VHF頻段隱身目標縮比模型的雷達散射截面測量

陳伯孝 胡鐵軍 朱 偉 張中山 張興龍

(西安電子科技大學雷達信號處理國家重點實驗室,陜西西安710071)

1.引 言

反雷達隱身技術的出現對現代雷達構成了巨大的威脅。它是利用系統工程的設計思想,綜合運用各種反探測技術,最大限度地降低目標探測系統的探測能力。目前的隱身技術主要通過外形隱身設計技術、雷達吸波材料隱身技術等手段來實現。外形設計隱身技術是在保證目標氣動性能的前提下,對目標的外形結構和形狀進行優化設計,使目標反射的雷達波能量偏離至無關緊要的方向,從而減小在規定方向上的雷達散射截面積(RCS)。雷達吸波材料隱身技術是反雷達隱身的另一重要手段。目標表面通過涂覆吸波材料,可將雷達照射到目標上的大部分電磁波能量轉換為熱能而耗散掉,或使電磁波因干擾而消失。但這種技術主要是針對微波頻率。由于涂層厚度的限制及其電磁特征,吸波材料隱身對甚高頻(VHF)頻段是無效的。根據一些研究資料報道[1-4,7]:隱身目標在微波段的RCS很小,如美國隱身戰斗機F-117A在微波波段的RCS只有約0.02 m2,而在主諧振區卻高達10～20 m2,兩者相差1000倍左右。因此,利用隱身目標在低頻段的頻率諧振特性、極化特性是提高現代雷達反隱身能力的重要突破口。

針對隱身目標的RCS測量和仿真方面的文獻較多[3-5,12],但大多是針對微波波段而言,且只有同極化下的RCS測量結果,尚未見對隱身目標交叉極化的RCS進行測量方面的報道。本文的工作主要是在VHF頻段、在不同極化模式下對隱身目標的RCS進行測量。隱身目標表面的吸波材料對低頻段目標RCS測量的影響可以忽略。本文介紹了隱身目標縮比模型的RCS測試方法,并給出實測數據處理結果,分析了其RCS特性。

2.低頻段RCS的測量方法

2.1 縮比模型RCS測量原理

RCS測量分為縮比模型測量、全尺寸目標靜態測量、全尺寸目標動態測量三種方式[4]。一般在微波暗室中,由于暗室尺寸的限制,多采用目標縮比模型測量法。縮比模型的RCS測量就是將雷達波長、目標各部分的尺寸和材料參數等按電磁模型相似比例關系縮小,這樣便可以在微波暗室內方便地進行模擬測量,并由此推算實際尺寸目標的散射特征。該方法測試簡便、靈活、工作量小。

根據縮比模型測量法中要保持Maxwell求解過程的相似性,需保持第一和第二雷諾系數不變,因此波長與尺寸按比例縮小。根據全尺寸目標與目標縮比模型之間的電磁關系,縮比為1:s的目標模型的RCS(σ′)與折算成1∶1真實尺寸時的目標 RCS(σ)有如下關系[1-2]

相應地,縮比模型的測試頻率 f′應為全尺寸目標測試頻率f的s倍。由于所測試的目標模型分別為F-xx和 B-x,對應的縮比因子為s=10和s=20。為在30～300 MHz頻率范圍對目標進行RCS測量,對F-xx縮比模型分低頻段(300 MHz～1 GHz)和高頻段(1～3.5 GHz)兩個頻率段進行測試;對B-x縮比模型分低頻段(600 MHz～2 GHz)和高頻段(2～7 GHz)兩個頻率段進行測試。

2.2 定標體的選取

在微波暗室中進行縮比模型測量的關鍵在于定標體的選取和定標體RCS理論值的計算。所謂定標體是指已知RCS值或能通過計算得到RCS值的目標,也稱標準體。常用的定標體[3]有:金屬導體球、金屬平板、光學類反射器(如二面角)。

考慮到低頻段的諧振效應,選取的定標體的尺寸應與測試所用頻率的波長相當。因此,對目標F-xx,根據低頻段的測量頻率范圍和目標的縮比因子,在不同的極化組合下選用的定標體見表1。

表1 不同極化下定標體的選取

而對于B-x縮比模型,由于其整個測試頻段為600 MHz～7GHz,在同極化(HH 、VV)模式下選用定標球(直徑0.4 m)作為定標體,在交叉極化(HV、VH)模式下選用二面角(邊長0.5 m)作為定標體。

