外場RCS測量中背景雜波抑制技術(shù)研究

李 勇，胡偉東，張 洋，文 斌

(1.中國人民解放軍32184部隊(duì)， 北京 100093； 2.北京理工大學(xué)， 北京 100081)

隨著雷達(dá)探測技術(shù)的不斷發(fā)展和設(shè)備性能的不斷提高，各種中遠(yuǎn)程空基偵察和探測雷達(dá)在戰(zhàn)場上被大量使用，特別是全天候?qū)Φ毓衾走_(dá)以及為對地攻擊提供目標(biāo)信息的中近程探測雷達(dá)，對地面武器裝備的作戰(zhàn)部署造成了極大威脅。地面裝備無論是在作戰(zhàn)準(zhǔn)備、戰(zhàn)術(shù)部署還是在對敵進(jìn)攻的各個階段，始終處于不同形式的雷達(dá)監(jiān)視之下，越來越先進(jìn)的探測手段使地面武器裝備的戰(zhàn)場生存環(huán)境越來越嚴(yán)峻。因此，賦予裝備隱身防護(hù)能力是提高武器裝備戰(zhàn)場生存能力的重要保障。

隨著具備一定雷達(dá)隱身能力的武器裝備大量配備部隊(duì)，依托配裝部隊(duì)實(shí)地開展裝備隱身性能檢測和評估將貫穿裝備作戰(zhàn)運(yùn)用的全過程。裝備在日常維護(hù)保養(yǎng)時，需要對其隱身性能進(jìn)行診斷評估，及時修復(fù)出現(xiàn)的隱身故障；在執(zhí)行任務(wù)前，需要對隱身性能進(jìn)行檢測，評估完成任務(wù)的可用度；在作戰(zhàn)部署時，需要對其實(shí)施偽裝措施，并要對偽裝措施的效果進(jìn)行評估。

然而，武器裝備配發(fā)到部隊(duì)后，無法依托大型暗室進(jìn)行隱身性能檢測評估，也無法提供標(biāo)準(zhǔn)的測試外場進(jìn)行檢測，因此，唯一可行的就是在實(shí)際外場環(huán)境中，使用相關(guān)檢測評估設(shè)備對武器裝備的隱身性能進(jìn)行檢測評估。

RCS是評估裝備雷達(dá)隱身性能的關(guān)鍵指標(biāo)。在實(shí)際外場環(huán)境下，由于受到地表材質(zhì)及地面平坦度、周圍建筑物及植物等背景環(huán)境雜波的影響，RCS測量的精度會產(chǎn)生偏差[1-2]。因此，如何抑制背景環(huán)境雜波對測量值的影響，是實(shí)際外場RCS測量需要解決的關(guān)鍵問題。

為解決外場RCS測量中背景雜波抑制問題，北京航空航天大學(xué)的原賽賽等[3]建立了測試系統(tǒng)、測試場的時變傳遞函數(shù)參數(shù)化模型，并提出利用軟件距離門技術(shù)提取輔助校準(zhǔn)區(qū)域數(shù)據(jù)來估計(jì)模型參數(shù)，實(shí)現(xiàn)了時變響應(yīng)特性的精確幅度和相位補(bǔ)償，提高了背景抵消的精度。該方法針對標(biāo)準(zhǔn)測試外場進(jìn)行了仿真驗(yàn)證，但野外背景的雜波抑制效果并未提及。

本文重點(diǎn)對實(shí)際外場RCS測量中采用的背景矢量相減、軟硬件距離門控制等背景雜波抑制相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了研究，并將雜波抑制后的回波數(shù)據(jù)進(jìn)行一維距離像反演得到目標(biāo)RCS值，最后綜合運(yùn)用背景雜波抑制技術(shù)對實(shí)際裝備的RCS進(jìn)行測量，驗(yàn)證實(shí)際背景環(huán)境中雜波抑制方法的有效性。

1 背景矢量相減

1.1 頻域背景矢量相減

頻域背景矢量相減[4]方法是先記錄背景的頻率響應(yīng)，然后在不改變周圍環(huán)境的條件下，記錄被測目標(biāo)及環(huán)境的頻率響應(yīng)，然后將所得到的2個頻率數(shù)據(jù)進(jìn)行矢量相減，從而消除背景噪聲變化帶來的影響。

