沈鵬，張德保，宋廣

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基于毫米波的海上目標(biāo)RCS測(cè)量標(biāo)定分析

沈鵬，張德保，宋廣

（中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066001）

目的提高靶場(chǎng)毫米波海上目標(biāo)RCS測(cè)量標(biāo)定精度。方法針對(duì)海上目標(biāo)的外場(chǎng)雷達(dá)目標(biāo)特性(Radar Cross Section，RCS)測(cè)量系統(tǒng)動(dòng)態(tài)標(biāo)定問題，在給出了無源相對(duì)標(biāo)校法的基礎(chǔ)上，對(duì)毫米波RCS測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)定過程中云霧雜波、大氣衰減、海面及地面雜波的影響進(jìn)行詳細(xì)分析。結(jié)果結(jié)合靶場(chǎng)外場(chǎng)實(shí)際測(cè)量，提出了衰減修正、合理選擇標(biāo)校氣象條件等相應(yīng)減小標(biāo)定誤差的措施。結(jié)論基于毫米波海上目標(biāo)RCS測(cè)量標(biāo)定的分析及其措施可極大地減小毫米波外場(chǎng)海面測(cè)量標(biāo)校中氣象環(huán)境、海面或地面雜波等對(duì)系統(tǒng)標(biāo)定的影響，提高系統(tǒng)標(biāo)定精度。

毫米波；RCS測(cè)量；標(biāo)定；雜波

雷達(dá)散射截面（RCS）是雷達(dá)目標(biāo)特性的基本參數(shù)之一。外場(chǎng)RCS測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定，就是通過對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體RCS的測(cè)量，建立起包含環(huán)境因素的目標(biāo)RCS與雷達(dá)接收機(jī)回波之間的關(guān)系，并由比對(duì)推算出被測(cè)目標(biāo)的RCS值。在現(xiàn)代電子武器中，毫米波段制導(dǎo)技術(shù)的應(yīng)用，相應(yīng)頻段的RCS測(cè)量技術(shù)也逐漸發(fā)展起來。與厘米波等其他頻段相比，毫米波段有著大量顯著的特性，從而影響著毫米波RCS測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)校、測(cè)量[1—3]。文中在結(jié)合靶場(chǎng)海上目標(biāo)毫米波RCS動(dòng)態(tài)測(cè)量的基礎(chǔ)上，對(duì)海上目標(biāo)毫米波RCS測(cè)量標(biāo)定的影響因素進(jìn)行了分析，并提出相應(yīng)修正、減小誤差的方法，以提高系統(tǒng)RCS標(biāo)定測(cè)量、精度。

1 RCS測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)校

當(dāng)毫米波RCS測(cè)量系統(tǒng)采用無源標(biāo)校法時(shí)，即通過已知反射面積的標(biāo)準(zhǔn)體（如標(biāo)準(zhǔn)球）進(jìn)行標(biāo)定，與其他方法相比，無源標(biāo)?？蓪?duì)整個(gè)雷達(dá)進(jìn)行標(biāo)定，精度較好，且更適合外場(chǎng)測(cè)量。

進(jìn)行系統(tǒng)校準(zhǔn)時(shí)，有雷達(dá)方程：

式中：為目標(biāo)雷達(dá)截面積；r為接收功率；為目標(biāo)距離；為天線增益；T為發(fā)射功率；為雷達(dá)工作波長(zhǎng)；為雷達(dá)系統(tǒng)損耗因子；為考慮到地面反射后的天線方向圖傳播因子；為大氣傳播衰減因子。

當(dāng)不考慮大氣衰減及時(shí)有：

當(dāng)測(cè)量雷達(dá)工作穩(wěn)定情況下，其雷達(dá)方程的性能參數(shù)可表示為：

(3)

標(biāo)準(zhǔn)體的RCS值是已知的，測(cè)量并求得參數(shù)即是測(cè)量系統(tǒng)的標(biāo)定過程，它可建立起測(cè)量系統(tǒng)回波功率與測(cè)量環(huán)境、目標(biāo)RCS等之間的對(duì)應(yīng)關(guān)系[2,4—6]。對(duì)于該標(biāo)定方法，只要得到標(biāo)準(zhǔn)功率信號(hào)的相對(duì)值就可以，因此它是一個(gè)相對(duì)標(biāo)定過程。外場(chǎng)動(dòng)態(tài)標(biāo)定時(shí)，各種外界環(huán)境因素都會(huì)引入一定的誤差，從而會(huì)影響標(biāo)定和測(cè)量精度。

2 云或霧等雜波影響分析

在一般的晴天的情況下，云霧引起的衰減是由云霧粒子對(duì)電波的吸收與散射導(dǎo)致的，由于大氣云霧中的大多數(shù)粒子直徑都很小，且都為水粒，因而瑞利散射是適用的[3]。其衰減率為：

式中：為頻率；為粒子空間濃度；r′，r″為粒子相對(duì)介電常數(shù)的實(shí)部與虛部。

在毫米波段，電磁傳播路徑上云或霧引起的后向散射雖然很弱，但與厘米波等其他波段相比，其衰減作用要嚴(yán)重得多。20 ℃云、霧條件下，波長(zhǎng)為8 mm時(shí)的后向散射系數(shù)見表1。

