劉增燦,王 森，張?zhí)觳?/p>

(中國兵器工業(yè)第五九研究所， 重慶 400039)

【基礎(chǔ)理論與應用研究】

變俯角RCS測量雜波干擾抑制技術(shù)研究

劉增燦,王 森，張?zhí)觳?/p>

(中國兵器工業(yè)第五九研究所， 重慶 400039)

針對地面武器裝備變俯角隱身特性精確測量需求，結(jié)合仿真模擬與測量試驗分析了變俯角自由空間場目標RCS測量中的背景干擾，設(shè)計了低俯角雷達柵屏蔽地面反射波和中高俯角集成應用強吸波材料鋪設(shè)、距離門及背景對消的變俯角背景干擾綜合抑制方案，通過試驗驗證抑制方案大大降低了地雜波背景干擾對目標RCS測量影響，有效保障了地面武器裝備隱身特性檢測精度。

變俯角；RCS；雜波抑制；自由空間場

雷達散射截面(RCS)是表征目標雷達隱身性能的重要指標，室外場目標RCS測量方法有自由空間場和地面平面場兩種。自由空間場是指抑制或消除地面反射波的雷達目標散射特性測試場[1]。自由空間目標雷達散射特性(用雷達散射截面即RCS表征)測量時雷達波束不僅照射到被測目標，同時也照射到除目標以外測試區(qū)域，雜波作用與目標真實回波耦合不能有效分開，且變俯角下視測量時由于雷達回波空間傳輸路徑的改變雜波干擾也隨之變換，使得不能有效獲取目標RCS真實值，影響到目標隱身性能的準確測量與評估。

為解決室外自由空間場地面目標變俯角下視測量時的背景雜波干擾問題，本文通過對背景干擾源試驗檢測與仿真分析，提出雷達柵屏蔽和吸波材料吸收的背景雜波綜合干擾抑制方案，有效降低了背景干擾，提高了目標RCS測量精度，為地面武器裝備的雷達隱身性能檢測評估及隱身材料工程化應用提供了技術(shù)支撐。

1 RCS測量背景雜波干擾分析

1.1 測試區(qū)地面反射雜波影響

根據(jù)測試場實際情況，測試區(qū)域(雷達到目標之間的場地)為斜向上水泥面(傾角約2°)。根據(jù)電磁波傳輸原理，當雷達在低俯角(0°～20°)測量時，地面反射雜波包括地面直接散射雜波和經(jīng)地面到達目標的二次反射雜波(如圖1所示)，其對目標后向散射測量產(chǎn)生重要影響。同時根據(jù)互易定理，目標部分回波也將經(jīng)由地面與地面發(fā)射作用后再回到雷達接收天線，因此，地面的反射作用是雙程的，地面的干擾對目標的準確測量不可忽略。

圖1 變俯角自由空間場目標測試雜波干擾示意圖

建立了場地電波傳輸模型，模擬計算地面反射波干擾及多路徑傳輸影響(如圖2所示)[2-4]。由圖2模擬結(jié)果可知：無雷達柵時RCS衰減起伏變化較大，而有雷達柵時[5]，RCS相對自由空間衰減較小，衰減變化也較為平坦。并且雷達柵到目標轉(zhuǎn)臺間的地面反射系數(shù)越小(地面越平整光滑)，RCS衰減起伏越小，地面反射波干擾越小[6-7]。說明地面反射波對目標區(qū)的散射回波具有重要影響,必須進行抑制。

圖2 地面反射波干擾模擬計算圖

同時，在室外測試場開展了三面角反射器標準體RCS測量背景雜波干擾試驗(如表1)。根據(jù)角反射器方向特性可知，當角反射器口面法線相對于測試雷達的波束中心偏離2°以內(nèi)時，其RCS的波動不會大于1 dB[8]，但從實際測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計結(jié)果看，在3 cm波段角反射器放置高度僅變化20 cm，即角度變化只有0.1°左右時，其RCS波動就達到十幾分貝，這完全排除人為操作和設(shè)備誤差的可能性，只能說明在測試中受到了地面反射波的影響。

