角反射體RCS微波暗室測(cè)量及分析

呂 可，鄭 威

(1.中國(guó)人民解放軍91336部隊(duì)，河北 秦皇島 066326; 2.中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066000)

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角反射體RCS微波暗室測(cè)量及分析

呂 可1，鄭 威2

(1.中國(guó)人民解放軍91336部隊(duì)，河北 秦皇島 066326; 2.中國(guó)人民解放軍91404部隊(duì)，河北 秦皇島 066000)

角反射體雷達(dá)散射截面(RCS)的測(cè)量是雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、成像等研究領(lǐng)域的一個(gè)關(guān)鍵環(huán)節(jié);在對(duì)目標(biāo)RCS測(cè)量原理分析的基礎(chǔ)上,介紹了一個(gè)在微波暗室中基于緊縮場(chǎng)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀測(cè)量目標(biāo)RCS的測(cè)量系統(tǒng);利用該系統(tǒng)對(duì)角反射體垂直姿態(tài)和45°姿態(tài)的RCS進(jìn)行了360度轉(zhuǎn)角掃頻的測(cè)量，結(jié)果與FEKO軟件仿真計(jì)算的結(jié)果對(duì)比表明，兩種方法得到的數(shù)據(jù)走勢(shì)基本一致。

雷達(dá)散射截面；緊縮場(chǎng)；矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀；仿真計(jì)算

0 引言

目標(biāo)雷達(dá)散射截面(RCS)是表征目標(biāo)對(duì)照射電磁波散射能力的一個(gè)物理量,它是雷達(dá)目標(biāo)特性中最基本最重要的一個(gè)參數(shù)[1]。通過(guò)對(duì)目標(biāo)RCS的測(cè)量,不僅可以取得對(duì)目標(biāo)基本散射現(xiàn)象的了解,而且可以獲得大量的目標(biāo)特征數(shù)據(jù),建立目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫(kù),理論上為目標(biāo)電磁散射特性的研究提供理論依據(jù),同時(shí)為下一步進(jìn)行目標(biāo)識(shí)別、反隱身技術(shù)的研究、雷達(dá)等相關(guān)裝備的發(fā)展打下一個(gè)良好的基礎(chǔ)[2-4]。

當(dāng)前獲取目標(biāo)雷達(dá)散射截面(RCS)的途徑包括外場(chǎng)實(shí)測(cè)、微波暗室測(cè)量及建模仿真。外場(chǎng)測(cè)試基本可以滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件但容易受到環(huán)境氣候的影響,獲得超寬帶、高分辨、高精度測(cè)量值的代價(jià)相當(dāng)大。本文在微波暗室中利用緊縮場(chǎng)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀對(duì)裝備試驗(yàn)中的用到的角反射體的RCS進(jìn)行測(cè)量，并通過(guò)仿真計(jì)算驗(yàn)證測(cè)量結(jié)果，為下一步雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、成像等領(lǐng)域研究試驗(yàn)的進(jìn)行打下基礎(chǔ)。

1 RCS測(cè)量原理

RCS是定量表征目標(biāo)散射強(qiáng)弱的物理量，稱(chēng)為目標(biāo)對(duì)入射雷達(dá)波的有效截面積。一般情況下，目標(biāo)RCS的測(cè)量是通過(guò)測(cè)量雷達(dá)回波的功率，按照雷達(dá)方程反算出目標(biāo)的RCS值。若用雷達(dá)發(fā)射天線對(duì)準(zhǔn)目標(biāo)進(jìn)行照射，雷達(dá)接收功率的表達(dá)式為[6]:

(1)

其中：Pt為雷達(dá)發(fā)射功率；Pr為雷達(dá)接收處接收回波功率；Gt，Gr分別為雷達(dá)發(fā)射天線、接收天線的增益；λ為入射雷達(dá)波的波長(zhǎng)，R為目標(biāo)與雷達(dá)之間的距離；σ為目標(biāo)的散射截面積。

