隱身飛機(jī)RCS測(cè)量與成像方法研究綜述

賈高偉，陰 鵬，邵 帥，王建峰

(國防科技大學(xué) 空天科學(xué)學(xué)院, 湖南 長(zhǎng)沙 410073)

探測(cè)與反探測(cè)、隱身與反隱身，一直是軍事對(duì)抗技術(shù)發(fā)展的主線。隱身飛機(jī)的出現(xiàn)，顛覆了傳統(tǒng)空戰(zhàn)模式，引領(lǐng)了對(duì)抗技術(shù)的發(fā)展。“隱身”已經(jīng)成為一流戰(zhàn)機(jī)的必要能力，也是軍事強(qiáng)國競(jìng)相發(fā)展的高端科技[1]。當(dāng)前，隱身無人機(jī)日益受到人們的重視，呈現(xiàn)巨大靈活的應(yīng)用空間，隱身無人機(jī)的發(fā)展同樣促進(jìn)了隱身技術(shù)的長(zhǎng)足進(jìn)步[2]。飛機(jī)隱身化要求設(shè)計(jì)師在考慮氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)、推力等系統(tǒng)的同時(shí)，還需高度兼顧隱身設(shè)計(jì)這一高門檻技術(shù)[3]。

一般地，飛機(jī)的隱身化包括雷達(dá)隱身、紅外隱身、射頻隱身以及聲隱身等[1,4]。本文的研究聚焦于雷達(dá)隱身，非特意說明，后文中的隱身均是指雷達(dá)隱身。雷達(dá)隱身性能與飛機(jī)外形和材料相關(guān)，其中雷達(dá)散射截面積(radar cross section, RCS)是一個(gè)重要指標(biāo)[5-6]。

對(duì)飛行器RCS縮減的過程即是飛行器隱身化的過程，其中外形優(yōu)化十分重要，其機(jī)理為通過外形調(diào)整，將雷達(dá)主要回波反射至非作戰(zhàn)方向，從而降低散射回雷達(dá)的特征信號(hào)。材料隱身也是常用方法，使用樣式又可分為吸波結(jié)構(gòu)和吸波涂料，其機(jī)理是通過吸波性材料將入射的電磁波轉(zhuǎn)為熱能，進(jìn)而降低散射回雷達(dá)的特征信號(hào)。

針對(duì)雷達(dá)特征抑制，飛機(jī)隱身化設(shè)計(jì)的傳統(tǒng)設(shè)計(jì)流程包括[1,7]：

1)利用電磁散射計(jì)算軟件評(píng)估飛機(jī)模型的RCS，作為總體設(shè)計(jì)的依據(jù)；

2)制作縮比模型，在室內(nèi)或者其他干凈的電磁空間開展RCS實(shí)測(cè)，評(píng)估隱身性能[8]；

3)制作全尺寸飛行器原型系統(tǒng)，開展室外靜態(tài)測(cè)試[9-11]；

4)對(duì)于全尺寸飛行器系統(tǒng)，開展室外飛行(動(dòng)態(tài))測(cè)試[12]。

在上述過程中，RCS測(cè)量是基礎(chǔ)性關(guān)鍵技術(shù)，從不同的維度看，RCS測(cè)量方法可以有諸多的分類。從測(cè)量的對(duì)象來看，它包括縮比模型飛機(jī)測(cè)試、全尺寸飛機(jī)靜態(tài)測(cè)試、全尺寸飛機(jī)動(dòng)態(tài)測(cè)試；從測(cè)量信號(hào)的工作形式看，它可分為時(shí)域測(cè)試與頻域測(cè)試；從測(cè)量信號(hào)的頻譜樣式看，它可分為點(diǎn)頻模式和帶寬模式；從電磁波的波前模態(tài)看，又可分為近場(chǎng)測(cè)量和遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量。

RCS測(cè)量的呈現(xiàn)方式，包括一維曲線形式和二維、三維圖像形式。一維曲線是最為經(jīng)典的表達(dá)RCS大小的方式，用于體現(xiàn)某一點(diǎn)頻輻照下，沿不同的雷達(dá)入射方向測(cè)得的飛行器雷達(dá)回波強(qiáng)弱；隨著雷達(dá)波形復(fù)雜化，寬帶信號(hào)在雷達(dá)波形中變得常見。圖像法是基于轉(zhuǎn)臺(tái)成像原理[13-14]，由寬帶信號(hào)提供距離向分辨率，由轉(zhuǎn)臺(tái)旋轉(zhuǎn)積累方位角，形成方位向分辨率，由此得到二維圖像。類似地，在通過高度向積累孔徑，可以形成三維圖像，RCS的成像結(jié)果對(duì)應(yīng)于某一積累角度范圍。