表1 3 cm波段試驗結(jié)果統(tǒng)計

可見，在低俯角范圍內(nèi)，從理論模擬和外場實測試驗結(jié)果分析，地面反射波對目標RCS測量的影響都不可忽略，必須采取措施抑制或消除地面反射波雜波的干擾。

1.2 目標區(qū)域背景雜波影響

當雷達測量俯角在20°以上時，雷達波束照射區(qū)域集中在目標支撐方位旋轉(zhuǎn)平臺區(qū)域，旋轉(zhuǎn)平臺背景因素對目標測量影響最大。旋轉(zhuǎn)平臺表面為金屬與木板混合結(jié)構(gòu)，存在大量不連續(xù)金屬表面和凹腔等強散射源結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)平臺邊緣存在排水道凹槽、轉(zhuǎn)臺操作維護地坑凹槽、轉(zhuǎn)臺后方地表植被等地表雜波干擾源。高俯角測量時，目標區(qū)域后向散射背景顯著上升，甚至淹沒目標散射信號。由于目標與旋轉(zhuǎn)平臺表面結(jié)構(gòu)和周圍地表的互作用及多路徑效應，背景對目標的耦合干擾使得難以獲得目標真實RCS。必須采取措施降低或消除目標區(qū)域背景的干擾，才能有效提高目標RCS測量的準確性。

2 背景雜波干擾抑制

2.1 低俯角地面反射雜波抑制

為抑制低俯角地面反射波的干擾，設(shè)計了雷達柵屏蔽地面反射影響的方案。雷達柵為傾角可變、向上傾斜金屬板支架模塊化結(jié)構(gòu)，且表面粘貼強吸波材料(法向反射率優(yōu)于-40 dB)，如圖3所示。雷達柵抑制原理是采用傾斜吸波結(jié)構(gòu)將經(jīng)地面反射至目標的回波信號屏蔽遮擋吸收，實現(xiàn)地面反射雜波的屏蔽。雷達柵長度約為2 m、寬度約1.25 m，采用 5 mm后角鋼制造，有可鎖定的滾動輪，既保證雷達的穩(wěn)定性和牢固性，又兼顧可移動性和組合性，以滿足不同測試俯角和不同大小目標的測試需求。

依據(jù)目標處合成場強相對于自由空間的衰減值為0的原則，確定雷達柵高度和位置。雷達柵高度設(shè)置示意圖見圖4，包括雷達入射角、雷達柵與雷達距離、雷達高度、雷達與吸波材料前邊緣和目標支撐旋轉(zhuǎn)平臺中心(即轉(zhuǎn)臺中心)的距離等，雷達柵高度通過下式計算得到

(1)

式(1)中：HA為雷達高度(m)；HF為雷達柵高度(m)；HT為被測目標最大高度(m)；R為轉(zhuǎn)臺中心與雷達間的水平距離(m)；R′為吸波材料前邊緣與雷達的水平距離(m)；r為轉(zhuǎn)臺半徑(m)；RF為雷達柵與雷達間的水平距離(m)；θ為雷達入射角( °)。

圖4 雷達柵高度設(shè)置示意圖

雷達柵位置設(shè)置示意圖見圖5，包括雷達入射角、雷達柵與雷達的距離、雷達高度、雷達與吸波材料前邊緣和轉(zhuǎn)臺中心的水平距離等，雷達柵位置通過下式計算得到

(2)

雷達柵的最小寬度以擺放位置遮擋住天線3dB波束寬度為準,并滿足下式要求。

F≥1.5×L×RF/R

(3)

式(3)中：F為雷達柵的最小寬度(m)；L為被測目標的橫向最大尺寸(m)。

圖5 雷達柵位置設(shè)置示意圖

2.2 中高俯角目標區(qū)雜波抑制

通過理論計算和探索試驗，設(shè)計了采用100 mm的平板型強吸收型泡沫材料屏蔽目標支撐方位旋轉(zhuǎn)平臺區(qū)域后向散射回波,采用距離門技術(shù)消除目標前后雜波和背景對消技術(shù)抑制目標支撐旋轉(zhuǎn)平臺周圍固定雜波等中高俯角下的背景抑制方案。

