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。通過對目標RCS 的測量，不僅可以取得對目標基本散射現象的了解，檢驗理論分析的結果，而且可以獲得大量的目標特征數據，建立目標特性數據庫。本文基于Agilent 公司PNA-X 矢量網絡分析儀組成的RCS 掃頻測量系統，可以在微波暗室下中進行小目標RCS 測試的，系統的工作頻率范圍500MHz-26.5GHz。該系統與已有測量雷達系統相比較，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(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 測量系統工作示意圖

2 測量系統的組成

2.1 PNA-X 矢量網絡分析儀

矢量網絡分析儀主要用于測量網絡的s 參數，當測量目標RCS 的值時，讓矢量網絡分析儀的一個通道發射信號，經功率放大器進一步放大后，通過饋線送往發射天線發射出去。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絡的S21 參數。如果需要，也可以在接收通道中接入低噪聲放大器，以提高系統測試動態范圍。

2.2 收發天線

采用一對與靜區中心進行過嚴格電校準的寬帶喇叭天線，通過饋線與矢量網絡分析儀相連，距轉臺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，收發天線距離為40cm，且嚴格極化匹配。

2.3 轉臺及支架

轉臺安裝在靜區下的測試平臺上，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 轉臺控制器

采用天線方向圖測試系統使用的轉臺控制器，它既可以直接控制轉臺，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，驗證測試系統測試誤差。

根據標校球的RCS 理論值計算公式:

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

3 掃頻法測量目標RCS

3.1 矢量網絡分析儀參數設置

矢量網絡分析儀是RCS 測試核心設備，其測試參數設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，矢量網絡分析儀進行掃頻測試距離需大于92m。為方便區分測量目標和暗室后墻，所以選擇的測試距離設置為100m 以上。

3.1.1 測試點數［4］［5］

矢量網絡分析儀采用帶通工作方式，經傅里葉變換后給出時域響應，模擬脈沖函數對被測目標進行照射。脈沖寬度T 由掃頻的帶寬B 和所選的窗函數決定。

式中:k 是常數，取決測試所用窗函數，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:

矢量網絡分析儀測試所需的采樣點數為:

上式中N 為采樣點數、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，需設定的測試點數可設為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

為提高系統動態范圍，降低系統噪聲，采取測試數據平均和降低掃描帶寬的方法。綜合測試系統動態范圍和測試需要，擬提高20dB 動態范圍，所以選取測量數據平均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 矢量網絡分析儀與收發天線按一定極化連接起來。PNA-X 矢量網絡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，使校準數據準確到測試天線收發端。將矢量網絡分析儀與控制計算機用直通網線連接起來，利用Windows XP 遠程桌面連接功能，在計算機上根據測試要求設置矢量網絡分析儀測試參數。

(2)在微波暗室中，將測試轉臺設置到測試平臺靜區中心下方，通過連接件把測試支架固定在轉臺上。在轉臺周圍鋪設好吸波材料，將測試平臺上升到適當高度。將轉臺控制器及控制計算機安裝在測試平臺側下方控制室內，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絡分析儀內存中。

(3)架設Φ618mm 標準球。

圖2 標準球測試狀態圖

(4)調整轉臺到起始位置，設置矢量網絡分析儀顯示為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據Pr0。

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

圖3 無人機測試狀態圖

(6)設置矢量網絡分析儀顯示為S21-背景信號，測試轉臺2°步進，測量被測目標的S21，得到被測目標的Pr。

(7)把測量數據代入計算公式(1-5)計算可獲得目標的RCS 值。

3.3 數據處理與誤差分析

為準確測試被測目標的RCS 值，減小測試誤差，系統采用標準球校準、背景對消、時域門等技術進行測試數據處理。

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

系統利用矢量網絡分析儀矢量場相關技術，先對微波暗室背景進行測試，將其數據臨時存儲在矢量網絡分析儀存儲器中，認為背景信號為一白噪聲，最后在標準球或被測目標數據中進行相減，消除暗室后墻、側墻、目標支架等引起的反射回波對測量結果的影響。

3.3.3 時域門

將被測目標架設于靜區中心進行RCS 測試，可以采用時域門技術，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，時域門設置為以靜區為中心±30ns 以內。

3.3.4 誤差分析

采用掃頻測試方法得到目標頻域數據，經背景對消、加權平均并在時域加時域門等處理后，需要將時域數據再轉換為頻域數據。在頻域數據中抽取需計算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。

地面反射對測試結果的影響:微波暗室在30m 處入射角為85°，吸波材料反射系數約為-15dB。反射信號在靜區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。

矢量網絡分析儀噪聲影響［5］:根據PNA-X 矢量網絡分析儀技術指標可知軌跡噪聲(@1kHz IF BW)＞0.0006 dB at 22.5 GHz，校準后儀表顯示結果軌跡噪聲電平很小，可以認為矢量網絡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，所以從測量結果可知，RCS 測試系統對標校球RCS 測試測試引入誤差很小，說明測試系統可用于滿足測試條件目標的RCS 測試，測試準確。

4 掃頻RCS 測試系統應用

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據，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 結束語

微波暗室內RCS 的測量研究是目前我國隱身與反隱身技術研究的有效手段。本文基于矢量網絡分析儀構建的RCS 測量系統可通過發射寬帶掃頻信號來測量目標RCS 隨頻率的關系，也可給出目標的成像以以識別目標。該系統通過加時間門，加窗函數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據。

［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］.現代電子技術，2006，218(3):25-27.

［4］陸申奇矢量網絡分析儀時域測量功能的分析和應用電子測量與儀器學報2004 增:344-348.

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