由(1)式可以看出，在其它參數(shù)不變的前提下，目標(biāo)散射截面積σ與雷達(dá)接收處的回波功率Pr成正比。若σ以對(duì)數(shù)形式給出，記為σdBsm，即：

(2)

因此，如果知道同一條件下測(cè)得的待測(cè)目標(biāo)回波功率和標(biāo)準(zhǔn)球的回波功率分別是Pr和Pr’，那么待測(cè)目標(biāo)的RCS真實(shí)值為：

(3)

2 測(cè)量系統(tǒng)的組成

微波暗室RCS測(cè)量分系統(tǒng)由緊縮場(chǎng)反射面、饋源、饋源支架(含極化轉(zhuǎn)臺(tái))、被測(cè)目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)及泡沫支架、以及以N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀為核心的寬頻帶RCS測(cè)量子系統(tǒng)等組成。

圖1 緊縮場(chǎng)暗室全景

圖2 RCS測(cè)量系統(tǒng)示意圖(虛線內(nèi)是微波暗室)

2.1 緊縮場(chǎng)

利用緊縮場(chǎng)設(shè)備，可以在室內(nèi)對(duì)較大目標(biāo)進(jìn)行滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件下的測(cè)試。基本原理是借助于透鏡或反射面，校正來(lái)自一個(gè)點(diǎn)源或線源的輻射，使在靠近透鏡或反射面的被測(cè)目標(biāo)或天線由一個(gè)幅度與相位都近似均勻的波前照射，等效于在遠(yuǎn)場(chǎng)條件下平面波照射的效果。緊縮場(chǎng)系統(tǒng)可被視為一個(gè)球面波到平面波的“校正”器，以滿足RCS測(cè)量所需的遠(yuǎn)場(chǎng)條件。由于測(cè)試距離較短，緊縮場(chǎng)系統(tǒng)可以安裝在微波暗室中，使測(cè)試可以不必受天氣影響，并消除了室外環(huán)境雜散電磁波可能對(duì)測(cè)試產(chǎn)生的干擾，提高了測(cè)試的保密性。

本系統(tǒng)中用到的是一種單反射面緊縮場(chǎng)。

2.2 N5230A矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀

矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀不僅作為信號(hào)的收發(fā)設(shè)備,而且還作為測(cè)量設(shè)備,測(cè)量網(wǎng)絡(luò)的S參數(shù)。它既可發(fā)射寬帶步進(jìn)掃頻脈沖信號(hào),也可發(fā)射單載波連續(xù)信號(hào)(簡(jiǎn)稱(chēng)點(diǎn)頻信號(hào))。為了獲得較好的收發(fā)隔離性能，采用了準(zhǔn)收發(fā)合置模式，即微波信號(hào)發(fā)射和接收各用一只饋源，所有饋源都為單線極化形式。

2.3 轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)

包括支持轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)和轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜。轉(zhuǎn)臺(tái)安裝在靜區(qū)的地面上，其上放置待測(cè)物體的泡沫支架，使測(cè)量時(shí)受到的雜波干擾最小。

轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜既可以直接本地HMI控制轉(zhuǎn)臺(tái)，又可以與計(jì)算機(jī)連接，進(jìn)行遠(yuǎn)程計(jì)算機(jī)自動(dòng)控制。

3 角反射體RCS測(cè)量過(guò)程及方法

3.1 角反射體

試驗(yàn)測(cè)試的角反射體如圖3所示，分別測(cè)試角反射體垂直姿態(tài)和45度姿態(tài)的角域RCS值。角反射體邊長(zhǎng)230 mm，倒角邊長(zhǎng)170 mm，金屬板厚度為1 mm。

圖4 角反射體尺寸示意圖

3.2 測(cè)量試驗(yàn)設(shè)置及環(huán)境參數(shù)

