VHF頻段隱身目標(biāo)縮比模型的雷達(dá)散射截面測(cè)量

陳伯孝 胡鐵軍 朱 偉 張中山 張興龍

(西安電子科技大學(xué)雷達(dá)信號(hào)處理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,陜西西安710071)

1.引 言

反雷達(dá)隱身技術(shù)的出現(xiàn)對(duì)現(xiàn)代雷達(dá)構(gòu)成了巨大的威脅。它是利用系統(tǒng)工程的設(shè)計(jì)思想,綜合運(yùn)用各種反探測(cè)技術(shù),最大限度地降低目標(biāo)探測(cè)系統(tǒng)的探測(cè)能力。目前的隱身技術(shù)主要通過外形隱身設(shè)計(jì)技術(shù)、雷達(dá)吸波材料隱身技術(shù)等手段來(lái)實(shí)現(xiàn)。外形設(shè)計(jì)隱身技術(shù)是在保證目標(biāo)氣動(dòng)性能的前提下,對(duì)目標(biāo)的外形結(jié)構(gòu)和形狀進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì),使目標(biāo)反射的雷達(dá)波能量偏離至無(wú)關(guān)緊要的方向,從而減小在規(guī)定方向上的雷達(dá)散射截面積(RCS)。雷達(dá)吸波材料隱身技術(shù)是反雷達(dá)隱身的另一重要手段。目標(biāo)表面通過涂覆吸波材料,可將雷達(dá)照射到目標(biāo)上的大部分電磁波能量轉(zhuǎn)換為熱能而耗散掉,或使電磁波因干擾而消失。但這種技術(shù)主要是針對(duì)微波頻率。由于涂層厚度的限制及其電磁特征,吸波材料隱身對(duì)甚高頻(VHF)頻段是無(wú)效的。根據(jù)一些研究資料報(bào)道[1-4,7]:隱身目標(biāo)在微波段的RCS很小,如美國(guó)隱身戰(zhàn)斗機(jī)F-117A在微波波段的RCS只有約0.02 m2,而在主諧振區(qū)卻高達(dá)10～20 m2,兩者相差1000倍左右。因此,利用隱身目標(biāo)在低頻段的頻率諧振特性、極化特性是提高現(xiàn)代雷達(dá)反隱身能力的重要突破口。

針對(duì)隱身目標(biāo)的RCS測(cè)量和仿真方面的文獻(xiàn)較多[3-5,12],但大多是針對(duì)微波波段而言,且只有同極化下的RCS測(cè)量結(jié)果,尚未見對(duì)隱身目標(biāo)交叉極化的RCS進(jìn)行測(cè)量方面的報(bào)道。本文的工作主要是在VHF頻段、在不同極化模式下對(duì)隱身目標(biāo)的RCS進(jìn)行測(cè)量。隱身目標(biāo)表面的吸波材料對(duì)低頻段目標(biāo)RCS測(cè)量的影響可以忽略。本文介紹了隱身目標(biāo)縮比模型的RCS測(cè)試方法,并給出實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)處理結(jié)果,分析了其RCS特性。

2.低頻段RCS的測(cè)量方法

2.1 縮比模型RCS測(cè)量原理

RCS測(cè)量分為縮比模型測(cè)量、全尺寸目標(biāo)靜態(tài)測(cè)量、全尺寸目標(biāo)動(dòng)態(tài)測(cè)量三種方式[4]。一般在微波暗室中,由于暗室尺寸的限制,多采用目標(biāo)縮比模型測(cè)量法?？s比模型的RCS測(cè)量就是將雷達(dá)波長(zhǎng)、目標(biāo)各部分的尺寸和材料參數(shù)等按電磁模型相似比例關(guān)系縮小,這樣便可以在微波暗室內(nèi)方便地進(jìn)行模擬測(cè)量,并由此推算實(shí)際尺寸目標(biāo)的散射特征。該方法測(cè)試簡(jiǎn)便、靈活、工作量小。

