基于大型微波暗室小目標RCS測量與分析

李軍獅 王小臻 高修賓

(中國洛陽電子裝備試驗中心 洛陽 471003)

0 引言

目標雷達散射截面(RCS)是表征目標對照射電磁波散射能力的一個物理量，它是雷達目標特性中最基本最重要的一個參數(shù)。通過對目標RCS 的測量，不僅可以取得對目標基本散射現(xiàn)象的了解，檢驗理論分析的結(jié)果，而且可以獲得大量的目標特征數(shù)據(jù)，建立目標特性數(shù)據(jù)庫。本文基于Agilent 公司PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀組成的RCS 掃頻測量系統(tǒng)，可以在微波暗室下中進行小目標RCS 測試的，系統(tǒng)的工作頻率范圍500MHz-26.5GHz。該系統(tǒng)與已有測量雷達系統(tǒng)相比較，簡單易行，測量精度高。

1 RCS 的測量原理［1］

當忽略各種損耗時，雷達方程可簡化為:

將被測目標和已知精確RCS 值的標準球交替放置于相對于測量雷達的同一距離上，當測量雷達的威力系數(shù)(即Pt，Gt與Ar均不變)相同時，可分別測得接收功率Pr和Pr0，則:

將上式單位取dB 值后，可得到:

由上式可知，已經(jīng)標校球σ0，分別測量得到標校球的Pr0和被測目標的Pr，可求得σ 。

圖1 RCS 測量系統(tǒng)工作示意圖

2 測量系統(tǒng)的組成

2.1 PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀主要用于測量網(wǎng)絡(luò)的s 參數(shù)，當測量目標RCS 的值時，讓矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的一個通道發(fā)射信號，經(jīng)功率放大器進一步放大后，通過饋線送往發(fā)射天線發(fā)射出去。它的另一個通道接收目標回波信號，通過它的測量功能就可直接得到待測網(wǎng)絡(luò)的S21 參數(shù)。如果需要，也可以在接收通道中接入低噪聲放大器，以提高系統(tǒng)測試動態(tài)范圍。

2.2 收發(fā)天線

采用一對與靜區(qū)中心進行過嚴格電校準的寬帶喇叭天線，通過饋線與矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀相連，距轉(zhuǎn)臺35m 基本滿足遠場要求(R＞2d2/λ，其中d 為無人機的最大幾何尺寸)。為了滿足單站RCS 的要求，收發(fā)天線距離為40cm，且嚴格極化匹配。

2.3 轉(zhuǎn)臺及支架

轉(zhuǎn)臺安裝在靜區(qū)下的測試平臺上，放置待測物體的泡沫支架上，測量時受到的雜波干擾最小且滿足遠場測量條件。支架采用圓柱形聚乙烯支架，加工精度高，360 度反射信號固定，便于背景信號消除。

2.4 轉(zhuǎn)臺控制器

采用天線方向圖測試系統(tǒng)使用的轉(zhuǎn)臺控制器，它既可以直接控制轉(zhuǎn)臺，又可以與計算機連接進行自動控制，通常以自動控制為主，以保證測量精度的要求。

2.5 標準球

選取目標特性測量雷達測量目標RCS 所用的Φ618mm、Φ300m 標校球作為暗室測試用標準球，標校球加工誤差±0.5dB。通過兩種標校球互相測試比較，驗證測試系統(tǒng)測試誤差。

根據(jù)標校球的RCS 理論值計算公式:

式中D 為標校球半徑。根據(jù)雷達目標特性測量系統(tǒng)對雷達目標RCS 測量精度要求，委托加工的兩種標校球的技術(shù)指標為:

3 掃頻法測量目標RCS

3.1 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù)設(shè)置

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀是RCS 測試核心設(shè)備，其測試參數(shù)設(shè)置必須滿足微波暗室條件和被測目標RCS測試要求。微波暗室從測試天線到暗室后墻的距離約為46m，矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進行掃頻測試距離需大于92m。為方便區(qū)分測量目標和暗室后墻，所以選擇的測試距離設(shè)置為100m 以上。

