龍伯透鏡反射器性能評(píng)估預(yù)處理方法研究

郭 杰，田江曉，龔 堅(jiān)

（1.北京環(huán)境特性研究所，北京100854；2.中國(guó)人民解放軍61123部隊(duì)，北京100141）

0 引言

龍伯透鏡反射器通常也簡(jiǎn)稱為龍伯球，是一種具有復(fù)雜內(nèi)部結(jié)構(gòu)的雷達(dá)回波反射器，以其體積小、質(zhì)量輕、反射效率高、角度響應(yīng)寬、使用維護(hù)簡(jiǎn)便等優(yōu)點(diǎn)而頗受諸多工程技術(shù)人員的青睞［1］，已成熟應(yīng)用于測(cè)量、識(shí)別、靶標(biāo)、導(dǎo)航等多個(gè)方面。尤其是隨著假目標(biāo)和雷達(dá)誘餌技術(shù)的發(fā)展，龍伯球在電子對(duì)抗領(lǐng)域的使用也日趨普遍［2-3］。

龍伯球的廣泛應(yīng)用，得益于其性能指標(biāo)。評(píng)估龍伯球性能指標(biāo)的優(yōu)劣，則需對(duì)其暗室RCS測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行分析處理。而RCS測(cè)試過(guò)程中產(chǎn)生的角度誤差，將很大程度上給龍伯球各項(xiàng)性能指標(biāo)的考核帶來(lái)負(fù)面影響。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出了龍伯球RCS數(shù)據(jù)預(yù)處理方法，在評(píng)估龍伯球性能之前對(duì)其RCS測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行預(yù)處理，以盡量消除角度誤差引起的指標(biāo)偏離。

1 龍伯球主要性能指標(biāo)

一般而言，工程技術(shù)人員結(jié)合特定的應(yīng)用背景設(shè)計(jì)或選用龍伯球時(shí)，雖需兼顧龍伯球的材料、結(jié)構(gòu)、尺寸、質(zhì)量、力學(xué)環(huán)境性能等指標(biāo)，而重中之重卻是其電性能指標(biāo)。龍伯球電性能指標(biāo)主要包括RCS最大值、RCS均值、RCS波動(dòng)值以及角度響應(yīng)范圍。

角度響應(yīng)范圍一般包括方位和俯仰兩個(gè)方向。單向型龍伯球角度響應(yīng)范圍一般不超過(guò)120°（±60°）立體角，而全向型龍伯球方位角度響應(yīng)范圍為360°，俯仰角度響應(yīng)范圍一般不超過(guò)30°（±15°）。全向型龍伯球雖具有360°方位響應(yīng)的優(yōu)點(diǎn)，但其俯仰響應(yīng)范圍較窄，且RCS效率較低，除特殊要求外工程中一般很少選用，因而下文所述龍伯球均指單向型龍伯球。

顯然，上述指標(biāo)尤其是后三者與角度誤差密切相關(guān)。

2 角度誤差成因及影響

龍伯球RCS通常采用自由空間反射的相對(duì)標(biāo)定法進(jìn)行測(cè)量，具體測(cè)量步驟如下：

1）運(yùn)行RCS測(cè)試軟件；2）設(shè)置系統(tǒng)測(cè)試參數(shù)；3）測(cè)量定標(biāo)體獲得定標(biāo)參考體響應(yīng)；4）測(cè)量空暗室獲得背景響應(yīng)；5）測(cè)量空暗室的背景等效RCS值；6）測(cè)量標(biāo)準(zhǔn)驗(yàn)證體，獲得驗(yàn)證體的RCS 值；7）確認(rèn)背景符合要求，驗(yàn)證體測(cè)試結(jié)果正確后，放置待測(cè)龍伯球進(jìn)行RCS測(cè)量。

