基于脉冲雷达的RCS接收通道设计研究

0 引 言
    随着雷达理论和技术的迅速发展，靶场测量不仅希望取得雷达目标的位置和轨道信息，还期望获得目标的形状、体积、质量以及表面电磁参数等更多特征，不但要知道目标在哪里，还要知道是什么样的目标。而现代战争隐身与突防的战场需求，使得各类雷达目标的体积与它的雷达散射截面值几乎没有关系。靶场测控应该与雷达目标战技参数相匹配，雷达测量研究也应该与雷达目标同步发展，因此，目标特性测量是现代靶场测控技术的一个发展方向。
    作为我国海上靶场高精度测控网的主干设备，大功率脉冲测量雷达能够完成导弹、卫星和飞船的测量任务，实时提供目标的距离、方位角、俯仰角等信息。本文基于靶场现有的脉冲雷达，对RCS接收通道进行了设计研究，对关键技术和可行性进行了分析论证。

1 问题的提出
    现有的脉冲跟踪测量雷达是将被跟踪目标视为一散射点进行研制的，对导弹的目标特性，如雷达反射截面(RCS)、运动姿态不予关心。本文就是在原测量雷达的基础上，通过增加目标特性测量支路，对目标的电磁散射特性，特别是对被跟踪目标的RCS进行测量，并可以对出水尾流和等离子鞘套等物理现象进行观测。
    雷达目标特征信号隐含于雷达回波(复数值)之中，通过对雷达回波的幅度和相位信息的处理、分析、变换，可以得到诸如雷达散射截面(RCS)及其统计特征参数等一系列表征目标固有特征的信号。因目标飞行姿态的不确定性与RCS的测量需求，它的接收系统有别于一般脉冲测量雷达接收机，目标特性测量支路要求具有大动态范围宽带信号的接收机，由中频采样技术对单载频脉冲信号进行采样生成数字I／Q，实时送计算机录取，经处理，解出雷达RCS值及目标固有特征参数。这种宽带接收机使得通带内线性失真，带内信号幅度、相位波动，带内杂散信号增多。同时宽带信号也会带来I／Q的误差，以及使高速A／D采样难度加大，出现中视频处理和计算机高速读取数据困难等一系列问题。

2 目标的雷达散射截面(RCS)
    目标的雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)是表征雷达目标对于照射电磁波散射能力的一个物理量，定义为单位立体角内目标朝接收方向散射的功率与从给定方向入射于该目标的平均波功率密度之比的4π倍，常用字母σ来表示。
    RCS的定义有两种观点：一种是基于电磁散射理论的观点；另一种是基于雷达测量的观点。基于电磁散射理论的观点得到的远场RCS的表达式为：

   
式中：Ei，Hi和Es，Hs分别为人射场强和散射场强，“*”号表示复共轭。
    基于雷达测量的观点由雷达方程推导出来的远场RCS的表达式为：

   
    由式(1)和式(2)可知两者是一致的，只是式(1)适用于理论计算，式(2)适用于用相对标定法来测量目标RCS。
    从式(1)可以看出，目标的散射截面是用目标散射电磁波的能力来描述的，是目标对雷达入射能量进行散射能力的测量。其大小主要取决于目标的参数(如目标的形状、尺寸及表面电器性能)和雷达参数(如一次场的极化形式、波长等)以及目标的视角。

3 基于脉冲雷达的RCS接收通道
3．1 组成与原理
    RCS接收通道包括接收分系统和计算机分系统。计算机录取数据并事后完成目标RCS的计算。接收分系统由雷达接收机的显示支路引入反射信号功分两路，一路仍为显示支路，另一路由RCS接收通道对雷达跟踪的反射回波信号对其中频放大，瞬时AGC控制，检波、视放等幅度处理，按PRF为一帧实时录取(见图1)。在雷达转入跟踪工作状态后，RCS支路的主目标测量波门自动调整(0．8μs)脉冲的时延，始终套住目标反射信号。高速A／D变换共有三路信号(和、方位差、俯仰差)，与接口来的时序同步存储，乒乓结构读取数据、存储并解算。

