呂 可，鄭 威

(1.中國人民解放軍91336部隊，河北 秦皇島 066326; 2.中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066000)

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角反射體RCS微波暗室測量及分析

呂 可1，鄭 威2

(1.中國人民解放軍91336部隊，河北 秦皇島 066326; 2.中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066000)

角反射體雷達(dá)散射截面(RCS)的測量是雷達(dá)目標(biāo)識別、成像等研究領(lǐng)域的一個關(guān)鍵環(huán)節(jié);在對目標(biāo)RCS測量原理分析的基礎(chǔ)上,介紹了一個在微波暗室中基于緊縮場和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測量目標(biāo)RCS的測量系統(tǒng);利用該系統(tǒng)對角反射體垂直姿態(tài)和45°姿態(tài)的RCS進(jìn)行了360度轉(zhuǎn)角掃頻的測量，結(jié)果與FEKO軟件仿真計算的結(jié)果對比表明，兩種方法得到的數(shù)據(jù)走勢基本一致。

雷達(dá)散射截面；緊縮場；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；仿真計算

0 引言

目標(biāo)雷達(dá)散射截面(RCS)是表征目標(biāo)對照射電磁波散射能力的一個物理量,它是雷達(dá)目標(biāo)特性中最基本最重要的一個參數(shù)[1]。通過對目標(biāo)RCS的測量,不僅可以取得對目標(biāo)基本散射現(xiàn)象的了解,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,理論上為目標(biāo)電磁散射特性的研究提供理論依據(jù),同時為下一步進(jìn)行目標(biāo)識別、反隱身技術(shù)的研究、雷達(dá)等相關(guān)裝備的發(fā)展打下一個良好的基礎(chǔ)[2-4]。

當(dāng)前獲取目標(biāo)雷達(dá)散射截面(RCS)的途徑包括外場實測、微波暗室測量及建模仿真。外場測試基本可以滿足遠(yuǎn)場條件但容易受到環(huán)境氣候的影響,獲得超寬帶、高分辨、高精度測量值的代價相當(dāng)大。本文在微波暗室中利用緊縮場和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對裝備試驗中的用到的角反射體的RCS進(jìn)行測量，并通過仿真計算驗證測量結(jié)果，為下一步雷達(dá)目標(biāo)識別、成像等領(lǐng)域研究試驗的進(jìn)行打下基礎(chǔ)。

1 RCS測量原理

RCS是定量表征目標(biāo)散射強(qiáng)弱的物理量，稱為目標(biāo)對入射雷達(dá)波的有效截面積。一般情況下，目標(biāo)RCS的測量是通過測量雷達(dá)回波的功率，按照雷達(dá)方程反算出目標(biāo)的RCS值。若用雷達(dá)發(fā)射天線對準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行照射，雷達(dá)接收功率的表達(dá)式為[6]:

(1)

其中：Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；Pr為雷達(dá)接收處接收回波功率；Gt，Gr分別為雷達(dá)發(fā)射天線、接收天線的增益；λ為入射雷達(dá)波的波長，R為目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離；σ為目標(biāo)的散射截面積。

由(1)式可以看出，在其它參數(shù)不變的前提下，目標(biāo)散射截面積σ與雷達(dá)接收處的回波功率Pr成正比。若σ以對數(shù)形式給出，記為σdBsm，即：

(2)

因此，如果知道同一條件下測得的待測目標(biāo)回波功率和標(biāo)準(zhǔn)球的回波功率分別是Pr和Pr’，那么待測目標(biāo)的RCS真實值為：

(3)

2 測量系統(tǒng)的組成

微波暗室RCS測量分系統(tǒng)由緊縮場反射面、饋源、饋源支架(含極化轉(zhuǎn)臺)、被測目標(biāo)轉(zhuǎn)臺及泡沫支架、以及以N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心的寬頻帶RCS測量子系統(tǒng)等組成。

圖1 緊縮場暗室全景

圖2 RCS測量系統(tǒng)示意圖(虛線內(nèi)是微波暗室)

