變俯角RCS測量雜波干擾抑制技術(shù)研究

劉增燦,王 森，張?zhí)觳?/p>

(中國兵器工業(yè)第五九研究所， 重慶 400039)

【基礎(chǔ)理論與應(yīng)用研究】

變俯角RCS測量雜波干擾抑制技術(shù)研究

劉增燦,王 森，張?zhí)觳?/p>

(中國兵器工業(yè)第五九研究所， 重慶 400039)

針對地面武器裝備變俯角隱身特性精確測量需求，結(jié)合仿真模擬與測量試驗(yàn)分析了變俯角自由空間場目標(biāo)RCS測量中的背景干擾，設(shè)計(jì)了低俯角雷達(dá)柵屏蔽地面反射波和中高俯角集成應(yīng)用強(qiáng)吸波材料鋪設(shè)、距離門及背景對消的變俯角背景干擾綜合抑制方案，通過試驗(yàn)驗(yàn)證抑制方案大大降低了地雜波背景干擾對目標(biāo)RCS測量影響，有效保障了地面武器裝備隱身特性檢測精度。

變俯角；RCS；雜波抑制；自由空間場

雷達(dá)散射截面(RCS)是表征目標(biāo)雷達(dá)隱身性能的重要指標(biāo)，室外場目標(biāo)RCS測量方法有自由空間場和地面平面場兩種。自由空間場是指抑制或消除地面反射波的雷達(dá)目標(biāo)散射特性測試場[1]。自由空間目標(biāo)雷達(dá)散射特性(用雷達(dá)散射截面即RCS表征)測量時(shí)雷達(dá)波束不僅照射到被測目標(biāo)，同時(shí)也照射到除目標(biāo)以外測試區(qū)域，雜波作用與目標(biāo)真實(shí)回波耦合不能有效分開，且變俯角下視測量時(shí)由于雷達(dá)回波空間傳輸路徑的改變雜波干擾也隨之變換，使得不能有效獲取目標(biāo)RCS真實(shí)值，影響到目標(biāo)隱身性能的準(zhǔn)確測量與評估。

為解決室外自由空間場地面目標(biāo)變俯角下視測量時(shí)的背景雜波干擾問題，本文通過對背景干擾源試驗(yàn)檢測與仿真分析，提出雷達(dá)柵屏蔽和吸波材料吸收的背景雜波綜合干擾抑制方案，有效降低了背景干擾，提高了目標(biāo)RCS測量精度，為地面武器裝備的雷達(dá)隱身性能檢測評估及隱身材料工程化應(yīng)用提供了技術(shù)支撐。

1 RCS測量背景雜波干擾分析

1.1 測試區(qū)地面反射雜波影響

根據(jù)測試場實(shí)際情況，測試區(qū)域(雷達(dá)到目標(biāo)之間的場地)為斜向上水泥面(傾角約2°)。根據(jù)電磁波傳輸原理，當(dāng)雷達(dá)在低俯角(0°～20°)測量時(shí)，地面反射雜波包括地面直接散射雜波和經(jīng)地面到達(dá)目標(biāo)的二次反射雜波(如圖1所示)，其對目標(biāo)后向散射測量產(chǎn)生重要影響。同時(shí)根據(jù)互易定理，目標(biāo)部分回波也將經(jīng)由地面與地面發(fā)射作用后再回到雷達(dá)接收天線，因此，地面的反射作用是雙程的，地面的干擾對目標(biāo)的準(zhǔn)確測量不可忽略。

圖1 變俯角自由空間場目標(biāo)測試雜波干擾示意圖

建立了場地電波傳輸模型，模擬計(jì)算地面反射波干擾及多路徑傳輸影響(如圖2所示)[2-4]。由圖2模擬結(jié)果可知：無雷達(dá)柵時(shí)RCS衰減起伏變化較大，而有雷達(dá)柵時(shí)[5]，RCS相對自由空間衰減較小，衰減變化也較為平坦。并且雷達(dá)柵到目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)間的地面反射系數(shù)越小(地面越平整光滑)，RCS衰減起伏越小，地面反射波干擾越小[6-7]。說明地面反射波對目標(biāo)區(qū)的散射回波具有重要影響,必須進(jìn)行抑制。