為簡單起見，假設(shè)測量系統(tǒng)沒有噪聲，背景雜波只來自于地面的M個散射點(diǎn)，雷達(dá)與目標(biāo)的距離為Rt，地面散射點(diǎn)分布在以目標(biāo)為中心，前后距離為Rg(m)的范圍內(nèi)，目標(biāo)的反射系數(shù)為kt，地面各個散射點(diǎn)的反射系數(shù)為kg(m)，電磁波的起始頻率為f0，步進(jìn)間隔為Δf，步進(jìn)N個點(diǎn)。

地面散射點(diǎn)的回波信息為：

(1)

目標(biāo)的回波信息為：

(2)

地面散射點(diǎn)和目標(biāo)的綜合回波信號是sg(t)與st(t)的矢量和sa(t)。此時的回波信息為頻域信息，頻域背景矢量相減時，先測量背景回波頻域信號，即得到sg(t)，再在背景環(huán)境不變的條件下放置被測目標(biāo)進(jìn)行測量，得到目標(biāo)和背景的總回波頻域信號sa(t)，再將sa(t)與sg(t)進(jìn)行矢量相減，即可得到目標(biāo)的回波頻域信號st(t)。

1.2 時域背景矢量相減

時域背景矢量相減的原理是先測量背景的時域回波信號，然后測量放置目標(biāo)后的時域回波信號，最后通過矢量相減的方法對背景雜波進(jìn)行相減[5]，其原理與頻域矢量相減方法類似，只是在時域上實(shí)現(xiàn)背景相減功能。

由式(1)與式(2)可得雷達(dá)接收到的信號sa(t)為：

sa(t)=sg(t)+st(t)

(3)

對式(1)和式(3)分別作IFFT，得到sg(t)和sa(t)的時域形式IFFT[sg(t)]和IFFT[sa(t)]，再將IFFT[sa(t)]與 IFFT[sg(t)] 矢量相減，即可完成背景矢量相減。

2 軟硬件距離門控制

2.1 硬件距離門

硬件距離門是通過在RCS測量雷達(dá)中設(shè)計(jì)定時器來控制發(fā)射脈沖寬度，實(shí)現(xiàn)對目標(biāo)和背景雜波之間的分離。

在RCS測量中，多數(shù)脈沖雷達(dá)的發(fā)射脈沖寬度在1 μs以內(nèi)，定時器觸發(fā)發(fā)射機(jī)發(fā)射一個射頻脈沖，經(jīng)過一定時延后，接收機(jī)完成對目標(biāo)回波脈沖的接收。對于室外測試場，在脈沖發(fā)射后，來自測試場周邊環(huán)境的雜波到達(dá)接收天線的時延通常可能長達(dá)數(shù)微秒，而通過定時器對接收開關(guān)的控制，接收機(jī)可將位于距離門以外的絕大部分雜波濾除掉[6-7]。

具體設(shè)計(jì)時，硬件距離門的功能由開關(guān)芯片實(shí)現(xiàn)。該開關(guān)芯片在發(fā)射支路發(fā)射信號時，關(guān)閉開關(guān)，使發(fā)射信號無法經(jīng)過環(huán)形器進(jìn)入接收支路；而在回波信號到達(dá)時，打開開關(guān)，使接收支路能夠接收到回波信號。

實(shí)際測量時，對于單散射點(diǎn)目標(biāo)，需要在回波脈沖的上升沿到來之前一小段時間打開開關(guān)，在回波脈沖的下降沿結(jié)束之后的一小段時間之后關(guān)閉開關(guān)。硬件距離門控制時序如圖1所示。

圖1 硬件距離門控制時序圖

圖1中，PRT為PLL的控制字，每個PRT的周期即是一個脈沖重復(fù)周期，Pulse為脈沖調(diào)制信號，而Protect信號即是回波信號進(jìn)入接收支路前經(jīng)過的保護(hù)開關(guān)的調(diào)制信號，Pulse和Protect信號都是低電平代表斷開，高電平代表接通。由圖1可見，Protect信號比Pulse信號延時了一段時間，并且Protect信號比Pulse信號接通的時間要長了一些。

