劉宗信，李斌，張書迪，劉進(jìn)北

（解放軍95841 部隊(duì)，甘肅 酒泉 735018）

地平場(chǎng)是室外靜態(tài)RCS 測(cè)試場(chǎng)中的一種，主要用于大尺寸、全尺寸目標(biāo)部件、模型的測(cè)試。為保障大尺寸、大噸位目標(biāo)測(cè)試需求，建設(shè)有一定規(guī)模體積的目標(biāo)支撐系統(tǒng)，目標(biāo)支撐系統(tǒng)通常由金屬支架和兩軸轉(zhuǎn)頂組成。測(cè)量大尺寸、全尺寸目標(biāo)時(shí)，兩軸轉(zhuǎn)頂可以內(nèi)嵌于被測(cè)目標(biāo)體內(nèi)，不會(huì)產(chǎn)生強(qiáng)的反射回波信號(hào)增大背景RCS 影響測(cè)試精度；測(cè)量小尺寸目標(biāo)時(shí)，兩軸轉(zhuǎn)頂無法內(nèi)嵌于被測(cè)目標(biāo)體內(nèi)，將產(chǎn)生極強(qiáng)的反射回波信號(hào)提高背景RCS，在這種情況下，背景RCS 將遠(yuǎn)強(qiáng)于被測(cè)目標(biāo)RCS，被測(cè)目標(biāo)信號(hào)淹沒于背景信號(hào)中無法識(shí)別，造成小尺寸低RCS 目標(biāo)測(cè)試難題。但在室外靜態(tài)RCS 測(cè)試場(chǎng)中，為準(zhǔn)確測(cè)試評(píng)估RCS 測(cè)量不確定度、獲取數(shù)據(jù)與室內(nèi)測(cè)試場(chǎng)比對(duì)及建立與其他測(cè)試場(chǎng)的溯源關(guān)系，需要定期對(duì)一些小尺寸的標(biāo)準(zhǔn)體（件）進(jìn)行測(cè)量。因此，研究使用有一定規(guī)模體積的目標(biāo)支撐系統(tǒng)，保障小尺寸標(biāo)準(zhǔn)體（件）的測(cè)試非常有必要。該文以某地面靜態(tài)RCS測(cè)試場(chǎng)現(xiàn)有目標(biāo)支撐系統(tǒng)為目標(biāo)架設(shè)保障條件，以金屬球作為典型的小尺寸低RCS 量級(jí)目標(biāo)，對(duì)小尺寸低RCS 量級(jí)目標(biāo)在室外地面靜態(tài)RCS 測(cè)試場(chǎng)條件下的測(cè)試和數(shù)據(jù)處理方法進(jìn)行研究[1-16]。

1 測(cè)試原理

以地平場(chǎng)為實(shí)現(xiàn)形式的室外靜態(tài)RCS 測(cè)試場(chǎng)，測(cè)試原理如圖1 所示。

圖1 地平場(chǎng)測(cè)試原理示意圖

圖1 中，待測(cè)目標(biāo)位于測(cè)量設(shè)備前端RT處，由目標(biāo)支撐系統(tǒng)支撐至距地面高h(yuǎn)T處；定標(biāo)體位于距測(cè)量設(shè)備前端RC處，由標(biāo)校支架將定標(biāo)體支撐至距地面高h(yuǎn)C處。目標(biāo)支撐系統(tǒng)由金屬支架和兩軸轉(zhuǎn)頂組成，測(cè)量大尺寸（全尺寸）目標(biāo)時(shí)，兩軸轉(zhuǎn)頂可內(nèi)嵌于被測(cè)目標(biāo)體內(nèi)，不會(huì)對(duì)測(cè)試產(chǎn)生影響。金屬支架及標(biāo)校支架均采用低散射設(shè)計(jì)，其自身后向RCS通常比被測(cè)目標(biāo)低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，不影響測(cè)試。測(cè)試時(shí)，要求RT、hT、RC、hC滿足式（1）的約束[3]：

在滿足式（1）約束的基礎(chǔ)上，由于定標(biāo)體和待測(cè)目標(biāo)所處的位置不同，可以采用雙波門技術(shù)，同時(shí)獲取定標(biāo)體和測(cè)試目標(biāo)的回波信號(hào)，采用比較法計(jì)算，由式（2）計(jì)算獲得測(cè)試目標(biāo)的RCS 值。