圖2 地面反射波干擾模擬計(jì)算圖

同時(shí)，在室外測試場開展了三面角反射器標(biāo)準(zhǔn)體RCS測量背景雜波干擾試驗(yàn)(如表1)。根據(jù)角反射器方向特性可知，當(dāng)角反射器口面法線相對于測試?yán)走_(dá)的波束中心偏離2°以內(nèi)時(shí)，其RCS的波動(dòng)不會(huì)大于1 dB[8]，但從實(shí)際測試數(shù)據(jù)的統(tǒng)計(jì)結(jié)果看，在3 cm波段角反射器放置高度僅變化20 cm，即角度變化只有0.1°左右時(shí)，其RCS波動(dòng)就達(dá)到十幾分貝，這完全排除人為操作和設(shè)備誤差的可能性，只能說明在測試中受到了地面反射波的影響。

表1 3 cm波段試驗(yàn)結(jié)果統(tǒng)計(jì)

可見，在低俯角范圍內(nèi)，從理論模擬和外場實(shí)測試驗(yàn)結(jié)果分析，地面反射波對目標(biāo)RCS測量的影響都不可忽略，必須采取措施抑制或消除地面反射波雜波的干擾。

1.2 目標(biāo)區(qū)域背景雜波影響

當(dāng)雷達(dá)測量俯角在20°以上時(shí)，雷達(dá)波束照射區(qū)域集中在目標(biāo)支撐方位旋轉(zhuǎn)平臺(tái)區(qū)域，旋轉(zhuǎn)平臺(tái)背景因素對目標(biāo)測量影響最大。旋轉(zhuǎn)平臺(tái)表面為金屬與木板混合結(jié)構(gòu)，存在大量不連續(xù)金屬表面和凹腔等強(qiáng)散射源結(jié)構(gòu)；旋轉(zhuǎn)平臺(tái)邊緣存在排水道凹槽、轉(zhuǎn)臺(tái)操作維護(hù)地坑凹槽、轉(zhuǎn)臺(tái)后方地表植被等地表雜波干擾源。高俯角測量時(shí)，目標(biāo)區(qū)域后向散射背景顯著上升，甚至淹沒目標(biāo)散射信號。由于目標(biāo)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)表面結(jié)構(gòu)和周圍地表的互作用及多路徑效應(yīng)，背景對目標(biāo)的耦合干擾使得難以獲得目標(biāo)真實(shí)RCS。必須采取措施降低或消除目標(biāo)區(qū)域背景的干擾，才能有效提高目標(biāo)RCS測量的準(zhǔn)確性。

2 背景雜波干擾抑制

2.1 低俯角地面反射雜波抑制

為抑制低俯角地面反射波的干擾，設(shè)計(jì)了雷達(dá)柵屏蔽地面反射影響的方案。雷達(dá)柵為傾角可變、向上傾斜金屬板支架模塊化結(jié)構(gòu)，且表面粘貼強(qiáng)吸波材料(法向反射率優(yōu)于-40 dB)，如圖3所示。雷達(dá)柵抑制原理是采用傾斜吸波結(jié)構(gòu)將經(jīng)地面反射至目標(biāo)的回波信號屏蔽遮擋吸收，實(shí)現(xiàn)地面反射雜波的屏蔽。雷達(dá)柵長度約為2 m、寬度約1.25 m，采用 5 mm后角鋼制造，有可鎖定的滾動(dòng)輪，既保證雷達(dá)的穩(wěn)定性和牢固性，又兼顧可移動(dòng)性和組合性，以滿足不同測試俯角和不同大小目標(biāo)的測試需求。

依據(jù)目標(biāo)處合成場強(qiáng)相對于自由空間的衰減值為0的原則，確定雷達(dá)柵高度和位置。雷達(dá)柵高度設(shè)置示意圖見圖4，包括雷達(dá)入射角、雷達(dá)柵與雷達(dá)距離、雷達(dá)高度、雷達(dá)與吸波材料前邊緣和目標(biāo)支撐旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心(即轉(zhuǎn)臺(tái)中心)的距離等，雷達(dá)柵高度通過下式計(jì)算得到

(1)

式(1)中：HA為雷達(dá)高度(m)；HF為雷達(dá)柵高度(m)；HT為被測目標(biāo)最大高度(m)；R為轉(zhuǎn)臺(tái)中心與雷達(dá)間的水平距離(m)；R′為吸波材料前邊緣與雷達(dá)的水平距離(m)；r為轉(zhuǎn)臺(tái)半徑(m)；RF為雷達(dá)柵與雷達(dá)間的水平距離(m)；θ為雷達(dá)入射角( °)。

圖4 雷達(dá)柵高度設(shè)置示意圖

雷達(dá)柵位置設(shè)置示意圖見圖5，包括雷達(dá)入射角、雷達(dá)柵與雷達(dá)的距離、雷達(dá)高度、雷達(dá)與吸波材料前邊緣和轉(zhuǎn)臺(tái)中心的水平距離等，雷達(dá)柵位置通過下式計(jì)算得到

