三角板角反射器在RCS定標(biāo)測試中的應(yīng)用

歐乃銘 白 明 梁 彬 苗俊剛

(北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院，北京100191)

目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RCS，Radar Cross Section)是表征雷達(dá)目標(biāo)對于照射電磁波散射能力的一個物理量.根據(jù)不同的應(yīng)用需求，對雷達(dá)目標(biāo)RCS 的測量［1］可分為單站和雙站［2］兩種.單站測試系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)處于同一位置，而雙站測試系統(tǒng)中的發(fā)射機(jī)和接收機(jī)則處于不同的位置.

絕對意義上的單站RCS測試，要求使用單一天線同時進(jìn)行信號的收發(fā)，這種測試系統(tǒng)對發(fā)射、接收信號的隔離度要求比較高，且儀器系統(tǒng)成本較高;因此，很多單站RCS測試采用收發(fā)分離的形式，即使用兩個天線分別進(jìn)行信號的發(fā)射和接收，這種測試系統(tǒng)需要盡可能減小兩天線間的串?dāng)_，同時要求定標(biāo)體的RCS值在絕對單站和收發(fā)分離單站兩種情況下基本相同.

在測試時需要選擇與目標(biāo)RCS量級相當(dāng)?shù)亩?biāo)體進(jìn)行定標(biāo)，以獲得更加精確的定標(biāo)數(shù)據(jù).例如，標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)球通常用于目標(biāo)RCS值較小的定標(biāo)測試，而三角板角反射器通常用于目標(biāo)RCS值較大的定標(biāo)測試.

三角板角反射器作為一種重要的器件，在微波電磁場領(lǐng)域具有多方面的應(yīng)用［3－6］，關(guān)于三角板反射器散射特性也有著大量的研究［7－10］，同時它也是目標(biāo)RCS定標(biāo)測試中的一種重要的定標(biāo)體.但人們普遍認(rèn)為三角板角反射器只適用于絕對單站RCS定標(biāo)測試，而在收發(fā)分離單站RCS定標(biāo)測試中，其不能再作為定標(biāo)體［11］.但本文通過對三角板角反射器的研究，根據(jù)其單站及小雙站角條件下的散射特性，進(jìn)一步提出了其在收發(fā)分離單站RCS定標(biāo)測試中的應(yīng)用方案，擴(kuò)展了其在RCS定標(biāo)測試中的應(yīng)用范圍.

1 RCS測試簡介

圖1為單站和雙站RCS測試的結(jié)構(gòu)示意圖.RCS測試要求目標(biāo)處于發(fā)射機(jī)/接收機(jī)的遠(yuǎn)場范圍，即由發(fā)射機(jī)激勵的電磁波傳播到目標(biāo)附近時應(yīng)可以近似視為平面波.為滿足這一要求，有兩種技術(shù)途徑，外場測試和內(nèi)場緊縮場測試.其中，外場測試要求的場地范圍較大，同時對外界電磁環(huán)境的要求較高，它使得由發(fā)射機(jī)激勵的電磁波能夠傳播足夠遠(yuǎn)的距離，從而可近似視為平面波;而緊縮場測試通常在室內(nèi)進(jìn)行，通過各種類型的反射面天線將由發(fā)射機(jī)激勵的電磁波轉(zhuǎn)化為近似的平面波，從而滿足遠(yuǎn)場測試條件.

圖1 單站和雙站測試系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

在測定目標(biāo)RCS時，需要利用RCS值σr已知的定標(biāo)體進(jìn)行定標(biāo).在發(fā)射能量相同的前提下，首先，測定測試背景的散射能量Sb;其次，測定定標(biāo)體的散射能量Sr;最后，測定目標(biāo)物體的散射能量St.進(jìn)而利用式(1)即可求得目標(biāo)物體的RCS值.

2 三角板角反射器散射特性

為了研究三角板角反射器在單站及收發(fā)分離單站RCS定標(biāo)測試中的應(yīng)用，首先對三角板角反射器的單站散射特性、小雙站角散射特性及方位穩(wěn)定性進(jìn)行分析.

2.1 單站散射特性

標(biāo)準(zhǔn)的三角板角反射器如圖2所示，假設(shè)其口面平行于YZ平面，邊BC平行于y軸.

圖2 三角板角反射器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3為邊長b=300 mm的三角板角反射器工作于10 GHz時，在入射角掃描范圍內(nèi)的后向RCS散射方向圖.從中可以看出，三角板角反射器后向RCS散射方向圖的主瓣很寬且很平坦.式(2)為主瓣部分峰值的經(jīng)驗(yàn)公式［12］，其中b為三角板角反射器的邊長，λ為工作波長.利用該式得到的主瓣部分的峰值為15.76 dBsm，而圖3中通過數(shù)值仿真得到的主瓣部分的峰值為15.99 dBsm，兩者基本吻合.