2 測(cè)試設(shè)計(jì)

在進(jìn)行大尺寸部件或全尺寸目標(biāo)測(cè)試時(shí)，兩軸轉(zhuǎn)頂內(nèi)嵌于測(cè)試目標(biāo)內(nèi)部，轉(zhuǎn)頂對(duì)測(cè)試目標(biāo)RCS 的影響可以忽略不計(jì)。測(cè)試小尺寸目標(biāo)時(shí)，轉(zhuǎn)頂無法內(nèi)嵌于目標(biāo)體內(nèi)，轉(zhuǎn)頂回波信號(hào)對(duì)測(cè)試目標(biāo)的回波信號(hào)影響特別大，甚至淹沒目標(biāo)回波信號(hào)，因此小尺寸目標(biāo)無法直接放置在兩軸轉(zhuǎn)頂進(jìn)行測(cè)量。

為評(píng)估目標(biāo)支架的低散射特性，通常研制有低散射金屬罩，遮擋轉(zhuǎn)頂所產(chǎn)生的回波信號(hào)，當(dāng)?shù)蜕⑸浣饘僬职惭b于轉(zhuǎn)頂上時(shí)，可以得到小尺寸低RCS 目標(biāo)測(cè)試所需要的背景條件。因此，該文對(duì)小尺寸低RCS 目標(biāo)的測(cè)量，采用低散射金屬罩遮擋轉(zhuǎn)頂獲取所需要的低RCS 背景條件，以低散射金屬罩為基礎(chǔ)進(jìn)行設(shè)計(jì)。

圖2 所示為其中的一種目標(biāo)安裝方式。該方法在低散射金屬罩的前端，固定一段聚苯乙烯泡沫，對(duì)泡沫正對(duì)測(cè)量雷達(dá)方面進(jìn)行斜切，防止聚苯乙烯泡沫鏡面反射回波增大背景。然后，將待測(cè)目標(biāo)固定在聚苯乙烯泡沫前段。圖中的待測(cè)目標(biāo)為直徑12 cm的金屬球。

圖2 測(cè)試目標(biāo)安裝示意圖

圖3 給出了X 波段直徑12 cm 標(biāo)準(zhǔn)球按理論值進(jìn)行一維距離成像的結(jié)果。目標(biāo)一維像是對(duì)掃頻結(jié)果的傅里葉變化，它是該頻段內(nèi)目標(biāo)RCS 值的一個(gè)均值，通常用以代替中心頻點(diǎn)的RCS 值[5]。因此，直徑為12 cm 金屬球在X 波段的RCS 均值，可視為-21.58 dBsm。

圖3 X波段直徑12 cm金屬球理論值一維距離像

3 數(shù)據(jù)處理方法步驟

測(cè)試選用掃頻模式，測(cè)量金屬球X 波段（8～12 GHz），HH、VV 兩種極化方式下的RCS 值。獲取測(cè)試數(shù)據(jù)后，主要數(shù)據(jù)處理方法及步驟如下[4]：

1）用波門1 所采集的數(shù)據(jù)對(duì)波門2 采集數(shù)據(jù)進(jìn)行幅度相位修正；

2）通過比較法計(jì)算獲得波門2 處RCS 值作為金屬球RCS 測(cè)量值；

3）利用IFFT 變換進(jìn)行一維距離成像，時(shí)域提取法獲取金屬球回波；

4）將時(shí)域提取回波信號(hào)采用傅里葉變換（FFT）變換至頻域，得到金屬球的頻域相應(yīng)曲線。

通常時(shí)域提取可選擇矩形、hanning、Hamming、Tayler、Sinc 等窗函數(shù)，文中選擇Tayler 窗函數(shù)。

4 測(cè)試結(jié)果分析

按數(shù)據(jù)處理方法設(shè)計(jì)的步驟進(jìn)行數(shù)據(jù)的處理分析。

4.1 幅相補(bǔ)償

圖4 給出了HH、VV 兩種極化下定標(biāo)體、測(cè)試目標(biāo)原始回波數(shù)據(jù)的幅相特性曲線。從原始回波數(shù)據(jù)曲線可以看出，VV 極化狀態(tài)下測(cè)試目標(biāo)較HH 極化狀態(tài)下的幅度變化波動(dòng)更為劇烈，主要原因是目標(biāo)支撐系統(tǒng)在VV 極化狀態(tài)下的回波要比HH 極化狀態(tài)下的回波強(qiáng)度大，與測(cè)試目標(biāo)回波疊加后造成幅度較大的起伏。