測(cè)量試驗(yàn)設(shè)置及環(huán)境參數(shù)如表1～4所示。

3.3 測(cè)量過(guò)程及方法

根據(jù)RCS測(cè)量原理，按照背景電平測(cè)量、定標(biāo)測(cè)量、目標(biāo)體360度轉(zhuǎn)角測(cè)量、測(cè)量數(shù)據(jù)處理4個(gè)步驟進(jìn)行，提取固定頻點(diǎn)的目標(biāo)體角域RCS圖像。具體操作步驟如下：

表1 測(cè)量試驗(yàn)基本參數(shù)表

表2 矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀參數(shù)設(shè)置表

表3 目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)設(shè)置參數(shù)表

表4 測(cè)量環(huán)境參數(shù)表

1)不放置目標(biāo)的情況下，測(cè)量記錄接收饋源處回波情況；

2)在測(cè)量支架上放置RCS已知的標(biāo)準(zhǔn)球，測(cè)量并記錄接收饋源處的回波情況；

3)用被測(cè)角反射體換下標(biāo)準(zhǔn)球，角反射體垂直姿態(tài)放置，以0.5°間隔進(jìn)行360度轉(zhuǎn)角測(cè)量，記錄每個(gè)角度接收饋源處的回波情況；

4)把角反射體以45°姿態(tài)放置，以0.5°間隔進(jìn)行360度轉(zhuǎn)角測(cè)量，記錄每個(gè)角度接收饋源處的回波情況。

4 測(cè)試結(jié)果與仿真數(shù)據(jù)對(duì)比分析

仿真試驗(yàn)采用FEKO軟件建模計(jì)算。FEKO是一個(gè)以矩量法(MOM)為基礎(chǔ)的三維全波電磁場(chǎng)分析軟件，并集成了多層快速多極子方法(MLFMA)、物理光學(xué)法(PO)和一致性幾何繞射理論(UTD)等多種算法，形成了一套完整的電磁計(jì)算體系[9]。對(duì)于關(guān)鍵性的部位使用MM，對(duì)其他重要的區(qū)域(一般都是大的平面或者曲面)使用PO或者UTD，既保證了計(jì)算的準(zhǔn)確性，同時(shí)兼顧了對(duì)計(jì)算機(jī)硬件配置和計(jì)算時(shí)間的要求。與其它基于有限元方法的軟件相比，F(xiàn)EKO 不需要對(duì)吸收邊界、傳播空間網(wǎng)格等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，大大方便了用戶的使用[10]。

4.1 測(cè)量與計(jì)算結(jié)果對(duì)比

測(cè)量和仿真計(jì)算結(jié)果對(duì)比如圖5～6所示。

圖5 角反射體垂直姿態(tài)RCS數(shù)據(jù)對(duì)比

圖6 角反射體45°姿態(tài)RCS數(shù)據(jù)對(duì)比

角反射體RCS值統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)如表5所示。

表5 微波暗室測(cè)量與仿真計(jì)算結(jié)果統(tǒng)計(jì)對(duì)照表

統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)主要關(guān)心RCS結(jié)果數(shù)據(jù)的算術(shù)平均、對(duì)數(shù)平均和中值。

(6)

(7)

概率密度函數(shù)PDF(σ)是一種統(tǒng)計(jì)分布表示，它代表了雷達(dá)截面為給定σ值出現(xiàn)的概率。

累積分布函數(shù)CDF(σ)定義為雷達(dá)截面低于或等于某個(gè)值σ的概率，它由概率密度函數(shù)PDF(σ)曲線積分得到：

(9)

中值，即百分之五十概率值，記作σ50%，即比σ50%高或低的數(shù)據(jù)出現(xiàn)概率各占一半。此時(shí)累積分布函數(shù)按下式計(jì)算：

(10)

