)和使用時(shí)，必須用定量或其它方式描述目標(biāo)回波特性。一般而言，這種目標(biāo)回波特性歸結(jié)于一個(gè)有效面積，即雷達(dá)截面積(RCS)的描述[1]。

在實(shí)際情況中，目標(biāo)RCS值是一個(gè)變化范圍極大的數(shù)。對于一個(gè)目標(biāo)，其RCS值取決于很多因素。以簡單矩形平板為例，對于任意角度(θ，ψ)處入射波，理想導(dǎo)電矩形平板后向散射RCS值近似為[2]:

(1)

從式 (1)可以看出，理想導(dǎo)電矩形平板RCS值與平板尺寸a、b，對應(yīng)的電磁波工作波長λ，電磁波入射空間角度(θ，ψ)有關(guān)。單一矩形平板RCS值隨電磁波入射角度和工作波長不同呈現(xiàn)出很大的變化值，因此利用物理方法對目標(biāo)RCS值進(jìn)行計(jì)算、設(shè)置和快速改變有一定難度。

在雷達(dá)中從科學(xué)查詢到產(chǎn)品技術(shù)指標(biāo)的驗(yàn)證，任何一項(xiàng)可能都需要RCS值的標(biāo)定和測量[1]，目前遇到的最大問題是工程上標(biāo)準(zhǔn)且可控RCS值的確定和實(shí)現(xiàn)。本文從干擾機(jī)的角度對標(biāo)準(zhǔn)且可控RCS值模型建立和工程上可能的應(yīng)用方向進(jìn)行研究。

1 目標(biāo)增益

(2)

式中：Ptr為雷達(dá)發(fā)射功率；Ga為收發(fā)天線增益；R為干擾機(jī)與雷達(dá)距離。

(3)

在式(3)中引入了一個(gè)虛構(gòu)的名稱“目標(biāo)增益Gtg”，以對應(yīng)目標(biāo)的后向散射系數(shù)大小，即：

(4)

此目標(biāo)增益Gtg只與目標(biāo)δ值和雷達(dá)工作波長有關(guān)，與目標(biāo)物理形狀、大小和材料無關(guān)。

2 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)[3]

一般轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)和雷達(dá)的空間關(guān)系如圖1所示。

圖1 轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)和雷達(dá)的空間關(guān)系

如圖1所示，雷達(dá)到轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)和雷達(dá)到目標(biāo)斜距相等，因此單程路徑衰減因子也相同。目標(biāo)雷達(dá)截面反射路徑與干擾機(jī)干擾信號至雷達(dá)單程衰減因子也一樣。轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)接收機(jī)輸入功率為：

(5)

Pr乘以轉(zhuǎn)發(fā)器增益Gj，轉(zhuǎn)發(fā)干擾機(jī)發(fā)射天線增益Gt，再被路徑損失所衰減，然后乘以雷達(dá)接收天線增益Ga，結(jié)果轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)輸出的干擾信號在雷達(dá)接收機(jī)處產(chǎn)生的干擾信號功率Pj值為：

(6)

當(dāng)干擾信號的調(diào)制形式與雷達(dá)發(fā)射信號完全相關(guān)時(shí)，干擾功率無損失，結(jié)合前面雷達(dá)“目標(biāo)增益”論述，對于轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)而言，此時(shí)雷達(dá)的“目標(biāo)增益”對應(yīng)于干擾機(jī)系統(tǒng)增益GrGjGt和目標(biāo)回波信號矢量和。

比較式(3)和式 (6) ，則可以得到目標(biāo)與干擾信號在雷達(dá)接收機(jī)輸出的功率比為：

Prec/Pj=4πδ/λ2/GrGjGt

(7)

當(dāng)干擾機(jī)干擾信號和目標(biāo)回波信號在時(shí)間上錯(cuò)開(工程上極易實(shí)現(xiàn))，并使Prec/Pj=1時(shí)，則由式(8)可以得到：

