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[导读]摘要:在现代化战争中,不论是空中目标还是地面目标,雷达散射截面(RCS)是系统设计的一个重要因素。其隐身性能(雷达散射截面RCS)的大小直接影响其生存能力。随着隐身技术的高速发展,对RCS的测试也提出了更高的要求。文中介绍了现代短脉冲仪器雷达,特别是室外RCS测试场的测量原理和设计方法,同时介绍了高性能室内紧缩场以及低RCS散射支架等测试技术的发展。

引言

随着电磁隐身技术在军事装备(特别是飞行器)上的广泛应用,雷达目标电磁散射特性的重要性研究日益突出。目前迫切需要一种目标电磁散射特性的检测手段,以用于目标电磁隐身性能和隐身效果的定量、定性分析。雷达散射截面积RCS(Radar Cross Section)测量是研究目标电磁散射特性的重要方法,雷达目标特性测量作为航天测控领域的一项先进技术,在新型雷达设计过程中得到广泛的应用,它通过在重要的各姿态角位置RCS的测量,可确定目标形状、尺寸。高精度测量雷达一般通过测量目标的运动特性、雷达反射特性、多普勒特性来获取目标信息,其中雷达RCS特性测量即是测量目标的反射特性。

1  雷达散射界面的定义及测量原理

1.1  散射界面的定义

当物体被电磁波照射时,其能量将朝各个方向散射。能量的空间分布依赖于物体的形状、大小、结构以及入射波的频率和特性。能量的这种分布称为散射。这种能量或功率散射的空间分布一般用散射截面来表征,他是目标的一种假想的面积山。雷达散射界面是目标远场特性,其定义是基于平面波照射下目标各向同性散射时“捕捉”到的区域,通常可用雷达有效散射面积来表征这个区域的尺寸:

雷达散射截面测试技术

在这个表达式中,E是入射波强度,E散射波强度,R为远场距离。从式(1)中可以看出,目标的有效散射面积是用目标散射电磁波的能力来描述的,是雷达探测目标可见度的衡量,单位常用分贝(dB)表示,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。

1.2  测量原理

典型的RCS测试示意图如图1所示。通常发射机和接收机有一个小角度的分离以提高隔离度,对于返回的弱小信号则有更高的灵敏度。旋转支架用于改变目标相对于雷达的方向。

雷达散射截面测试技术 

由雷达方程式定义:

雷达散射截面测试技术

大气与高频传输系统损耗。由于接收机所检测到的功率受发射机、接收机内馈线损耗以及沿射线路径的大气损耗等影响,方程式中必须考虑这几个因素,其中C式中的各项与所探测的目标无关,在一次测量中,可以被认为是个常数。根据具体雷达设备的性能,可以在上列方程中引入若干修正项,则目标有效散射面积可表示为σ=CPrR4ρθ,式中:ρ为校准时发射机参考功率与 测量实施时发射机功率之比;。θ为天线偏离雷达波束的的信号衰减量。RCS的测量就是依据式(2)进行的在对方程式中有关项进行校准后,可由雷达系统的目标特性测量支路获取目标回波功率Pr,再由雷达的距离跟踪支路测出距离R,进而来计算出目标的雷达散射截面。从式(2)还可看出,要想精确测量出目标的有效散射截面积,对式中常数项C的精确标定是必不可少的。

2  测量标定

雷达目标散射截面测量中的一个主要问题是如何标定,通常采用测量已知反射截面积的定标体作为标校基准,从而对雷达系统进行标校。这种方法是对整个雷达的校准,简便、实用用精度较高。但主要问题是如何进行精确的标校,即建立已知的RCS与雷达接收机输出物理量(电压或功率)之间严格的对应关系,从而由接收机测量值得到所对应目标的未知RCS值。