2.3 測試系統組成

該測試系統主要由矢量網絡分析儀、功率放大器、天線、低RCS支架、計算機和轉臺控制器組成,如圖1所示[5-6]。其中矢量網絡分析儀既作為頻率步進信號的發射機,同時接收頻域響應信號并可對其進行處理;轉臺控制器由計算機控制,可以控制并記錄當前方位角;隔板采用吸波材料,用來降低收發天線間的直接耦合。標準天線采用對數周期天線,根據不同的極化測試情況分別按水平或垂直放置。測試四種極化組合:HH(發射、接收極化組合)、VV、HV、VH.測試目標模型為:F-xx(縮比因子s=10)、B-x(s=20)。

圖1 RCS測試系統組成

3.低頻段RCS測量及分析計算過程

系統通過計算機控制矢量網絡分析儀發射頻率步進信號,得到的回波數據為矢量網絡分析儀的S21參數,包括幅度和相位,轉換為頻域復信號,并存儲起來。配合對轉臺的控制,即可測得目標不同方位角的回波數據。

低頻段RCS測試及其分析計算過程如圖2所示。測試時分三步進行:先測試暗室背景散射噪聲電平,并將數據臨時存儲;再測量定標體回波信號并存儲測量數據;最后測量被測目標回波信號,將數據存儲并進行后繼處理。

圖2 低頻段RCS測試及分析計算過程

對測試并記錄的原始數據進行處理,得到目標的RCS矩陣的分析、計算過程如下:

1)將保存的幅相數據轉換成復信號,為頻域復信號,暗室背景、定標體、被測目標的頻域復信號分別表示為 E r(f)、S d0(f)、S t0(f).

2)進行背景雜波對消。由于背景雜波可以看成是一種加性噪聲,因此將目標加背景的頻域復信號減去只有背景的頻域復信號,目的是提高動態測試范圍并消除背景噪聲,減少背景雜波對測試結果的影響。經背景雜波對消輸出的信號為

3)進行頻域-時域-頻域變換,將頻域信號通過逆傅立葉變換(IFFT)到時域;采用時域加窗,消除目標所在主散射區之外的雜波干擾影響;然后再通過傅立葉變換(FFT)變換回頻域,分別得到各個頻點定標體和目標的回波信號幅度|S d1(f)|、|S t1(f)|.圖2中各信號為

式中g d(n)、g t(n)分別為對定標體和被測目標的時域加窗函數。

這里涉及到時域加窗長度的選取問題。窗函數長度取得過大,則窗內背景雜波、噪聲干擾成分增加,會增大測量的誤差;窗函數長度取得過小,則目標真實的散射能量丟失,產生測量誤差。因此,對定標體和被測目標的窗函數長度 d r0和d r的選取原則:分別取其最大尺寸的兩倍,即d r0=D r0,d r=D r,D r0、D r分別為定標體和被測目標的最大尺寸。時域加窗函數為

式中:(N d1,N d2)對應的距離為(R-D r0,R+D r0);(Nt1,Nt2)對應的距離為(R-Dr,R+Dr);R為天線與目標支架之間的距離。

4)計算RCS.先按式(7)計算各測試頻點被測目標縮比模型的RCS值σ′(f),再按式(1)計算實際尺寸目標的RCS值。

在目標的不同方向,再對目標測量基礎上重復上述分析計算過程。

對不同的極化組合方式,均要重復上述測量與分析計算過程。

4.測量結果

下面結合實測數據,對背景雜波對消的效果進行分析處理,并給出目標RCS的有關測試結果。

4.1 背景雜波對消

RCS測試的環境中總是存在背景雜波,特別是在VHF低頻段,微波暗室內盡管鋪設有吸波材料,但仍然存在較強的背景雜波,必須進行背景雜波對消,以減小這種背景雜波對測量結果的影響。從圖3中定標體和目標B-x的RCS測量的時域信號可以看出,定標球和目標的散射中心完全被背景雜波噪聲所淹沒,若不進行背景雜波抑制,就無法確定目標的位置。圖3中虛線為背景雜波對消處理后的結果,圓圈所標示的位置即為定標球或目標的散射中心,距離測試天線約18 m,即圖1中標準天線與支架上定標球或目標之間的距離。采用背景雜波對消可以將暗室雜波的影響降低40 dB左右。

4.2 RCS測量結果

圖4給出了兩種目標的RCS測量結果。其中圖4(a)～(d)為 HH、HV、VH、VV四種極化組合下,在機頭向0～10°內平均的RCS測量結果,橫坐標均為折算的實際頻率(測試用頻率/縮比因子),縱坐標為RCS測量值(單位d Bsm為d B平方米);圖4(e)(f)分別為HH極化組合下,兩目標的RCS測量值的頻率-方向分布的灰度圖,極坐標的半徑表示實際頻率,方向為測試時天線與目標軸線的夾角,0°為目標的迎頭方向。由此可見:對不同的極化方式,兩目標的RCS隨頻率的起伏變化都有十幾dB左右;在某些頻率點,交叉極化與同極化能量相當,整體上HH極化更強些;兩目標的 RCS隨方向變化也較大,F-xx的RCS在目標法線方向附近強一些,而B-x在機翼視線方向明顯強得多。

4.3 測量結果有效性驗證

為了驗證測試結果的有效性,對同一縮比模型F-xx在水平極化(HH)模式下分別在不同的時間進行了三次獨立測試。三次測試的頻段分別為400～900 MHz,800 MHz～1.5 GHz,400 MHz～ 1.5 GHz.在迎頭向10°內平均RCS的測試結果如圖5所示,圖中橫坐標為折算的實際頻率。可以看出,各次測試結果吻合的很好,除少數頻率點外,三次測試之間相差最大不超過3 d Bsm.