4πδ/λ2=GrGjGt

(8)

(9)

因此在工程上通過干擾信號的延遲發(fā)射，使轉(zhuǎn)發(fā)式干擾信號強(qiáng)度與目標(biāo)回波信號強(qiáng)度一致，由式(9)可以得到目標(biāo)RCS值瞬間大小(Gr、Gj、Gt、λ可知、可控)。當(dāng)目標(biāo)RCS值所對應(yīng)的“目標(biāo)增益”遠(yuǎn)小于干擾機(jī)的系統(tǒng)增益時(shí)(特例為目標(biāo)不能在雷達(dá)上發(fā)現(xiàn)時(shí))，干擾機(jī)所產(chǎn)生的干擾信號可以作為一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)的目標(biāo)信號。只要改變干擾機(jī)系統(tǒng)增益就能輕易實(shí)現(xiàn)對回波信號大小的控制。

在轉(zhuǎn)發(fā)式干擾中，干擾機(jī)收發(fā)天線增益Gr、Gt對應(yīng)某一固定波長，其空間參數(shù)是固定的。雷達(dá)工作波長可以通過瞬時(shí)頻率測量系統(tǒng)得知，因此只要改變轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)通道增益Gj就可以設(shè)定所需δ值的大小。

例如對于波長為10 cm的雷達(dá)產(chǎn)生0.01 m2RCS值所需轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)系統(tǒng)增益值為：

GrGjGt=10.9 dB

對同一雷達(dá)產(chǎn)生10 000m2RCS值所需轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)系統(tǒng)增益值為:

GrGjGt=70.9 dB

式(9)中δ與雷達(dá)發(fā)射功率Ptr、收發(fā)天線增益Ga、干擾機(jī)距雷達(dá)距離R、雷達(dá)天線主瓣夾角、干擾機(jī)及目標(biāo)的物理特性基本無關(guān)，只取決于雷達(dá)工作波長、干擾機(jī)系統(tǒng)增益和隱含的干擾機(jī)最大發(fā)射功率值Pt，上述增益所對應(yīng)的動(dòng)態(tài)范圍對窄帶轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)而言，在工程上極易實(shí)現(xiàn)，并能達(dá)到良好的工程精度。

上述分析表明：可以用轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)通過對干擾機(jī)系統(tǒng)增益的精確控制，對所要求設(shè)定的RCS值進(jìn)行精確控制，實(shí)現(xiàn)不同大小RCS值的設(shè)定。

3 驗(yàn)證試驗(yàn)

利用轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)對某型模擬輸出導(dǎo)航雷達(dá)在湖面上進(jìn)行了RCS值模擬設(shè)置和控制的體制性驗(yàn)證試驗(yàn)。試驗(yàn)表明：可控系統(tǒng)增益轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)可精確地設(shè)置和控制干擾回波信號大小，對應(yīng)干擾信號回波大小和變化，與雷達(dá)的參數(shù)、干擾機(jī)與雷達(dá)的距離無關(guān)，設(shè)置的變化值僅取決于轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)天線在水平和俯仰方向上的增益變化值，遠(yuǎn)優(yōu)于實(shí)際目標(biāo)的變化值，因此工程上可產(chǎn)生標(biāo)準(zhǔn)、可控的RCS值。

4 應(yīng)用方向

其應(yīng)用方向主要包括：

(1) 產(chǎn)生假目標(biāo)回波信號新要求

當(dāng)干擾機(jī)進(jìn)行假目標(biāo)回波信號模擬時(shí)，從上面分析可以得知，干擾機(jī)系統(tǒng)增益設(shè)置必須為對應(yīng)某個(gè)RCS值的固定值，干擾機(jī)系統(tǒng)必須工作在線性區(qū)域，并保證干擾機(jī)輸出與輸入脈沖之間的瞬時(shí)功率差為一個(gè)常數(shù)，此時(shí)假目標(biāo)回波信號的值是一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)值，而不是通常定義的大于某個(gè)下限值。

