一種水面靶標(biāo)雷達(dá)散射分布特性海上測量方法*

王海濤　閻肖鵬

(91550部隊(duì)93分隊(duì)　大連　116023)

?

一種水面靶標(biāo)雷達(dá)散射分布特性海上測量方法*

王海濤閻肖鵬

(91550部隊(duì)93分隊(duì)大連116023)

摘要介紹一種固定水面靶標(biāo)海上雷達(dá)散射特性岸基動(dòng)態(tài)測試技術(shù),靶標(biāo)船體單點(diǎn)錨泊后,利用安裝在靶標(biāo)船體上的定向側(cè)推裝置推動(dòng)船體圍繞錨泊點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng),同時(shí)通過GPS記錄船體的位置與航向姿態(tài)數(shù)據(jù),給出了RCS測試數(shù)據(jù)處理方法。這種海上測試方法實(shí)施方便,靶標(biāo)RCS海上測試結(jié)果與數(shù)字建模比對結(jié)果說明了該測試方法的有效性。

關(guān)鍵詞水面靶標(biāo); 雷達(dá)散射截面; 測量; 定向側(cè)推; 統(tǒng)計(jì)分析

Target Vessel’s RCS Directivity Measurement Method on Sea

WANG HaitaoYAN Xiaopeng

(Unit 93, No. 91550 Troops of PLA, Dalian116023)

AbstractA method of station radar target vessel RCS directivity measurement with the dynamic measuring facility on shore is introduced. The heading of vessel body can be orientated by an outboard modulating system, the body’s position and attitude are acquired by GPS in the meantime, and the RCS data processing method is given. This method carries out simply, and the effectiveness of RCS measurement method is proved by the compare result of target vessel RCS sea-test and computer-based theory calculations.

Key Wordstarget vessel, radar cross section, measurement, heading control, data processing

Class NumberTP391.9

1引言

水面雷達(dá)靶是為海上反艦武器飛行試驗(yàn)提供水面艦艇雷達(dá)散射分布特性模擬[1～2],實(shí)現(xiàn)方式是在船體上不同位置和高度加裝數(shù)十個(gè)各類角放射體實(shí)現(xiàn)對艦艇目標(biāo)方位0°～360°、俯仰-15°～30°范圍內(nèi)RCS分布特性真實(shí)模擬,通過改變角反射體的類型與數(shù)量,雷達(dá)靶可模擬不同波段和不同RCS分布特性的艦艇目標(biāo)[3]。靶標(biāo)設(shè)計(jì)建造完成后為了準(zhǔn)確掌握其真實(shí)RCS分布特性,與理論設(shè)計(jì)值進(jìn)行比對分析,需進(jìn)行海上動(dòng)態(tài)測試。

2固定雷達(dá)靶海上RCS特性測試方法

2.1以往固定雷達(dá)靶海上RCS測試方法

在海上動(dòng)態(tài)RCS測量中,對艦船目標(biāo)關(guān)注的是在各個(gè)方向上的RCS分布特性[4～5]。雷達(dá)靶RCS測量需要獲取360°內(nèi)的分布特性,不過本身無航行能力,海上試驗(yàn)時(shí)使用單點(diǎn)錨泊方式作為固定靶使用,不像一般水面艦船,依靠自身的航向能力在測試海域進(jìn)行圓周運(yùn)動(dòng)即可完成RCS測試。

以往對固定水面雷達(dá)靶的海上測試一般采用兩種方法:第一種是將靶標(biāo)錨泊后,任其在海面漂浮進(jìn)行測試,缺點(diǎn)是測試時(shí)間長,且很難獲取360°內(nèi)的RCS分布特性;第二種是采用拖船長拖靶標(biāo)船體做圓周運(yùn)動(dòng)的方法,缺點(diǎn)是在測試過程中拖船與靶標(biāo)之間難免會(huì)有遮擋和混合效應(yīng),從而影響測試結(jié)果,即使采取規(guī)劃航線的措施,也存在試驗(yàn)組織困難、周期長而且對測試場地要求較高的困難。

2.2基于定向側(cè)推的海上RCS測試方法

為了克服以往雷達(dá)靶RCS分布特性測量方法的不足,利用在靶標(biāo)船體的艉部加裝定向側(cè)推裝置[6]:在單點(diǎn)錨泊后依靠定向側(cè)推的推力,推動(dòng)船體進(jìn)行360°的圓周運(yùn)動(dòng),從而完成全方位的RCS分布特性測試。采用定向側(cè)推裝置的優(yōu)點(diǎn)是測試精度高,結(jié)構(gòu)簡單,造價(jià)低,拆卸方便,對船體不必做改動(dòng),后期維護(hù)保養(yǎng)方便。通過海上試驗(yàn)驗(yàn)證,在渤海海域海況4級以下和水流速度在2節(jié)以下使用效果較好。

