張德保，沈 鵬

(解放軍91404部隊(duì), 河北 秦皇島 066001)

一種外場動(dòng)態(tài)全極化RCS測量標(biāo)校方法

張德保，沈 鵬

(解放軍91404部隊(duì), 河北 秦皇島 066001)

在外場條件下，獲取動(dòng)態(tài)目標(biāo)全極化雷達(dá)截面(RCS)特性是電子對抗和目標(biāo)隱身研究的需求。分析了目標(biāo)RCS極化散射矩陣測量體制，研究了外場動(dòng)態(tài)全極化RCS測量的標(biāo)校方法，并在實(shí)際測量中對此方法進(jìn)行了驗(yàn)證。該方法可為外場動(dòng)態(tài)目標(biāo)全極化RCS測量提供參考。

外場條件；動(dòng)態(tài)目標(biāo)；全極化；雷達(dá)截面；標(biāo)校

0 引 言

在外場條件下，為了全面獲取艦船、飛機(jī)等目標(biāo)的動(dòng)態(tài)雷達(dá)截面(RCS)極化散射特性，RCS測量雷達(dá)需同時(shí)獲取目標(biāo)的同極化和交叉極化RCS值，即RCS極化矩陣。目前外場動(dòng)態(tài)RCS測量中普遍采用的標(biāo)校方法，主要針對測量雷達(dá)水平和垂直同極化RCS測量通道的標(biāo)校，而對RCS測量的交叉極化通道的標(biāo)校則相對困難。為完成對動(dòng)態(tài)目標(biāo)RCS極化散射矩陣的測量,需要針對外場動(dòng)態(tài)RCS測量的特點(diǎn)進(jìn)行標(biāo)校方法研究。

1 目標(biāo)RCS極化散射矩陣測量體制

外場動(dòng)態(tài)RCS極化特性測量主要有同時(shí)極化測量和分時(shí)極化測量2種。對于快速機(jī)動(dòng)目標(biāo)一般采用同時(shí)極化測量方式，而對慢速機(jī)動(dòng)目標(biāo)則多采用分時(shí)極化測量方式[1]。典型的同時(shí)和分時(shí)極化測量體制雷達(dá)工作原理如圖1和圖2所示。

在同時(shí)極化測量雷達(dá)中，水平和垂直2個(gè)發(fā)射通道的信號源產(chǎn)生的中頻信號經(jīng)上變頻轉(zhuǎn)換成射頻信號，經(jīng)功率放大后的大功率射頻信號通過收發(fā)開關(guān)分別接入水平和垂直極化天線，然后再經(jīng)天線輻射出去。發(fā)射信號經(jīng)過的硬件被稱為雷達(dá)系統(tǒng)的發(fā)射通道，主要包括發(fā)射天線、饋線、收發(fā)開關(guān)、發(fā)射中頻放大和射頻放大等部分。目標(biāo)散射返回雷達(dá)天線的信號經(jīng)接收天線和收發(fā)開關(guān)進(jìn)入2路接收機(jī)，射頻信號下變頻成中頻信號后送到中頻接收機(jī)。接收信號經(jīng)過的硬件被稱為雷達(dá)系統(tǒng)的接收通道，包括接收天線和2路接收中頻、射頻放大器[2]。

對于分時(shí)極化測量體制，發(fā)射通道產(chǎn)生的高功率射頻信號通過波導(dǎo)開關(guān)在相鄰2個(gè)脈沖(或發(fā)射周期)間交替切換水平和垂直極化方式。2種體制極化測量雷達(dá)的區(qū)別在于分時(shí)測量只采用1部發(fā)射機(jī)，通過極化開關(guān)分時(shí)控制發(fā)射信號在2個(gè)極化天線間交替發(fā)射，2種體制的接收通道則相同。

2種測量體制的發(fā)射通道均可分成兩部分：一部分是信號源、上變頻器、功率放大器等有源部分;另一部分是無源部分，包括波導(dǎo)開關(guān)(或鐵氧體開關(guān))、收發(fā)開關(guān)、射頻饋線和輻射天線等。有源部分的增益受溫度等條件的影響，是一個(gè)變化量，而波導(dǎo)開關(guān)、收發(fā)開關(guān)及饋線的損耗和天線的增益受環(huán)境條件等因素的影響很小，是一基本固定的量。也就是說發(fā)射通道的2種極化通道的有源部分的增益是變化的，而無源部分的損耗則是基本固定的[3]。

2 外場動(dòng)態(tài)全極化RCS標(biāo)校

假設(shè)水平和垂直2種極化的發(fā)射通道從發(fā)射機(jī)輸出到對應(yīng)發(fā)射天線輸入間的無源部分的損耗分別為Lh和Lv，2路接收通道從天線輸出到接收機(jī)輸出間的增益分別為Grh和Grv。

根據(jù)雷達(dá)方程，接收機(jī)輸出的目標(biāo)回波功率表示為[4]：

(1)

式中：Pr0為接收機(jī)輸出的目標(biāo)回波功率；Pt為發(fā)射機(jī)輸出功率；λ為雷達(dá)工作波長；Gt為發(fā)射天線增益；Gr為接收天線增益；Lt為發(fā)射機(jī)輸出到發(fā)射天線輸入間的損耗；Kr為接收天線輸出到接收機(jī)輸出間的增益；σ為目標(biāo)雷達(dá)散射截面；R為目標(biāo)距離。