圖像法具有直觀、易懂，便于與外形、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合的特點(diǎn)。此外，目標(biāo)的RCS成像可以對(duì)飛行器強(qiáng)散射點(diǎn)進(jìn)行定位，用以對(duì)飛行器隱身性能的診斷。應(yīng)用場(chǎng)景包括隱身飛機(jī)的設(shè)計(jì)、設(shè)備集成、出廠驗(yàn)證和日常維護(hù)。

關(guān)于隱身測(cè)量技術(shù)的論述，國內(nèi)已有相關(guān)學(xué)者進(jìn)行了總結(jié)，肖志河等[5]從飛行器隱身測(cè)試評(píng)估的角度，介紹了國內(nèi)外典型的測(cè)量技術(shù)進(jìn)展，總結(jié)了低散射診斷技術(shù)的最新成果；張澎等[9]從隱身飛機(jī)不同研制階段采用不同的RCS測(cè)試方法的角度，總結(jié)了幾種現(xiàn)有測(cè)量方式的優(yōu)劣，并以美國為對(duì)象，討論了RCS近場(chǎng)測(cè)試技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀；高超等[10]從近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)發(fā)展的角度，總結(jié)了近場(chǎng)測(cè)量發(fā)展歷程，綜合分析了國內(nèi)外近場(chǎng)測(cè)試研究的進(jìn)展以及在飛行器RCS測(cè)量中的應(yīng)用實(shí)例；柴建忠等[11]從雷達(dá)散射截面診斷與評(píng)估的角度，討論了全尺寸飛行器的診斷需求，梳理了近場(chǎng)測(cè)量的一般過程和實(shí)施方案。

本文圍繞隱身飛機(jī)RCS測(cè)量方法與技術(shù)的最新發(fā)展，從縮比模型測(cè)量、全尺寸目標(biāo)室外測(cè)量、全尺寸室內(nèi)進(jìn)場(chǎng)測(cè)量的角度，著重分析并梳理相應(yīng)的測(cè)量體系和關(guān)鍵技術(shù)，并結(jié)合隱身飛機(jī)的發(fā)展與應(yīng)用方向，對(duì)相關(guān)的RCS測(cè)量需求與趨勢(shì)進(jìn)行總結(jié)和分析。

1 縮比模型的測(cè)試樣式與系統(tǒng)

縮比模型是在飛行器外形設(shè)計(jì)基本明確的基礎(chǔ)上，選擇針對(duì)性的材料、工藝，完成縮比樣機(jī)的制造[1]。縮比樣機(jī)的測(cè)量環(huán)境，可以分為室外測(cè)量和暗室內(nèi)測(cè)量?jī)深悺?/p>

1.1 室外縮比模型測(cè)試

縮比樣機(jī)測(cè)試一般包括縮比模型、支架、轉(zhuǎn)臺(tái)、信號(hào)發(fā)射與接收以及信號(hào)處理等。室外測(cè)試系統(tǒng)一般通過距離門的形式選定某距離區(qū)間內(nèi)的回波[15]，以此來較好地屏蔽縮比模型之外的雜波散射。室外縮比模型測(cè)試過程容易組織、成本可控，但需考慮外界噪聲電平對(duì)測(cè)試的影響。

1.2 室內(nèi)縮比模型測(cè)試

另一種更為普遍的縮比樣機(jī)測(cè)試，是在微波暗室內(nèi)完成[16]的。暗室內(nèi)測(cè)量的優(yōu)勢(shì)是無外界電磁干擾、雜波少、背景電平低、測(cè)量精度高。由于室內(nèi)空間受限，暗室內(nèi)測(cè)量環(huán)境的構(gòu)建，形成平面波是重要方面。絕對(duì)意義上的平面波是不存在的，電磁測(cè)量中平面波的定義是指波面內(nèi)各點(diǎn)的相位差小于22.5°。

室內(nèi)一般通過反射鏡轉(zhuǎn)換的形式將球面波無限逼近平面波。從反射鏡的數(shù)量看，可以分為單反射鏡、雙反射鏡以及三反射鏡等形式。

單鏡面反射利用旋轉(zhuǎn)拋物面將放置于焦點(diǎn)的饋源輻射球面波校準(zhǔn)為平面波，具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、成本較低的特點(diǎn)，適用于高頻測(cè)量，由于焦距相對(duì)較短，導(dǎo)致靜區(qū)幅度錐削較大，一般采用偏饋結(jié)構(gòu)，交叉極化較高，如圖1所示。