3．2 动态范围的设计
    对目标特性信号进行分析的前提是保证包含在回波信号内的特性信息的精确性。而实际上，运动中的目标由于运动姿态的急剧变化和雷达的观察角的变化(过捷径)，以及目标等离子鞘套的影响，回波信号的幅度会急剧变化。雷达接收机采用常规AGC增益控制的方法受回路带宽的制约难以满足RCS测量的要求。因此，基于现有的脉冲雷达解决的办法有两种，其一是常规AGC+大动态范围AD(在接收机不饱和前提下)；其二是瞬时AGC技术(IAGC)。
    第一种方案要求AD有大动态范围和低的接收机后级噪声，当测量回波快速起伏变化时，AGC无法做出瞬时响应，只有让AD变换器具有64 dB动态范围，并且控制AGC是RCS接收机输出工作在AGC的合理小信号位上(相当于+24 dB的富裕量)，假如信号起伏在平均AGC上忽然下降到20 dB，常规AGC由于延时作用几乎没有变化，AGC无法反应，只有在平均AGC之上的大信号起伏才能正确反应，故难以满足79．5 dB范围内RCS快速变化64 dB的要求。第二种方案实际上是一种开环控制，AGC速度主要取决于数控衰减器电子开关的动态特性，故瞬时AGC具有很宽的带宽，RCS测量系统采用瞬时AGC技术。在前中设有一级16 dB的数控衰减器，另外的63．5 dB控制由IAGC环路来实现。主要的指标参数要求如下：
    IAGC：最大可控范围64 dB；步进0～5 dB；建立时间小于1 μs。
    延迟线：延迟3μs；误差小于1 ns。
    A／D变换速率：60 MHz；位数12 b。
3．3 接收系统的线性要求
    任何实际系统都是非理想的，接收系统的线性度主要是指接收支路的线性度。RCS测量系统要求接收系统的每一个环节都是线性的。系统的非线性主要是由于器件工作在饱和区引起的，对于雷达来说，接收机的中视频部分又起主要作用。采用IAGC后，AGC之后的电路能可靠地工作在器件的线性区，故RCS测量支路的线性取决于延时线的延时精度和数控衰减器的控制精度和速度，使信号在数控衰减器控制完成后到达衰减器。数控衰减器每一级的衰减量可分别精确标定，故整个支路的线性度可达到指标要求。另外，在实际中系统的非线性还可通过标定进行补偿修正。
3．4 数据存储与录取
    RCS目标特性测量系统采用直接磁盘存储技术，计算机对目标特性数据(三路目标回波信息、AGC电压以及时统数据)的存储与数据录取采用直接SCSI硬盘记录的方法来实现，满足对数据长时间稳定、可靠、实时、高速的要求，FIFO乒乓存储速度大于20 MHz。方法是采用专门开发的高速SCSI接口板，数据流由采集电路直接送到SCSI硬盘，不经过计算机系统总线，并且不以FAT或NTFS文件格式保存，仅以连续的磁盘扇区记录的方式写入硬盘。记录完成后再由软件转换成标准文件数据。SCSI接口板采用双512 KB SRAM做为缓存，工作时缓存分为两页，其中一页录取外部数据，另一页向NCR35C400(SCSI控制器)写数据，使用逻辑电路控制页面切换。功能框图如图2所示。

4 结 语
    依据以上分析论证，在不改变靶场现有脉冲雷达的跟踪测量性能基础上，由原跟踪测量雷达来完成其原有的跟踪功能，仅在接收机上增加目标特性(RCS)测量通道在理论和工程上都是可行的。目标特性测量是现代靶场的一个重要发展方向，通过在脉冲雷达上加装RCS接收通道进而能实时获取目标RCS值的时间序列流，与相应的轨道参数数据一起进行数据融合分析，提取目标的表面材料的电磁特征等物理量，并能分析目标绕质心运动等参数，与数据库中积累的已有探测目标的数据比对，进而完成所探测目标的分类和识别，并丰富雷达测量数据库，无论对被试品鉴定还是对测控设备挖潜研究都有重要意义。