基于毫米波的海上目標RCS測量標定分析

沈鵬，張德保，宋廣

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基于毫米波的海上目標RCS測量標定分析

沈鵬，張德保，宋廣

（中國人民解放軍91404部隊，河北 秦皇島 066001）

目的提高靶場毫米波海上目標RCS測量標定精度。方法針對海上目標的外場雷達目標特性(Radar Cross Section，RCS)測量系統動態標定問題，在給出了無源相對標校法的基礎上，對毫米波RCS測量系統標定過程中云霧雜波、大氣衰減、海面及地面雜波的影響進行詳細分析。結果結合靶場外場實際測量，提出了衰減修正、合理選擇標校氣象條件等相應減小標定誤差的措施。結論基于毫米波海上目標RCS測量標定的分析及其措施可極大地減小毫米波外場海面測量標校中氣象環境、海面或地面雜波等對系統標定的影響，提高系統標定精度。

毫米波；RCS測量；標定；雜波

雷達散射截面（RCS）是雷達目標特性的基本參數之一。外場RCS測量系統的標定，就是通過對標準體RCS的測量，建立起包含環境因素的目標RCS與雷達接收機回波之間的關系，并由比對推算出被測目標的RCS值。在現代電子武器中，毫米波段制導技術的應用，相應頻段的RCS測量技術也逐漸發展起來。與厘米波等其他頻段相比，毫米波段有著大量顯著的特性，從而影響著毫米波RCS測量系統的標校、測量[1—3]。文中在結合靶場海上目標毫米波RCS動態測量的基礎上，對海上目標毫米波RCS測量標定的影響因素進行了分析，并提出相應修正、減小誤差的方法，以提高系統RCS標定測量、精度。

1 RCS測量系統標校

當毫米波RCS測量系統采用無源標校法時，即通過已知反射面積的標準體（如標準球）進行標定，與其他方法相比，無源標校可對整個雷達進行標定，精度較好，且更適合外場測量。

進行系統校準時，有雷達方程：

式中：為目標雷達截面積；r為接收功率；為目標距離；為天線增益；T為發射功率；為雷達工作波長；為雷達系統損耗因子；為考慮到地面反射后的天線方向圖傳播因子；為大氣傳播衰減因子。

當不考慮大氣衰減及時有：

當測量雷達工作穩定情況下，其雷達方程的性能參數可表示為：

(3)

標準體的RCS值是已知的，測量并求得參數即是測量系統的標定過程，它可建立起測量系統回波功率與測量環境、目標RCS等之間的對應關系[2,4—6]。對于該標定方法，只要得到標準功率信號的相對值就可以，因此它是一個相對標定過程。外場動態標定時，各種外界環境因素都會引入一定的誤差，從而會影響標定和測量精度。

2 云或霧等雜波影響分析

在一般的晴天的情況下，云霧引起的衰減是由云霧粒子對電波的吸收與散射導致的，由于大氣云霧中的大多數粒子直徑都很小，且都為水粒，因而瑞利散射是適用的[3]。其衰減率為：

式中：為頻率；為粒子空間濃度；r′，r″為粒子相對介電常數的實部與虛部。

在毫米波段，電磁傳播路徑上云或霧引起的后向散射雖然很弱，但與厘米波等其他波段相比，其衰減作用要嚴重得多。20 ℃云、霧條件下，波長為8 mm時的后向散射系數見表1。

當在云霧比較嚴重的天氣情況下進行毫米波RCS測量系統標校時，不加修正與修正后的標校測量數據可能出現幾分貝的量差，從而使雷達測量結果失真[4—7]。考慮到波長的關系，且結合式（4）可知， RCS測量系統標校時，毫米波衰減要比厘米波衰減大。為確保標校測量準確性，必須對毫米波衰減進行補償。當進行海上目標毫米波段RCS測量標定時，因為海面濕度、云霧等天氣情況很復雜，并且氣象因素很難克服，所以系統標定盡量選擇在空氣濕度小、無云霧、陸地風向、海況較好的天氣開展。

表1 20 ℃時云或霧的后向散射

3 大氣衰減影響分析

大氣對電磁波有衰減作用，且對毫米波頻段有著明顯區別于厘米波頻段的特點。除相對比較嚴重外，還與氣象條件密切相關，氣象條件不同，毫米波大氣衰減的差異也很明顯。

毫米波大氣衰減的主要原因是水蒸氣和氧氣對電磁波的吸收。在海面測量標定情況下，海面的濕度和鹽霧性使得大氣吸收衰減是關鍵因素，當衰減的影響足夠大而形成問題時，該環節就必須足夠重視[8—12]。

