基于掃頻RCS測量的便攜式吸波涂料測量儀

王亮，薛明華，洪韜

(北京航空航天大學電子信息工程學院，北京100191)

現(xiàn)代裝備，如各種飛機、軍艦等，為減小敵方雷達的發(fā)現(xiàn)概率，采用了不同程度的隱身措施。在裝備表面涂覆雷達吸波涂料RAC(Radar Absorbing Coating)來減小雷達散射截面已成為一種重要的方法。通常表征吸波涂料隱身特性的基本參量是其對電磁波的反射率，表達式為:

式中V反是涂料的反射電壓，V入是涂料上的入射電壓，P反是涂料的反射功率，P入是涂料的入射功率。上式也可以理解為在給定的波長和極化的條件下，電磁波從同一方向、以同一功率密度入射到雷達吸波涂料平面和良導體平面，雷達吸波涂料平面與同尺寸良導體平面兩者鏡面方向反射功率之比。

常用的傳統(tǒng)方法[1]主要有遠場RCS測試法、弓形測試法、樣板空間平移測試法等。這些方法均要求在微波暗室內進行測試，并且無法對已經(jīng)涂覆于機體表面的材料進行測試。近年來，一些便攜式反射率測試儀相繼被研制出來[2]，均采用檢波方案，存在測量精度不高、動態(tài)范圍小的缺點。本文提出并實現(xiàn)了一種基于掃頻RCS測量原理的便攜式吸波涂料反射率測試設備。與傳統(tǒng)方法相比，本設備簡單、測試靈活；與其他的便攜式方法相比，具有精度更高、性能穩(wěn)定的優(yōu)點。

1 掃頻測量原理

掃頻RCS系統(tǒng)也稱線性調頻系統(tǒng)，其結構如圖1和圖2所示。其中fi是發(fā)射頻率，fr是回波頻率，f0是中頻信號頻率，τ是延遲時間，B是掃頻信號帶寬，T是掃頻信號持續(xù)時間，c是光速，R是目標到混頻器信號端口的距離。

根據(jù)掃頻RCS系統(tǒng)原理[3]，混頻器輸出的中頻信號中包含有與目標距離成線性關系的頻率分量:

混頻器輸出的中頻信號表達式為:

式中SR(t)是輸出的中頻信號，E0(t)是中頻信號的包絡，φ是相位，且有:

由式(3)可以看出:

(1)其頻率f0正比于發(fā)射帶寬B及延遲時間τ，反比于掃頻時間T，即f0=Bτ/T。假如目標區(qū)有多個反射回波源，中頻信號應包含所有反射信號的矢量和。

(2)基于頻率與f0目標的距離R呈fc=2BR/cT的正比關系，對頻率的分辨率也是對距離的分辨率。其幅度(或信號包絡)E0(t)反映了目標在t時刻對雷達波的反射強度；由掃頻測量體制中微波掃頻頻率fi[f0-B/2，f0+B/2]與信號持續(xù)時間t[0，T]的相關性可知,信號幅度隨時間的變化規(guī)律E0(t)也是其隨發(fā)射頻率的關系曲線E0(fi)。根據(jù)定義:若對回波信號進行檢波取出包絡E0(fi)，再對包絡取模平方，即是反射率與發(fā)射頻率的關系曲線。

獲取目標反射率隨掃頻頻率變化的曲線圖的過程簡述如下:

(1)首先對采樣數(shù)據(jù)作背景對消處理，然后做N點FFT處理實現(xiàn)距離向(或稱頻率)分辨；這里N為序列字長。然后采用硬件或軟件門將一維成像非目標區(qū)內的雜散噪聲信號頻率進一步濾除，從而只保留目標區(qū)頻帶內的數(shù)據(jù)。

(2)對保留數(shù)據(jù)作IFFF，得到目標區(qū)相應的時域波形，記為Si(t)，由于線性掃頻體制中時域回波信號亦是掃頻發(fā)射頻率的函數(shù)，所以Si(t)可以用Si(fi)表示。