圖3 三角板角反射器單站RCS散射方向圖

2.2 小雙站角散射特性

很多內(nèi)場緊縮場RCS測試場地在進(jìn)行單站RCS測試時均采用饋源收發(fā)分離的形式，這樣收發(fā)饋源間會形成一個小雙站角，因此需要對三角板角反射器在小雙站角條件下的散射特性進(jìn)行分析.圖4為邊長b=300 mm三角板角反射器工作于 10 GHz，收發(fā)饋源小雙站角為 0°(單站)，1.2°，2.4°，3.6°，4.8°，6°時，在圖 2 所示入射角掃描范圍內(nèi)的小雙站角RCS散射方向圖.

圖4 三角板角反射器小雙站角RCS散射方向圖

從圖4中可以看出，在小雙站角逐漸增大的過程中，三角板角反射器RCS散射方向圖的主瓣部分明顯下降，且呈現(xiàn)較強(qiáng)的紋波，這說明無法利用主瓣峰值部分進(jìn)行收發(fā)分離單站RCS定標(biāo)測試.同時應(yīng)注意到，其左右第一旁瓣十分穩(wěn)定，幾乎沒有變化，且左右第一旁瓣的峰值與主瓣峰值的量級相當(dāng).

2.3 方位穩(wěn)定性

在利用三角板角反射器進(jìn)行定標(biāo)測試時，其方位的擺放是一個很大的問題，因?yàn)橥ǔＧ闆r下很難將三角板角反射器按照某一目標(biāo)姿態(tài)精確的定位，這就需要對其方位穩(wěn)定性進(jìn)行分析.

首先，分析三角板角反射器在擺放過程中相對標(biāo)準(zhǔn)方位繞z軸旋轉(zhuǎn)一定角度的情況，見圖5.圖6 ～圖 8 分別為雙站角 0°(單站)，2.4°，4.8°時，三角板角反射器繞z軸旋轉(zhuǎn)0°(標(biāo)準(zhǔn)方位)，1°，2°，4°的 RCS 散射方向圖的對比.

圖5 三角板角反射器繞z軸旋轉(zhuǎn)一定角度

其次，分析三角板角反射器在擺放過程中相對標(biāo)準(zhǔn)方位繞x軸旋轉(zhuǎn)一定角度的情況，見圖9.圖 10 ～ 圖 12 為雙站角 0°(單站)，2.4°，4.8°時，三角板角反射器繞x軸旋轉(zhuǎn)0°(標(biāo)準(zhǔn)方位)，1°，2°，4°的RCS散射方向圖的對比.

通過上面的分析可以看出，三角板角反射器RCS散射方向圖中主瓣及右側(cè)第一旁瓣具有很高的方位穩(wěn)定性，當(dāng)三角板角反射器在擺放過程中出現(xiàn)一定的方位偏差時，這兩部分的變化幅度很小;而其左側(cè)第一旁瓣的方位穩(wěn)定性很低，當(dāng)三角板角反射器出現(xiàn)方位偏差時，其變化明顯.

圖6 雙站角為0°(單站)時，三角板角反射器繞z軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

圖7 雙站角為2.4°時，三角板角反射器繞z軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

圖8 雙站角為4.8°時，三角板角反射器繞z軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

圖9 三角板角反射器繞x軸旋轉(zhuǎn)一定角度

2.4 結(jié)果分析

圖10 雙站角為0°(單站)時，三角板角反射器繞x軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

圖11 雙站角為2.4°時，三角板角反射器繞x軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

圖12 雙站角為4.8°時，三角板角反射器繞x軸旋轉(zhuǎn)不同角度的RCS散射方向圖的對比

三角板角反射器的后向散射方向圖中有三個部分較為引人注意，分別為其主瓣部分、左側(cè)第一旁瓣部分及右側(cè)第一旁瓣部分，它們均具有很高的RCS值.圖13指出了這三部分對應(yīng)的入射角的范圍.可以看出，左側(cè)第一旁瓣的峰值點(diǎn)對應(yīng)于平面波入射方向垂直于BOC平面的情況，此時三角板角反射器可近似視為平板反射器，而該旁瓣部分所體現(xiàn)出來的小雙站角RCS值與單站RCS值的近似性、方位的不穩(wěn)定性、較小的寬度范圍，正是平板反射器的散射特性;右側(cè)第一旁瓣的峰值點(diǎn)對應(yīng)于平面波入射方向平行于BOC平面的情況，此時三角板反射器可近似視為二面角反射器，而該旁瓣部分所體現(xiàn)出來的小雙站角RCS值與單站RCS值的近似性、方位的穩(wěn)定性、較小的寬度范圍，正是二面角反射器的散射特性;主瓣部分的峰值點(diǎn)對應(yīng)于平面波入射方向垂直于ABC平面的情況，其體現(xiàn)出來的小雙站角RCS值與單站RCS值的非近似性、方位的穩(wěn)定性、較大的寬度范圍，正是三角板角反射器區(qū)別于其它定標(biāo)體的主要特性.

