艦船 RCS 測(cè)試內(nèi)外結(jié)合定標(biāo)方法

李永新，葉宗民

(中國(guó)人民解放軍 91404 部隊(duì)，河北 秦皇島 066000)

艦船 RCS 測(cè)試內(nèi)外結(jié)合定標(biāo)方法

李永新，葉宗民

(中國(guó)人民解放軍 91404 部隊(duì)，河北 秦皇島 066000)

針對(duì)艦船 RCS 測(cè)試的定標(biāo)問(wèn)題，討論從接收機(jī)前端注入標(biāo)準(zhǔn)微波信號(hào)或從發(fā)射機(jī)耦合發(fā)射功率輸入接收機(jī)前端的 2 種內(nèi)定標(biāo)方法，作為修正外場(chǎng)定標(biāo)的依據(jù)。根據(jù)雷達(dá)方程分析外場(chǎng)定標(biāo) RCS 測(cè)量設(shè)備、標(biāo)準(zhǔn)體加工、目標(biāo)跟蹤定位、測(cè)試區(qū)域環(huán)境等主要誤差因素。討論發(fā)射功率、系統(tǒng)非線(xiàn)性、系統(tǒng)穩(wěn)定性、極化損耗等引入的誤差，提出外場(chǎng)定標(biāo)對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體幾何尺寸、表面光潔度以及所需信噪比等要求。通過(guò)內(nèi)定標(biāo)與外定標(biāo)相結(jié)合的方法，解決由于定標(biāo)與測(cè)試間隔時(shí)間過(guò)長(zhǎng)接收機(jī)狀態(tài)出現(xiàn)漂移導(dǎo)致測(cè)試誤差的問(wèn)題，保障艦船 RCS 長(zhǎng)時(shí)間測(cè)試的精度和穩(wěn)定度。

艦船 RCS；內(nèi)定標(biāo)；外定標(biāo)；標(biāo)準(zhǔn)體

0 引 言

掠海水平方向測(cè)試艦船 RCS，是獲取艦船電磁散射特征信息的重要手段，是艦載雷達(dá)研制、性能評(píng)估的重要依據(jù)，用于支撐艦載雷達(dá)作用距離、海雜波抑制、目標(biāo)識(shí)別等能力的設(shè)計(jì)和分析。艦載雷達(dá)在搜索、跟蹤海上目標(biāo)時(shí)，雷達(dá)視線(xiàn)接近于掠海水平狀態(tài)，測(cè)試艦船在小入射余角、海背景條件下的雷達(dá)散射截面數(shù)據(jù)，需對(duì)雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，確定測(cè)試系統(tǒng)的工作狀態(tài)，保證艦船 RCS 測(cè)量精度。

對(duì)雷達(dá)標(biāo)定有 2 種方法，一是在雷達(dá)接收機(jī)前端注入信號(hào)，并改變幅度或相位檢測(cè)接收機(jī)的傳遞函數(shù)。接收機(jī)把所接收的信號(hào)與注入點(diǎn)的射頻功率相關(guān)聯(lián)。各種幅度只能通過(guò)改變信號(hào)振蕩器的輸出與雷達(dá)參數(shù)一起考慮，此種定標(biāo)方法稱(chēng)為內(nèi)定標(biāo)；二是利用已知標(biāo)準(zhǔn)體，用氣球或無(wú)人直升機(jī)將其帶到空中，使雷達(dá)天線(xiàn)的主軸瞄準(zhǔn)己知標(biāo)準(zhǔn)體，測(cè)試已知目標(biāo)后向散射特性，得出目標(biāo)的 RCS 對(duì)接收響應(yīng)的一組 K 值，此種定標(biāo)方法稱(chēng)為外定標(biāo)。

1 定標(biāo)方法

通過(guò)內(nèi)定標(biāo)、外定標(biāo) 2 種方法，建立被測(cè)目標(biāo)的

雷達(dá)散射系數(shù)與回波功率測(cè)量值的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

1.1 內(nèi)定標(biāo)

