RCS動態(tài)測量雷達定標(biāo)及其不確定度分析

王 震, 林 剛

(中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089)

RCS動態(tài)測量雷達定標(biāo)及其不確定度分析

王 震, 林 剛

(中國飛行試驗研究院,陜西 西安 710089)

測量雷達定標(biāo)是影響飛機RCS動態(tài)測量精度的關(guān)鍵因素。根據(jù)RCS動態(tài)測量基本原理,分析了RCS動態(tài)測量雷達的定標(biāo)技術(shù),包括定標(biāo)體、定標(biāo)距離、懸掛方式、定標(biāo)時機等內(nèi)容,詳細討論了影響定標(biāo)精度的各種因素。結(jié)合實際測量流程對測量雷達的定標(biāo)不確定度進行了分析,最后對RCS測量不確定度評估結(jié)果的準(zhǔn)確性進行了驗證。

動態(tài)測量；雷達定標(biāo)；不確定度

0 引言

RCS動態(tài)測量能夠反映目標(biāo)在運動時的散射特性,是獲取目標(biāo)在真實背景環(huán)境下電磁散射特征的唯一手段,對于科學(xué)、客觀地評價飛機的隱身性能及其戰(zhàn)場突防能力具有非常重要的參考價值。測量雷達定標(biāo)作為RCS動態(tài)測量的關(guān)鍵環(huán)節(jié),直接影響了RCS動態(tài)測量的精度。為了提高RCS動態(tài)測量數(shù)據(jù)的可靠性,本文在總結(jié)實際工作經(jīng)驗的基礎(chǔ)上,對測量雷達定標(biāo)技術(shù)進行了全面分析,并對某測量雷達的定標(biāo)測量不確定度及RCS測量結(jié)果的準(zhǔn)確性進行了評估,有助于促進RCS動態(tài)測量技術(shù)的發(fā)展。

1 基本原理

RCS動態(tài)測量通常采用基于雷達方程的比較測量法。根據(jù)雷達方程,目標(biāo)的RCS可表示為

式中:σ為目標(biāo)RCS;P為雷達接收的目標(biāo)回波功率;R為目標(biāo)到雷達的徑向距離;Pt為雷達發(fā)射功率;G為雷達天線增益;λ為雷達工作波長;Lt為發(fā)射支路損耗因子;Lm為單程大氣衰減因子;Lr為接收支路損耗因子;Lp為極化損耗因子。

假設(shè)在RCS動態(tài)測量過程中,測量雷達技術(shù)狀態(tài)保持穩(wěn)定,則式(1)可變?yōu)?/p>

設(shè)標(biāo)準(zhǔn)體的RCS為σs,則有

根據(jù)式(3),利用測量已知RCS標(biāo)準(zhǔn)體的回波功率,可以求得雷達系數(shù)K值,從而完成雷達定標(biāo)。

2 測量雷達定標(biāo)技術(shù)

測量雷達定標(biāo)是動態(tài)RCS測量的關(guān)鍵,選擇合適的定標(biāo)試驗條件是提高動態(tài)RCS測量質(zhì)量的前提。

（1）定標(biāo)體的選擇

由于金屬球的RCS各向同性,其單站的RCS與視向角無關(guān),僅隨球的電尺寸而變化,避免了定標(biāo)過程中定標(biāo)體姿態(tài)控制等復(fù)雜技術(shù)問題,因而在動態(tài)測量中廣泛使用。金屬球的散射精確解為Mie級數(shù),其對數(shù)形式如圖1所示。

由圖1可知,當(dāng)金屬球電尺寸在光學(xué)區(qū)時,即滿足2πa/λ＞10,其RCS趨向于幾何投影面積πa2［1］。為了提高測試精度,一般選擇在光學(xué)區(qū)進行雷達定標(biāo)。但對于低頻測量雷達,在光學(xué)區(qū)定標(biāo)時要求金屬球尺寸較大,不論從工藝制作還是試驗都較難實施,因此可選擇在瑞利區(qū)或諧振區(qū)進行定標(biāo)。