(2)

雷達(dá)柵的最小寬度以擺放位置遮擋住天線3dB波束寬度為準(zhǔn),并滿足下式要求。

F≥1.5×L×RF/R

(3)

式(3)中：F為雷達(dá)柵的最小寬度(m)；L為被測目標(biāo)的橫向最大尺寸(m)。

圖5 雷達(dá)柵位置設(shè)置示意圖

2.2 中高俯角目標(biāo)區(qū)雜波抑制

通過理論計(jì)算和探索試驗(yàn)，設(shè)計(jì)了采用100 mm的平板型強(qiáng)吸收型泡沫材料屏蔽目標(biāo)支撐方位旋轉(zhuǎn)平臺(tái)區(qū)域后向散射回波,采用距離門技術(shù)消除目標(biāo)前后雜波和背景對消技術(shù)抑制目標(biāo)支撐旋轉(zhuǎn)平臺(tái)周圍固定雜波等中高俯角下的背景抑制方案。

吸波材料鋪設(shè)寬度應(yīng)至少超出目標(biāo)支撐旋轉(zhuǎn)方位平臺(tái)邊緣2 m，且吸波材料邊緣盡量齊整，避免出現(xiàn)邊緣層次不齊情況,如圖6所示。因?yàn)?，試?yàn)中發(fā)現(xiàn)吸波材料前邊緣的立面在雷達(dá)一維距離像中會(huì)產(chǎn)生較為明顯的波峰，使得轉(zhuǎn)臺(tái)背景等效RCS增大，干擾目標(biāo)測試。

圖6 吸波材料應(yīng)用示意圖

根據(jù)目標(biāo)距離與目標(biāo)最大尺寸，設(shè)置合適的雷達(dá)硬件和軟件距離門寬度[9]。一般考慮到目標(biāo)繞射原因以及實(shí)際工程經(jīng)驗(yàn)，軟件距離門寬度應(yīng)不小于目標(biāo)最大尺寸的1.2倍，以屏蔽目標(biāo)縱向距離以外的雜波干擾。

分別采集目標(biāo)與背景全方位角域RCS數(shù)據(jù)和空背景360°全方位角域等效RCS數(shù)據(jù)，采用目標(biāo)與背景數(shù)據(jù)矢量相減方法進(jìn)行旋轉(zhuǎn)平臺(tái)背景對消[10]，以消除或降低目標(biāo)與旋轉(zhuǎn)平臺(tái)自身背景及其與平臺(tái)周圍固定雜波間的相互干擾或多路徑效應(yīng)，獲得旋轉(zhuǎn)目標(biāo)較為真實(shí)的雷達(dá)散射特性。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 地面反射波抑制試驗(yàn)

基于標(biāo)準(zhǔn)體試驗(yàn)驗(yàn)證了地面反射雜波干擾抑制效果。試驗(yàn)采用-10dBsm標(biāo)準(zhǔn)球?yàn)楸粶y目標(biāo)(如圖7所示)，分別對目標(biāo)支撐方位旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心高度為0.6 m、1 m和1.6 m的金屬球回波進(jìn)行測試，得到在有無雷達(dá)柵的情況下不同高度方向上標(biāo)準(zhǔn)球的RCS數(shù)據(jù)分布，如表2所示。

圖7 標(biāo)準(zhǔn)球驗(yàn)證試驗(yàn)

表2 地面反射波抑制前后標(biāo)準(zhǔn)球RCS測量比較

通過分析，在0°俯角下3 cm波段，高度為1.2 m的雷達(dá)柵放置在56 m處，可使旋轉(zhuǎn)平臺(tái)中心1 m高度處的標(biāo)準(zhǔn)體測量值與理論值差異由3.35 dB降低最低至0.09 dB，其他高度處RCS差異也大幅下降，地面反射波干擾抑制效果明顯。

3.2 目標(biāo)區(qū)雜波抑制試驗(yàn)

通過對中高俯角(大于20°)下的背景等效RCS數(shù)據(jù)進(jìn)行測量分析。采用強(qiáng)吸波材料鋪設(shè)屏蔽地雜波措施后，背景等效RCS均值降低10 dB，且RCS幅值波動(dòng)幅度降低，背景抑制效果較好。