RCS测量常选用导体球作为定标体,由于其具有各向同性的优点,容易以此来确定测试精度。导体球在光学区的后向散射截面σsphere=πr2,其中r≥λ,r是球体半径,入是辐射波长。一般可用处于光学区的导体球进行定标。另一种作为定标体的是矩形平板,它的单站散射截面是即如σplate=4π(A22)r2,其中有:VA≥A,故导体球在光学区的雷达散射截面与频率无关,散射截面的振荡特性消失而趋于常数,它等于球的投影面积。当平板的尺寸远远大于波长时,频率相对散射截面非常大,远远大于物理面积这个因素。在室外测量和最近的一些研究与发展经验中,研究人员已经倾向于把短圆柱体作为校准标准。它能更好的消除背景杂波的影响。

3  室外测量

外场RCS测量是获取大型全尺寸目标电磁散射特性的重要手段。室外场测试分为动态测试和静态测试。动态RCS测量是在目标飞行时测量的,动态测量比静态测量具有某些优势,因为它包括了诸如机翼,引擎,推动部件等对雷达散射截面的影响。也能很好的满足远场条件。但其成本较高,并受天气的影响,目标姿态控制困难,角闪烁严重。相比动态测试,静态测试无须跟踪目标,被测目标固定在转台上,不需转动天线,只需通过控制转台旋转角度,就可以实现被测目标360°的全方位测量,因此大大降低了系统的成本及测试费用。同时,由于目标中心相对于天线是静止不动的,姿态控制精度高,并且可以重复测量,不但提高了测量和标定的精度,而且方便、经济、可操作性好。静态测试便于对目标多次测量。

RCS室外测试时,地平面的影响非常大,其外场测试示意图如图2所示。最早想到的方法是把一个范围内安装的大尺寸目标和地平面隔离,但是近年来认为这是几乎不可能完成的。人们认识到最有效的处理地平面反射的方法就是利用地平面作为照射过程的参与者,即创造一个地面反射环境。

雷达散射截面测试技术

室外测量的其缺点是地平面必须非常的平整,雷达天线的高度与频率有关,因为直接路径信号和反射路径的信号在到达目标时需要同相位。同时,地平面的反射率也受到频率和极化方式的影响。尽管如此,基于地面反射的远场测试仍然是外场测试的主要方法,远场距离往往需要很长,并且地平面可处理以控制地面反射区。

4  室内紧缩场测量

理想的RCS测试应在无反射杂波干扰的环境中进行,照射目标的入射场不受周围环境的影响,微波暗室为室内RCS测试提供了良好的平台,通过合理的布置吸波材料可降低背景反射电平,并且使得测试能够在可控的环境中进行,以减少环境的影响。微波暗室最重要的区域称为静区,待测目标或天线置于静区中。其主要性能是静区内杂散电平的大小,常用反射率和固有雷达散射截面两个参数作为微波暗室的评价指标。根据天线和RCS远场条件,R≥2D2λ,故当目标尺寸D很大,波长λ很短时,测试距离R必须很大,为解决这个问题,20世纪90年代后,高性能的紧缩场技术得到发展和应用。图3所示是典型的单反射面紧缩场测试图。紧缩场使用旋转抛物面构成的反射面系统在一个相对较短的距离可把球面波转为平面波,馈源放置在抛物面的焦点,因此得名“紧”。为减小紧缩场静区振幅的锥削和波纹度,反射面的边缘处理为锯齿形。在室内散射测量中,由于暗室尺寸的限制,大多数暗室用做测量缩比目标模型,1:s缩比模型的RCS(δ)与折算成1:1真实目标尺寸的RCS(δ)的关系式为6=S+201gs(dB),而缩比模型的测试频率f应为实际目标测试频率f的s倍。