3.1.1 測試點數(shù)［4］［5］

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀采用帶通工作方式，經(jīng)傅里葉變換后給出時域響應(yīng)，模擬脈沖函數(shù)對被測目標進行照射。脈沖寬度T 由掃頻的帶寬B 和所選的窗函數(shù)決定。

式中:k 是常數(shù)，取決測試所用窗函數(shù)，測試選取最小窗，取k=1.2;B 為掃頻信號帶寬。所以距離分辨力ΔL 為:

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試所需的采樣點數(shù)為:

上式中N 為采樣點數(shù)、L 為要保障的暗室測量距離。由公式(5)、(6)、(7)可知，當中心頻率為3GHz，掃頻帶寬為2GHz 時，時間分辨率為0.6ns，距離分辨率為90mm。在滿足暗室測量距離92m 情況下，采樣點數(shù)必須大于1223 點，所以在微波暗室中對無人機進行RCS 測試，需設(shè)定的測試點數(shù)可設(shè)為1601 點，這時測試距離為144m，可滿足暗室條件下無人機RCS 測試要求。

3.1.2 其它參數(shù)

為提高系統(tǒng)動態(tài)范圍，降低系統(tǒng)噪聲，采取測試數(shù)據(jù)平均和降低掃描帶寬的方法。綜合測試系統(tǒng)動態(tài)范圍和測試需要，擬提高20dB 動態(tài)范圍，所以選取測量數(shù)據(jù)平均10 次、1kHz 中頻帶寬，此時測試速度下降原來的77.5 倍。當掃頻點數(shù)為1601 點，一次測試時間約為4.5μs/點×1601 ×77.5=558ms，測試速度可滿足測試要求。

3.2 RCS 測試程序［2］［3］

(1)將PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與收發(fā)天線按一定極化連接起來。PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀預熱半小時以上后，對包括測試用雙脊喇叭天線和測試線纜進行二端口校準，存儲校準狀態(tài)，使校準數(shù)據(jù)準確到測試天線收發(fā)端。將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀與控制計算機用直通網(wǎng)線連接起來，利用Windows XP 遠程桌面連接功能，在計算機上根據(jù)測試要求設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測試參數(shù)。

(2)在微波暗室中，將測試轉(zhuǎn)臺設(shè)置到測試平臺靜區(qū)中心下方，通過連接件把測試支架固定在轉(zhuǎn)臺上。在轉(zhuǎn)臺周圍鋪設(shè)好吸波材料，將測試平臺上升到適當高度。將轉(zhuǎn)臺控制器及控制計算機安裝在測試平臺側(cè)下方控制室內(nèi)，方便測試人員更換測試件。對微波暗室背景信號進行測試，將暗室背景信號存儲到矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀內(nèi)存中。

(3)架設(shè)Φ618mm 標準球。

圖2 標準球測試狀態(tài)圖

(4)調(diào)整轉(zhuǎn)臺到起始位置，設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示為S21-背景信號，開始測量標準球回波信號S21，得到標準球的測量數(shù)據(jù)Pr0。

(5)將標準球換為被測目標，設(shè)轉(zhuǎn)臺起始位置與無人機機頭對準發(fā)射天線相一致方向為0。

圖3 無人機測試狀態(tài)圖

(6)設(shè)置矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀顯示為S21-背景信號，測試轉(zhuǎn)臺2°步進，測量被測目標的S21，得到被測目標的Pr。

(7)把測量數(shù)據(jù)代入計算公式(1-5)計算可獲得目標的RCS 值。

3.3 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

為準確測試被測目標的RCS 值，減小測試誤差，系統(tǒng)采用標準球校準、背景對消、時域門等技術(shù)進行測試數(shù)據(jù)處理。

3.3.1 標準球校準

采用兩個標校球360°測試，互為標準球和測試目標，以理論值印證測試值，將測試值與理論值最接近的一面做為標準球測試面，與測試目標值進行比較，減小標準球引入誤差。

3.3.2 背景對消

系統(tǒng)利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀矢量場相關(guān)技術(shù)，先對微波暗室背景進行測試，將其數(shù)據(jù)臨時存儲在矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀存儲器中，認為背景信號為一白噪聲，最后在標準球或被測目標數(shù)據(jù)中進行相減，消除暗室后墻、側(cè)墻、目標支架等引起的反射回波對測量結(jié)果的影響。