在步驟7）中，放置龍伯球時(shí)需確保其指向標(biāo)識(shí)點(diǎn)與收發(fā)兩天線口面幾何中心等高、等距。標(biāo)志點(diǎn)指向是龍伯球理論上的最大RCS方向，通過(guò)該點(diǎn)的直徑與龍伯球反射面的中心軸重合。實(shí)際操作中一般利用安裝在暗室后墻（或側(cè)墻）及頂棚的兩個(gè)正交的激光器，通過(guò)激光對(duì)準(zhǔn)，來(lái)確定待測(cè)目標(biāo)的初始姿態(tài)及相對(duì)轉(zhuǎn)臺(tái)中心的位置。而龍伯球的球面形狀，使得其指向標(biāo)識(shí)點(diǎn)在放置時(shí)很難完全滿足上述要求，于是其初始姿態(tài)發(fā)生偏移，從而產(chǎn)生角度誤差。

若龍伯球初始姿態(tài)放置準(zhǔn)確，則指向標(biāo)識(shí)點(diǎn)與方位零點(diǎn)將重合，龍伯球RCS特性將以方位零點(diǎn)為中心點(diǎn)對(duì)稱分布。反之，若存在角度誤差，則指向標(biāo)識(shí)點(diǎn)與方位零點(diǎn)將發(fā)生偏移（稱之為零點(diǎn)偏移），而龍伯球各項(xiàng)性能指標(biāo)的統(tǒng)計(jì)分析均基于方位零點(diǎn)，所以必將產(chǎn)生偏差。圖1即為某龍伯球測(cè)試時(shí)角度誤差引起零點(diǎn)偏移的實(shí)例，圖中可明顯看出方位零點(diǎn)不在RCS特性曲線中心。

圖1 角度誤差引起零點(diǎn)偏移實(shí)例

3 RCS數(shù)據(jù)預(yù)處理方法

無(wú)論是否有零點(diǎn)偏移，龍伯球RCS特性曲線的實(shí)際對(duì)稱軸（通常為指向標(biāo)志點(diǎn)位置）都是確定的。基于此，本文提出最大RCS值法和響應(yīng)區(qū)間中心法，以解決角度誤差引起的問(wèn)題。

3.1 最大RCS值法

龍伯球RCS特性曲線之所以存在零點(diǎn)偏移，是因?yàn)闇y(cè)試時(shí)其實(shí)際對(duì)稱軸與方位零點(diǎn)產(chǎn)生了錯(cuò)位。大多數(shù)情況下龍伯球RCS最大值所在點(diǎn)即為對(duì)稱軸的位置，若能找到RCS測(cè)試曲線的最大值，將其方位坐標(biāo)定為方位零點(diǎn)，其他數(shù)據(jù)相應(yīng)平移，則可實(shí)現(xiàn)零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，消除角度誤差影響，這就是最大RCS值法的基本思想。

最大RCS值法實(shí)現(xiàn)流程包含讀取RCS原始數(shù)據(jù)文件、滑動(dòng)平均處理、求取最大值方位坐標(biāo)、方位修偏、形成RCS數(shù)據(jù)文件五個(gè)步驟，詳述如下：

1）讀取RCS原始數(shù)據(jù)文件

測(cè)試形成的數(shù)據(jù)文件一般為.rcs文件，需轉(zhuǎn)換為程序可以識(shí)別的文件，從中讀取出方位和原始RCS數(shù)據(jù)。

2）滑動(dòng)平均處理

依據(jù)《GJB 3830-1999 目標(biāo)雷達(dá)散射截面數(shù)據(jù)格式要求》，選取一定窗口和步進(jìn)，對(duì)龍伯球RCS測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理。該項(xiàng)操作并非必須步驟，可視情況取舍。若取，則可簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)，提高算法效率；若舍，則可得到更多細(xì)節(jié)，RCS特性更全面直觀。

3）求取最大值方位坐標(biāo)

在-180°～180°方位角范圍內(nèi)，統(tǒng)計(jì)測(cè)得的RCS數(shù)據(jù)，應(yīng)用最值求取算法獲得其中的最大值，并計(jì)算出該點(diǎn)對(duì)應(yīng)的方位坐標(biāo)。