內(nèi)定標(biāo)方法有 2 種定標(biāo)方式，其一，采用標(biāo)準(zhǔn)微波功率信號(hào)源作為定標(biāo)設(shè)備，在接收機(jī)波導(dǎo)口面注入不同功率信號(hào)，對(duì)回波功率與注入功率之間關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行測(cè)試。其二，從發(fā)射機(jī)到天線(xiàn)的饋線(xiàn)中有一輸出耦合器，從天線(xiàn)到接收機(jī)的饋線(xiàn)中接有另一輸入耦合器。兩定向耦合器之間用標(biāo)稱(chēng)量的衰減器。檢驗(yàn)接收機(jī)輸入功率與輸出功率比值是否發(fā)生變化。內(nèi)定標(biāo)原理框圖如圖 1 所示。

圖1 內(nèi)定標(biāo)原理框圖Fig.1 Calibration principle diagram

內(nèi)定標(biāo)基本方程為：

式中：Pr為接收功率，W；Pt為發(fā)射功率，W；Por為接收機(jī)的信號(hào)輸出功率，W；Poc為接收機(jī)的定標(biāo)信號(hào)輸入功率，W；Lr為接收支路饋線(xiàn)損耗；Lt為發(fā)射支路饋線(xiàn)損耗；Lc為延遲線(xiàn)的衰減值；Ldcr為輸出耦合器的耦合度；Ldct為輸入耦合器的耦合度。

1.2 外定標(biāo)

測(cè)試艦船 RCS 外定標(biāo)通常采用相對(duì)比較法，先對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體進(jìn)行測(cè)量，測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)體的回波功率 Pr0和距離R0，并監(jiān)測(cè)測(cè)量雷達(dá)發(fā)射功率。由于標(biāo)準(zhǔn)體反射面積σ0為已知量，依據(jù)雷達(dá)方程求出系統(tǒng)定標(biāo)系數(shù) K外。

根據(jù)雷達(dá)方程，目標(biāo)回波功率如下式：

式中：Pr為目標(biāo)的回波功率，W；Pt為測(cè)試?yán)走_(dá)發(fā)射功率，W；λ 為測(cè)試?yán)走_(dá)工作波長(zhǎng)，m；G 為測(cè)試?yán)走_(dá)天線(xiàn)增益；σ 為目標(biāo)的雷達(dá)散射截面，m2；R 為目標(biāo)到測(cè)量雷達(dá)的距離，m。

在系統(tǒng)穩(wěn)定的情況下，可以認(rèn)為 λ、G 保持不變。對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體測(cè)量由式（2）可得雷達(dá)外場(chǎng)定標(biāo)系數(shù)，如式（3）所示。

1.3 內(nèi)外結(jié)合定標(biāo)

由于環(huán)境或客觀因素限制，實(shí)際測(cè)試艦船 RCS 過(guò)程中，雷達(dá)外場(chǎng)定標(biāo)與艦船 RCS 測(cè)試不能同時(shí)進(jìn)行，雷達(dá)定標(biāo)與艦船 RCS 測(cè)試可能間隔很長(zhǎng)時(shí)間（可能幾小時(shí)或幾天），測(cè)試艦船 RCS 時(shí)雷達(dá)發(fā)射功率、接收機(jī)狀態(tài)與外場(chǎng)定標(biāo)時(shí)雷達(dá)狀態(tài)相比發(fā)生了變化，直接采用外場(chǎng)定標(biāo)常數(shù) K外1會(huì)引起較大測(cè)量誤差。需對(duì)外場(chǎng)定標(biāo)常數(shù) K外1進(jìn)行修正，保障艦船 RCS 測(cè)量的準(zhǔn)確性。

徦設(shè)測(cè)試艦船 RCS 時(shí)，外場(chǎng)定標(biāo)常數(shù)為 K外2，同時(shí)采用發(fā)射機(jī)耦合功率方式對(duì)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行內(nèi)定標(biāo)K內(nèi)2，測(cè)試艦船 RCS 與測(cè)試前 2 次外定標(biāo)（K外1、K外2）與內(nèi)定標(biāo)（K內(nèi)1、K內(nèi)2）的關(guān)系如式（4）所示。

由式（4）得到式（5）：

從式（5）可看出，假定在雷達(dá)定標(biāo)與艦船 RCS測(cè)試期間，天線(xiàn)增益與雷達(dá)工作波長(zhǎng)發(fā)生的變化可以忽略不計(jì)，雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)的變化只體現(xiàn)在發(fā)射功率與接收機(jī)狀態(tài)的變化。利用內(nèi)外結(jié)合的定標(biāo)方法，可以消除由于接收機(jī)狀態(tài)漂移所帶來(lái)艦船 RCS 測(cè)試誤差。