船體定向側(cè)推技術(shù)是船舶動(dòng)力定位系統(tǒng)中的一種,只是對船體航向進(jìn)行調(diào)整,實(shí)際上船體是圍繞海底的錨進(jìn)行類似圓周運(yùn)動(dòng)。定向側(cè)推裝置安裝在靶標(biāo)船體的艉部,由船外機(jī)、船外機(jī)自動(dòng)控制單元、機(jī)械分系統(tǒng)、GPS位置航向測量單元、數(shù)據(jù)記錄儀、電源等組成。

船外機(jī)自動(dòng)控制單元包括轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、油門檔位調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)、定向側(cè)推控制器、伺服驅(qū)動(dòng)單元等部分。定向側(cè)推控制器依據(jù)上位機(jī)指令控制船外機(jī)電源、風(fēng)門和點(diǎn)火;控制轉(zhuǎn)向電機(jī)調(diào)整船外機(jī)推力方向;控制油門檔位伺服驅(qū)動(dòng)單元調(diào)整油門大小和檔位位置。在靶船動(dòng)力定向的過程中,船外機(jī)工作產(chǎn)生側(cè)推力,克服海流、風(fēng)阻力推動(dòng)船體轉(zhuǎn)動(dòng),從而控制船體的航向。

圖1　靶船側(cè)推裝置結(jié)構(gòu)簡圖(側(cè)視圖)

機(jī)械分系統(tǒng)由轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、驅(qū)動(dòng)裝置、絕對式編碼器、接近傳感器組成,結(jié)構(gòu)如圖1所示。轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)主要由固定臂、轉(zhuǎn)動(dòng)臂、軸、兩個(gè)圓錐滾子軸承、兩個(gè)深溝球軸承等件組成。轉(zhuǎn)動(dòng)臂與軸用鍵連接、再通過兩個(gè)圓錐滾子軸承與固定臂形成轉(zhuǎn)動(dòng)副,上圓錐滾子軸承還起到承托船外機(jī)及轉(zhuǎn)動(dòng)臂重量的作用。船外機(jī)掛在轉(zhuǎn)動(dòng)臂上,用四個(gè)螺栓與轉(zhuǎn)動(dòng)臂連接,固定臂底板插入靶船兩浮筒間梁上焊的滑槽內(nèi),高低可調(diào)整。驅(qū)動(dòng)裝置主要由直流電機(jī)、齒輪減速器、蝸輪減速器等件組成。直流電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng),通過兩級減速器傳給軸,軸通過鍵與轉(zhuǎn)動(dòng)臂連接,從而帶動(dòng)轉(zhuǎn)動(dòng)臂及其上的船外機(jī)一起轉(zhuǎn)動(dòng)。蝸輪減速器具有自鎖功能,當(dāng)船外機(jī)轉(zhuǎn)到某一位置,直流電機(jī)停轉(zhuǎn)后,船外機(jī)可在該位置停住,然后進(jìn)行定向側(cè)推。軸的轉(zhuǎn)動(dòng)通過一根同步齒形帶及兩個(gè)齒數(shù)相同的帶輪傳出,在傳出軸上安裝絕對式編碼器,絕對式編碼器就將轉(zhuǎn)動(dòng)臂上船外機(jī)的轉(zhuǎn)角信息反饋給控制系統(tǒng)。線控驅(qū)動(dòng)裝置。線控驅(qū)動(dòng)裝置內(nèi)有兩個(gè)電動(dòng)推桿,由步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng),帶動(dòng)船外機(jī)的油門線和擋位線往復(fù)運(yùn)動(dòng),從而調(diào)節(jié)船外機(jī)的油門和擋位。定向側(cè)推主控制器在接收上位機(jī)的轉(zhuǎn)向命令后,通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)器控制直流電機(jī)運(yùn)行,采用8位絕對式旋轉(zhuǎn)光電編碼器實(shí)時(shí)反饋轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)的位置信號,從而實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的轉(zhuǎn)向定位功能。