4）方位修偏

零點(diǎn)偏移有兩種情況，若最大值點(diǎn)方位坐標(biāo)為正，則稱之為零點(diǎn)右偏；反之，則為零點(diǎn)左偏。對(duì)于零點(diǎn)右偏，零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)后，其他數(shù)據(jù)依次循環(huán)左移；而對(duì)于零點(diǎn)左偏，則將數(shù)據(jù)依次循環(huán)右移。

5）形成RCS數(shù)據(jù)文件

將方位修偏后的RCS數(shù)據(jù)寫(xiě)入新的.rcs文件，并加以保存，以備后續(xù)統(tǒng)計(jì)分析各項(xiàng)性能指標(biāo)使用。

最大RCS值法實(shí)現(xiàn)流程如圖2所示。

圖2 最大RCS值法實(shí)現(xiàn)流程圖

3.2 響應(yīng)區(qū)間中心法

最大RCS值法基于龍伯球指向標(biāo)志點(diǎn)與其最大RCS點(diǎn)重合這一假設(shè)，找到了最大RCS 點(diǎn)就相當(dāng)于找到了指向標(biāo)志點(diǎn)，也就是RCS特性曲線的對(duì)稱點(diǎn)。響應(yīng)區(qū)間中心法與此不同，該方法將龍伯球3dB 響應(yīng)區(qū)間的中心點(diǎn)視為指向標(biāo)志點(diǎn)，用之與零點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，其余步驟大致與最大RCS法相同。所謂3dB 響應(yīng)區(qū)間即龍伯球RCS值不小于最大值一半的角度響應(yīng)區(qū)間。

響應(yīng)區(qū)間中心法實(shí)現(xiàn)流程包含讀取RCS原始數(shù)據(jù)文件、滑動(dòng)平均處理、求取RCS最大值、計(jì)算3dB響應(yīng)區(qū)間中心坐標(biāo)、方位修偏、形成RCS數(shù)據(jù)文件六個(gè)步驟，流程如圖3所示。

圖3 響應(yīng)區(qū)間中心法實(shí)現(xiàn)流程圖

4 應(yīng)用實(shí)例及結(jié)果分析

以自主研制的兩型龍伯球（具體型號(hào)分別為GT076-01 和GT076-02）的測(cè)試數(shù)據(jù)為例，將最大RCS值法和響應(yīng)區(qū)間中心法應(yīng)用于數(shù)據(jù)預(yù)處理，以驗(yàn)證兩者有效性并比較兩者差異性。

4.1 應(yīng)用實(shí)例

依據(jù)測(cè)試規(guī)程，將GT076-01和GT076-02置于微波暗室進(jìn)行RCS測(cè)試，采集得到RCS原始數(shù)據(jù)。

1）GT076-01龍伯球RCS原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理

GT076-01龍伯球的點(diǎn)頻RCS曲線如圖4所示。

圖4 GT076-01龍伯球的點(diǎn)頻RCS曲線圖

從圖中可以看出，該測(cè)試曲線已零點(diǎn)左偏32°左右。若直接使用原始RCS數(shù)據(jù)文件進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，所得指標(biāo)將與實(shí)際值相距甚遠(yuǎn)。

該數(shù)據(jù)文件經(jīng)上述兩種算法預(yù)處理后的結(jié)果與原始曲線對(duì)比繪制在圖5中，其中細(xì)虛線為原始RCS曲線；粗虛線為經(jīng)最大RCS值法預(yù)處理后的RCS曲線；粗實(shí)線為經(jīng)響應(yīng)區(qū)間中心法預(yù)處理后的RCS 曲線。對(duì)上述三條曲線的RCS數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到龍伯球各項(xiàng)性能指標(biāo)，如表1所示。

圖5 GT076-01龍伯球測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)處理前后點(diǎn)頻RCS曲線對(duì)比圖

表1 GT076-01龍伯球測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)處理前后性能指標(biāo)對(duì)比

