龍伯透鏡反射器性能評估預處理方法研究

郭 杰，田江曉，龔 堅

（1.北京環境特性研究所，北京100854；2.中國人民解放軍61123部隊，北京100141）

0 引言

龍伯透鏡反射器通常也簡稱為龍伯球，是一種具有復雜內部結構的雷達回波反射器，以其體積小、質量輕、反射效率高、角度響應寬、使用維護簡便等優點而頗受諸多工程技術人員的青睞［1］，已成熟應用于測量、識別、靶標、導航等多個方面。尤其是隨著假目標和雷達誘餌技術的發展，龍伯球在電子對抗領域的使用也日趨普遍［2-3］。

龍伯球的廣泛應用，得益于其性能指標。評估龍伯球性能指標的優劣，則需對其暗室RCS測試數據進行分析處理。而RCS測試過程中產生的角度誤差，將很大程度上給龍伯球各項性能指標的考核帶來負面影響。針對這一問題，本文提出了龍伯球RCS數據預處理方法，在評估龍伯球性能之前對其RCS測試數據進行預處理，以盡量消除角度誤差引起的指標偏離。

1 龍伯球主要性能指標

一般而言，工程技術人員結合特定的應用背景設計或選用龍伯球時，雖需兼顧龍伯球的材料、結構、尺寸、質量、力學環境性能等指標，而重中之重卻是其電性能指標。龍伯球電性能指標主要包括RCS最大值、RCS均值、RCS波動值以及角度響應范圍。

角度響應范圍一般包括方位和俯仰兩個方向。單向型龍伯球角度響應范圍一般不超過120°（±60°）立體角，而全向型龍伯球方位角度響應范圍為360°，俯仰角度響應范圍一般不超過30°（±15°）。全向型龍伯球雖具有360°方位響應的優點，但其俯仰響應范圍較窄，且RCS效率較低，除特殊要求外工程中一般很少選用，因而下文所述龍伯球均指單向型龍伯球。

顯然，上述指標尤其是后三者與角度誤差密切相關。

2 角度誤差成因及影響

龍伯球RCS通常采用自由空間反射的相對標定法進行測量，具體測量步驟如下：

1）運行RCS測試軟件；2）設置系統測試參數；3）測量定標體獲得定標參考體響應；4）測量空暗室獲得背景響應；5）測量空暗室的背景等效RCS值；6）測量標準驗證體，獲得驗證體的RCS 值；7）確認背景符合要求，驗證體測試結果正確后，放置待測龍伯球進行RCS測量。

在步驟7）中，放置龍伯球時需確保其指向標識點與收發兩天線口面幾何中心等高、等距。標志點指向是龍伯球理論上的最大RCS方向，通過該點的直徑與龍伯球反射面的中心軸重合。實際操作中一般利用安裝在暗室后墻（或側墻）及頂棚的兩個正交的激光器，通過激光對準，來確定待測目標的初始姿態及相對轉臺中心的位置。而龍伯球的球面形狀，使得其指向標識點在放置時很難完全滿足上述要求，于是其初始姿態發生偏移，從而產生角度誤差。

若龍伯球初始姿態放置準確，則指向標識點與方位零點將重合，龍伯球RCS特性將以方位零點為中心點對稱分布。反之，若存在角度誤差，則指向標識點與方位零點將發生偏移（稱之為零點偏移），而龍伯球各項性能指標的統計分析均基于方位零點，所以必將產生偏差。圖1即為某龍伯球測試時角度誤差引起零點偏移的實例，圖中可明顯看出方位零點不在RCS特性曲線中心。

圖1 角度誤差引起零點偏移實例

3 RCS數據預處理方法

無論是否有零點偏移，龍伯球RCS特性曲線的實際對稱軸（通常為指向標志點位置）都是確定的。基于此，本文提出最大RCS值法和響應區間中心法，以解決角度誤差引起的問題。

3.1 最大RCS值法

龍伯球RCS特性曲線之所以存在零點偏移，是因為測試時其實際對稱軸與方位零點產生了錯位。大多數情況下龍伯球RCS最大值所在點即為對稱軸的位置，若能找到RCS測試曲線的最大值，將其方位坐標定為方位零點，其他數據相應平移，則可實現零點對準，消除角度誤差影響，這就是最大RCS值法的基本思想。

最大RCS值法實現流程包含讀取RCS原始數據文件、滑動平均處理、求取最大值方位坐標、方位修偏、形成RCS數據文件五個步驟，詳述如下：

1）讀取RCS原始數據文件

測試形成的數據文件一般為.rcs文件，需轉換為程序可以識別的文件，從中讀取出方位和原始RCS數據。

2）滑動平均處理

依據《GJB 3830-1999 目標雷達散射截面數據格式要求》，選取一定窗口和步進，對龍伯球RCS測試數據進行處理。該項操作并非必須步驟，可視情況取舍。若取，則可簡化數據，提高算法效率；若舍，則可得到更多細節，RCS特性更全面直觀。

3）求取最大值方位坐標

在-180°～180°方位角范圍內，統計測得的RCS數據，應用最值求取算法獲得其中的最大值，并計算出該點對應的方位坐標。

4）方位修偏

零點偏移有兩種情況，若最大值點方位坐標為正，則稱之為零點右偏；反之，則為零點左偏。對于零點右偏，零點對準后，其他數據依次循環左移；而對于零點左偏，則將數據依次循環右移。

