國外雷達目標特性測試技術(shù)發(fā)展研究

姚 遠， 肖舒文， 陳曉盼

（中國人民解放軍軍事科學(xué)院，北京100082）

0 引言

美國、英國、法國、德國等國家投入大量經(jīng)費，建立各種類型的室內(nèi)外測試場，形成了內(nèi)外場、動靜態(tài)、固定式與移動式、多平臺、類型齊全的測試體系，具備了高精度、寬頻譜、低可探測等測試能力。研制生產(chǎn)之前，通過雷達目標和環(huán)境特性的調(diào)查和分析，提出適用的探測波段和體制，優(yōu)化雷達效能[1]。利用各種測試手段獲取目標（全尺寸實物、全尺寸模型、縮比模型、部件、材料）的特性信息，將為開展相應(yīng)軍事技術(shù)研究提供重要支撐[2]。

1 測試場類型

根據(jù)測試原理和測試條件，典型的雷達目標特性測試場可分為室內(nèi)靜態(tài)測試場、室內(nèi)近場測試設(shè)施、場室外靜態(tài)測試場、室外動態(tài)測試場等多種類型[3]。目前，國外雷達目標特性測試場主要有美陸軍ERADS測試場、美海軍雷達反射實驗室、美國空軍研究實驗室、歐洲EADS室外測試場等。國外典型雷達目標測試場，如表1所示。

表1 國外典型雷達目標特性測試場

室內(nèi)靜態(tài)測試場分為兩種：緊縮場和非緊縮場。緊縮場通過準直元件在近距離內(nèi)將點源產(chǎn)生的球面波轉(zhuǎn)換為平面波，形成幅度和相位分布近乎理想的平面波照射區(qū)域（也稱“靜區(qū)”），從而滿足遠場測量條件。非緊縮場則是利用天線對目標進行直接照射，所使用的天線通常要比緊縮場天線小得多。

室外靜態(tài)測試場用來測試不同方位角和俯仰角條件下，目標對不同頻率、不同極化方式的散射幅度和相位，以此來研究目標的雷達特性。

室外動態(tài)測試場用于大型實際目標的測量，能夠真實地反映實際結(jié)構(gòu)形變、部件活動、運動姿態(tài)及背景等對電磁散射結(jié)果的影響。

室內(nèi)近場測試場用于開展全尺寸目標彈目交會仿真測試，獲取飛機或?qū)椖繕私鼒隼走_目標動態(tài)特性，評估導(dǎo)彈引信性能指標。由于室內(nèi)近場測試場本身不滿足遠場條件，需借助近-遠場轉(zhuǎn)換技術(shù)，獲取目標的遠場數(shù)據(jù)。

各種類型的測試場的特點比較如表2所示。

2 雷達目標特性測試流程

雷達目標特性測試流程如圖1所示。主要流程包括實驗大綱制定、測量系統(tǒng)校準、目標姿態(tài)控制、定標體與目標測量、數(shù)據(jù)處理與誤差分析和形成測試報告等環(huán)節(jié)[4]。

2.1 實驗大綱制定

在進行雷達目標特性測試實驗前，需要先行制定實驗大綱，對測試頻率范圍、測試場地、目標類型和姿態(tài)、實驗方案、待測特性量和數(shù)據(jù)處理與誤差分析方法等進行討論，明確測試內(nèi)容。

2.2 測試系統(tǒng)校準

按照實驗大綱要求，對待用測試系統(tǒng)進行校準。例如，對測量雷達的發(fā)射功率、動態(tài)范圍、時基標準、輻射場分布等關(guān)鍵指標進行校準，對測量儀器儀表進行定標核準等，確保測試的準確性，滿足實驗要求。

2.3 目標姿態(tài)控制

目標姿態(tài)控制是對目標進行架設(shè)與調(diào)姿（靜態(tài)測量），或者是航跡的規(guī)劃（動態(tài)測試）。針對地海雜波測量時，則需確定測試區(qū)域和掃描范圍。

2.4 目標與定標體測量

定標體與目標測量是獲取定標體（定標塔）和被測目標電磁散射回波的過程。主要內(nèi)容是根據(jù)大綱要求設(shè)置、調(diào)整目標狀態(tài)與系統(tǒng)參數(shù)（如頻率、極化方式、目標姿態(tài)角等），測量定標數(shù)據(jù)和目標數(shù)據(jù)。

表2 典型雷達特性測試場特點比較

2.5 數(shù)據(jù)處理與誤差分析

在獲得雷達目標特性測試數(shù)據(jù)后，進行定標、時頻變換、高分辨成像、動態(tài)特性提取和統(tǒng)計分布等數(shù)據(jù)處理，并根據(jù)處理結(jié)果開展測試誤差分析，給出測試精度。

2.6 形成測試報告

按照實驗大綱的要求，對雷達目標特性測試的實驗內(nèi)容、測試過程、目標狀態(tài)、數(shù)據(jù)分析和結(jié)果評價等進行匯總，形成對測試實驗進行全面總結(jié)說明的測試報告。