根據(jù)縮比模型測(cè)量法中要保持Maxwell求解過程的相似性,需保持第一和第二雷諾系數(shù)不變,因此波長(zhǎng)與尺寸按比例縮小。根據(jù)全尺寸目標(biāo)與目標(biāo)縮比模型之間的電磁關(guān)系,縮比為1:s的目標(biāo)模型的RCS(σ′)與折算成1∶1真實(shí)尺寸時(shí)的目標(biāo) RCS(σ)有如下關(guān)系[1-2]

相應(yīng)地,縮比模型的測(cè)試頻率 f′應(yīng)為全尺寸目標(biāo)測(cè)試頻率f的s倍。由于所測(cè)試的目標(biāo)模型分別為F-xx和 B-x,對(duì)應(yīng)的縮比因子為s=10和s=20。為在30～300 MHz頻率范圍對(duì)目標(biāo)進(jìn)行RCS測(cè)量,對(duì)F-xx縮比模型分低頻段(300 MHz～1 GHz)和高頻段(1～3.5 GHz)兩個(gè)頻率段進(jìn)行測(cè)試;對(duì)B-x縮比模型分低頻段(600 MHz～2 GHz)和高頻段(2～7 GHz)兩個(gè)頻率段進(jìn)行測(cè)試。

2.2 定標(biāo)體的選取

在微波暗室中進(jìn)行縮比模型測(cè)量的關(guān)鍵在于定標(biāo)體的選取和定標(biāo)體RCS理論值的計(jì)算。所謂定標(biāo)體是指已知RCS值或能通過計(jì)算得到RCS值的目標(biāo),也稱標(biāo)準(zhǔn)體。常用的定標(biāo)體[3]有:金屬導(dǎo)體球、金屬平板、光學(xué)類反射器(如二面角)。

考慮到低頻段的諧振效應(yīng),選取的定標(biāo)體的尺寸應(yīng)與測(cè)試所用頻率的波長(zhǎng)相當(dāng)。因此,對(duì)目標(biāo)F-xx,根據(jù)低頻段的測(cè)量頻率范圍和目標(biāo)的縮比因子,在不同的極化組合下選用的定標(biāo)體見表1。

表1 不同極化下定標(biāo)體的選取

而對(duì)于B-x縮比模型,由于其整個(gè)測(cè)試頻段為600 MHz～7GHz,在同極化(HH 、VV)模式下選用定標(biāo)球(直徑0.4 m)作為定標(biāo)體,在交叉極化(HV、VH)模式下選用二面角(邊長(zhǎng)0.5 m)作為定標(biāo)體。

2.3 測(cè)試系統(tǒng)組成

該測(cè)試系統(tǒng)主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、功率放大器、天線、低RCS支架、計(jì)算機(jī)和轉(zhuǎn)臺(tái)控制器組成,如圖1所示[5-6]。其中矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀既作為頻率步進(jìn)信號(hào)的發(fā)射機(jī),同時(shí)接收頻域響應(yīng)信號(hào)并可對(duì)其進(jìn)行處理;轉(zhuǎn)臺(tái)控制器由計(jì)算機(jī)控制,可以控制并記錄當(dāng)前方位角;隔板采用吸波材料,用來(lái)降低收發(fā)天線間的直接耦合。標(biāo)準(zhǔn)天線采用對(duì)數(shù)周期天線,根據(jù)不同的極化測(cè)試情況分別按水平或垂直放置。測(cè)試四種極化組合:HH(發(fā)射、接收極化組合)、VV、HV、VH.測(cè)試目標(biāo)模型為:F-xx(縮比因子s=10)、B-x(s=20)。

圖1 RCS測(cè)試系統(tǒng)組成

3.低頻段RCS測(cè)量及分析計(jì)算過程

系統(tǒng)通過計(jì)算機(jī)控制矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀發(fā)射頻率步進(jìn)信號(hào),得到的回波數(shù)據(jù)為矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的S21參數(shù),包括幅度和相位,轉(zhuǎn)換為頻域復(fù)信號(hào),并存儲(chǔ)起來(lái)。配合對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)的控制,即可測(cè)得目標(biāo)不同方位角的回波數(shù)據(jù)。