(a) 單反射面緊縮場(chǎng)結(jié)構(gòu)(a) Compact range based on single surface

(b) MIT林肯實(shí)驗(yàn)室單拋物面緊縮場(chǎng)(b) Single surface compact range in MIT圖1 單反射面緊縮場(chǎng)示意圖及實(shí)物圖Fig.1 Schematic diagram and real system of single surface compact range

雙反射鏡緊縮場(chǎng)方面，卡塞格倫雙面緊縮場(chǎng)是經(jīng)典布局。副面先為旋轉(zhuǎn)雙曲面，主面為旋轉(zhuǎn)拋物面。副面先將饋源發(fā)出的球面波校準(zhǔn)為由虛源發(fā)出的球面波，主面再將其校準(zhǔn)為平面波，可以獲得較大的等效焦徑比[12]。雙柱面反射鏡緊縮場(chǎng)是另一種常見布局，它采用兩個(gè)彎曲面相垂直的拋物面，副面校準(zhǔn)一維波前為柱面波，主面再校準(zhǔn)另一維波前為平面波，具有等效焦距較長(zhǎng)，交叉極化較低等優(yōu)勢(shì)。

圖2展示了兩種緊縮場(chǎng)工作示意圖。圖3展示了雷神公司雙柱面緊縮場(chǎng)的實(shí)際結(jié)構(gòu)圖以及實(shí)景圖[17]。

(a) 卡塞格倫雙面緊縮場(chǎng)(a) Cassegrain dual reflector compact range

(b) 雙圓柱面緊縮場(chǎng)(b) Dual cylindrical reflector compact range圖2 不同的雙反射面緊縮場(chǎng)示意圖Fig.2 Different dual reflector compact range

(a)雙柱面緊縮場(chǎng)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)(a) Geometric diagram of dual reflector compact range

(b) 雙柱面緊縮場(chǎng)實(shí)物圖(b) Real system of dual reflector compact range圖3 雷神公司雙柱面緊縮場(chǎng)實(shí)物圖Fig.3 Real compact range of Raytheon company

三反射鏡緊縮場(chǎng)一般由一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)面主鏡、兩個(gè)賦形面的副反射鏡組成。其優(yōu)勢(shì)在于通過賦形副反射鏡控制波束重新賦形，增大靜區(qū)利用率[12]。

1.3 縮比測(cè)試的特點(diǎn)總結(jié)

綜合來看，縮比模型測(cè)量的優(yōu)勢(shì)在于：可以準(zhǔn)確提取真實(shí)目標(biāo)在電磁波照射下的散射模型，具有實(shí)施方便、可重復(fù)驗(yàn)證、效率高、測(cè)量成本低等特點(diǎn)。

當(dāng)然，它也存在不足之處：

1)復(fù)合材料的廣泛使用，使得傳統(tǒng)的縮比等效測(cè)試模型(機(jī)身材料為良導(dǎo)體)不再適用。

2)飛行器細(xì)微結(jié)構(gòu)處縮比模型的加工精度會(huì)引入明顯的測(cè)量誤差。

參考美國研發(fā)F22的過程，就存在縮比模型與實(shí)際產(chǎn)品RCS不一致的情況，這導(dǎo)致了較大的時(shí)間、物力的損失。

2 全尺寸室外測(cè)試場(chǎng)

美國在研發(fā)飛行飛機(jī)的過程中，設(shè)計(jì)和建造了多個(gè)大型的室外測(cè)試場(chǎng)，用于開展靜態(tài)和動(dòng)態(tài)RCS測(cè)試。

2.1 美國國家RCS測(cè)量設(shè)施

美國國家RCS測(cè)量設(shè)施(national RCS test facility, NRTF)是美國空軍在新墨西哥州霍夫曼空軍基地開展全尺寸飛機(jī)靜態(tài)RCS測(cè)量的重要設(shè)施。它包含兩個(gè)獨(dú)立的子系統(tǒng)——Mainsite主站和先進(jìn)測(cè)量系統(tǒng)(radar target scatter advanced measurement system, RAMS)。Mainsite主站測(cè)量頻率覆蓋0.14～18 GHz、34～36 GHz、94 GHz，能夠?qū)θ叽顼w機(jī)目標(biāo)提供近實(shí)時(shí)的RCS曲線測(cè)量以及逆合成孔徑雷達(dá)(inverse synthetic aperture radar, ISAR)成像[18-20]。RAMS距離Mainsite主站約56 km，適用于更低的RCS目標(biāo)單站測(cè)量，其測(cè)量頻率范圍0.12～18 GHz，同樣支持近實(shí)時(shí)的RCS曲線測(cè)量以及ISAR成像。該系統(tǒng)為美國一系列的飛機(jī)、導(dǎo)彈提供RCS和天線性能測(cè)試,如圖4所示。