3.3.3 時域門

將被測目標架設(shè)于靜區(qū)中心進行RCS 測試，可以采用時域門技術(shù)，將平臺邊緣和后墻反射信號選通在時域門之外，減小測試誤差。測試目標小于3m時，對被測目標進行360 度圓周測試，時域門設(shè)置為以靜區(qū)為中心±30ns 以內(nèi)。

3.3.4 誤差分析

采用掃頻測試方法得到目標頻域數(shù)據(jù)，經(jīng)背景對消、加權(quán)平均并在時域加時域門等處理后，需要將時域數(shù)據(jù)再轉(zhuǎn)換為頻域數(shù)據(jù)。在頻域數(shù)據(jù)中抽取需計算RCS 值的頻率下標準球和被測目標功率電平值，利用公式(1-3)計算出被測目標的RCS 值。

地面反射對測試結(jié)果的影響:微波暗室在30m 處入射角為85°，吸波材料反射系數(shù)約為-15dB。反射信號在靜區(qū)中心位置反射信號高度為0.5m，而被測目標架高為1.8m 左右，所以可以認為時域門內(nèi)地面反射信號對被測目標RCS 測試影響很小，可以忽略。

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀噪聲影響［5］:根據(jù)PNA-X 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀技術(shù)指標可知軌跡噪聲(@1kHz IF BW)＞0.0006 dB at 22.5 GHz，校準后儀表顯示結(jié)果軌跡噪聲電平很小，可以認為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀噪聲未引入測試誤差。

3.4 測試誤差驗證

對兩個標準球進行測試可知 Pφ300=-109.55dBm、Pφ618=-102.49dBm

由公式(1-5)σφ300= Pφ300-Pφ618+σφ618=-109.55-(-102.49)+(-5.23)=-12.29dBm2

Δσ=-11.51-(-12.29)= 0.78dBm2

由于標校球加工誤差±0.5dB，所以從測量結(jié)果可知，RCS 測試系統(tǒng)對標校球RCS 測試測試引入誤差很小，說明測試系統(tǒng)可用于滿足測試條件目標的RCS 測試，測試準確。

4 掃頻RCS 測試系統(tǒng)應(yīng)用

采用掃頻測試方式，可以快速測試目標一定頻率的RCS 值，還可以采用時域方式對被測目標進行一維成像。表1 是無人機在S 波段某頻率下的部分測試數(shù)據(jù)，圖4 是某無人機鼻準方向的一維成像圖。

表1 無人機RCS 值測試表

圖4 無人機鼻準方向一維成像圖

5 結(jié)束語

微波暗室內(nèi)RCS 的測量研究是目前我國隱身與反隱身技術(shù)研究的有效手段。本文基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀構(gòu)建的RCS 測量系統(tǒng)可通過發(fā)射寬帶掃頻信號來測量目標RCS 隨頻率的關(guān)系，也可給出目標的成像以以識別目標。該系統(tǒng)通過加時間門，加窗函數(shù)等信號處理的手段來提高全頻段RCS 的測量精度，可為完成小目標RCS 測試和進行雷達目標識別提供測試數(shù)據(jù)。

［1］黃培康、殷紅成、許小劍編著，雷達目標特性［M］北京:電子工業(yè)出版社，2005.3.

［2］劉密歌、趙軍倉、張麟兮、李南京微波暗室中兩種RCS 測試系統(tǒng)的比較［J］計算機測量與控制2007，15(3):300-301.

［3］薛元松、許家棟單頻點與寬帶掃頻測試目標RCS 的比較［J］.現(xiàn)代電子技術(shù)，2006，218(3):25-27.

［4］陸申奇矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀時域測量功能的分析和應(yīng)用電子測量與儀器學報2004 增:344-348.

［5］Agilent PNA-X Network Analyzer Quick Reference Guide，2006.