2）GT076-02龍伯球RCS原始數(shù)據(jù)的預(yù)處理

GT076-01龍伯球的點(diǎn)頻RCS曲線如圖6所示。

從圖中可以看出，該測(cè)試曲線已零點(diǎn)右偏30°左右。若不作預(yù)處理，直接統(tǒng)計(jì)處理得出的指標(biāo)將與實(shí)際值大不相同。

該數(shù)據(jù)文件經(jīng)上述算法預(yù)處理后的結(jié)果與原始曲線對(duì)比繪制在圖7中，其中細(xì)虛線為原始RCS曲線；粗虛線為經(jīng)最大RCS值法預(yù)處理后的RCS曲線；粗實(shí)線為經(jīng)響應(yīng)區(qū)間中心法預(yù)處理后的RCS曲線。對(duì)上述三條曲線的RCS數(shù)據(jù)分別進(jìn)行統(tǒng)計(jì)處理，得到龍伯球各項(xiàng)性能指標(biāo)，如表2所示。

圖6 GT076-02龍伯球的點(diǎn)頻RCS曲線圖

圖7 GT076-02龍伯球測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)處理前后點(diǎn)頻RCS曲線對(duì)比圖

表2 GT076-02龍伯球測(cè)試數(shù)據(jù)預(yù)處理前后性能指標(biāo)對(duì)比

4.2 結(jié)果分析

分析用例中兩型龍伯球數(shù)據(jù)文件預(yù)處理前后RCS對(duì)比曲線以及各性能指標(biāo)對(duì)比值，可得出如下結(jié)論：

1）零點(diǎn)偏移對(duì)各性能指標(biāo)的影響顯著。除RCS最大值是在方位周向范圍內(nèi)統(tǒng)計(jì)無(wú)變化外，其他指標(biāo)均受影響：RCS均值變小，RCS波動(dòng)值明顯增大，角度響應(yīng)范圍呈明顯非對(duì)稱分布。

2）對(duì)于用例1（GT076-01），兩種算法的處理效果良好：RCS均值略有增大，RCS波動(dòng)值減小至3dB 以內(nèi)，角度響應(yīng)范圍基本對(duì)稱分布，比較符合實(shí)際情況。且兩預(yù)處理算法的結(jié)果非常相似，對(duì)比圖中兩RCS曲線幾近重合，對(duì)比表中各性能指標(biāo)值也相差很小，這表明該龍伯球的最大RCS點(diǎn)與3dB 響應(yīng)區(qū)間中心點(diǎn)基本一致。

3）對(duì)于用例2（GT076-02），最大RCS值法效果很差，各性能指標(biāo)甚至較之于無(wú)預(yù)處理情形更為惡化，±55°RCS波動(dòng)值超過(guò)16dB，3dB 響應(yīng)范圍分布嚴(yán)重畸變，這均有違常理。而響應(yīng)區(qū)間中心法仍然非常有效，體現(xiàn)了該算法的普遍適應(yīng)性。兩者處理效果的顯著差異源于前者是基于龍伯球指向標(biāo)志點(diǎn)與其最大RCS點(diǎn)重合這一假設(shè)，將最大RCS點(diǎn)視為對(duì)稱軸，而后者卻是以3dB響應(yīng)區(qū)間的中心作為對(duì)稱軸。

5 結(jié)束語(yǔ)

針對(duì)測(cè)量角誤差對(duì)龍伯球性能評(píng)估的影響，本文提出了最大RCS值法和響應(yīng)區(qū)間中心法兩種預(yù)處理方法。最大RCS值法簡(jiǎn)單明了，易于實(shí)現(xiàn)，但該方法受龍伯球制作工藝影響較大，不適應(yīng)于最大RCS點(diǎn)與指向標(biāo)志點(diǎn)錯(cuò)位的情形。而響應(yīng)區(qū)間中心法雖較之于最大RCS值法略微復(fù)雜，但其克服了后者的不足，應(yīng)用情形更為普遍，更具魯棒性。經(jīng)實(shí)例驗(yàn)證，算法效果顯著?！?/p>

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