GPS位置航向測量單元為上位機(jī)調(diào)整航向提供基準(zhǔn),也是事后RCS測試數(shù)據(jù)處理的基準(zhǔn)。數(shù)據(jù)記錄儀用來實(shí)時(shí)記錄陸基下發(fā)的各種定向側(cè)推控制指令、船外機(jī)的工作狀態(tài)和載體位置、航向、時(shí)間信息等。作為事后RCS數(shù)據(jù)處理依據(jù)。

3基于定向側(cè)推的靶標(biāo)RCS測試方法

測試原理如圖2所示[7],RCS測量系統(tǒng)位于海邊一山頂,場地平坦且周圍無強(qiáng)散射建筑,θ為RCS測試設(shè)備照射天線的3dB寬度,方位角α為靶標(biāo)船艏方向偏離中心波束的角度,R1為天線到雷達(dá)靶中心的水平距離,R2為3dB波束在雷達(dá)靶中心位置的橫向擴(kuò)展線度[8]。

圖2　雷達(dá)靶海上RCS測試示意圖

測量原理基于比較法:

10lgσ=Dr+20lgVr-(D0+20lgV0)

+40lgR-40lgR0+10lgσ0

(1)

式中:D0為測量定標(biāo)體時(shí)接收機(jī)插入衰減分貝數(shù);Dr為測量目標(biāo)時(shí)接收機(jī)插入衰減分貝數(shù);20lgV0為測量定標(biāo)體時(shí)接收機(jī)基本量程內(nèi)回波電壓分貝數(shù);20lgVr為測量目標(biāo)時(shí)接收機(jī)基本量程內(nèi)回波電壓分貝數(shù)。

定標(biāo)體與目標(biāo)距離相同時(shí),式(1)變?yōu)?/p>

10lgσ=Dr+20lgVr-(D0+20lgV0)+10lgσ0

(2)

根據(jù)定標(biāo)電壓、定標(biāo)體的理論值和目標(biāo)的實(shí)測回波電壓,按式(2)計(jì)算目標(biāo)的RCS。測試人員遙控雷達(dá)靶船體上的定向側(cè)推裝置進(jìn)行360°旋轉(zhuǎn)圓周運(yùn)動(dòng),一般2～3圈即可完成一組RCS分布特性的測試。在海上測試前后都需要定標(biāo)操作,如風(fēng)力較小,利用氣球懸掛定標(biāo)球的方式標(biāo)定;如風(fēng)力較大,則將角反射體或龍泊球座于低密度泡沫材料上,固定在木質(zhì)小漁船上標(biāo)定。

4RCS測試數(shù)據(jù)處理方法

4.1海上測試數(shù)據(jù)處理流程

海上測試數(shù)據(jù)處理流程見圖3,主要包括角度標(biāo)校、幅度標(biāo)校和處理分析三個(gè)過程。采用岸基海上測量方式,在俯仰2.5°條件下對雷達(dá)靶進(jìn)行全方位RCS測試,相當(dāng)于俯仰-15°～30°范圍內(nèi)的一個(gè)切口數(shù)據(jù),并在該切口進(jìn)行測試與設(shè)計(jì)的比較,以驗(yàn)證設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確性。

4.2海上測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)比對分析

海上RCS測試值與理論計(jì)算數(shù)據(jù)比對分析包括統(tǒng)計(jì)特征值分析、相似度分析和概率分布誤差分析。

統(tǒng)計(jì)特征值分析可以針對平滑前、后的RCS隨方位變化的序列進(jìn)行。在平滑前后的序列基礎(chǔ)上進(jìn)行統(tǒng)計(jì)特征值分析,主要特征值包括均值、均方差以及10%、20%、50%、80%、90%五個(gè)概率點(diǎn)。特征值計(jì)算按下述步驟進(jìn)行:

1) 計(jì)算序列的均方差;

2) 對序列按RCS從小到大的順序排列;

3) 計(jì)算排序后序列的均值以及10%、20%、50%、80%、90%五個(gè)概率點(diǎn);

4) 將均值以及10%、20%、50%、80%、90%五個(gè)概率點(diǎn)換算成對數(shù)形式。

相似度分析。對于選定的海上典型目標(biāo),靶標(biāo)給定范圍內(nèi)RCS空間分布圖模擬近似度≥0.75,即相關(guān)系數(shù)≥0.75。為了消除海雜波、船姿變化等隨機(jī)因素對相關(guān)系數(shù)評估的影響,測試數(shù)據(jù)和理論計(jì)算數(shù)據(jù)均進(jìn)行平滑后再計(jì)算相關(guān)系數(shù)。設(shè)實(shí)測數(shù)據(jù)序列用X表示,理論計(jì)算數(shù)據(jù)序列用Y表示,序列X和序列Y的相關(guān)系數(shù)為