吸波材料鋪設(shè)寬度應至少超出目標支撐旋轉(zhuǎn)方位平臺邊緣2 m，且吸波材料邊緣盡量齊整，避免出現(xiàn)邊緣層次不齊情況,如圖6所示。因為，試驗中發(fā)現(xiàn)吸波材料前邊緣的立面在雷達一維距離像中會產(chǎn)生較為明顯的波峰，使得轉(zhuǎn)臺背景等效RCS增大，干擾目標測試。

圖6 吸波材料應用示意圖

根據(jù)目標距離與目標最大尺寸，設(shè)置合適的雷達硬件和軟件距離門寬度[9]。一般考慮到目標繞射原因以及實際工程經(jīng)驗，軟件距離門寬度應不小于目標最大尺寸的1.2倍，以屏蔽目標縱向距離以外的雜波干擾。

分別采集目標與背景全方位角域RCS數(shù)據(jù)和空背景360°全方位角域等效RCS數(shù)據(jù)，采用目標與背景數(shù)據(jù)矢量相減方法進行旋轉(zhuǎn)平臺背景對消[10]，以消除或降低目標與旋轉(zhuǎn)平臺自身背景及其與平臺周圍固定雜波間的相互干擾或多路徑效應，獲得旋轉(zhuǎn)目標較為真實的雷達散射特性。

3 試驗驗證

3.1 地面反射波抑制試驗

基于標準體試驗驗證了地面反射雜波干擾抑制效果。試驗采用-10dBsm標準球為被測目標(如圖7所示)，分別對目標支撐方位旋轉(zhuǎn)平臺中心高度為0.6 m、1 m和1.6 m的金屬球回波進行測試，得到在有無雷達柵的情況下不同高度方向上標準球的RCS數(shù)據(jù)分布，如表2所示。

圖7 標準球驗證試驗

表2 地面反射波抑制前后標準球RCS測量比較

通過分析，在0°俯角下3 cm波段，高度為1.2 m的雷達柵放置在56 m處，可使旋轉(zhuǎn)平臺中心1 m高度處的標準體測量值與理論值差異由3.35 dB降低最低至0.09 dB，其他高度處RCS差異也大幅下降，地面反射波干擾抑制效果明顯。

3.2 目標區(qū)雜波抑制試驗

通過對中高俯角(大于20°)下的背景等效RCS數(shù)據(jù)進行測量分析。采用強吸波材料鋪設(shè)屏蔽地雜波措施后，背景等效RCS均值降低10 dB，且RCS幅值波動幅度降低，背景抑制效果較好。

以-10 dB標準球來驗證經(jīng)應用距離門技術(shù)和采用對消技術(shù)后轉(zhuǎn)臺背景干擾抑制效果。對-10 dBsm金屬球在低俯角和高俯角下的測試數(shù)據(jù)進行了處理，其處理結(jié)果統(tǒng)計情況如表3所示，轉(zhuǎn)臺背景抑制前后標準球RCS測量曲線如圖8所示。

表3 背景對消和距離門應用背景抑制效果

對比表3可知，一般情況下，采用背景對消和距離門手段后，目標RCS測量最大值減小、最小值變大、平均值變小，但目標RCS曲線波動明顯更小、更平滑，且與理論解析值更接近。表3中存在2處距離門越大RCS測量值變小的特殊情況，原因在于采用背景對消和縱向距離門方法，可以抑制大部分雜波干擾，但是目標與目標區(qū)雜波的多次橫向散射、非相干散射耦合效應是無法消除的，這種耦合干擾與目標正常反射回波矢量疊加，使得目標RCS可能變大、也可能減小。

經(jīng)低俯角地面反射波抑制和中高俯角目標方位旋轉(zhuǎn)平臺區(qū)域背景綜合抑制，不同俯角下的背景抑制前后背景等效RCS測量試驗，如表4所示。

圖8 背景抑制前(上)后(下)標準球RCS值

表4 變俯角背景干擾抑制后的背景等效RCS測量值

通過對比背景抑制前后背景等效RCS測量數(shù)據(jù)曲線，可見在采取背景抑制技術(shù)后，背景等效RCS在厘米波呈現(xiàn)下降趨勢，低、中、高俯角下背景等效RCS分別改善15 dB、18.6 dB和10.3 dB，對于坦克裝甲車輛類目標其RCS均值為10 dBsm時，采用背景干擾綜合抑制方案，由背景干擾而引入的RCS測量誤差可分別下降0.2 dB、1.4 dB和1.5 dB，綜合背景抑制技術(shù)方案效果明顯，有助于提高變俯角下的武器裝備雷達散射特性測量精度。