2 定標(biāo)要求與步驟

2.1 內(nèi)定標(biāo)

內(nèi)定標(biāo)要求與步驟如下：

1）在測(cè)試前，采用標(biāo)準(zhǔn)微波信號(hào)注入法對(duì)接收機(jī)進(jìn)行內(nèi)定標(biāo)。

2）采用的微波信號(hào)源準(zhǔn)確度應(yīng)高于回波信號(hào)功率測(cè)量準(zhǔn)確度的 3～10 倍。

3）微波信號(hào)源的量程應(yīng)大于測(cè)量雷達(dá)輸入信號(hào)的動(dòng)態(tài)范圍。

4）在艦船 RCS 測(cè)試過(guò)程中，采用發(fā)射耦合信號(hào)、衰減器和饋線(xiàn)將功率信號(hào)饋到測(cè)量雷達(dá)高放前端。

5）給定功率源輸出值，利用雷達(dá)數(shù)據(jù)采集記錄系統(tǒng)，記錄接收機(jī)相應(yīng)測(cè)量通道的輸出電平 Pr–Pt，并進(jìn)行顯示監(jiān)控。

6）改變功率值，重復(fù)步驟 5 作出 Pr–Pt校準(zhǔn)曲線(xiàn)。

7）校準(zhǔn)曲線(xiàn)應(yīng)根據(jù)接收機(jī)線(xiàn)性度確定，至少包含12 個(gè)校準(zhǔn)點(diǎn)。

8）采用式（7），通過(guò) 2 次內(nèi)定標(biāo)對(duì)接收機(jī)狀態(tài)漂移進(jìn)行修正。

2.2 外場(chǎng)定標(biāo)

2.2.1 外場(chǎng)定標(biāo)要求

外場(chǎng)定標(biāo)在自由空間使用空心金屬球作為標(biāo)準(zhǔn)體對(duì)雷達(dá)測(cè)試系統(tǒng)進(jìn)行定標(biāo)，具體要求如下：

3）定標(biāo)球應(yīng)滿(mǎn)足一定的升空高度，由標(biāo)準(zhǔn)體及環(huán)境干擾等引起的綜合定標(biāo)幅度誤差應(yīng)不大于 ± 1 dB。

4）標(biāo)準(zhǔn)體的定位誤差應(yīng)控制在 0.3 dB 范圍內(nèi)。

5）在定標(biāo)過(guò)程中，對(duì)標(biāo)準(zhǔn)體累計(jì)信噪比必需高于20 dB。

6）外場(chǎng)定標(biāo)曲線(xiàn)應(yīng)由二點(diǎn)法確定，定標(biāo)點(diǎn)應(yīng)根據(jù)被測(cè)目標(biāo)預(yù)計(jì)的 RCS 范圍選定。

2.2.2 標(biāo)準(zhǔn)體選擇

常用標(biāo)準(zhǔn)體有矩形平板、角反射器、龍泊透鏡反射器、金屬球等。表 1 中列出幾種標(biāo)準(zhǔn)體最大散射截面的計(jì)算公式。

表1 常用標(biāo)準(zhǔn)體的特性Tab.1 Characteristics of commonly used standard

2.2.3 定標(biāo)程序

RCS 外場(chǎng)測(cè)量采用相對(duì)比較法，通常用高空標(biāo)準(zhǔn)球作為定標(biāo)體，標(biāo)準(zhǔn)金屬球系在距氫氣球 100 m 的位置處，然后將氣球升空。跟蹤雷達(dá)捕獲并跟蹤升空標(biāo)準(zhǔn)金屬球體，一般情況下標(biāo)準(zhǔn)球到雷達(dá)距離為600～1200 m，仰角為 10°～20°，同時(shí)記錄雷達(dá)測(cè)出標(biāo)準(zhǔn)體的回波功率 Pr0和距離 R0，并記錄測(cè)量雷達(dá)發(fā)射功率，由于標(biāo)準(zhǔn)體反射面積 σ0為已知量，根據(jù)式（3）求得外場(chǎng)定標(biāo)常數(shù)。