低頻段RCS測(cè)試及其分析計(jì)算過程如圖2所示。測(cè)試時(shí)分三步進(jìn)行:先測(cè)試暗室背景散射噪聲電平,并將數(shù)據(jù)臨時(shí)存儲(chǔ);再測(cè)量定標(biāo)體回波信號(hào)并存儲(chǔ)測(cè)量數(shù)據(jù);最后測(cè)量被測(cè)目標(biāo)回波信號(hào),將數(shù)據(jù)存儲(chǔ)并進(jìn)行后繼處理。

圖2 低頻段RCS測(cè)試及分析計(jì)算過程

對(duì)測(cè)試并記錄的原始數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,得到目標(biāo)的RCS矩陣的分析、計(jì)算過程如下:

1)將保存的幅相數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成復(fù)信號(hào),為頻域復(fù)信號(hào),暗室背景、定標(biāo)體、被測(cè)目標(biāo)的頻域復(fù)信號(hào)分別表示為 E r(f)、S d0(f)、S t0(f).

2)進(jìn)行背景雜波對(duì)消。由于背景雜波可以看成是一種加性噪聲,因此將目標(biāo)加背景的頻域復(fù)信號(hào)減去只有背景的頻域復(fù)信號(hào),目的是提高動(dòng)態(tài)測(cè)試范圍并消除背景噪聲,減少背景雜波對(duì)測(cè)試結(jié)果的影響。經(jīng)背景雜波對(duì)消輸出的信號(hào)為

3)進(jìn)行頻域-時(shí)域-頻域變換,將頻域信號(hào)通過逆傅立葉變換(IFFT)到時(shí)域;采用時(shí)域加窗,消除目標(biāo)所在主散射區(qū)之外的雜波干擾影響;然后再通過傅立葉變換(FFT)變換回頻域,分別得到各個(gè)頻點(diǎn)定標(biāo)體和目標(biāo)的回波信號(hào)幅度|S d1(f)|、|S t1(f)|.圖2中各信號(hào)為

式中g(shù) d(n)、g t(n)分別為對(duì)定標(biāo)體和被測(cè)目標(biāo)的時(shí)域加窗函數(shù)。

這里涉及到時(shí)域加窗長(zhǎng)度的選取問題。窗函數(shù)長(zhǎng)度取得過大,則窗內(nèi)背景雜波、噪聲干擾成分增加,會(huì)增大測(cè)量的誤差;窗函數(shù)長(zhǎng)度取得過小,則目標(biāo)真實(shí)的散射能量丟失,產(chǎn)生測(cè)量誤差。因此,對(duì)定標(biāo)體和被測(cè)目標(biāo)的窗函數(shù)長(zhǎng)度 d r0和d r的選取原則:分別取其最大尺寸的兩倍,即d r0=D r0,d r=D r,D r0、D r分別為定標(biāo)體和被測(cè)目標(biāo)的最大尺寸。時(shí)域加窗函數(shù)為

式中:(N d1,N d2)對(duì)應(yīng)的距離為(R-D r0,R+D r0);(Nt1,Nt2)對(duì)應(yīng)的距離為(R-Dr,R+Dr);R為天線與目標(biāo)支架之間的距離。

4)計(jì)算RCS.先按式(7)計(jì)算各測(cè)試頻點(diǎn)被測(cè)目標(biāo)縮比模型的RCS值σ′(f),再按式(1)計(jì)算實(shí)際尺寸目標(biāo)的RCS值。

在目標(biāo)的不同方向,再對(duì)目標(biāo)測(cè)量基礎(chǔ)上重復(fù)上述分析計(jì)算過程。

對(duì)不同的極化組合方式,均要重復(fù)上述測(cè)量與分析計(jì)算過程。

4.測(cè)量結(jié)果

下面結(jié)合實(shí)測(cè)數(shù)據(jù),對(duì)背景雜波對(duì)消的效果進(jìn)行分析處理,并給出目標(biāo)RCS的有關(guān)測(cè)試結(jié)果。