當(dāng)在云霧比較嚴(yán)重的天氣情況下進(jìn)行毫米波RCS測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)校時(shí)，不加修正與修正后的標(biāo)校測(cè)量數(shù)據(jù)可能出現(xiàn)幾分貝的量差，從而使雷達(dá)測(cè)量結(jié)果失真[4—7]?？紤]到波長(zhǎng)的關(guān)系，且結(jié)合式（4）可知， RCS測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)校時(shí)，毫米波衰減要比厘米波衰減大。為確保標(biāo)校測(cè)量準(zhǔn)確性，必須對(duì)毫米波衰減進(jìn)行補(bǔ)償。當(dāng)進(jìn)行海上目標(biāo)毫米波段RCS測(cè)量標(biāo)定時(shí)，因?yàn)楹Ｃ鏉穸?、云霧等天氣情況很復(fù)雜，并且氣象因素很難克服，所以系統(tǒng)標(biāo)定盡量選擇在空氣濕度小、無云霧、陸地風(fēng)向、海況較好的天氣開展。

表1 20 ℃時(shí)云或霧的后向散射

3 大氣衰減影響分析

大氣對(duì)電磁波有衰減作用，且對(duì)毫米波頻段有著明顯區(qū)別于厘米波頻段的特點(diǎn)。除相對(duì)比較嚴(yán)重外，還與氣象條件密切相關(guān)，氣象條件不同，毫米波大氣衰減的差異也很明顯。

毫米波大氣衰減的主要原因是水蒸氣和氧氣對(duì)電磁波的吸收。在海面測(cè)量標(biāo)定情況下，海面的濕度和鹽霧性使得大氣吸收衰減是關(guān)鍵因素，當(dāng)衰減的影響足夠大而形成問題時(shí)，該環(huán)節(jié)就必須足夠重視[8—12]。

當(dāng)距離確定時(shí)，在100 MHz~50 GHz頻率范圍內(nèi)，大氣衰減系數(shù)為：

式中()為單位距離的衰減，在毫米波段它主要包括：1為氧氣的衰減因子，2，3為水蒸氣的衰減因子，均以dB/km（雙向）為單位。

如在標(biāo)準(zhǔn)溫度和地面大氣壓力下，有：

(6)

式中：為水蒸氣的絕對(duì)濕度。

由于水蒸氣和氧氣引起的電磁波吸收都與其各自濃度、溫度、濕度有關(guān)，因此，在毫米波進(jìn)行RCS測(cè)量標(biāo)定時(shí)，應(yīng)測(cè)量記錄測(cè)試路徑上的大氣絕對(duì)濕度、溫度等環(huán)境參數(shù)。同時(shí)依據(jù)相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)并結(jié)合實(shí)際工作中積累的經(jīng)驗(yàn)，根據(jù)標(biāo)定海域的環(huán)境氣候條件來確定大氣衰減的修正。

4 海面及地面雜波影響分析

毫米波RCS測(cè)量標(biāo)定時(shí)，海面及地面的雜波也會(huì)影響到標(biāo)定的精度。雖然毫米波系統(tǒng)天線相對(duì)較窄的波束寬度會(huì)減弱地面、海面的電磁反射，但系統(tǒng)較短的波長(zhǎng)同時(shí)會(huì)導(dǎo)致反射更為雜亂[9—14]。此外，復(fù)雜無規(guī)律的地面地形和海情，將導(dǎo)致標(biāo)定目標(biāo)表面介電特性快速多變，后向散射極不穩(wěn)定，且反射率較高。這些因素都會(huì)對(duì)毫米波近程標(biāo)校產(chǎn)生影響。

在進(jìn)行毫米波段RCS測(cè)量標(biāo)定時(shí)，除接收標(biāo)準(zhǔn)體回波外，還接收各種海面及地面雜波，故標(biāo)定對(duì)象可認(rèn)為是一個(gè)由大量隨機(jī)分布在同質(zhì)表面的離散目標(biāo)。若離散目標(biāo)單位面積后向散射表示為0，則輻照面積為的離散目標(biāo)RCS大小S為：

式中：0與標(biāo)定時(shí)的雷達(dá)頻率、極化和目標(biāo)的表面介電性質(zhì)、機(jī)械結(jié)構(gòu)特性等有關(guān)。在掠射角為，且表面粗糙度遠(yuǎn)大于毫米波波長(zhǎng)時(shí)：

(10)