1）利用探空氣球或風(fēng)箏懸吊定標(biāo)金屬球至一定斜距和高度后記錄回波信號(hào)電壓，并計(jì)算雷達(dá)校準(zhǔn)常數(shù)K1。

2）測(cè)量系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)體，并計(jì)算測(cè)量雷達(dá)校準(zhǔn)常數(shù) K2。

3）根據(jù) K1、 K2的平均值 K = （K1+ K2）/2 作為外場(chǎng)定標(biāo)系數(shù)。

4）按照預(yù)計(jì)的目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡，測(cè)量測(cè)試區(qū)域背景電平的幅值。

定標(biāo)曲線(xiàn)如圖 2 所示。

圖2 測(cè)量雷達(dá)定標(biāo)曲線(xiàn)圖Fig.2 Measurement of radar calibration curve

2.3 內(nèi)外定標(biāo)相結(jié)合

內(nèi)外相結(jié)合定標(biāo)步驟如下：

1）測(cè)試系統(tǒng)開(kāi)機(jī)加熱，待雷達(dá)發(fā)射功率、接收機(jī)系統(tǒng)穩(wěn)定工作后，此時(shí)雷達(dá)天線(xiàn)與工作波長(zhǎng)的變化可以忽略不計(jì)。

2）用發(fā)射機(jī)耦合功率輸入接收機(jī)前端，記錄發(fā)射功率 Pt和接收機(jī)功率 Pr，計(jì)算內(nèi)定標(biāo)比值 K內(nèi)1。

3）按照外場(chǎng)定標(biāo)程序?qū)?biāo)準(zhǔn)體進(jìn)行定標(biāo)，記錄發(fā)射機(jī)功率并根據(jù)雷達(dá)方程求出外場(chǎng)定標(biāo)系數(shù) K外1。

4）在測(cè)試艦船 RCS 時(shí)，用發(fā)射機(jī)耦合功率注入接收機(jī)系統(tǒng)，記錄發(fā)射機(jī)功率并計(jì)算內(nèi)定標(biāo) K內(nèi)2。

5）根據(jù)式（7）可求得內(nèi)外合成定標(biāo)系數(shù) K外2，K外2作為測(cè)試艦船 RCS 的定標(biāo)常數(shù)。

3 內(nèi)外結(jié)合定標(biāo)主要誤差因素分析

艦船 RCS 測(cè)試中，主要誤差因素包括測(cè)量雷達(dá)設(shè)備誤差、標(biāo)準(zhǔn)體加工誤差、目標(biāo)跟蹤定位誤差等因素。

3.1 測(cè)量雷達(dá)設(shè)備誤差

在測(cè)試艦船 RCS 定標(biāo)過(guò)程中，測(cè)量雷達(dá)的穩(wěn)定性、精度、靈敏度、動(dòng)態(tài)范圍等都會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生重要的影響。因此從以下幾方面分析測(cè)量雷達(dá)設(shè)備誤差：

1）發(fā)射功率：發(fā)射功率檢波、放大電路的不穩(wěn)定性。

2）系統(tǒng)非線(xiàn)性：復(fù)雜目標(biāo)的動(dòng)態(tài) RCS 一般都具有非常大的動(dòng)態(tài)范圍，所以接收機(jī)的線(xiàn)性范圍將對(duì)RCS 測(cè)量精度產(chǎn)生直接影響。

3）系統(tǒng)穩(wěn)定性：即定標(biāo)與艦船 RCS 測(cè)試時(shí)，接收機(jī)增益發(fā)生了漂移，導(dǎo)致定標(biāo)系統(tǒng)常數(shù)發(fā)生變化。

4）射頻及中頻衰減器引入測(cè)量誤差。

5）極化損耗：如果 RCS 動(dòng)態(tài)測(cè)量雷達(dá)沒(méi)有很好

的極化隔離，則交叉極化會(huì)引起較大的 RCS 測(cè)量誤差。

6）頻率漂移：由頻率漂移引起的 RCS 測(cè)量誤差。

7）發(fā)射機(jī)功率測(cè)量及接收機(jī)增益測(cè)量引入的測(cè)量誤差。

測(cè)量設(shè)備誤差如表 2 所示。

表2 RCS 測(cè)量雷達(dá)設(shè)備誤差模型表Tab.2 Table of error model of RCS measurement radar equipment