若開關(guān)打開時間過長，會使被測目標(biāo)的前后一段范圍內(nèi)的背景雜波被接收機(jī)接收到；若開關(guān)打開時間過短，會使回波脈沖不能完全進(jìn)入接收機(jī)，導(dǎo)致遺漏目標(biāo)散射信息，最終不能得到準(zhǔn)確的測量結(jié)果；若開關(guān)打開的時間不是回波信號到達(dá)的時間，則回波脈沖完全不能進(jìn)入接收機(jī)，那么接收機(jī)接收到的信號只是接收機(jī)的噪聲。可見，準(zhǔn)確地控制接收機(jī)前開關(guān)的通斷時間，能夠確保背景雜波得到有效抑制。

2.2 軟件距離門

經(jīng)過硬件距離門的處理，進(jìn)入接收機(jī)的是目標(biāo)以及距離目標(biāo)很近的背景，此時，若背景遠(yuǎn)小于目標(biāo)，則測量結(jié)果已經(jīng)比較準(zhǔn)確，不需要再作處理，但是如果目標(biāo)前后很近的地方出現(xiàn)較大的背景噪聲，則需要設(shè)計(jì)軟件距離門，通過合理設(shè)置數(shù)據(jù)截取的軟件距離門參數(shù)濾出目標(biāo)區(qū)域外的雜散信號，進(jìn)一步減小目標(biāo)區(qū)前后的雜散信號影響[8]。軟件距離門可通過時域加窗來實(shí)現(xiàn)[9]，將窗函數(shù)低值部分對準(zhǔn)雜波進(jìn)行加權(quán)，能夠直接抑制背景干擾。

由式(3)可得到目標(biāo)和背景雜波的回波信號，對其進(jìn)行IFFT運(yùn)算，有：

(4)

在實(shí)際測量中，往往測量距離是已知的，對于單散射點(diǎn)目標(biāo)，可以以目標(biāo)位置為中心，對g(l)進(jìn)行加窗運(yùn)算，能夠有效濾除雜波。但是對于多散射點(diǎn)目標(biāo)，由于目標(biāo)的散射中心本身就覆蓋了一段距離，而為了保留目標(biāo)的全部散射信息，時域窗必須將這段距離內(nèi)完全覆蓋，因此這段距離內(nèi)的背景雜波仍然無法消除，此時需要結(jié)合前文介紹的背景矢量相減技術(shù)來進(jìn)一步減弱背景雜波。

3 一維距離像反演RCS

傳統(tǒng)的RCS測量數(shù)據(jù)處理方法是直接對回波的頻域數(shù)據(jù)取模。在背景復(fù)雜的環(huán)境下，傳統(tǒng)的RCS計(jì)算結(jié)果會與實(shí)際情況有較大的出入，無法滿足精確測量的要求。本節(jié)綜合利用前兩節(jié)介紹的背景矢量相減、時域加窗等方法，給出一種RCS計(jì)算的方法，即由一維像反演RCS的方法。

計(jì)算過程如下：首先將背景矢量相減后的目標(biāo)回波頻域數(shù)據(jù)作IFFT變換，得到一維高分辨率距離像，再根據(jù)目標(biāo)區(qū)位置、尺寸等參數(shù)，選擇合適的時域加窗信號，將一維高分辨率距離像和時域加窗信號相乘并濾除雜波，最后將加窗后的距離像再作FFT變換到頻域，計(jì)算出RCS。

4 背景雜波抑制流程

RCS測量采取的是相對測量法，即分別測量已知RCS大小的標(biāo)準(zhǔn)體和待測目標(biāo)的回波電壓值，然后比較計(jì)算出目標(biāo)的RCS[10]。為了提高測量精度，需要采用背景矢量相減技術(shù)，在相同的測量條件下，分別測量背景、定標(biāo)體和目標(biāo)的回波值，然后分別從目標(biāo)和定標(biāo)體中減去背景值作為新的目標(biāo)和定標(biāo)體數(shù)據(jù)，最后采用多種算法進(jìn)行后續(xù)的RCS計(jì)算，具體測量步驟如下：