(3)

概率分布誤差分析分兩步,首先0°～360°全方位分析分布誤差,評估測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)在較大空間范圍上的分布近似度,然后按照艏部(方位0°～45°、315°～360°)、右舷(方位45°～135°)、艉部(方位135°～225°)、左舷(方位225°～315°)四個(gè)局部空間范圍上分析分布誤差,以評估測試數(shù)據(jù)與理論計(jì)算數(shù)據(jù)在局部空間范圍上的分布近似度。海上RCS測試數(shù)據(jù)的累積概率密度為CDFm(i),設(shè)計(jì)數(shù)據(jù)的累積概率密度為CDFc(i),則累積概率密度誤差為[9]:

(4)

圖3　RCS測量數(shù)據(jù)處理流程

5RCS測試數(shù)據(jù)分析[10]

在俯仰2.5°試驗(yàn)條件下,選取三種不同角反模擬組合測試結(jié)果與設(shè)計(jì)值比較見表1。在此測試條件下設(shè)計(jì)值與測試值誤差最大為0.4dB,證明RCS分段均值的80%概率點(diǎn)達(dá)到了設(shè)計(jì)指標(biāo)。

表1　岸基測試結(jié)果與設(shè)計(jì)值的比較

圖4、圖5所示為某波段3000m2海上測試數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)平滑前后的曲線比較。三種不同組合理論設(shè)計(jì)值與測試值的相關(guān)系數(shù)見表2。測試數(shù)據(jù)與計(jì)算數(shù)據(jù)的相關(guān)系數(shù)≥0.75,各角反組合的模擬近似度檢測合格。

圖4　某波段3000m2測試與計(jì)算數(shù)據(jù)平滑前比較

圖5　某波段3000m2測試與計(jì)算數(shù)據(jù)平滑后比較

角反組合相關(guān)系數(shù)某波段5000m2組合0.853某波段3000m2組合0.784某波段1500m2組合0.804

三種不同組合理論設(shè)計(jì)值與測試值的累積概率密度誤差見表3,最大累積概率密度誤差為0.185,小于0.25,可以認(rèn)為所比較數(shù)據(jù)的分布近似度大于0.75,各組模擬近似度檢測合格。

表3　不同組合的累積概率密度誤差

6結(jié)語

海上利用加裝定向側(cè)推方式完成水面雷達(dá)靶的海上RCS分布特性測量,具有組織實(shí)施和技術(shù)實(shí)現(xiàn)方便、精度高、無累計(jì)誤差、對測試場地要求較低的優(yōu)點(diǎn),在海上靶場的多次靶標(biāo)海上實(shí)際測試中均取得了預(yù)期效果。

參 考 文 獻(xiàn)

[1] 王文斌.海軍裝備試驗(yàn)靶標(biāo)技術(shù)[M].北京:國防工業(yè)出版社,2007:3-26.

[2] Knott, Eugene F., Shaeffer. Radar Cross Section[M]. 2nd Edition, Raleigh, NC: SciTech Publishing,2004:42-183.

[3] 王海濤,付軍,劉華軍.體目標(biāo)水面雷達(dá)靶的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].艦船電子工程,2011,31(2):98-101.

[4] 陳健,王永明.艦船目標(biāo)特性研究綜述[J].艦船電子工程,2008,28(5):17-21.

[5] 黃培康,殷紅成,許小劍.雷達(dá)目標(biāo)特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:9-132.

[6] 王冬東.浮體艏向調(diào)整系統(tǒng)的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2010:8-25.

[7] 何國瑜,蘆才成.電磁散射的計(jì)算和測量[M].北京:北京航空航天大學(xué)出版社,2006:76-97.

[8] 中國人民解放軍總裝備部.目標(biāo)與環(huán)境特性數(shù)據(jù)元[S]. GJB5254-2004:1-47.

[9] Kai Lai Chun. A Course in Probability Theory[M]. 3nd Edition, New York: Academic Press,2001:150-204.

[10] 劉利生.外測數(shù)據(jù)事后處理[M].北京:國防工業(yè)出版社,2000:236-285.

中圖分類號TP391.9

DOI:10.3969/j.issn.1672-9730.2016.02.040

作者簡介:王海濤,男,高級工程師,研究方向:海上戰(zhàn)場環(huán)境與目標(biāo)特性,靶場測控技術(shù)。閻肖鵬,男,高級工程師,研究方向:靶場測控技術(shù)。

*收稿日期:2015年8月11日,修回日期:2015年9月30日