(3)對電壓信號Si(fi)取平方，得到回波信號的瞬時功率P(t)或P(fi)的波形，其包絡就是目標RCS隨頻率的幅度分布。

(4)為獲得P(fi)包絡，再一次FFT得到P(fi)的功率譜分布，該譜中低頻區(qū)的譜線代表包絡，高頻譜是載波fc。

(5)用數(shù)字濾波將低頻區(qū)的包絡譜濾出。再對包絡譜作IFFT便可恢復反射功率的包絡波形，也即RCS和掃頻發(fā)射頻率的關系曲線。

2 系統(tǒng)結構分析和實現(xiàn)過程

本測試儀用于對平板型吸波涂料進行快速性能檢測。頻率特性采用分波段控制，可覆蓋2 GHz～18 GHz范圍。對反射率測量的動態(tài)范圍大于40 dB。圖3給出了本系統(tǒng)的框圖。

測量儀由嵌入式工控計算機、USB采集和控制模塊、微波系統(tǒng)、延時電纜、各波段測試探頭、定標校準件組成。工控機內裝計算機操作系統(tǒng)，有上位機軟件，完成系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理和儲存、結果顯示等操作。USB采集模塊由A/D芯片、USB芯片CY7C68013組成，完成從放大器采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過USB總線傳送到電腦的功能。

中頻信號由放大器經(jīng)過USB芯片采集后傳輸?shù)角度胧焦た貦C，在計算機內部進行數(shù)據(jù)處理。其關鍵和難點是USB芯片的固件和驅動程序的編寫。當芯片上電時，首先由缺省USB設備進行枚舉。此款USB芯片具有軟配置的特點。枚舉完成以后，就可以通過USB的連接線將固件代碼下載到芯片的RAM內。之后8051就會脫離復位并開始運行這些代碼，并且再一次進行枚舉，這個過程叫做重枚舉。

CYPRESS公司為用戶提供了固件程序框架和固件函數(shù)庫，根據(jù)外設功能的具體要求，在相應的函數(shù)中填寫函數(shù)體，就可以完成自定義功能。固件函數(shù)框架包含初始化、處理標準USB設備請求以及USB掛起時的電源管理等。框架完成了一個簡單的任務循環(huán)，其任務調度的步驟如下:

(1)調用用戶函數(shù)TD_Poll()。這部分程序由開發(fā)者填寫，以實現(xiàn)USB外設的主要功能。

(2)判斷是否有標準設備請求等待處理。如果有，則分析該請求并響應。

(3)判斷USB內核是否收到USB掛起信號。如果收到，則調用用戶函數(shù)TD_Suspend()。從該函數(shù)成功返回以后(返回值為TRUE)，再檢測是否發(fā)生USB喚醒事件。如果未檢測到，則處理器進入掛起方式；如果檢測到，則調用用戶函數(shù)TD_Resume()，程序繼續(xù)運行。如果從TD_Suspend函數(shù)返回FALSE，則程序繼續(xù)運行。流程圖如圖4。

這個框架包含以下函數(shù)掛鉤:void TD_Init(void)；void TD_Poll(void)；BOOL TD_Suspend(void)；void TD_Resume(void)。

以上為任務分配器，分別在框架初始化、設備工作期間、框架進入掛起狀態(tài)之前、被外部的喚醒事件喚醒且恢復處理之后調用。此外還有9個設備請求函數(shù)和8個USB中斷函數(shù)需要用戶自己設置。

驅動程序采用的是CYPRESS提供的通用驅動程序，這是一個可以使用應用程序通過I/O控制來訪問的通用驅動程序。用戶使用Win32函數(shù)DeviceIoControl()來提交I/O控制碼，并且為CreateFile()函數(shù)返回的設備句柄設置I/O緩沖區(qū)。DeviceIoControl()的函數(shù)原型為:

IOCTL和相應的輸入、輸出結構在開發(fā)軟件包的ezusbsys.h中作出了定義。WindowsDDK提供的USB100.H提供了標準的USB的I/O結構。

本測試儀的工控計算機內部應用軟件使用了Visual C++，具有以下主要功能:設置掃頻源的工作模式與掃頻參數(shù)；設置控制/中頻單元的工作參數(shù)；保存回波的采樣數(shù)據(jù)；計算RCS，并分別得到目標RCS關于時間及頻率變化的曲線；RCS數(shù)據(jù)保存與打印輸出。