以-10 dB標(biāo)準(zhǔn)球來驗(yàn)證經(jīng)應(yīng)用距離門技術(shù)和采用對消技術(shù)后轉(zhuǎn)臺(tái)背景干擾抑制效果。對-10 dBsm金屬球在低俯角和高俯角下的測試數(shù)據(jù)進(jìn)行了處理，其處理結(jié)果統(tǒng)計(jì)情況如表3所示，轉(zhuǎn)臺(tái)背景抑制前后標(biāo)準(zhǔn)球RCS測量曲線如圖8所示。

表3 背景對消和距離門應(yīng)用背景抑制效果

對比表3可知，一般情況下，采用背景對消和距離門手段后，目標(biāo)RCS測量最大值減小、最小值變大、平均值變小，但目標(biāo)RCS曲線波動(dòng)明顯更小、更平滑，且與理論解析值更接近。表3中存在2處距離門越大RCS測量值變小的特殊情況，原因在于采用背景對消和縱向距離門方法，可以抑制大部分雜波干擾，但是目標(biāo)與目標(biāo)區(qū)雜波的多次橫向散射、非相干散射耦合效應(yīng)是無法消除的，這種耦合干擾與目標(biāo)正常反射回波矢量疊加，使得目標(biāo)RCS可能變大、也可能減小。

經(jīng)低俯角地面反射波抑制和中高俯角目標(biāo)方位旋轉(zhuǎn)平臺(tái)區(qū)域背景綜合抑制，不同俯角下的背景抑制前后背景等效RCS測量試驗(yàn)，如表4所示。

圖8 背景抑制前(上)后(下)標(biāo)準(zhǔn)球RCS值

表4 變俯角背景干擾抑制后的背景等效RCS測量值

通過對比背景抑制前后背景等效RCS測量數(shù)據(jù)曲線，可見在采取背景抑制技術(shù)后，背景等效RCS在厘米波呈現(xiàn)下降趨勢，低、中、高俯角下背景等效RCS分別改善15 dB、18.6 dB和10.3 dB，對于坦克裝甲車輛類目標(biāo)其RCS均值為10 dBsm時(shí)，采用背景干擾綜合抑制方案，由背景干擾而引入的RCS測量誤差可分別下降0.2 dB、1.4 dB和1.5 dB，綜合背景抑制技術(shù)方案效果明顯，有助于提高變俯角下的武器裝備雷達(dá)散射特性測量精度。

4 結(jié)論

通過變俯角自由空間場RCS測量背景干擾源分析、背景干擾抑制方案設(shè)計(jì)及抑制效果試驗(yàn)驗(yàn)證等研究，掌握了變俯角地面反射波對目標(biāo)測量影響規(guī)律，建立了變俯角自由空間場RCS測量地雜波背景干擾綜合抑制方案，通過背景等效RCS測量試驗(yàn)和標(biāo)準(zhǔn)體RCS測量試驗(yàn)，背景等效RCS降低10dB以上，實(shí)現(xiàn)了變俯角背景等效RCS達(dá)到-20dBsm，驗(yàn)證了背景抑制方案的有效性，有效提高了變俯角自由空間場目標(biāo)RCS測量精度，將為地面武器裝備隱身效果測量與評估提供準(zhǔn)確、可靠的數(shù)據(jù)支撐。

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(責(zé)任編輯周江川)

StudyonClutterInterferenceRejectionforRCSMeasurementinVariable-Depression-Angle

LIU Zengcan, WANG Seng, ZHANG Tiancai

(The No.59 Institute of China Ordnance Industry, Chongqing 400039, China)

To deal with the accurate measurement requirements for stealth characteristics of ground equipment in variable-depression-angle, background clutter interference were analyzed, in this paper, based on simulation and measurement tests. It designs a comprehensive program of ground reflection signal rejection with radar fence in low depression-angle and integrated application of laying the absorbing material, radar distance threshold, background subtraction in middle and high depression-angle.Through test validation, the proposed program greatly reduces the clutter rejection in target RCS measurement, which effectively guaranteed the detection accuracy of stealth characteristics for ground Equipment.

variable-depression-angle; RCS; clutter rejection; free space range

2017-07-15；

2017-08-10

劉增燦(1979—)，男，碩士研究生，高級工程師，主要從事雷達(dá)測試與隱身技術(shù)研究。

10.11809/scbgxb2017.11.042

本文引用格式：劉增燦,王森，張?zhí)觳?變俯角RCS測量雜波干擾抑制技術(shù)研究[J].兵器裝備工程學(xué)報(bào)，2017(11):192-196.

formatLIU Zengcan, WANG Seng, ZHANG Tiancai.Study on Clutter Interference Rejection for RCS Measurement in Variable-Depression-Angle[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):192-196.

TN951

A

2096-2304(2017)11-0192-05