2.1 緊縮場

利用緊縮場設(shè)備，可以在室內(nèi)對較大目標(biāo)進(jìn)行滿足遠(yuǎn)場條件下的測試?；驹硎墙柚谕哥R或反射面，校正來自一個點源或線源的輻射，使在靠近透鏡或反射面的被測目標(biāo)或天線由一個幅度與相位都近似均勻的波前照射，等效于在遠(yuǎn)場條件下平面波照射的效果。緊縮場系統(tǒng)可被視為一個球面波到平面波的“校正”器，以滿足RCS測量所需的遠(yuǎn)場條件。由于測試距離較短，緊縮場系統(tǒng)可以安裝在微波暗室中，使測試可以不必受天氣影響，并消除了室外環(huán)境雜散電磁波可能對測試產(chǎn)生的干擾，提高了測試的保密性。

本系統(tǒng)中用到的是一種單反射面緊縮場。

2.2 N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不僅作為信號的收發(fā)設(shè)備,而且還作為測量設(shè)備,測量網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。它既可發(fā)射寬帶步進(jìn)掃頻脈沖信號,也可發(fā)射單載波連續(xù)信號(簡稱點頻信號)。為了獲得較好的收發(fā)隔離性能，采用了準(zhǔn)收發(fā)合置模式，即微波信號發(fā)射和接收各用一只饋源，所有饋源都為單線極化形式。

2.3 轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)

包括支持轉(zhuǎn)臺系統(tǒng)和轉(zhuǎn)臺控制柜。轉(zhuǎn)臺安裝在靜區(qū)的地面上，其上放置待測物體的泡沫支架，使測量時受到的雜波干擾最小。

轉(zhuǎn)臺控制柜既可以直接本地HMI控制轉(zhuǎn)臺，又可以與計算機(jī)連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程計算機(jī)自動控制。

3 角反射體RCS測量過程及方法

3.1 角反射體

試驗測試的角反射體如圖3所示，分別測試角反射體垂直姿態(tài)和45度姿態(tài)的角域RCS值。角反射體邊長230 mm，倒角邊長170 mm，金屬板厚度為1 mm。

圖4 角反射體尺寸示意圖

3.2 測量試驗設(shè)置及環(huán)境參數(shù)

測量試驗設(shè)置及環(huán)境參數(shù)如表1～4所示。

3.3 測量過程及方法

根據(jù)RCS測量原理，按照背景電平測量、定標(biāo)測量、目標(biāo)體360度轉(zhuǎn)角測量、測量數(shù)據(jù)處理4個步驟進(jìn)行，提取固定頻點的目標(biāo)體角域RCS圖像。具體操作步驟如下：

表1 測量試驗基本參數(shù)表

表2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù)設(shè)置表

表3 目標(biāo)轉(zhuǎn)臺設(shè)置參數(shù)表

表4 測量環(huán)境參數(shù)表

1)不放置目標(biāo)的情況下，測量記錄接收饋源處回波情況；

2)在測量支架上放置RCS已知的標(biāo)準(zhǔn)球，測量并記錄接收饋源處的回波情況；

3)用被測角反射體換下標(biāo)準(zhǔn)球，角反射體垂直姿態(tài)放置，以0.5°間隔進(jìn)行360度轉(zhuǎn)角測量，記錄每個角度接收饋源處的回波情況；

4)把角反射體以45°姿態(tài)放置，以0.5°間隔進(jìn)行360度轉(zhuǎn)角測量，記錄每個角度接收饋源處的回波情況。

4 測試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對比分析

仿真試驗采用FEKO軟件建模計算。FEKO是一個以矩量法(MOM)為基礎(chǔ)的三維全波電磁場分析軟件，并集成了多層快速多極子方法(MLFMA)、物理光學(xué)法(PO)和一致性幾何繞射理論(UTD)等多種算法，形成了一套完整的電磁計算體系[9]。對于關(guān)鍵性的部位使用MM，對其他重要的區(qū)域(一般都是大的平面或者曲面)使用PO或者UTD，既保證了計算的準(zhǔn)確性，同時兼顧了對計算機(jī)硬件配置和計算時間的要求。與其它基于有限元方法的軟件相比，F(xiàn)EKO 不需要對吸收邊界、傳播空間網(wǎng)格等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，大大方便了用戶的使用[10]。

4.1 測量與計算結(jié)果對比

測量和仿真計算結(jié)果對比如圖5～6所示。

圖5 角反射體垂直姿態(tài)RCS數(shù)據(jù)對比

圖6 角反射體45°姿態(tài)RCS數(shù)據(jù)對比

角反射體RCS值統(tǒng)計數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 微波暗室測量與仿真計算結(jié)果統(tǒng)計對照表