當距離確定時，在100 MHz~50 GHz頻率范圍內，大氣衰減系數為：

式中()為單位距離的衰減，在毫米波段它主要包括：1為氧氣的衰減因子，2，3為水蒸氣的衰減因子，均以dB/km（雙向）為單位。

如在標準溫度和地面大氣壓力下，有：

(6)

式中：為水蒸氣的絕對濕度。

由于水蒸氣和氧氣引起的電磁波吸收都與其各自濃度、溫度、濕度有關，因此，在毫米波進行RCS測量標定時，應測量記錄測試路徑上的大氣絕對濕度、溫度等環境參數。同時依據相關標準并結合實際工作中積累的經驗，根據標定海域的環境氣候條件來確定大氣衰減的修正。

4 海面及地面雜波影響分析

毫米波RCS測量標定時，海面及地面的雜波也會影響到標定的精度。雖然毫米波系統天線相對較窄的波束寬度會減弱地面、海面的電磁反射，但系統較短的波長同時會導致反射更為雜亂[9—14]。此外，復雜無規律的地面地形和海情，將導致標定目標表面介電特性快速多變，后向散射極不穩定，且反射率較高。這些因素都會對毫米波近程標校產生影響。

在進行毫米波段RCS測量標定時，除接收標準體回波外，還接收各種海面及地面雜波，故標定對象可認為是一個由大量隨機分布在同質表面的離散目標。若離散目標單位面積后向散射表示為0，則輻照面積為的離散目標RCS大小S為：

式中：0與標定時的雷達頻率、極化和目標的表面介電性質、機械結構特性等有關。在掠射角為，且表面粗糙度遠大于毫米波波長時：

(10)

式中：，，是測量積累中得到的經驗常數[3]。

對毫米波RCS標定而言，總能量除大部分來自空中標準體外，從海面或地面接收到的電磁信號也會通過天線的旁瓣進入系統接收機，尤其是對于近距離的標校，副瓣漏入的雜波會極大地影響標校精度[3,11—13]。因此在標校過程中，應結合RCS測量系統的性能指標，如波束寬度，最小作用距離等，調節標校體到合適的高度，減小副瓣的雜波。此外大量實踐表明，海雜波在雷達逆風照射時最強，順風照射時最弱。因此在海面RCS測量標定時，要綜合考慮海面風向和雷達照射方向的問題，避免海雜波影響標定。

5 結語

針對外場動態海面目標在毫米波段進行RCS測量標定時的特點要求，對影響測量系統標校的因素進行了總結。具體分析了云霧、大氣衰減、海面及地面雜波等對毫米波雷達RCS系統測量標定的影響。同時結合分析結果和具體外場實踐，相應地提出了修正衰減、選擇合適標定氣象條件等減小標定誤差的途徑。這對于在工程實際測量中采取有效的標校方法，提高靶場毫米波RCS測量系統標校精度等起到了指導作用。

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RCS Measurement Calibration Analysis of Sea Target Based on Millimeter Wave

SHEN Peng, ZHANG De-bao, SONG Guang

(Unit 91404 of PLA, Qinhuangdao 066001, China)

Objective To improve RSC measurement calibration accuracy of sea target based on millimeter wave. Methods Armed at the dynamic calibration problem of outfield RCS (radar cross section) dynamic measurement system for target on the sea, based on the passive relative calibration method given, influences of cloud clutter, atmospheric attenuation as well as sea surface and ground clutter in calibrating the millimeter wave RCS measurement system were analyzed in details. Results Measures such as attenuation correction and proper selection of proper meteorological condition for decreasing relative calibration error were proposed in combination with actual outfield measurement of the range. Conclusion Analysis based on millimeter wave sea target RCS measurement calibration and measures can greatly reduce influences of meteorological environment as well as sea surface and ground clutter on the system calibration in the millimeter wave outfield sea surface measurement and improve the system calibration accuracy.

millimeter wave; RCS measurement; calibration; clutter

10.7643/ issn.1672-9242.2017.04.009

TJ01；Q811

A

1672-9242(2017)04-0042-03

2016-11-07；

2016-12-13

沈鵬（1983—），男，湖北人，工程師，主要研究方向為雷達目標特性。