5）形成RCS數據文件

將方位修偏后的RCS數據寫入新的.rcs文件，并加以保存，以備后續統計分析各項性能指標使用。

最大RCS值法實現流程如圖2所示。

圖2 最大RCS值法實現流程圖

3.2 響應區間中心法

最大RCS值法基于龍伯球指向標志點與其最大RCS點重合這一假設，找到了最大RCS 點就相當于找到了指向標志點，也就是RCS特性曲線的對稱點。響應區間中心法與此不同，該方法將龍伯球3dB 響應區間的中心點視為指向標志點，用之與零點對準，其余步驟大致與最大RCS法相同。所謂3dB 響應區間即龍伯球RCS值不小于最大值一半的角度響應區間。

響應區間中心法實現流程包含讀取RCS原始數據文件、滑動平均處理、求取RCS最大值、計算3dB響應區間中心坐標、方位修偏、形成RCS數據文件六個步驟，流程如圖3所示。

圖3 響應區間中心法實現流程圖

4 應用實例及結果分析

以自主研制的兩型龍伯球（具體型號分別為GT076-01 和GT076-02）的測試數據為例，將最大RCS值法和響應區間中心法應用于數據預處理，以驗證兩者有效性并比較兩者差異性。

4.1 應用實例

依據測試規程，將GT076-01和GT076-02置于微波暗室進行RCS測試，采集得到RCS原始數據。

1）GT076-01龍伯球RCS原始數據的預處理

GT076-01龍伯球的點頻RCS曲線如圖4所示。

圖4 GT076-01龍伯球的點頻RCS曲線圖

從圖中可以看出，該測試曲線已零點左偏32°左右。若直接使用原始RCS數據文件進行統計處理，所得指標將與實際值相距甚遠。

該數據文件經上述兩種算法預處理后的結果與原始曲線對比繪制在圖5中，其中細虛線為原始RCS曲線；粗虛線為經最大RCS值法預處理后的RCS曲線；粗實線為經響應區間中心法預處理后的RCS 曲線。對上述三條曲線的RCS數據分別進行統計處理，得到龍伯球各項性能指標，如表1所示。

圖5 GT076-01龍伯球測試數據預處理前后點頻RCS曲線對比圖

表1 GT076-01龍伯球測試數據預處理前后性能指標對比

2）GT076-02龍伯球RCS原始數據的預處理

GT076-01龍伯球的點頻RCS曲線如圖6所示。

從圖中可以看出，該測試曲線已零點右偏30°左右。若不作預處理，直接統計處理得出的指標將與實際值大不相同。

該數據文件經上述算法預處理后的結果與原始曲線對比繪制在圖7中，其中細虛線為原始RCS曲線；粗虛線為經最大RCS值法預處理后的RCS曲線；粗實線為經響應區間中心法預處理后的RCS曲線。對上述三條曲線的RCS數據分別進行統計處理，得到龍伯球各項性能指標，如表2所示。

圖6 GT076-02龍伯球的點頻RCS曲線圖

圖7 GT076-02龍伯球測試數據預處理前后點頻RCS曲線對比圖

表2 GT076-02龍伯球測試數據預處理前后性能指標對比

4.2 結果分析

分析用例中兩型龍伯球數據文件預處理前后RCS對比曲線以及各性能指標對比值，可得出如下結論：

1）零點偏移對各性能指標的影響顯著。除RCS最大值是在方位周向范圍內統計無變化外，其他指標均受影響：RCS均值變小，RCS波動值明顯增大，角度響應范圍呈明顯非對稱分布。

2）對于用例1（GT076-01），兩種算法的處理效果良好：RCS均值略有增大，RCS波動值減小至3dB 以內，角度響應范圍基本對稱分布，比較符合實際情況。且兩預處理算法的結果非常相似，對比圖中兩RCS曲線幾近重合，對比表中各性能指標值也相差很小，這表明該龍伯球的最大RCS點與3dB 響應區間中心點基本一致。

3）對于用例2（GT076-02），最大RCS值法效果很差，各性能指標甚至較之于無預處理情形更為惡化，±55°RCS波動值超過16dB，3dB 響應范圍分布嚴重畸變，這均有違常理。而響應區間中心法仍然非常有效，體現了該算法的普遍適應性。兩者處理效果的顯著差異源于前者是基于龍伯球指向標志點與其最大RCS點重合這一假設，將最大RCS點視為對稱軸，而后者卻是以3dB響應區間的中心作為對稱軸。

5 結束語

針對測量角誤差對龍伯球性能評估的影響，本文提出了最大RCS值法和響應區間中心法兩種預處理方法。最大RCS值法簡單明了，易于實現，但該方法受龍伯球制作工藝影響較大，不適應于最大RCS點與指向標志點錯位的情形。而響應區間中心法雖較之于最大RCS值法略微復雜，但其克服了后者的不足，應用情形更為普遍，更具魯棒性。經實例驗證，算法效果顯著。■

［1］陳靜.雷達無源干擾原理［M］.北京：國防工業出版社，2009.

［2］張洪濤.導彈陣地的反偵察措施探討［J］.航天電子對抗，2005（6）：8-10.

［3］羅守貴.電子戰無人機的發展現狀及趨勢［J］.艦船電子對抗，2009（4）：26-28.

［4］田江曉，郭杰.龍伯透鏡制造工藝研究現狀及發展趨勢分析［J］.飛航導彈，2013（5）：84-86.

［5］Peeler GDM，Coleman HP.Microwave stepped-index Luneberg lenses［J］.IRE Trans.on Antennas and Propagation，1958，4：202-207.