雷达散射截面测试技术

5  测试支架

进行RCS测试时,目标支架回波是一个重要的背景散射杂波,需要设计特别的低散射支架用以安装和旋转目标、这个旋转轴应能够使目标360°方位角旋转并在高度上45°的变化。目前,RCS测量釆用的目标支架主要有两种:一种是低密度泡沫支架,另一种是低反射金属支架。由于测量时支架与目标一起转动,支架的非圆对称会造成支架回波的起伏,釆用背景抵消技术虽能进行部分补偿,但残余部分的影响在低RCS测量时仍不能忽略。同时,安装目标后,支架的变形减小了背景补偿技术的效果。而泡沫支架强度较小,现广泛应用的金属支架如图4所示,支架内有一如图5所示的转子支撑目标,并可使目标旋转。支架金属外壳呈橄榄形,前缘和后缘制成很尖的锐角,支架朝入射波方向倾斜,以减少后向散射电磁波。前倾角增加可使后向散射减小,实际结构应考虑支架强度和电磁性能等因素。在支架上涂覆吸波材料能够使RCS减少7〜15dB。

雷达散射截面测试技术

支架的关键设计参数是它的后向散射截面和它

对于大目标的物理支撑强度,典型的散射截面值一般是-25~-45dB,承载能力可达到500〜10000磅。

6  测试技术

传统的RCS测试技术一般都是点频方式。使用这种方法仅仅可以得到雷达散射截面以及方位角和频率响应之间的关系,但得不到散射中心的分布。目前室内使用比较普遍的是步进频率RCS测试技术。

6.1  点频方式

该方式首先测出来自支架、地面反射、远区阻挡物等背景的信噪比(S/N),然后再将被测目标放于支撑塔架上并测出来自目标背景的信噪比。通过二次矢量场相减技术(对消)基本可将背景噪声消除,从而得到被测目标的信噪比,然后再根据下列公式计算出目标的信噪比:

雷达散射截面测试技术

式中,K为测量设备的时变物理参数terg为被测目标的散射截面积;R为被测目标到天线的距离(常量),S/Nterg祢为被测目标的信噪比。需要指出的是,K值并非一个固定常量,他与测量设备自身状态、气候、温度等环境因素均有关系,K值只在某一时间段内(测量设备工作稳定,气候、温度等环境变化很小时)为一常量。因此,在每次进行测量的时候(时间跨度较长,环境改变),均需对K值进行重新标定。具体标定方法为:用一已知散射截面积σ的标准金属球放置于支撑塔架上,然后按照上述的方法测出标准金属球的信噪比,从而反算出当前条件下的K值。

6.2  扫频方式

传统的微波暗室测量大多使用点频方式,点频测试最大的优点是设备简单,数据处理速度快。缺陷是每个测量周期(目标相对雷达旋转一周)仅能获得单频点的RCS方位曲线,对于低散射目标,需要添加对消系统来消除暗室背景,且这种背景不易消除。因此,对于低散射物体的测量,点频方式测量系统会造成较大的测量误差,用扫频方法测量则能得到较高的测量精度,步进频率系统就是扫频的一种。

步进频率信号是一种频率呈步进式变化的超宽带雷达信号,它由一串脉冲组成,每个脉冲发射频率不同,频率间的阶跃为固定值。对脉冲回波做快速傅里叶逆变换(IFFT)处理,可以得到目标合成距离高分辨率输出,因而在微波成像、目标识别等雷达系统中广泛使用。其方程为:

雷达散射截面测试技术

式中,f0为起始频率,∆f表示频率步进间隔。对这个频域信号做傅里叶逆变换,可得到其时域形式为:

雷达散射截面测试技术

由此可见,傅里叶逆变换处理出来的结果是一串载频为中心频率的sinc函数。

采用步进频率信号测量与点频连续波相比,可以省去复杂的硬件对消器,从而有效减少了背景杂波的影响。信号经过功率放大器放大后可直接由标准天线发射出去,回波信号通过另一个相隔很近的标准增益天线送入矢量网络分析仪接收端,然后利用矢量网络分析仪的时域功能进行软件对消,从而使测试方案得以简化。

7  结语

隐身RCS测试技术的研究讨论开始于1965年,到现在已经近半个世纪,最早的RCS测试技术是点频连续波方式。随着数字计算机以及仪器计算机控制技术的发展,隐身测试技术已经得到极大的进步,而且紧凑场技术还可以使测量从室外转移到室内,从而使背景对消,雷达镜像,大目标RCS特征更加精确。

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