3 測量不確定度與測試場認證

3.1 測量不確定度

測量不確定度是指測量結(jié)果變化的不肯定，是表征被測量的真值在某個量值范圍的一個估計。

對于一個實際測量過程，影響測量結(jié)果的精度有多方面因素，因此測量不確定度一般包含若干個分量。此時，測量結(jié)果的不確定度用各不確定度分量合成后所得的合成不確定度uc表示。為求得uc，首先需分析各種影響因素與測量結(jié)果的關(guān)系，以便準確評定各不確定度分量，然后再進行合成不確定度計算，其步驟如圖2所示。

所謂標準不確定度，指采用標準差來表征的不確定度。標準差即均方差或標準偏差，是一組數(shù)據(jù)中各值與其平均數(shù)離差平方的算術(shù)平均數(shù)的平方根，反映了組內(nèi)個體間的離散程度。擴展不確定度，指采用反映置信水準的區(qū)間半寬度來表征的不確定度。

例如，美國電氣和電子工程師協(xié)會發(fā)布的《雷達散射截面測試程序推薦實施通則》提供了雷達散射截面RCS的測量不確定度分析方法。關(guān)于不確定度分量的構(gòu)成，可參考表3給出的RCS測量不確定度分析樣例。表中1至13項給出了不確定度每項來源（不確定度分量），第14項是基于這些分量合成的不確定度，不確定度可采用對數(shù)表示。

3.2 測試場認證

為了縮減測量過程中帶來的不確定度，提升測試場獲得的測量數(shù)據(jù)質(zhì)量，美國測試場指揮官委員會（Range Commanders Council，簡稱RCC）開展了“美國國防部RCS測試場認證計劃”，用于描述美國國防部各種RCS測試場的操作與功能，評估建立通用認證標準的可行性，為國防部RCS測量領(lǐng)域的同類技術(shù)和試驗室標準認證奠定基礎(chǔ)。

美國RCS測試場認證計劃始于1995年，其工作核心包括三個要素：制定一項標準、一項演示驗證計劃以及在整個領(lǐng)域的推廣。RCS測試場認證計劃確立了三個層次的文件：

表3 RCS測量不確定度分析樣例

a）一是明確了認證的參考標準ANSI/NCSL Z-540-1-1994；

b）二是各參加認證測試場依據(jù)ANSI/NCSL Z-540-1-1994編制《RCS測試場手冊》；

c）三是發(fā)布了認證的評價基準《RCS測量質(zhì)量保證手冊》[5]。

RCS測試場認證計劃采用第三方認證的方式，以確保認證過程的客觀公正性，其最終目標是希望未來國防部所需要的RCS數(shù)據(jù)均來自于經(jīng)過認證的測試場。計劃自啟動以來逐漸得到了美國國防部和工業(yè)界許多RCS測試場的重視，并積極參與其中。事實證明，RCS測試場認證是成功的，有力地促進了RCS測試場測試水平及測試數(shù)據(jù)置信度的提高。

4 國外測試場技術(shù)特點分析

4.1 測試場類型體系化

歐美發(fā)達國家的軍方、工業(yè)部門和高校已經(jīng)建立了多個測試場，逐步構(gòu)建了室內(nèi)靜態(tài)測試場、室外靜態(tài)測試場、室外動態(tài)測試場等多種類型測試場組成的測試場體系，可根據(jù)測試任務(wù)的具體要求，選取不同的測試場進行雷達目標特性測試。

4.2 測試場功能特色化

經(jīng)過多年的持續(xù)建設(shè)，國外軍方、軍工企業(yè)、高校均擁有自己的測試場，且各具特色：

a）軍方的目標特性測試場（實驗室），重點開展武器裝備目標特性的評估和鑒定試驗；

b）軍工企業(yè)重點開展雷達目標特性技術(shù)研究以及在研裝備的雷達特性測量與驗證工作；

c）高校則有針對性地開展目標特性測試技術(shù)創(chuàng)新研究。

4.3 測試能力多樣化

目標特性測試場能力主要體現(xiàn)在測試場規(guī)模、可測目標大小和重量、測量頻段、最低可測RCS以及測試精度、新技術(shù)與新部件等。

測試場規(guī)模主要體現(xiàn)在測試場范圍和靜區(qū)大小。目前，國外室外靜態(tài)測試場的最遠測試距離大多已經(jīng)超過千米，而室內(nèi)測試場也達到了百米量級。室外測試場可測重量達數(shù)十噸，目標尺寸達數(shù)十米，可測頻段范圍從0.1 GHz～2 THz。測試精度主要取決于測試區(qū)（靜區(qū)）的平面波質(zhì)量和背景抵消后的最低電平。對于靜區(qū)，《雷達散射截面測試程序推薦實施通則》指出，幅度和相位的偏差應(yīng)不大于1 d B和10°。最低可測RCS取決于最低背景電平，目前美國林肯實驗室的背景可以抵消到比原有背景低40 d B，有泡沫柱支架時的背景為-30 dBsm，采用背景抵消技術(shù)后可達到-70 d Bsm。在測試設(shè)備的新技術(shù)和新部件方面，國外多個測試場已經(jīng)采用全息型緊縮場、新型金屬支架、平移法剔除背景影響等多種新技術(shù)及部件，提升測試場的測試能力。