4.2 誤差及分析

圖5和圖6分別為角反射體垂直姿態(tài)和45°姿態(tài)的RCS數(shù)據(jù)對(duì)比。結(jié)果表明，角反射體RCS值與該物體的物理形狀密切相關(guān)，在角度上呈現(xiàn)中心對(duì)稱(chēng)和軸對(duì)稱(chēng)的分布。微波暗室里的試驗(yàn)測(cè)量數(shù)據(jù)和FEKO軟件的仿真計(jì)算數(shù)據(jù)走勢(shì)基本一致，其中垂直姿態(tài)仿真計(jì)算的數(shù)據(jù)在一些角度有規(guī)律性的偏高，因此導(dǎo)致仿真計(jì)算的算術(shù)平均、對(duì)數(shù)平均和中值等統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)都比暗室實(shí)際測(cè)量的偏高；在45°姿態(tài)上，仿真計(jì)算的統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)比實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)微微偏低。

引起誤差的因素很多,但大致分為兩個(gè)方面:一是由于RCS測(cè)量設(shè)備本身的誤差,主要包括定標(biāo)球引入的標(biāo)定誤差、目標(biāo)及定標(biāo)球距離測(cè)量引入的誤差、目標(biāo)及定標(biāo)球回波功率測(cè)量引入的誤差、微波及中頻衰減器引入的誤差、雷達(dá)發(fā)射機(jī)輸出功率測(cè)量及接收機(jī)增益測(cè)量引入的誤差等。另外一方面是由于仿真模型與實(shí)際目標(biāo)散射特性不一致帶來(lái)的誤差,包括RCS數(shù)值計(jì)算理論方法的不完善造成的仿真誤差、實(shí)測(cè)模型的焊接點(diǎn)及材料因素在建模時(shí)未考慮進(jìn)去等。這些因素都會(huì)導(dǎo)致測(cè)量數(shù)據(jù)與仿真數(shù)據(jù)結(jié)果不完全一致的現(xiàn)象。

5 結(jié)論

微波暗室內(nèi)RCS的測(cè)量研究是目前我國(guó)隱身與反隱身技術(shù)研究的有效手段?；诰o縮場(chǎng)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀構(gòu)建的微波暗室內(nèi)的RCS測(cè)量系統(tǒng)具有占地空間小、測(cè)量精度高及操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)。本文利用該系統(tǒng)，對(duì)角反射體垂直姿態(tài)和45°姿態(tài)的RCS進(jìn)行了360度轉(zhuǎn)角掃頻的測(cè)量，并提取了固定頻點(diǎn)的RCS數(shù)據(jù)。測(cè)量結(jié)果與FEKO軟件仿真計(jì)算的結(jié)果對(duì)比表明，兩種方法得到的數(shù)據(jù)走勢(shì)基本一致，具有較高的準(zhǔn)確度。對(duì)角反射體散射測(cè)量結(jié)果可以作為標(biāo)定參考，應(yīng)用于下一步雷達(dá)目標(biāo)識(shí)別、成像等領(lǐng)域研究試驗(yàn)中。

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Measurement and Analysis of Corner Reflector’s RCS in Microwave Anechoic Chamber

Lü Ke1,Zheng Wei2

(1.Unit 91336 of PLA, Qinhuangdao 066326, China; 2.Unit 91404 of PLA, Qinhuangdao 066000, China)

Corner reflector’s radar cross section measurement is important in many fields, such as radar target recognition and radar imaging. Based on the principle of target’s RCS measurement, a measurement system in microwave anechoic chamber is presented. The measurement system mainly takes advantage of the CATR and vector network analyzer. With this system, the vertical and 45°attitude of the corner reflector’s RCS is measured in sweep frequency of 360 degree. Compared with the result calculated by FEKO simulation software, the trend of the data got by two methods is almost consistent.

radar cross section; CATR; vector network analyzer; simulation calculation

2016-03-205；

2016-04-18。

呂 可(1987-)，女，山東菏澤人，工程師，碩士，主要從事雷達(dá)對(duì)抗仿真方向的研究。

1671-4598(2016)09-0028-04DOI：10.16526/j.cnki.11-4762/tp

TM

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