式中：，，是測(cè)量積累中得到的經(jīng)驗(yàn)常數(shù)[3]。

對(duì)毫米波RCS標(biāo)定而言，總能量除大部分來自空中標(biāo)準(zhǔn)體外，從海面或地面接收到的電磁信號(hào)也會(huì)通過天線的旁瓣進(jìn)入系統(tǒng)接收機(jī)，尤其是對(duì)于近距離的標(biāo)校，副瓣漏入的雜波會(huì)極大地影響標(biāo)校精度[3,11—13]。因此在標(biāo)校過程中，應(yīng)結(jié)合RCS測(cè)量系統(tǒng)的性能指標(biāo)，如波束寬度，最小作用距離等，調(diào)節(jié)標(biāo)校體到合適的高度，減小副瓣的雜波。此外大量實(shí)踐表明，海雜波在雷達(dá)逆風(fēng)照射時(shí)最強(qiáng)，順風(fēng)照射時(shí)最弱。因此在海面RCS測(cè)量標(biāo)定時(shí)，要綜合考慮海面風(fēng)向和雷達(dá)照射方向的問題，避免海雜波影響標(biāo)定。

5 結(jié)語(yǔ)

針對(duì)外場(chǎng)動(dòng)態(tài)海面目標(biāo)在毫米波段進(jìn)行RCS測(cè)量標(biāo)定時(shí)的特點(diǎn)要求，對(duì)影響測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)校的因素進(jìn)行了總結(jié)。具體分析了云霧、大氣衰減、海面及地面雜波等對(duì)毫米波雷達(dá)RCS系統(tǒng)測(cè)量標(biāo)定的影響。同時(shí)結(jié)合分析結(jié)果和具體外場(chǎng)實(shí)踐，相應(yīng)地提出了修正衰減、選擇合適標(biāo)定氣象條件等減小標(biāo)定誤差的途徑。這對(duì)于在工程實(shí)際測(cè)量中采取有效的標(biāo)校方法，提高靶場(chǎng)毫米波RCS測(cè)量系統(tǒng)標(biāo)校精度等起到了指導(dǎo)作用。

[1] 黃培康. 雷達(dá)目標(biāo)特征信號(hào)[M]. 北京: 宇航出版社, 1993.

[2] 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.

[3] 焦培楠, 張忠治. 雷達(dá)環(huán)境與電波傳播特性[M]. 北京: 電子工業(yè)出版社, 2007.

[4] 肖芳, 周濤, 楊勁飛. 雜波對(duì)毫米波雷達(dá)RCS測(cè)量的影響[J]. 艦船電子對(duì)抗, 2005, 4(29): 57—59.

[5] 李永新, 王正林, 李鳴, 等. RCS測(cè)量雷達(dá)定標(biāo)誤差分析[J]. 艦船電子對(duì)抗, 2007, 25(2): 33—36.

[6] 莊釗文, 袁乃昌. 雷達(dá)散射截面測(cè)量-緊湊場(chǎng)理論與技術(shù)[M]. 長(zhǎng)沙: 國(guó)防科技大學(xué)出版社, 2000.

[7] NAN H, HAY K S. Chaotic Modeling of Sea Clutter[J]. Electronic Letters, 1992, 28(22): 2076—2077.

[8] 謝處方, 饒克謹(jǐn). 電磁場(chǎng)與電磁波[M]. 北京: 高等教育出版社, 1987.

[9] 阮穎錚. 雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M]. 北京: 國(guó)防工業(yè)出版社, 1998.

[10] 曹麗梅, 王瑛. 雷達(dá)隱身與反隱身技術(shù)發(fā)展綜述[J]. 現(xiàn)代導(dǎo)航, 2012, 8(3): 215—218.

[11] 朱宇光. 靶場(chǎng)復(fù)雜電磁環(huán)境構(gòu)建[J]. 四川兵工學(xué)報(bào), 2012, 32(3): 119—120.

[12] 舒楠, 張厚, 李奎源. 強(qiáng)電磁脈沖對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)影響分析[J]. 戰(zhàn)術(shù)導(dǎo)彈技術(shù), 2011, 13(1): 96—98.

[13] 王紅光, 吳振森, 朱慶林. 大氣折射對(duì)雷達(dá)低仰角跟蹤誤差的影響分析[J]. 電子與信息學(xué)報(bào), 2012, 34(8): 1893—1896.

RCS Measurement Calibration Analysis of Sea Target Based on Millimeter Wave

SHEN Peng, ZHANG De-bao, SONG Guang

(Unit 91404 of PLA, Qinhuangdao 066001, China)

Objective To improve RSC measurement calibration accuracy of sea target based on millimeter wave. Methods Armed at the dynamic calibration problem of outfield RCS (radar cross section) dynamic measurement system for target on the sea, based on the passive relative calibration method given, influences of cloud clutter, atmospheric attenuation as well as sea surface and ground clutter in calibrating the millimeter wave RCS measurement system were analyzed in details. Results Measures such as attenuation correction and proper selection of proper meteorological condition for decreasing relative calibration error were proposed in combination with actual outfield measurement of the range. Conclusion Analysis based on millimeter wave sea target RCS measurement calibration and measures can greatly reduce influences of meteorological environment as well as sea surface and ground clutter on the system calibration in the millimeter wave outfield sea surface measurement and improve the system calibration accuracy.

millimeter wave; RCS measurement; calibration; clutter

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.009

TJ01；Q811

A

1672-9242(2017)04-0042-03

2016-11-07；

2016-12-13

沈鵬（1983—），男，湖北人，工程師，主要研究方向?yàn)槔走_(dá)目標(biāo)特性。