4 結(jié)論

通過變俯角自由空間場RCS測量背景干擾源分析、背景干擾抑制方案設(shè)計及抑制效果試驗驗證等研究，掌握了變俯角地面反射波對目標測量影響規(guī)律，建立了變俯角自由空間場RCS測量地雜波背景干擾綜合抑制方案，通過背景等效RCS測量試驗和標準體RCS測量試驗，背景等效RCS降低10dB以上，實現(xiàn)了變俯角背景等效RCS達到-20dBsm，驗證了背景抑制方案的有效性，有效提高了變俯角自由空間場目標RCS測量精度，將為地面武器裝備隱身效果測量與評估提供準確、可靠的數(shù)據(jù)支撐。

[1] GJB 4238—2001,軍用目標特性和環(huán)境特性術(shù)語[S].總裝電子信息基礎(chǔ)部,2001.

[2] ZHAO X W，PERTTI V.Multipath propagation study combining terrain diffraction and reflection[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2001,49(8):1204-1209.

[3] HOLM P D.Calculation of higher order diffracted fields for multiple-edge transition zone diffraction[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2004,52(5):1350-1355.

[4] 戴幻堯,劉勇,黃振宇,等.極化雷達導引頭對 多路徑干擾的檢測識別新方法[J].雷達學報,2016,5(2):157-158.

[5] 張新好,洪韜,陳忠海,等.雷達柵參數(shù)選取及多路徑干擾抑制技術(shù)研究[J].遙測遙控,2013,34(6):14-18.

[6] IEEE Antennas and Propagation Society. IEEE recomm-ended practice for radar cross section test procedures[S].New York:Antenna Standards Committee,2007:6-19.

[7] 張瑜,李玲玲.低角雷達跟蹤時的多路徑散射模型[J].北京理工大學學報,2004,19(1):83-86.

[8] 周文明,宋建社,鄭永安,等.常見定標體的雷達截面計算與仿真[J].電光與控制,.2007,14(5):28-32.

[9] DOREN W H.Introduction to RCS measurements[C]//Antennas and Propagation Conference,IEEE,2008,LAPC 2008.Loughborough 17-18 March,2008:37-44.

[10] SHIELDS M W,FENN A J.A new compact range facility for antenna and radar target measurements[J].Lincoln Laboratory Journal,2007,16(2):384-386.

(責任編輯周江川)

StudyonClutterInterferenceRejectionforRCSMeasurementinVariable-Depression-Angle

LIU Zengcan, WANG Seng, ZHANG Tiancai

(The No.59 Institute of China Ordnance Industry, Chongqing 400039, China)

To deal with the accurate measurement requirements for stealth characteristics of ground equipment in variable-depression-angle, background clutter interference were analyzed, in this paper, based on simulation and measurement tests. It designs a comprehensive program of ground reflection signal rejection with radar fence in low depression-angle and integrated application of laying the absorbing material, radar distance threshold, background subtraction in middle and high depression-angle.Through test validation, the proposed program greatly reduces the clutter rejection in target RCS measurement, which effectively guaranteed the detection accuracy of stealth characteristics for ground Equipment.

variable-depression-angle; RCS; clutter rejection; free space range

2017-07-15；

2017-08-10

劉增燦(1979—)，男，碩士研究生，高級工程師，主要從事雷達測試與隱身技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.11.042

本文引用格式：劉增燦,王森，張?zhí)觳?變俯角RCS測量雜波干擾抑制技術(shù)研究[J].兵器裝備工程學報，2017(11):192-196.

formatLIU Zengcan, WANG Seng, ZHANG Tiancai.Study on Clutter Interference Rejection for RCS Measurement in Variable-Depression-Angle[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):192-196.

TN951

A

2096-2304(2017)11-0192-05