(a) 天線支架(a) Antenna support

(b) 不同的測(cè)量天線(b) Different antenna measurement圖4 美國國家RCS測(cè)量場(chǎng)Fig.4 Test field of NRTF

2.2 海倫達(dá)爾RCS測(cè)試場(chǎng)

海倫達(dá)爾(Helendale)RCS測(cè)試場(chǎng)由洛克希德·馬丁公司始建于20世紀(jì)80年代，它由一座舊的機(jī)場(chǎng)改建而來，地處美國加利福尼亞州Palmdale。海倫達(dá)爾測(cè)試場(chǎng)是美國最先進(jìn)的測(cè)試場(chǎng)之一，采用低散射支架技術(shù)和精確定標(biāo)技術(shù)，可以充分保證測(cè)試結(jié)果的精度[21]。美國SPC公司為其提供了測(cè)試?yán)走_(dá)，該測(cè)試場(chǎng)21 m高的鐵塔上布置了很多天線(120 MHz～18 GHz，以及35 GHz附近點(diǎn)頻)，確保了測(cè)試頻率的覆蓋率，這些天線可以上下移動(dòng)以適應(yīng)不同的觀測(cè)視角,如圖5所示。

(a) 主測(cè)試場(chǎng)(a) Main test field

(b) 測(cè)試場(chǎng)全貌(b) Overview of test site圖5 Helendale RCS測(cè)試場(chǎng)Fig.5 RCS test field of Helendale

2.3 泰昂RCS測(cè)試場(chǎng)

泰昂(Tejon)測(cè)試場(chǎng)由諾普洛斯·格魯曼公司始建于20世紀(jì)80年代，位于加利福尼亞州的Antelope山谷，位置偏僻，總面積超過5.6 km2，測(cè)試場(chǎng)共4個(gè)測(cè)試區(qū)[21]，由2個(gè)舊測(cè)試系統(tǒng)共用一個(gè)天線陣列，2個(gè)新建的測(cè)試系統(tǒng)共用一個(gè)天線陣列。其天線高度可調(diào)，場(chǎng)地中有多個(gè)具有低散射特性的支架及旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，如圖6所示。支持ISAR成像功能，測(cè)量頻率至少覆蓋145 MHz～18 GHz。

(a) 測(cè)試場(chǎng)全貌(a) Overview of test site

(b) 測(cè)量支架(b) Test pylon圖6 Tejon RCS測(cè)試場(chǎng)Fig.6 RCS test field of Tejon

2.4 格雷巴特RCS測(cè)試場(chǎng)

格雷巴特(Gray Butte)RCS測(cè)試場(chǎng)是由舊機(jī)場(chǎng)改造形成的，原本歸麥道技術(shù)公司所有，位于加利福尼亞州舊金山附近的Palmdale。格雷巴特測(cè)試場(chǎng)啟用于20世紀(jì)60年代，是莫哈維沙漠里最早的RCS測(cè)試場(chǎng)[21]之一。該測(cè)試場(chǎng)有一個(gè)移動(dòng)的作業(yè)倉，可以在鐵軌上移動(dòng)，如圖7所示。內(nèi)有起重機(jī)，將目標(biāo)放置在低散射支架上后，作業(yè)倉移離主支架。其測(cè)量頻率覆蓋145 MHz～18 GHz,以及24～35 GHz范圍內(nèi)的點(diǎn)頻。

(a) 可移動(dòng)的作業(yè)倉(a) Movable operation bin

(b) 作業(yè)倉移離主支架(b) Operation bin away from the pylon圖7 Gray Butte RCS測(cè)試場(chǎng)Fig.7 RCS test field of Gray Butte

2.5 波德曼RCS測(cè)試場(chǎng)

波德曼(Boardman)RCS測(cè)試場(chǎng)是波音公司的大型室外測(cè)試場(chǎng)，位于俄勒岡州波德曼以西的一個(gè)偏僻區(qū)域。它的構(gòu)造與格雷巴特RCS測(cè)試場(chǎng)相似，同樣有一個(gè)飛機(jī)棚，可在軌道上移動(dòng)，在測(cè)試時(shí)離開支架。雷達(dá)包含多個(gè)波段的天線，從而保證頻率覆蓋范圍。該試驗(yàn)場(chǎng)有多個(gè)不同的支架，如圖8所示。支持對(duì)F15、F18、科特曼直升機(jī)等多類飛機(jī)的RCS測(cè)試[20-21]。