在軟件編寫的過程中，曲線繪制利用了實驗室內部開發(fā)的繪制一維曲線類CCurve。該類可實現(xiàn)以下功能:根據(jù)數(shù)據(jù)繪制一維曲線，放大、縮小曲線，標注曲線關鍵點，移動關鍵點的位置，更改曲線坐標范圍，計算曲線選定范圍內的均值。

為了便于程序維護，掃頻測量條件下目標RCS計算所需的函數(shù)均被封裝在名為CDataProcess的數(shù)據(jù)處理類中。CDataProcess類的成員變量包括待處理數(shù)據(jù)的指針、定標數(shù)據(jù)的指針以及處理過程中必需的參數(shù)信息。用戶可通過調用該類的成員函數(shù)進行RCS的計算。

USB芯片內部集成有8051內核，控制16 bit D/A輸出鋸齒波掃描電壓，該電壓經(jīng)過低通濾波器平滑,作為恒溫VCO的掃頻控制電壓。掃頻信號經(jīng)過定向耦合器主路作為混頻器的本振信號，耦合器支路輸出信號經(jīng)微波放大器達到18 dBm左右的功率值，該信號經(jīng)環(huán)形器、4 m同軸電纜到達測試探頭。探頭的反射波經(jīng)環(huán)形器的另一端口到達混頻器的信號端口。

雖然發(fā)射信號通過環(huán)形器對混頻器信號口的直漏功率比目標最大回波功率大10 dB左右，但由于4 m延時電纜相當于自由空間5 m，故兩者頻率相差較大，通過帶通濾波并放大后，可保證計算機采集到比較理想的目標回波。為限制泄漏信號過大而使混頻器飽和，在混頻器信號口加一個衰減器，控制泄漏信號電平小于0 dBm。當然衰減器的引入使混頻器動態(tài)范圍減少了10 dB左右，但還可保證混頻器至少有40 dB以上的測量動態(tài)范圍。而其他的便攜式測量方案采用檢波方法，最大動態(tài)范圍也很難做到40 dB。這是采用掃頻系統(tǒng)的最大優(yōu)點。

3 實驗結果與結論

在掃頻測量體系中，誤差的來源主要是混頻器的線性度不夠，為了使測量更加準確，測量系統(tǒng)先對短路終端進行掃頻測量及信號采集，將對短路板的采樣信號作為對比標準存起來。然后在同樣條件下對被測目標體進行掃頻測量，對2組數(shù)據(jù)進行上述信號處理，然后將2組數(shù)據(jù)對應相減，即是目標反射率隨頻率變化的數(shù)據(jù)。

對某吸波涂料樣板進行測試，將實測數(shù)據(jù)與廠家標準數(shù)據(jù)進行對比，見表1。

由表1數(shù)據(jù)可以看出，在反射率比較小時，實測數(shù)據(jù)與標準數(shù)據(jù)相差較大，在反射率比較大時，誤差較小，處于要求的誤差范圍內，能夠反映吸波涂料的吸波性能。

本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的測量方法以及以往的便攜式測量方法相比，具有以下優(yōu)勢:

(1)使用恒溫VCO作為信號源，掃頻速度快，使用D/A建立掃頻電壓可任意控制掃頻時間。

(2)掃頻方法可縮短電纜距離，回波信號頻率高，便于濾波處理。

(3)信號處理方法使用成熟的RCS信號處理方法。(4)動態(tài)范圍大，可以做到大于40 dB。

表1 廠家數(shù)據(jù)與測量數(shù)據(jù)對比圖

[1]呂嬰.雷達吸波材料吸收性能檢測.航空非金屬材料學術研討會[C].山西:1991.

[2]梁沂.便攜式吸波涂料吸波性能測試系統(tǒng)的研究[J].微波學報，2005，21(4):60-62.

[3]薛明華，王振榮.掃頻RCS測試系統(tǒng)原理及應用[J].航空電子技術，1996(4):20-25.