圖5 給出了HH、VV 兩種極化狀態(tài)下，經(jīng)定標(biāo)及幅相補(bǔ)償運(yùn)算后的目標(biāo)幅相特性曲線及其相位隨頻率變化的差分結(jié)果，從圖中可以看出，除個(gè)別頻點(diǎn)相位變化存在異點(diǎn)外，整個(gè)頻段內(nèi)的相位隨頻率的變化被校準(zhǔn)與理想步進(jìn)頻相位隨頻率變化趨勢(shì)相接近。

4.2 時(shí)域信號(hào)分布

在幅相補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上，作進(jìn)一步處理。圖6 給出了金屬球在X 波段HH、VV 兩種極化狀態(tài)下的一維距離成像結(jié)果，圖中橫坐標(biāo)為-5.073 m（金屬球幾何中心位置到轉(zhuǎn)頂旋轉(zhuǎn)中心距離經(jīng)測(cè)量為5.1 m）處為金屬球所成的像。從成像可以看出金屬球在X 波段HH、VV 兩種極化狀態(tài)下的RCS 測(cè)量均值分別為-21.42 dBsm、-21.34 dBsm，與理論均值相比誤差分別為-0.16 dB、-0.24 dB，測(cè)量精度均在0.5 dB以內(nèi)。

從圖6 可以直接看出，VV 極化狀態(tài)下的強(qiáng)散射點(diǎn)要明顯多于HH 極化狀態(tài)下的強(qiáng)散射點(diǎn)數(shù)量，這點(diǎn)也直接解釋說明了VV 極化狀態(tài)下測(cè)試目標(biāo)較HH極化狀態(tài)下的幅度起伏更為劇烈的原因。

圖4 定標(biāo)體及測(cè)試目標(biāo)原始信號(hào)幅相特性

圖5 測(cè)試目標(biāo)定標(biāo)及幅相補(bǔ)償后特性

圖6 回波信號(hào)時(shí)域分布

4.3 時(shí)域提取變換至頻域結(jié)果

根據(jù)時(shí)域信號(hào)分布，以-5.073 m 為中心加窗提取金屬球回波數(shù)據(jù)變換回頻域。圖7 給出了原始回波數(shù)據(jù)計(jì)算所得RCS 值、時(shí)域提取RCS 值及理論RCS 值在X 波段的比較曲線。從圖中可以看出，原始數(shù)據(jù)曲線來回波動(dòng)較大，與理論值相比在變化趨勢(shì)上的吻合度差；時(shí)域提取RCS 曲線除加窗效應(yīng)造成的頻段兩端RCS 值異常外，與理論值曲線在變化趨勢(shì)上高度一致，剔除加窗后兩端有明顯異常的數(shù)據(jù)后，每個(gè)頻點(diǎn)與理論值相比誤差均在±1 dB 以內(nèi)。

5 結(jié)論

該文研究分析了時(shí)域提取法在地平場(chǎng)中測(cè)量小尺寸低RCS 目標(biāo)時(shí)可以達(dá)到的測(cè)量精度，從數(shù)值結(jié)果看，在X 波段4 GHz 寬的掃頻帶寬內(nèi)，剔除加窗效應(yīng)造成兩端頻段測(cè)量精度不理想外，在整個(gè)頻段內(nèi)兩種極化方式下的測(cè)量精度都十分理想，每個(gè)頻點(diǎn)均可保證±1 dB 以內(nèi)的測(cè)量精度，整個(gè)頻段內(nèi)的平均測(cè)量精度更是分別低至-0.16 dB、-0.24 dB，效果非常理想，驗(yàn)證了室外地平場(chǎng)條件下測(cè)量小尺寸低RCS 量級(jí)目標(biāo)的可行性。

圖7 原始數(shù)據(jù)、提取數(shù)據(jù)及理論數(shù)據(jù)比較曲線