(a) 測(cè)試場(chǎng)俯視圖(a) Top view of test site

(b) 各類測(cè)量飛機(jī)(b) Different aircrafts for measurement圖8 波音Boardman RCS測(cè)試場(chǎng)Fig.8 Boardman RCS test filed of Boeing company

2.6 全尺寸外場(chǎng)測(cè)試的特點(diǎn)總結(jié)

綜合來看，全尺寸外場(chǎng)測(cè)試中常見的工程問題包括：

1)金屬支架的設(shè)計(jì)與使用。為確保可以提供更大的承重，并更為精確地控制被測(cè)飛行器的姿態(tài)，需要選擇金屬支架，并考慮支架旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)與測(cè)試模型的結(jié)合。為保證測(cè)試精度，一般要求金屬支架較被測(cè)目標(biāo)RCS要低兩個(gè)量級(jí)；同時(shí)確保連接區(qū)域有足夠低的RCS，可將支架的轉(zhuǎn)頂置于被測(cè)模型的內(nèi)部，并設(shè)計(jì)過渡外形以保持局部區(qū)域的連續(xù)性。

2)降低環(huán)境對(duì)測(cè)量精度的影響。大型外場(chǎng)一般選址于人煙稀少的地區(qū)，目標(biāo)與地面之間的多次散射成為主要影響量，必須予以抑制。一般可在地面鋪設(shè)吸波材料，但這一方法因鋪設(shè)方式、位置以及吸波材料的不同，會(huì)導(dǎo)致測(cè)試背景的不一致性。一種潛在的辦法是增高金屬支架的高度，并通過背景矢量相減、軟硬件距離門等方式抑制背景雜波。

3)定標(biāo)方式選擇與成本控制。對(duì)于室外測(cè)試中的空中動(dòng)態(tài)飛行試驗(yàn)，重復(fù)測(cè)試的一致性、定標(biāo)體的設(shè)置、目標(biāo)的飛行航跡規(guī)劃、環(huán)境雜波的消除，以及雷達(dá)對(duì)低RCS目標(biāo)的探測(cè)性能等因素都需要綜合考慮，并制定最后的執(zhí)行方案。全尺寸飛機(jī)動(dòng)態(tài)飛行測(cè)試只能在飛機(jī)原理樣機(jī)研制出來后開展，試驗(yàn)周期長(zhǎng)，一般用于出廠或交付驗(yàn)收。

3 全尺寸近場(chǎng)測(cè)試?yán)碚撆c系統(tǒng)

3.1 全尺寸近場(chǎng)測(cè)試的需求

結(jié)合第1.3節(jié)、第2.6節(jié)中對(duì)于縮比模型測(cè)試以及全尺寸外場(chǎng)測(cè)試特點(diǎn)的總結(jié)，一種不依賴于微波暗室和大型測(cè)試外場(chǎng)保障[22-25]，且具備與緊縮場(chǎng)暗室相當(dāng)?shù)臏y(cè)量精度，可以大大提高隱身飛機(jī)設(shè)計(jì)、制造、研制周期的新型測(cè)量手段——全尺寸近場(chǎng)測(cè)試，呈現(xiàn)出日益明確的應(yīng)用需求。

圖9展示了對(duì)兩個(gè)典型戰(zhàn)機(jī)開展近場(chǎng)RCS測(cè)量與診斷的試驗(yàn)，分別是瑞典的薩博戰(zhàn)斗機(jī)[26]和F35戰(zhàn)斗機(jī)[21,27-28]。薩博戰(zhàn)斗機(jī)在室外開展近場(chǎng)測(cè)量，而F35則在室內(nèi)開展近場(chǎng)測(cè)量，需要說明的是，F(xiàn)35的近場(chǎng)測(cè)量條件并不像微波暗室那么苛刻，只需在部分區(qū)域布置吸波結(jié)構(gòu)即可。

(a) SAAB戰(zhàn)斗機(jī)的室外近場(chǎng)測(cè)試(a) Outdoor near field test of SAAB fighter jet

(b) F35戰(zhàn)斗機(jī)的驗(yàn)證性測(cè)試環(huán)境(b) Acceptance test facility of F35 fighter jet圖9 近場(chǎng)測(cè)試對(duì)不同戰(zhàn)機(jī)的應(yīng)用Fig.9 Near-filed RCS test for different fighter jets