（2）定標(biāo)方式

圖1 金屬球精確解析解

動態(tài)測量時,通常采用兩種定標(biāo)方式?？梢圆捎锰娇諝馇驊覓旖饘偾虻姆绞綄y量雷達進行定標(biāo),該方法成本低,但容易受氣流等環(huán)境因素的影響,且實時性較差。也可以采用試驗機拖曳金屬球的方式進行定標(biāo),該方法雖然成本較高,但受環(huán)境影響較小,實時性較好,可以在RCS動態(tài)測量過程中穿插多次對測量雷達進行定標(biāo)。需要特別注意的是在定標(biāo)過程中要求懸掛金屬球的繩子足夠長,同時考慮風(fēng)速、風(fēng)向?qū)K子的影響,據(jù)此規(guī)劃定標(biāo)體與測量雷達間的相對位置,使氣球或試驗機不出現(xiàn)在測量雷達波束內(nèi),確保定標(biāo)數(shù)據(jù)的有效性。

在定標(biāo)時機方面,應(yīng)根據(jù)測量雷達的穩(wěn)定性,盡可能縮小動態(tài)測量過程與定標(biāo)過程的時間間隔,最大程度上減小環(huán)境變化對RCS測量精度的影響,提高測量數(shù)據(jù)的可靠性。

（3）定標(biāo)距離

由RCS動態(tài)測量的基本原理可知,雷達定標(biāo)系數(shù)K值與距離無關(guān),所以定標(biāo)距離的選擇一般由測量雷達盲區(qū)、測量信噪比及遠場測量條件等因素決定。

3 RCS定標(biāo)的測量不確定度分析

在RCS測量雷達定標(biāo)過程中,設(shè)備因素、環(huán)境因素、定標(biāo)體加工精度等因素都會給定標(biāo)精度帶來一定的影響,從而導(dǎo)致定標(biāo)數(shù)據(jù)的起伏。為了更好地理解測量誤差,提高數(shù)據(jù)質(zhì)量,利用數(shù)值仿真、試驗測量、理論分析以及工程經(jīng)驗等手段對動態(tài)RCS定標(biāo)過程的測量不確定度進行分析。

(1)設(shè)備因素

由測量設(shè)備引入不確定性的主要因素:天線定位誤差、交叉極化、能量漂移、頻率漂移、非線性、測距精度和I/Q不平衡性等［2,3］。天線定位誤差、測距精度所引入的測量不確定度由雷達跟蹤精度決定［4］,該指標(biāo)也是引起平均照度誤差的主要因素。能量漂移、非線性以及I/Q不平衡性所引入的測量不確定度均可通過雷達校準(zhǔn)試驗給出評估。非線性誤差引入的測量不確定度需要在雷達接收機整個線性動態(tài)范圍內(nèi)進行評估。能量漂移主要由時間和環(huán)境溫度的變化引起,一般利用測量雷達的短期穩(wěn)定性評估定標(biāo)過程中由該因素引入的測量不確定度。

以某型測量雷達為例,由設(shè)備因素引入的部分測量不確定度評估測試結(jié)果如圖2所示。

圖2 設(shè)備因素引入的部分測量不確定度評估測試結(jié)果

圖2(a)為接收通道I/Q不平衡性測量結(jié)果。測量雷達接收通道的直流偏置為ΔI0=0.232 7, ΔQ0=―33.998 8,接收通道基準(zhǔn)增益為104 7.116 9,由接收通道I/Q不平衡性引入的測量不確定度為0.36 dB;圖2(b)為接收通道非線性誤差測試結(jié)果,該部分引入的測量不確定度為0.25 d B。

（2）環(huán)境因素

背景噪聲、近場照射以及多路徑反射等構(gòu)成了影響RCS動態(tài)測量的環(huán)境因素。由于測量雷達定標(biāo)時,定標(biāo)體升空高度較高,且由于定標(biāo)體尺寸較小,遠場條件容易滿足,近場照射以及多路徑反射對動態(tài)RCS測量定標(biāo)的影響很小,因此背景噪聲成為影響定標(biāo)結(jié)果的主要因素。背景噪聲對RCS測量精度的影響如圖3所示。

圖3 背景噪聲對RCS測量精度的影響

由圖3可知,當(dāng)測量過程中信雜比優(yōu)于20 d B時,背景噪聲引入的誤差可控制在1 d B以內(nèi),如要提高RCS動態(tài)測量精度,則在定標(biāo)過程中應(yīng)盡可能在高信雜比條件下進行測量。