統(tǒng)計數(shù)據(jù)主要關(guān)心RCS結(jié)果數(shù)據(jù)的算術(shù)平均、對數(shù)平均和中值。

(6)

(7)

概率密度函數(shù)PDF(σ)是一種統(tǒng)計分布表示，它代表了雷達(dá)截面為給定σ值出現(xiàn)的概率。

累積分布函數(shù)CDF(σ)定義為雷達(dá)截面低于或等于某個值σ的概率，它由概率密度函數(shù)PDF(σ)曲線積分得到：

(9)

中值，即百分之五十概率值，記作σ50%，即比σ50%高或低的數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率各占一半。此時累積分布函數(shù)按下式計算：

(10)

4.2 誤差及分析

圖5和圖6分別為角反射體垂直姿態(tài)和45°姿態(tài)的RCS數(shù)據(jù)對比。結(jié)果表明，角反射體RCS值與該物體的物理形狀密切相關(guān)，在角度上呈現(xiàn)中心對稱和軸對稱的分布。微波暗室里的試驗測量數(shù)據(jù)和FEKO軟件的仿真計算數(shù)據(jù)走勢基本一致，其中垂直姿態(tài)仿真計算的數(shù)據(jù)在一些角度有規(guī)律性的偏高，因此導(dǎo)致仿真計算的算術(shù)平均、對數(shù)平均和中值等統(tǒng)計數(shù)據(jù)都比暗室實際測量的偏高；在45°姿態(tài)上，仿真計算的統(tǒng)計數(shù)據(jù)比實際測量數(shù)據(jù)微微偏低。

引起誤差的因素很多,但大致分為兩個方面:一是由于RCS測量設(shè)備本身的誤差,主要包括定標(biāo)球引入的標(biāo)定誤差、目標(biāo)及定標(biāo)球距離測量引入的誤差、目標(biāo)及定標(biāo)球回波功率測量引入的誤差、微波及中頻衰減器引入的誤差、雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸出功率測量及接收機(jī)增益測量引入的誤差等。另外一方面是由于仿真模型與實際目標(biāo)散射特性不一致帶來的誤差,包括RCS數(shù)值計算理論方法的不完善造成的仿真誤差、實測模型的焊接點及材料因素在建模時未考慮進(jìn)去等。這些因素都會導(dǎo)致測量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果不完全一致的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

微波暗室內(nèi)RCS的測量研究是目前我國隱身與反隱身技術(shù)研究的有效手段?；诰o縮場和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀構(gòu)建的微波暗室內(nèi)的RCS測量系統(tǒng)具有占地空間小、測量精度高及操作簡便的特點。本文利用該系統(tǒng)，對角反射體垂直姿態(tài)和45°姿態(tài)的RCS進(jìn)行了360度轉(zhuǎn)角掃頻的測量，并提取了固定頻點的RCS數(shù)據(jù)。測量結(jié)果與FEKO軟件仿真計算的結(jié)果對比表明，兩種方法得到的數(shù)據(jù)走勢基本一致，具有較高的準(zhǔn)確度。對角反射體散射測量結(jié)果可以作為標(biāo)定參考，應(yīng)用于下一步雷達(dá)目標(biāo)識別、成像等領(lǐng)域研究試驗中。

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Measurement and Analysis of Corner Reflector’s RCS in Microwave Anechoic Chamber

Lü Ke1,Zheng Wei2

(1.Unit 91336 of PLA, Qinhuangdao 066326, China; 2.Unit 91404 of PLA, Qinhuangdao 066000, China)

Corner reflector’s radar cross section measurement is important in many fields, such as radar target recognition and radar imaging. Based on the principle of target’s RCS measurement, a measurement system in microwave anechoic chamber is presented. The measurement system mainly takes advantage of the CATR and vector network analyzer. With this system, the vertical and 45°attitude of the corner reflector’s RCS is measured in sweep frequency of 360 degree. Compared with the result calculated by FEKO simulation software, the trend of the data got by two methods is almost consistent.

radar cross section; CATR; vector network analyzer; simulation calculation

2016-03-205；

2016-04-18。

呂 可(1987-)，女，山東菏澤人，工程師，碩士，主要從事雷達(dá)對抗仿真方向的研究。

1671-4598(2016)09-0028-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TM

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