近場(chǎng)測(cè)試中的掃描樣式比較靈活，包括平面掃描、柱面掃描、球面掃描、一維線陣掃描等[29-30]。一維線陣掃描又可分為水平線性軌跡、垂直線性軌跡以及目標(biāo)沿方位向旋轉(zhuǎn)(收發(fā)裝置不動(dòng))等。針對(duì)不同的掃描樣式，調(diào)整待測(cè)飛行器的方位/俯仰姿態(tài)角，可以得到飛行器多方位的RCS測(cè)量值[31]。

近場(chǎng)測(cè)試的核心技術(shù)是將近場(chǎng)測(cè)量數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換(亦稱外推)為遠(yuǎn)場(chǎng)RCS，一般可分為兩種技術(shù)路線：基于成像原理的外推技術(shù)和基于成像結(jié)果的外推技術(shù)。

3.2 基于成像原理的近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換

理論計(jì)算和試驗(yàn)測(cè)試表明目標(biāo)散射中心是目標(biāo)在高頻區(qū)的基本特征：即在高頻區(qū)，目標(biāo)的總電磁散射可以有多個(gè)散射中心來表征[24-25,32]。近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的基本原理是假設(shè)目標(biāo)散射信號(hào)是多散射點(diǎn)模型，且目標(biāo)的點(diǎn)散布函數(shù)在一定角度范圍內(nèi)不受照射條件變化的影響，這是高頻區(qū)目標(biāo)的客觀特性。需要說明的是，該假設(shè)下的測(cè)量結(jié)果忽略了散射點(diǎn)之間的影響，但實(shí)踐表明，對(duì)于復(fù)雜目標(biāo)的RCS統(tǒng)計(jì)值，它依舊是精確的，只是在RCS估計(jì)的峰值處有所差異[24]。

(1)

(2)

上述處理過程基于合成孔徑成像理論，但不需要進(jìn)行成像處理，通過理論建模，建立了近場(chǎng)測(cè)試值與遠(yuǎn)場(chǎng)RCS之間的解析關(guān)系式，減小了計(jì)算量。該方向的研究，以美國LaHaie的研究團(tuán)隊(duì)影響較大[11,33]。對(duì)于該理論體系，國內(nèi)高超等，基于LaHaie的理論，推導(dǎo)得到了柱面、平面以及球面掃描模式的近遠(yuǎn)場(chǎng)變換方法[34]。

對(duì)于該類近場(chǎng)-遠(yuǎn)場(chǎng)外推技術(shù)，結(jié)合不同的掃描方式，試驗(yàn)系統(tǒng)有不同的配置和要求。從公開資料看，金屬球、飛機(jī)模型或者部件等小型目標(biāo)的散射遠(yuǎn)場(chǎng)RCS評(píng)估是易于開展組織的，試驗(yàn)系統(tǒng)的布置也相對(duì)簡(jiǎn)單[35]。關(guān)于大型全尺寸飛機(jī)的近場(chǎng)-遠(yuǎn)場(chǎng)外推應(yīng)用的公開報(bào)道較少。

3.3 基于成像結(jié)果的近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換

圖10展示了基于成像結(jié)果的RCS外推基本流程。以ISAR或者其他二維形式的成像模式為例，以目標(biāo)中心為原點(diǎn)建立極坐標(biāo)系，某一散射點(diǎn)的RCS可以表示為σ(ρ,φ)，ρ為目標(biāo)相關(guān)圓心距離，φ為角度。一般地，成像過程可以表述為：

(3)

其中，f為輻射頻率，θ為成像積累角，EF(f,θ)為遠(yuǎn)場(chǎng)回波數(shù)據(jù)，ξ(f,θ,ρ,φ)為成像因子。由式(3)可知，像σ(ρ,φ)與回波EF(f,θ)之間滿足傅里葉變換關(guān)系[17,36]，即σ(ρ,φ)?EF(f,θ)。

圖10 基于成像過程的RCS外推Fig.10 Schematic diagram of RCS transform

在近場(chǎng)情況下，可以通過近場(chǎng)回波數(shù)據(jù)EN(f,θ)得到目標(biāo)的像σ(ρ,φ)，這樣通過像σ(ρ,φ)就建立了近場(chǎng)回波與遠(yuǎn)場(chǎng)回波之間的聯(lián)系。

由上述內(nèi)容可知，基于成像結(jié)果的近遠(yuǎn)場(chǎng)轉(zhuǎn)換思路明晰，易于處理，但難點(diǎn)在于如何獲取高精度的近場(chǎng)成像結(jié)果σ(ρ,φ)。相應(yīng)的關(guān)鍵步驟一般包括：