步驟1選定背景相對穩(wěn)定的區(qū)域作為定標(biāo)體和目標(biāo)測量的位置。

步驟2測量定標(biāo)體區(qū)域背景回波：根據(jù)定標(biāo)體放置位置與測量雷達(dá)的相對位置，設(shè)置合適的硬件距離門參數(shù)，測量沒有放定標(biāo)體時定標(biāo)區(qū)背景回波數(shù)據(jù)。

步驟3測量定標(biāo)體回波數(shù)據(jù)：將定標(biāo)體置于定標(biāo)體測量位置，設(shè)置合適的硬件距離門參數(shù)，測量定標(biāo)體的回波數(shù)據(jù)。

步驟4測量目標(biāo)區(qū)域背景回波：根據(jù)目標(biāo)放置位置與測量雷達(dá)的相對位置，設(shè)置合適的硬件距離門參數(shù)，測量沒有放置目標(biāo)時目標(biāo)區(qū)域背景回波數(shù)據(jù)。

步驟5測量目標(biāo)回波數(shù)據(jù)：將目標(biāo)置于目標(biāo)測量位置，設(shè)置合適的硬件距離門參數(shù)，測量目標(biāo)的回波數(shù)據(jù)。

步驟6數(shù)據(jù)處理：由步驟2～步驟5測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行背景矢量相減，再采用一維距離像反演RCS方法計(jì)算目標(biāo)的RCS值。

5 驗(yàn)證

本節(jié)結(jié)合某型裝備的外場RCS測量數(shù)據(jù)，驗(yàn)證本文提出的背景雜波抑制技術(shù)的效果。本次測量的目的是獲取某裝備在實(shí)際外場條件下的RCS值。測量過程選擇在水泥路面上，背景環(huán)境相對穩(wěn)定。

圖2給出的是采用傳統(tǒng)RCS數(shù)據(jù)處理方法得到的結(jié)果，圖3給出的是采用不同加窗處理算子反演出的RCS值。

圖2 傳統(tǒng)RCS處理曲線

圖3 加窗反演RCS處理曲線

對比圖2和圖3，采用背景抑制方法計(jì)算出的RCS值比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法得到的RCS值的均值要低。加矩形窗反演后，均值比傳統(tǒng)計(jì)算方法下降了4個dB，而加hamming、hanning、blac kman窗反演后，均值比傳統(tǒng)方法下降了將近7個dB，并且得到的RCS頻域曲線明顯比反演前平緩很多。

被測裝備在實(shí)際背景中采用本文方法測得的RCS值以及未經(jīng)過背景雜波抑制測得的RCS值，與同型號裝備在變俯角RCS測試場[1]測得的經(jīng)過背景抵消的RCS值進(jìn)行對比，結(jié)果如表1所示。

表1 RCS均質(zhì)測量結(jié)果

從表1可以看出，實(shí)際外場測試中，如果不進(jìn)行背景雜波抑制，測得目標(biāo)RCS值與背景雜波混雜在一起，與標(biāo)準(zhǔn)場測得的目標(biāo)RCS值相差較大，誤差超過10 dB。采用本文背景雜波抑制技術(shù)對背景雜波進(jìn)行抑制后，實(shí)際外場測得的目標(biāo)RCS值與標(biāo)準(zhǔn)場測得的目標(biāo)RCS值相比，雖然在數(shù)值上要偏大，但總體上誤差不超過1.5 dB。通過比較可知，采用本文背景雜波抑制技術(shù)能夠有效抑制背景雜波，獲得較高精度的目標(biāo)RCS值。

6 結(jié)論

本文在背景矢量相減、軟硬件距離門控制等背景雜波抑制技術(shù)基礎(chǔ)上，給出了一維距離像反演RCS計(jì)算方法，有效提高了目標(biāo)RCS測量精度。實(shí)際測試結(jié)果表明采用背景抑制方法計(jì)算出的RCS值比傳統(tǒng)數(shù)據(jù)處理方法得到的RCS值的均值要低，說明在外場RCS測量中采用背景雜波抑制技術(shù)能夠有效減小背景雜波對目標(biāo)RCS測量值的影響，提高測量的SNR和精度。本文僅探討了相對穩(wěn)定背景環(huán)境下背景雜波抑制方法，對于實(shí)際復(fù)雜背景下目標(biāo)RCS測量中背景雜波的測量及抑制技術(shù)，還需進(jìn)一步開展研究。