（3）定標(biāo)體加工精度引入的誤差

RCS動態(tài)測量采用的金屬球理論上是各向同性的,但由于機械加工誤差等因素的影響,球的規(guī)則性、表面光潔度等都會在雷達定標(biāo)過程中引入誤差［3］,在毫米波段測量時,該因素引入的測量誤差更大。以直徑為249 mm的金屬球為例,當(dāng)金屬球直徑加工誤差為0.5 mm,表面粗糙度為0.05 mm時,在高頻段測試時,由定標(biāo)體加工精度引入的測量不確定度為0.04 dB。具體估算方法可參考文獻［5］。

（4）RCS定標(biāo)測量不確定度估計及驗證

根據(jù)雷達方程,假設(shè)方程中各變量之間相互獨立或近似獨立,利用式(4)即可得出RCS動態(tài)測量過程中定標(biāo)的綜合不確定度為

式中:Δσi為各不確定度分量;σ0為測量值的最優(yōu)估計。

利用直徑為249 mm的金屬球?qū)δ硿y量雷達進行定標(biāo),依據(jù)上述的分析過程,該測量雷達定標(biāo)的測量不確定度評估結(jié)果如表1所示。

表1 某型測量雷達定標(biāo)測量不確定度

表中:S為數(shù)值仿真;M為試驗測量;T為理論分析;E為工程經(jīng)驗。

由表1可知該測量雷達定標(biāo)的測量不確定度為0.7 dB,則通過迭代對金屬球RCS測量不確定度估計為1.0 dB,對應(yīng)的測量不確定度區(qū)間為［―1.0,0.81］dB。金屬球RCS測量結(jié)果如圖4所示。

4 結(jié)束語

圖4 金屬球RCS測量結(jié)果

雷達定標(biāo)是RCS動態(tài)測量過程中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),本文根據(jù)實際工程經(jīng)驗對雷達定標(biāo)技術(shù)進行了較為全面的分析,同時利用實測數(shù)據(jù)對雷達的定標(biāo)測量不確定度進行了分析和驗證,對于準(zhǔn)確評估復(fù)雜目標(biāo)的電磁散射特性具有重要意義,為提高RCS動態(tài)測量精度,確保數(shù)據(jù)質(zhì)量奠定了基礎(chǔ)。

［1］Merrill I.Skolnik,王軍,等.雷達手冊［M］.北京:電子工業(yè)出版社,2003.

［2］林曉煥,林剛,馬訓(xùn)鳴.RCS動態(tài)測量結(jié)果的不確定度分析［J］.微電子學(xué)與計算機,2008,25(3).

［3］Lorant A.Muth,Dale M.Diamond,John A.Lelis. Uncertainty Analysis of Radar Cross Section Calibrations at Etcheron Valley Range［R］.National Institute of Standards and Technology,2004.

［4］J.Sorgnit,P.Mora,L.A.Muth,etc.Uncertainty Analysis Procedures for Dynamic Radar Cross Section Measurement at the Atlantic Test Range［R］.National Institute of Standards and Technology,1998.

［5］楊沛,鄒永杰,康鵬.外場RCS測量常用標(biāo)校方法分析比較［J］.電子科技,2011,24(3).

The Calibration of RCS Measuring Radar and Uncertainty Analysis

WANG Zhen, LIN Gang
(China Flight Test Establishment,Xi'an Shaanxi 710089,China)

The calibration of measuring radar is considered as the key factors that affect the dynamic RCS measurement accuracy of aircraft.Based on the fundamental theory of dynamic RCS measurement,the calibration technology of RCS measurement radar is analyzed, including calibration object,calibration distance,hanging way and calibration timing,etc. The factors that affect the calibration accuracy are discussed and in conjunction with the actual measurement process,the uncertainties of measuring radar calibration are analyzed.Finally,the precision of the evaluation results of the RCS measurement uncertainty is verified.

dynamic measurement;radar calibration;uncertainty

TN011

A

1671-0576(2014)04-0033-04

2014-09-12

王 震(1983―),女,工程師,主要從事目標(biāo)特性測試及數(shù)據(jù)分析研究;林 剛(1971―),男,研究員,主要從事目標(biāo)特性與隱身技術(shù)研究。