在校準(zhǔn)與測量期間，可以認(rèn)為Gt、Lt、Gr和Kr保持不變。令：

(2)

則水平和垂直同極化通道的系統(tǒng)常數(shù)為：

(3)

(4)

由于從發(fā)射機(jī)輸出到發(fā)射天線輸出的整體增益由變極化開關(guān)、收發(fā)開關(guān)及饋線等無源部件的損耗和發(fā)射天線增益構(gòu)成，是一基本固定的量，可以通過靜態(tài)測試獲取其在2種極化下的差異為：

(5)

則垂直/水平交叉極化通道的系統(tǒng)常數(shù)Kvh和水平/垂直交叉極化通道的系統(tǒng)常數(shù)Khv為：

(6)

(7)

由式(6)、(7)可得到全極化RCS測量雷達(dá)的系統(tǒng)常數(shù)為：

(8)

從式(8)可以看出，只需獲取水平和垂直同極化通道的系統(tǒng)常數(shù)和2種極化發(fā)射通道無源部分的增益差值，就可得到4種極化通道的系統(tǒng)常數(shù)。

3 外場動(dòng)態(tài)全極化RCS測量

在外場動(dòng)態(tài)RCS測量時(shí)，普遍使用升起在空中的標(biāo)準(zhǔn)金屬球?qū)y量系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校，標(biāo)準(zhǔn)金屬球的RCS極化散射矩陣為：

(9)

式中:σ0為標(biāo)準(zhǔn)金屬球的水平和垂直同極化RCS值。

從標(biāo)準(zhǔn)金屬球的極化散射矩陣可以看出，其RCS在水平和垂直同極化時(shí)為一恒定量，而交叉極化時(shí)則為零[5]，所以通過自由空間的標(biāo)準(zhǔn)金屬球可完成對RCS測量系統(tǒng)的水平和垂直同極化通道的標(biāo)校，獲取2種同極化的系統(tǒng)常數(shù)Khh和Kvv，通過式(7)、(8)，就可得到2種交叉極化的系統(tǒng)常數(shù)Khv和Kvh，這樣通過對標(biāo)準(zhǔn)金屬球的校準(zhǔn)就可獲取全極化RCS測量所需的系統(tǒng)常數(shù)[6]。

完成對全極化RCS動(dòng)態(tài)測量的水平、垂直2個(gè)同極化通道和2個(gè)交叉極化通道的校準(zhǔn)后，即可實(shí)施對目標(biāo)的全極化RCS測量。

采用此方法對某民用船只在360°舷角區(qū)間的全極化RCS特性進(jìn)行了實(shí)際測量，測量結(jié)果如圖3、圖4所示。此次測量獲取了某民用船只的水平垂直同極化和交叉極化RCS值，從測量結(jié)果可以看出，該目標(biāo)同極化RCS比交叉極化要大，且在某些方向，同極化RCS比交叉極化要大十幾dB。在對目標(biāo)測量前，只需采用自由空間各向同性的標(biāo)準(zhǔn)金屬球就可完成對測量系統(tǒng)的全極化通道的標(biāo)校，實(shí)施方法簡單，標(biāo)校精度高，測得的目標(biāo)RCS極化矩陣具有較高的準(zhǔn)確度。

4 結(jié)束語

外場動(dòng)態(tài)RCS測量中，簡便有效的RCS全極化標(biāo)校方法是獲取被測目標(biāo)全極化RCS特性的基礎(chǔ)，本文討論的利用同極化標(biāo)校時(shí)采用的自由空間標(biāo)準(zhǔn)金屬球就可方便地對RCS測量系統(tǒng)的同極化和正交極化通道進(jìn)行標(biāo)校，較好地解決了外場動(dòng)態(tài)RCS測量中對測量系統(tǒng)交叉極化通道的標(biāo)校問題。通過實(shí)際應(yīng)用表明，該方法使用方便，科學(xué)可行。

[1] 保錚，邢孟道，王彤．雷達(dá)成像技術(shù)[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005.

[2] MURPHEY L M.Linear feature detection and enhancement in noisy image via radon transform[J].Pattern Recognition Letters,1986,4(4):279-284.

[3] 黃培康，殷紅成，許小劍.雷達(dá)目標(biāo)特性[M].北京:電子工業(yè)出版社，2005.

[4] SKOLNIK M I.雷達(dá)手冊(合訂本) [M].南京電子技術(shù)研究所譯.北京:國防工業(yè)出版社,1978.

[5] 黃培康,林桂森,樊正芳,等.雷達(dá)目標(biāo)特征信號[M].北京:宇航出版社,1993.

[6] 王雪松.寬帶極化信息處理的研究[D].長沙:國防科學(xué)技術(shù)大學(xué),1999.

A Calibration Method of Outfield Dynamic Full Polarization RCS Measurement

ZHANG De-bao,SHEN Peng

(Unit 91404 of PLA,Qinhuangdao 066001，China)

Under the outfield condition,to obtain the full polarization radar cross sector (RCS) characteristic of dynamic target is the need of electronic countermeasure and target stealth research.This paper analyzes the measurement system for polarization scattering matrix of target RCS,studies the calibration method of field dynamic full polarization RCS measurement,and validates the method in actual measurement.The method can provide reference for the full polarization RCS measurement of dynamic target in the outfield.

outfield condition;dynamic target;full polarization;radar cross sector;calibration

2016-05-27

TN957.51

A

CN32-1413(2017)01-0055-03

10.16426/j.cnki.jcdzdk.2017.01.012