5 國外測試技術(shù)發(fā)展趨勢分析

5.1 測試場地向大型化方向發(fā)展

隨著隱身技術(shù)的發(fā)展，武器系統(tǒng)（如飛行器）已經(jīng)不再是全金屬或者主要是金屬外表了，飛機的結(jié)構(gòu)材料也采用了大量的結(jié)構(gòu)性復(fù)合材料，既能達到隱身，又可以減輕重量。為了得到其雷達特征信息，必須進行全尺寸測試。因此，國外相關(guān)機構(gòu)除大力開展室內(nèi)測試技術(shù)研究外，非常重視大型室外測試場地的建設(shè)，尤其加大了動態(tài)測試場的建設(shè)力度。動態(tài)測試不但能夠反映真實背景環(huán)境下的目標雷達特征，而且可以反映目標的活動部件運動等對目標雷達特性的貢獻，可以規(guī)避靜態(tài)測試需對目標整體改裝等缺陷。

5.2 測試頻段向多波段方向發(fā)展

隨著現(xiàn)代光電技術(shù)的不斷發(fā)展，雷達目標特性探測設(shè)備的頻段已經(jīng)由微波、毫米波、亞毫米波，擴展到紅外激光波段，和光學(xué)探測設(shè)備相兼容。對抗單一頻段的隱身技術(shù)是遠遠不能滿足未來戰(zhàn)爭需求的，所以測試設(shè)備的頻段也必須覆蓋、甚至超越這一范圍，實現(xiàn)多波段的雷達目標特性測量，才能滿足反導(dǎo)技術(shù)和武器隱身設(shè)計的需要。

5.3 測試過程向規(guī)范化方向發(fā)展

國外主要通過制定測試標準以及開展測試場認證兩個重要手段提高測試過程的規(guī)范化和數(shù)據(jù)處理的一致性，從而提高數(shù)據(jù)質(zhì)量。以美國為例，由軍方、國家標準與技術(shù)研究所、IEEE等機構(gòu)和組織通力合作制定了雷達散射截面測試的標準。同時，依據(jù)多種測試標準，美國開展了目標特性測試場認證。

截至2015年6月，先后共有30多個測試場參與其中，先后有18個測試場完成了認證，提高了RCS測試過程的規(guī)范化程度，促進了RCS數(shù)據(jù)處理與分析技術(shù)的提高。

5.4 測試數(shù)據(jù)解讀立體化，分析專業(yè)化

傳統(tǒng)的RCS測量數(shù)據(jù)分析包含離散數(shù)據(jù)的數(shù)字特征和譜特征提取、概率分布統(tǒng)計以及隨方位角俯仰角分布的RCS曲線。隨著雷達測試功能的擴展，不再局限于RCS測量，大帶寬測量設(shè)備可以提供復(fù)雜目標的一維像、二維ISAR成像、InISAR成像以及多普勒特征等其它特征，能夠進行信雜比測量以及箔條和誘餌的雷達目標特征測量，測試數(shù)據(jù)可進行極坐標曲線繪制。統(tǒng)計特征實時處理，從不同的維度反映目標特征，對數(shù)據(jù)的解讀和展示更加立體化。

隨著隱身、目標識別、精確打擊等技術(shù)的飛速發(fā)展，需要深入挖掘數(shù)據(jù)背后的隱藏信息，其中數(shù)據(jù)分析處理處于十分重要的地位。

目前，國外大多測試場都配備了較完整的數(shù)據(jù)處理分析系統(tǒng)，數(shù)據(jù)的分析挖掘工作同時由測試場、應(yīng)用部門和專業(yè)部門聯(lián)手進行。測試場可以按要求提供所需的特征信號與必要的特征參數(shù)，應(yīng)用部門根據(jù)自己的特定要求對數(shù)據(jù)進行特征再提取，專業(yè)部門的研究人員可以對測試數(shù)據(jù)提供高質(zhì)量的研究。

6 結(jié)束語

測試場的測試能力是開展目標特性專業(yè)研究的重要技術(shù)手段和途徑，本文梳理了國外雷達特性測試場類型和技術(shù)特點，分析了雷達目標特性測試流程和測量不確定度分析技術(shù)，歸納了國外測試場類型體系化、功能特色化、測試能力多樣化技術(shù)特點，并對國外雷達特性測試技術(shù)發(fā)展趨勢進行了預(yù)判。