(2) 雷達(dá)性能的檢測

利用轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)改變通道增益實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)RCS值設(shè)置，模擬和瞬時(shí)改變標(biāo)準(zhǔn)目標(biāo)大小，該目標(biāo)可用于雷達(dá)作用距離和發(fā)現(xiàn)概率的內(nèi)外場檢測。這種精確設(shè)置和可控比一般檢測時(shí)目標(biāo)物理和化學(xué)性能的改變在實(shí)際工作中更容易實(shí)現(xiàn)。已利用此原理設(shè)計(jì)了雷達(dá)(網(wǎng))低空檢測所需的標(biāo)準(zhǔn)、可控信標(biāo)，以實(shí)現(xiàn)對雷達(dá)(網(wǎng))低空性能檢測。

(3) 大型目標(biāo)的模擬

在上文中，RCS值為10 000 m2的大型目標(biāo)在10 cm波長時(shí)所對應(yīng)轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)的系統(tǒng)增益值為70.9 dB，無論是寬、窄帶工作，完成上述系統(tǒng)增益值的轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)在工程上均可輕易實(shí)現(xiàn)，而大型目標(biāo)的模擬在物理上卻很難。在工程上值得注意的是轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)必須保持恒定系統(tǒng)增益，所以在工程上對于近距離、大型目標(biāo)模擬需要功率放大器有足夠輸出功率和寬動(dòng)態(tài)內(nèi)的增益線性度。

(4) 復(fù)雜形狀目標(biāo)RCS值的快速校訂

通過快速地改變轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)系統(tǒng)增益，得到對應(yīng)工作波長RCS值的大小，在雷達(dá)上瞬時(shí)比較干擾機(jī)干擾功率大小與復(fù)雜形狀目標(biāo)反射回波功率大小，得到測量目標(biāo)在不同入射角度的RCS值，此方法可用于對復(fù)雜形狀目標(biāo)RCS值的快速校訂。

5 結(jié)束語

通過“目標(biāo)增益”的提出，結(jié)合轉(zhuǎn)發(fā)式干擾機(jī)工作原理和工作過程的分析，將RCS值的物理特性改變成電特性，可進(jìn)行精確設(shè)定和控制?；谵D(zhuǎn)發(fā)干擾機(jī)工作原理的RCS精確設(shè)置、可控方法在雷達(dá)對抗試驗(yàn)、測試和多種場合有一定的應(yīng)用前景。

[1] Skolnik Merrill I.雷達(dá)手冊[M].王軍, 林強(qiáng),米慈中,等譯.北京：電子工業(yè)出版社,2003.

[2] Bassem R.Mahafza,Atef z.Elsherbeni.雷達(dá)系統(tǒng)設(shè)計(jì)MATLAB仿真[M].朱國富，黃曉濤，黎向陽，等譯.北京：電子工業(yè)出版社,2009.

[3] 萊羅艾 B.范布朗特.應(yīng)用電子對抗[M].六機(jī)部第723研究所譯.北京：中國人民解放軍總參謀部第四部，1981.

Research into Theory and Application of Electrically Controlled RCS Value

ZHU Wei1，LIU Ning2,YUAN Ying1,CHEN Jian-ping3

(1.The 51st Research Institute of CETC,Shanghai 201802,China;2.No.54 Institute of General Staff,Beijing100191,China;3.Naval Representative Office of Electronic Equipment Based in Shanghai Area,Shanghai 200232,China)

From the definition of radar cross of radar (RCS),this paper introduces the concept of imaginary "target gain" by means of radar electromagnetic wave transmission model,combining with the operation principle of repeater jammer,puts forward the theory analysis and engineering realization method accurately controlling the RCS value that correpondings with the target gain through setting the system gain of repeater jammer,and discusses the possible application directions of electrically controlled RCS value.

radar cross section;target gain;repeater jammer;system gain

2014-12-23

TN914.41

A

CN32-1413(2015)01-0044-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2015.01.010