1)必須進(jìn)行球面波前(相位)校正，以消除散焦和位置失真[37-38]；

2)探測(cè)天線與目標(biāo)不宜太近，避免目標(biāo)中心點(diǎn)與邊緣點(diǎn)對(duì)應(yīng)的能量差異太大，超出了系統(tǒng)動(dòng)態(tài)范圍；

3)理論上假設(shè)了輻照源天線為各向同性，這在實(shí)際中是難以滿足的，應(yīng)當(dāng)考慮天線方向圖的影響[33,39-41]。

德國Vaupel與Eibert團(tuán)隊(duì)基于層析SAR成像，并通過遠(yuǎn)場(chǎng)外推，得到了米格29模型的成像結(jié)果及其RCS[17]，如圖11所示。

(a) HH極化(a) HH polarization (b) VV極化(b) VV polarization 圖11 米格29模型成像顯示HH極化和VV極化Fig.11 The SAR imaging results of Mig29 scale model HH polarization and VV polarization

李南京等[42-44]利用轉(zhuǎn)臺(tái)模式下的測(cè)量回波進(jìn)行了成像處理，得到了共型天線的RCS值，凸顯了基于圖像的RCS測(cè)量方法在干擾環(huán)境下具有測(cè)量能力[36]。廖可非等[45-46]、張曉玲等[47]詳細(xì)推導(dǎo)了三維SAR的近場(chǎng)波數(shù)域成像方法，闡述了基于三維SAR成像的RCS近場(chǎng)變換原理，得到了RCS測(cè)量值。廖可非等[48-49]考慮到散射點(diǎn)RCS隨方位角變化，提出了基于多個(gè)子陣列分段處理并進(jìn)行RCS拼接的方法。

根據(jù)成像中提高分辨率以及利于散射點(diǎn)提取的思路，Larsson提出了基于壓縮感知技術(shù)與ISAR成像結(jié)合的方式，提高散射點(diǎn)提取精度[50]。Benoudiba-Campanini等基于壓縮感知和三維成像技術(shù)，獲取了圓錐體不同部位RCS受損狀態(tài)評(píng)估[51]。Benoudiba-Campanini等提出了基于正則化分解的方法，用于對(duì)SAR圖像解譯，以提升RCS測(cè)量精度[52]。

RCS成像的另一個(gè)優(yōu)勢(shì)是提供診斷功能，用于確定和定位飛行器部件對(duì)整體散射的貢獻(xiàn)[53-54]。這是飛行器可視化設(shè)計(jì)的重要組成，可以與氣動(dòng)、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)一起，構(gòu)成可視化多學(xué)科優(yōu)化的基礎(chǔ)。

3.4 典型的可用于近場(chǎng)測(cè)試的集成系統(tǒng)

3.4.1 意大利IDS公司RCSMS近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

RCS測(cè)試系統(tǒng)(RCS measurement system, RCSMS)主要由射頻和天線、天線定位器、目標(biāo)定位器、采集控制軟件和后處理軟件組成，由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀和專用的雷達(dá)天線組成基本的電磁波收發(fā)系統(tǒng)。該系統(tǒng)輻射波形為線性調(diào)頻連續(xù)波，輻射功率大于10 W, 最小可感知RCS為-60 dBm2(35 m測(cè)量距離，在L、S、C、X波段)，工作頻繁覆蓋1～40 GHz,支持全極化測(cè)量，距離測(cè)量范圍從數(shù)分米到數(shù)百米，最高距離分辨率5 cm。使用球面波補(bǔ)償將近場(chǎng)測(cè)量值轉(zhuǎn)換為遠(yuǎn)場(chǎng)，支持RCS測(cè)量以及ISAR成像[55]。圖12展示了該系統(tǒng)的工作示意圖。

(a) 飛機(jī)移動(dòng)測(cè)量模式(a) Measurement type of aircraft movement

(b) 飛機(jī)靜置測(cè)量模式(b) Measurement type of aircraft standing圖12 RCSMS測(cè)量模式示意圖Fig.12 Schematic diagram of RCSMS facility

3.4.2 美國StarDynamics公司BlueMax現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)

BlueMax G6由StarDynamics公司開發(fā)研制，可固定在卡車或?qū)к壣线M(jìn)行二維掃描，以滿足室內(nèi)、室外、靜態(tài)、動(dòng)態(tài)等多種測(cè)量要求。該系統(tǒng)采用統(tǒng)一的射頻架構(gòu)，支持多頻段覆蓋。最高脈沖重復(fù)頻率(pulse repetition frequency, PRF)可達(dá)2 MHz，支持多樣距離波門、多通道接收、全極化測(cè)量與校準(zhǔn)。該系統(tǒng)頻率覆蓋0.1～18 GHz, 接收測(cè)量靈敏度-85 dBm(接收噪聲帶寬100 MHz時(shí))。適用于數(shù)據(jù)吞吐量大或采樣率要求高的測(cè)試情況[56]。圖13展示了該系統(tǒng)的基本樣式與組成。