圖13 三角板角反射器RCS散射方向圖中主瓣及左右第一旁瓣對應(yīng)的平面波入射方向

3 定標(biāo)應(yīng)用方案

本節(jié)提出三角板角反射器在單站及收發(fā)分離單站RCS定標(biāo)測試中的應(yīng)用方案，并對其在定標(biāo)測試中的優(yōu)越性進(jìn)行說明.

3.1 單站定標(biāo)應(yīng)用方案

通過第2節(jié)的分析可知，三角板角反射器后向RCS散射方向圖的主瓣部分很寬且很平坦，并具有較強(qiáng)的方位穩(wěn)定性，因此其非常適合作為單站RCS定標(biāo)測試的定標(biāo)體.定標(biāo)過程中，只需使三角板角反射器的口面垂直于平面波的入射方向，進(jìn)行單次測量即可(這主要是利用了主瓣部分寬且平坦的特點(diǎn)，即使三角板角反射器的擺放角度和方位出現(xiàn)一定的偏差，其測量值也不會有很大變化)，如圖14所示.

圖14 三角板角反射器在單站定標(biāo)中的應(yīng)用方案

3.2 收發(fā)分離單站定標(biāo)應(yīng)用方案

若某一定標(biāo)體能用來進(jìn)行收發(fā)分離單站RCS定標(biāo)測試，其必須滿足兩方面的要求:①定標(biāo)體目標(biāo)方位的RCS值在單站和小雙站角兩種情況下沒有明顯變化;②定標(biāo)體目標(biāo)方位的RCS值具有很高的方位穩(wěn)定性.

從第2節(jié)的分析可知，對于三角板角反射器，收發(fā)饋源間呈現(xiàn)的小雙站角會導(dǎo)致其散射方向圖主瓣部分明顯下降，且呈現(xiàn)較強(qiáng)的紋波;同時，其左側(cè)第一旁瓣的方位穩(wěn)定性很低.這說明三角板角反射器的主瓣部分和左側(cè)第一旁瓣部分均不能作為收發(fā)分離單站RCS測試的定標(biāo)參考點(diǎn).但三角板角反射器后向散射方向圖的右側(cè)第一旁瓣在收發(fā)饋源呈現(xiàn)小雙站角時沒有明顯變化，同時具有很高的方位穩(wěn)定性，故可考慮將其作為收發(fā)分離單站RCS測試的定標(biāo)參考點(diǎn).

利用該峰值點(diǎn)進(jìn)行定標(biāo)時應(yīng)注意:右側(cè)第一旁瓣的寬度較窄，為了能夠準(zhǔn)確找到該峰值點(diǎn)，需對三角板角反射器進(jìn)行角度掃描測試，將測量范圍集中于圖15所示的入射角度掃描范圍內(nèi)，同時盡可能減小角度掃描間隔.另外，根據(jù)大量仿真結(jié)果的總結(jié)與驗(yàn)證，于式(3)中給出了該峰值點(diǎn)的解析數(shù)值，定標(biāo)過程中可直接應(yīng)用.

圖15 三角板角反射器在收發(fā)分離單站定標(biāo)中的應(yīng)用方案

3.3 三角板角反射器的優(yōu)越性

從上述分析可看出，三角板角反射器與其它常用的RCS值較大的定標(biāo)體(如平板反射器和二面角反射器)相比，在絕對單站測試條件下，無需花費(fèi)大量的時間來調(diào)整定標(biāo)體方位，只需粗略確定口面指向，進(jìn)行單次測量即可，這也是它相對于平板反射器和二面角反射器的最大優(yōu)勢.另外，根據(jù)本文的分析，三角板角反射器同樣適用于收發(fā)分離單站RCS定標(biāo)測試，這也進(jìn)一步體現(xiàn)了三角板角反射器在RCS定標(biāo)測試中的廣泛的適用性.

4 結(jié)論

本文對三角板角反射器的散射特性進(jìn)行分析，提出了其在單站及收發(fā)分離單站RCS定標(biāo)測試中的應(yīng)用方案.三角板角反射器后向散射方向圖的主瓣部分很寬且很平坦，同時具有很高的方位穩(wěn)定性，很適于單站RCS定標(biāo)測試;對于收發(fā)分離的單站RCS定標(biāo)測試，由于小雙站角的存在，三角板角反射器散射方向圖的主瓣部分明顯下降，且呈現(xiàn)較強(qiáng)的紋波，而其左側(cè)第一旁瓣的峰值雖然在存在小雙站角時沒有明顯變化，但其方位穩(wěn)定性極差，故三角板角反射器散射方向圖的主瓣部分和左側(cè)第一旁瓣部分均不適用于收發(fā)分離的單站RCS定標(biāo)測試.其右側(cè)第一旁瓣的峰值不但不會由于小雙站角的存在出現(xiàn)明顯的下降，而且具有很高的方位穩(wěn)定性，故可利用其進(jìn)行收發(fā)分離的單站RCS定標(biāo)測試，從而有效擴(kuò)展了三角板角反射器在RCS定標(biāo)測試中的應(yīng)用范圍.

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