4.1 背景雜波對(duì)消

RCS測(cè)試的環(huán)境中總是存在背景雜波,特別是在VHF低頻段,微波暗室內(nèi)盡管鋪設(shè)有吸波材料,但仍然存在較強(qiáng)的背景雜波,必須進(jìn)行背景雜波對(duì)消,以減小這種背景雜波對(duì)測(cè)量結(jié)果的影響。從圖3中定標(biāo)體和目標(biāo)B-x的RCS測(cè)量的時(shí)域信號(hào)可以看出,定標(biāo)球和目標(biāo)的散射中心完全被背景雜波噪聲所淹沒,若不進(jìn)行背景雜波抑制,就無(wú)法確定目標(biāo)的位置。圖3中虛線為背景雜波對(duì)消處理后的結(jié)果,圓圈所標(biāo)示的位置即為定標(biāo)球或目標(biāo)的散射中心,距離測(cè)試天線約18 m,即圖1中標(biāo)準(zhǔn)天線與支架上定標(biāo)球或目標(biāo)之間的距離。采用背景雜波對(duì)消可以將暗室雜波的影響降低40 dB左右。

4.2 RCS測(cè)量結(jié)果

圖4給出了兩種目標(biāo)的RCS測(cè)量結(jié)果。其中圖4(a)～(d)為 HH、HV、VH、VV四種極化組合下,在機(jī)頭向0～10°內(nèi)平均的RCS測(cè)量結(jié)果,橫坐標(biāo)均為折算的實(shí)際頻率(測(cè)試用頻率/縮比因子),縱坐標(biāo)為RCS測(cè)量值(單位d Bsm為d B平方米);圖4(e)(f)分別為HH極化組合下,兩目標(biāo)的RCS測(cè)量值的頻率-方向分布的灰度圖,極坐標(biāo)的半徑表示實(shí)際頻率,方向?yàn)闇y(cè)試時(shí)天線與目標(biāo)軸線的夾角,0°為目標(biāo)的迎頭方向。由此可見:對(duì)不同的極化方式,兩目標(biāo)的RCS隨頻率的起伏變化都有十幾dB左右;在某些頻率點(diǎn),交叉極化與同極化能量相當(dāng),整體上HH極化更強(qiáng)些;兩目標(biāo)的 RCS隨方向變化也較大,F-xx的RCS在目標(biāo)法線方向附近強(qiáng)一些,而B-x在機(jī)翼視線方向明顯強(qiáng)得多。

4.3 測(cè)量結(jié)果有效性驗(yàn)證

為了驗(yàn)證測(cè)試結(jié)果的有效性,對(duì)同一縮比模型F-xx在水平極化(HH)模式下分別在不同的時(shí)間進(jìn)行了三次獨(dú)立測(cè)試。三次測(cè)試的頻段分別為400～900 MHz,800 MHz～1.5 GHz,400 MHz～ 1.5 GHz.在迎頭向10°內(nèi)平均RCS的測(cè)試結(jié)果如圖5所示,圖中橫坐標(biāo)為折算的實(shí)際頻率?？梢钥闯?各次測(cè)試結(jié)果吻合的很好,除少數(shù)頻率點(diǎn)外,三次測(cè)試之間相差最大不超過3 d Bsm.

圖5 F-xx三次測(cè)量結(jié)果比較

另外,由文獻(xiàn)[8]中給出的F-117A的 RCS測(cè)量結(jié)果也可以看出,在迎頭向、100～300 MHz頻段內(nèi)的RCS也在0～12 dBsm.本文測(cè)量結(jié)果與國(guó)外測(cè)試結(jié)果相當(dāng)。

5.結(jié) 論

本文首先介紹了VHF低頻段RCS測(cè)試方法,給出了測(cè)試數(shù)據(jù)的分析計(jì)算過程;然后給出了實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)分析處理結(jié)果。RCS測(cè)試結(jié)果表明:①隱身目標(biāo)在頻率300 MHz以下隱身效果差,RCS較大,主要集中在0 dB以上;②隱身目標(biāo)的RCS在米波段存在諧振效應(yīng),在300 MHz以下的不同頻點(diǎn)上,RCS相差約10 dB左右;③對(duì)目標(biāo)F-xx,HH極化的RCS比VV極化平均要高好幾個(gè)分貝,但在一些頻點(diǎn)交叉極化與VV極化的RCS相當(dāng),這表明可以利用交叉極化信息,通過極化合成使得極化角[8-9]與目標(biāo)的極化特性相匹配,從而提高對(duì)隱身目標(biāo)的檢測(cè)能力;④對(duì)目標(biāo)B-x,同極化比交叉極化平均要高約10 dB,VV極化比HH極化均值略小,但某些頻點(diǎn)VV極化比HH極化還高;⑤對(duì)于目標(biāo)的不同方位角,其RCS也有較大差別,F-xx的RCS在其法線方向附近較強(qiáng),而B-x的RCS則在其機(jī)翼視線方向明顯強(qiáng)得多。因此,可以通過雷達(dá)組網(wǎng)的方式從多視角提高對(duì)隱身目標(biāo)的檢測(cè)能力。