圖5 F-xx三次測量結果比較

另外,由文獻[8]中給出的F-117A的 RCS測量結果也可以看出,在迎頭向、100～300 MHz頻段內的RCS也在0～12 dBsm.本文測量結果與國外測試結果相當。

5.結 論

本文首先介紹了VHF低頻段RCS測試方法,給出了測試數據的分析計算過程;然后給出了實測數據分析處理結果。RCS測試結果表明:①隱身目標在頻率300 MHz以下隱身效果差,RCS較大,主要集中在0 dB以上;②隱身目標的RCS在米波段存在諧振效應,在300 MHz以下的不同頻點上,RCS相差約10 dB左右;③對目標F-xx,HH極化的RCS比VV極化平均要高好幾個分貝,但在一些頻點交叉極化與VV極化的RCS相當,這表明可以利用交叉極化信息,通過極化合成使得極化角[8-9]與目標的極化特性相匹配,從而提高對隱身目標的檢測能力;④對目標B-x,同極化比交叉極化平均要高約10 dB,VV極化比HH極化均值略小,但某些頻點VV極化比HH極化還高;⑤對于目標的不同方位角,其RCS也有較大差別,F-xx的RCS在其法線方向附近較強,而B-x的RCS則在其機翼視線方向明顯強得多。因此,可以通過雷達組網的方式從多視角提高對隱身目標的檢測能力。

這些結果表明:在低頻段,隱身目標的諧振特性非常明顯,故RCS有10 dBsm左右;雷達的極化特性與隱身目標的極化特性相匹配,也有利于對隱身目標的探測。本文研究對探測隱身目標的低頻段、全極化米波雷達有參考價值。

[1] 黃培康,殷紅成,許小劍.雷達目標特性[M].北京:電子工業出版社,2005:68-71,21-22.

[2] 何國瑜.電磁散射的計算和測量[M].北京航空航天大學出版社,2006:290-295.

[3] 王 成.隱身目標與雷達反隱身技術[C]//中國電子學會電子產業戰略研究分會第11屆年會論文及,2004.

[4] 阮穎錚.雷達截面與隱身技術[M].北京:國防工業出版社,1998:9-10.

[5] 莊釗文,袁乃昌,莫錦軍,等.軍用目標雷達散射截面預估與測量[M].北京:科學出版社,2007.

[6] 李南京,張麟兮,許家棟,等.遠場RCS的精確測試方法研究[J].現代雷達,2006,28(8):70-73.

LI Nanjing,ZHANG Linxi,XU Jiadong,et al.Study on accurate radar cross section measurement in farfield[J].Modern Radar,2006,28(8):70-73.(in Chinese)

[7] 王校輝,許家棟.掃頻RCS測量技術與應用[J].計測技術,2006,26(2):39-41.

WANG Xiaohui,XU Jiadong.Swept f requency RCS measurement technology and it's application[J].Metrology&Measurement Technology,2006,26(2):39-41.(in Chinese)

[8] KUSCHEL H.VHF/UHF radar,Part 1:characteristics[J].Electron.Commun.Eng.Journal,2002,14(2):61-72.

[9] KUSCHEL H.VHF/UHF radar,Part 2:operational aspects and applications[J].Electron.Commun.Eng.Journal,2002,14(3):101-111.

[10] POELMAN A J.Virtual polarisation adaptation,A method of increasing the detection capability of a radar system through polarisation-vector processing[J].IEE Proc.Communication,Radar,and Signal Processing,1981,128(10):465-474.

[11] 陳伯孝.低頻段、不同極化下隱身目標縮比模型的RCS測量[C]//第十一屆全國雷達學術年會論文集.長沙,2010.

[12] 張興龍.全極化米波雷達及極化信息處理研究[D].西安電子科技大學,2010.

[13] 伍光新,鄧維波,姜 維,等.高頻段飛機目標 RCS分析[J].電波科學學報,2008,23(3):545-549.

WU Guangxin,DENG Weibo,JIANG Wei,et al.A-nalysis of airplane RCS at high frequency band[J].Chinese Journal of Radio Science,2008,23(3):545-549.(in Chinese)