3.2 標(biāo)準(zhǔn)球加工精度引起的校準(zhǔn)誤差

在光學(xué)區(qū)，理論上金屬球的 RCS 是各向同性的，但由于機(jī)械公差等因素的影響，球的規(guī)則性、表面的光潔度等方面都會(huì)存在一些問(wèn)題，金屬球的誤差將對(duì)被測(cè)目標(biāo)的 RCS 精度產(chǎn)生很大的影響，如表 3 所示。

表3 標(biāo)準(zhǔn)球加工誤差模型表Tab.3 Table of standard ball machining error model

在艦船 RCS 測(cè)試過(guò)程中，通常采用直徑 φ = 300 mm標(biāo)準(zhǔn)金屬球作為標(biāo)準(zhǔn)體，其標(biāo)準(zhǔn)球的雷達(dá)截面積 σ = 0.07065 m2，轉(zhuǎn)換成對(duì)數(shù)為 σ = –11.5 dBm，圖 3 列出標(biāo)準(zhǔn)球微波暗室測(cè)試曲線(xiàn)。

圖3 標(biāo)準(zhǔn)球暗室測(cè)試曲線(xiàn)Fig.3 The test curve of standard ball chamber

3.3 目標(biāo)定位誤差

雷達(dá)對(duì)目標(biāo)定位誤差引起的定標(biāo)誤差為：

式中：2θ0為天線(xiàn)的 3 dB 波束寬度；θ 為最壞情況的指向誤差。

4 結(jié) 語(yǔ)

通過(guò)以上定標(biāo)主要誤差因素分析，為了保障小入射余角條件下艦船 RCS 的測(cè)量精度和置信度，需對(duì)定標(biāo)進(jìn)行嚴(yán)格質(zhì)量控制，具體措施如下：

1）嚴(yán)格監(jiān)測(cè)雷達(dá)狀態(tài)，確保雷達(dá)狀態(tài)變化在可控范圍內(nèi)，記錄發(fā)射機(jī)功率、極化隔離度、頻率、衰減器等參數(shù)，在定標(biāo)過(guò)程中，接收機(jī)工作在線(xiàn)性范圍內(nèi)，采用內(nèi)外相結(jié)合的方法對(duì)接收的漂移進(jìn)行校正。

2）標(biāo)準(zhǔn)體的幾何尺寸誤差和表面光潔度精度要滿(mǎn)足定標(biāo)要求，在定標(biāo)前，標(biāo)準(zhǔn)體必需經(jīng)過(guò)微波暗室測(cè)量，確保定標(biāo)精度。

3）在定標(biāo)過(guò)程中，確保測(cè)量雷達(dá)對(duì)準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)體，使標(biāo)準(zhǔn)體在雷達(dá) 3 dB 波束范圍內(nèi)。

通過(guò)以上分析，為了精確測(cè)試艦船 RCS，定標(biāo)精度是關(guān)鍵，因此采用內(nèi)外場(chǎng)相結(jié)合的方法，保障定標(biāo)精度。

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Methods of internal and extermal calibration for ship RCS testing

LI Yong-xin, YE Zong-min
(No. 91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066000, China)

This paper is aimed at the problem of ship RCS test calibration, discussed from the front end of the receiver injection standard microwave signal or form a transmitter coupled emission power input receiver two calibration principle and method, as a basis for the correction of external field calibration. According to the radar equation, the main error factors are analyzed, such as external calibration RCS test equipmentstandard body processingtarget tracking and positioningtest area environment and so on. The error of transmission powersystem nonlinearitysystem stabilitypolarization loss and so on are discussed. The standard sizesurface finishand the required signal to noise ratio of the external field calibration are proposed. Through the method of internal calibration and external calibration combination, solve the problem of test error caused by the deviation of the state of the receiver in the time of calibration and test, the accuracy and migration of the RCS long time test are guaranteed.

ship RCS；internal calibration；external calibration；calibration body

TN957.51

A

1672 – 7619(2016)11 – 0125 – 04

10.3404/j.issn.1672 – 7619.2016.11.026

2016 – 07 – 06；

2016 – 08 – 24

李永新(1962 – )，男，高級(jí)工程師，研究方向?yàn)槟繕?biāo)電磁散射特性測(cè)量與建模。