這些結(jié)果表明:在低頻段,隱身目標(biāo)的諧振特性非常明顯,故RCS有10 dBsm左右;雷達(dá)的極化特性與隱身目標(biāo)的極化特性相匹配,也有利于對(duì)隱身目標(biāo)的探測(cè)。本文研究對(duì)探測(cè)隱身目標(biāo)的低頻段、全極化米波雷達(dá)有參考價(jià)值。

[1] 黃培康,殷紅成,許小劍.雷達(dá)目標(biāo)特性[M].北京:電子工業(yè)出版社,2005:68-71,21-22.

[2] 何國(guó)瑜.電磁散射的計(jì)算和測(cè)量[M].北京航空航天大學(xué)出版社,2006:290-295.

[3] 王 成.隱身目標(biāo)與雷達(dá)反隱身技術(shù)[C]//中國(guó)電子學(xué)會(huì)電子產(chǎn)業(yè)戰(zhàn)略研究分會(huì)第11屆年會(huì)論文及,2004.

[4] 阮穎錚.雷達(dá)截面與隱身技術(shù)[M].北京:國(guó)防工業(yè)出版社,1998:9-10.

[5] 莊釗文,袁乃昌,莫錦軍,等.軍用目標(biāo)雷達(dá)散射截面預(yù)估與測(cè)量[M].北京:科學(xué)出版社,2007.

[6] 李南京,張麟兮,許家棟,等.遠(yuǎn)場(chǎng)RCS的精確測(cè)試方法研究[J].現(xiàn)代雷達(dá),2006,28(8):70-73.

LI Nanjing,ZHANG Linxi,XU Jiadong,et al.Study on accurate radar cross section measurement in farfield[J].Modern Radar,2006,28(8):70-73.(in Chinese)

[7] 王校輝,許家棟.掃頻RCS測(cè)量技術(shù)與應(yīng)用[J].計(jì)測(cè)技術(shù),2006,26(2):39-41.

WANG Xiaohui,XU Jiadong.Swept f requency RCS measurement technology and it's application[J].Metrology&Measurement Technology,2006,26(2):39-41.(in Chinese)

[8] KUSCHEL H.VHF/UHF radar,Part 1:characteristics[J].Electron.Commun.Eng.Journal,2002,14(2):61-72.

[9] KUSCHEL H.VHF/UHF radar,Part 2:operational aspects and applications[J].Electron.Commun.Eng.Journal,2002,14(3):101-111.

[10] POELMAN A J.Virtual polarisation adaptation,A method of increasing the detection capability of a radar system through polarisation-vector processing[J].IEE Proc.Communication,Radar,and Signal Processing,1981,128(10):465-474.

[11] 陳伯孝.低頻段、不同極化下隱身目標(biāo)縮比模型的RCS測(cè)量[C]//第十一屆全國(guó)雷達(dá)學(xué)術(shù)年會(huì)論文集.長(zhǎng)沙,2010.

[12] 張興龍.全極化米波雷達(dá)及極化信息處理研究[D].西安電子科技大學(xué),2010.

[13] 伍光新,鄧維波,姜 維,等.高頻段飛機(jī)目標(biāo) RCS分析[J].電波科學(xué)學(xué)報(bào),2008,23(3):545-549.

WU Guangxin,DENG Weibo,JIANG Wei,et al.A-nalysis of airplane RCS at high frequency band[J].Chinese Journal of Radio Science,2008,23(3):545-549.(in Chinese)