(a) 車載測(cè)量系統(tǒng)(a) Measurement system mounted on a truck

(b) 測(cè)量系統(tǒng)主要構(gòu)成(b) Main parts of measurement system圖13 BlueMax G6近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)Fig.13 Near field test facility of BuleMax G6

3.4.3 美國SPC公司的MKV測(cè)量雷達(dá)系統(tǒng)

SPC公司長(zhǎng)期致力于測(cè)量雷達(dá)的研發(fā)與服務(wù)，該公司研制的MK系列雷達(dá)在美國多個(gè)測(cè)量場(chǎng)得到應(yīng)用(包括諾普洛斯·格魯晨公司以及洛克希德·馬丁公司的RCS測(cè)量系統(tǒng)、美國空軍診斷成像雷達(dá)等)。當(dāng)前最新的MKVe系統(tǒng)采用步進(jìn)頻體制，支持多頻率、超寬帶、相參測(cè)量，能夠進(jìn)行SAR與ISAR成像，頻率覆蓋范圍50 MHz～100 GHz, 能夠跟蹤動(dòng)態(tài)目標(biāo)，是一種先進(jìn)的高性能測(cè)量系統(tǒng)[57]。

4 發(fā)展趨勢(shì)分析

在隱身飛機(jī)RCS測(cè)量領(lǐng)域，測(cè)量精度的提高、測(cè)量成本的控制、測(cè)量時(shí)間的縮短、測(cè)量空間的簡(jiǎn)化，一直是人們努力的方向。結(jié)合前文的闡述，梳理總結(jié)隱身飛機(jī)測(cè)量方法的相關(guān)發(fā)展趨勢(shì)為：

1)適用于全尺寸無人機(jī)的更高精度RCS測(cè)量技術(shù)。未來的隱身戰(zhàn)機(jī)將朝無人化、全頻段極低RCS[58]、多功能集成等方向發(fā)展，隱身無人機(jī)的設(shè)計(jì)、集成、測(cè)試環(huán)境等均對(duì)現(xiàn)有的RCS測(cè)量方法與設(shè)備提出了新的要求。考慮到無人機(jī)成本較低，結(jié)構(gòu)較有人機(jī)簡(jiǎn)化，模型樣機(jī)制作更易實(shí)現(xiàn)，但對(duì)研制周期、系統(tǒng)成本以及測(cè)量精度有更高要求。全尺寸無人機(jī)的高精度RCS測(cè)量[59]在整體設(shè)計(jì)流程中會(huì)更早應(yīng)用，并發(fā)揮重要作用。因而針對(duì)全尺寸無人機(jī)，低成本、高效率、高精度地開展RCS測(cè)量變得十分迫切。

2)適用于全尺寸飛機(jī)的近場(chǎng)實(shí)時(shí)成像診斷技術(shù)。除了用于飛機(jī)的隱身設(shè)計(jì)，RCS測(cè)量對(duì)隱身飛機(jī)的維護(hù)、保養(yǎng)以及載荷集成同樣至關(guān)重要。具有二維或者三維成像能力的RCS測(cè)量技術(shù)能夠準(zhǔn)確地定位和評(píng)估散射源，對(duì)于快速定位飛機(jī)隱身能力破損點(diǎn)，評(píng)估隱身材料維修狀態(tài)具有重要意義。同時(shí)，基于隱身平臺(tái)的電磁載荷裝載，天線的安裝與透波材料選取與應(yīng)用是關(guān)鍵步驟，基于近場(chǎng)成像技術(shù)的RCS測(cè)量能夠直觀、量化地評(píng)估集成效果。

3)近場(chǎng)RCS測(cè)量精度與速度的進(jìn)一步提高。近場(chǎng)測(cè)量已展現(xiàn)出成本低、周期短、對(duì)場(chǎng)地要求低等優(yōu)勢(shì)，當(dāng)前常用的近場(chǎng)測(cè)量的前提是基于目標(biāo)的點(diǎn)散射模型。該模型忽略了各散射點(diǎn)之間的影響，物理上忽略了蠕動(dòng)波等影響[53,60]，隨著隱身頻段的拓展，在低頻波段或者當(dāng)目標(biāo)存在大量結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)時(shí)，如何利用近場(chǎng)測(cè)量方式得到高精度RCS測(cè)量值是值得持續(xù)深入研究的問題。