雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)對飛機(jī)RCS動態(tài)測量的影響分析

丁歡

摘 要本文首先簡要介紹了飛機(jī)RCS動態(tài)測量的原理，然后對測量過程中的雷達(dá)定標(biāo)技術(shù)進(jìn)行詳細(xì)討論。分析了真實雷達(dá)截面特性。通過對各種目標(biāo)的實際測量，了解目標(biāo)的基本散射特征，檢驗了理論分析的結(jié)果，詳細(xì)介紹兩種精確的方法進(jìn)行幅度定標(biāo)：直接方法和間接方法。為后續(xù)獲得準(zhǔn)確數(shù)據(jù)和更高的準(zhǔn)確度起到重要作用。

【關(guān)鍵詞】RCS 雷達(dá) 定標(biāo)

研究目標(biāo)雷達(dá)特征的一個重要手段是RCS的動態(tài)測量，它能夠真實反映目標(biāo)在實際背景環(huán)境中運(yùn)動時的雷達(dá)特征。通過RCS的動態(tài)測量數(shù)據(jù)分析可以得到大量的目標(biāo)特征數(shù)據(jù)，為建立目標(biāo)特性數(shù)據(jù)庫提供保障，同時還可以了解目標(biāo)基本的散射現(xiàn)象，并驗證理論分析的正確性。

目標(biāo)的雷達(dá)截面積由雷達(dá)方程可知為：

其中：σ表示目標(biāo)雷達(dá)的截面；Pt表示雷達(dá)的發(fā)射功率；λ表示雷達(dá)的波長；Lt表示發(fā)射支路的衰減因子；Lm表示單行程大氣損耗因子；Pr表示雷達(dá)接收的目標(biāo)回波功率；G表示雷達(dá)天線增益；Lr表示接收支路的衰減因子；R表示目標(biāo)與雷達(dá)的徑向距離；Lp表示極化衰減因子。

如果上式中的Pt、G、λ、Lt、Lr在測量過程中為常量，同時將極化因子Lp合并到待求的σ中去，那么上式可寫為：

則對數(shù)形式為：

式中K為雷達(dá)常量，由雷達(dá)參數(shù)確定，

其中L為總的饋線損耗系數(shù)，包括Lt、Lr，同時還令其包括因測試方法而引入的固定衰減。

在測試過程中采取一定方法使雷達(dá)的高頻參量保持穩(wěn)定，使得Pt、G、λ、L的變化保持在允許的范圍之內(nèi)。

在σ的表達(dá)式中，大氣傳播損耗因子Lm可通過計算獲得，也可在對精度要求不高的前提下通過查閱文獻(xiàn)獲得一個單一的近似值，由標(biāo)準(zhǔn)金屬球的實測獲得K，同時目標(biāo)的RCS動態(tài)測試數(shù)據(jù)可通過測得的瞬時Pr和R值來得到。

RCS動態(tài)測量的定標(biāo)過程包括兩部分：一部分是直接定標(biāo)，直接方法又可分為絕對定標(biāo)和相對定標(biāo)幾個過程。其中，絕對定標(biāo)過程是通過測量標(biāo)準(zhǔn)金屬球的RCS值，得到比較測量方法的基準(zhǔn)；間接定標(biāo)過程是通過測量雷達(dá)的輸出功率校線，得到被測雷達(dá)輸出電壓與功率的對應(yīng)曲線。另一部分是間接定標(biāo)方法，包括對雷達(dá)特征的詳細(xì)測量、對未知目標(biāo)回波功率的測量、以及應(yīng)用雷達(dá)方程對未知目標(biāo)RCS的計算等幾個過程。下面將分別對此幾種定標(biāo)方法進(jìn)行討論。

直接定標(biāo)包含絕對定標(biāo)和相對定標(biāo)兩種：

1 絕對定標(biāo)

該過程需要使用標(biāo)準(zhǔn)體如金屬球或角反射器作為定標(biāo)標(biāo)準(zhǔn)，通過這些標(biāo)準(zhǔn)體的幾何特征可以求得其精確的RCS值。同時，將未知目標(biāo)與標(biāo)準(zhǔn)體的雷達(dá)回波直接進(jìn)行對比，最終求得未知目標(biāo)的RCS值。理想情況下，未知目標(biāo)和參考目標(biāo)的RCS測量值相等，并且參考目標(biāo)到雷達(dá)的距離和未知目標(biāo)到雷達(dá)的距離相同。因此，未知目標(biāo)與參考反射器的回波功率值可直接進(jìn)行對比。但是，由于實際情況中，參考目標(biāo)和未知目標(biāo)到雷達(dá)距離無法相等，并且需要具有不同RCS值的各種尺寸目標(biāo)。為克服這一困難，采取了如下措施：通過修正雷達(dá)距離方程來消除兩種目標(biāo)到雷達(dá)距離的差異。修正方程式如下：

上式中：σu：未知目標(biāo)的RCS

Pu、Pr：未知目標(biāo)與參考目標(biāo)的回波功率

Ru：未知目標(biāo)與雷達(dá)間的距離

Rr：參考目標(biāo)與雷達(dá)間的距離

Fu：未知目標(biāo)的傳播因子

Fr：參考目標(biāo)的傳播因子

σr：參考目標(biāo)的RCS

（5）式中的傳輸因子Fr和Fu包含著兩個目標(biāo)和雷達(dá)之間的電磁波的傳播條件、大氣衰減或散射、以及可能存在的多徑效應(yīng)等信息。如果定標(biāo)和對未知目標(biāo)同時進(jìn)行RCS測量，那么兩個傳播因子相等，所以（5）式則可化簡為：

如果參考目標(biāo)的距離分辨單元以內(nèi)沒有其它大的目標(biāo)，同時在測量過程中傳播因子保持不變時，這種定標(biāo)方法的精度僅僅依賴于參考目標(biāo)的RCS精度。

由于，標(biāo)準(zhǔn)金屬球測得的K值為：

那么，標(biāo)準(zhǔn)金屬球的真實RCS值必須精確。在波長較長時，由于機(jī)械公差等原因所引起的球體表面潔度、規(guī)則性、光度等方面的問題對未知目標(biāo)RCS測量值影響不是很大，但是當(dāng)較短的波長特別是毫米波照射時，這些客觀存在的問題對未知目標(biāo)的RCS值就存在著很大影響。

圖1為金屬球體上類似于二面角或三面角的溝槽引起的自身RCS誤差曲線。由圖顯示不難得到，在X波段，4mm溝槽使金屬球RCS產(chǎn)生1dB的誤差。而在毫米波95Hz頻率下，1mm的溝槽引起4～5dB的金屬球RCS誤差。根據(jù)國外的資料顯示，一般的標(biāo)準(zhǔn)金屬球誤差約為0.8dB，其不可預(yù)計誤差也為0.8dB。

GJB6180規(guī)定了其表面粗糙度的均方跟誤差，同時規(guī)定了金屬球的最小RCS，并且要求應(yīng)采用兩點定標(biāo)法，即采用兩個不同大小的標(biāo)準(zhǔn)金屬球進(jìn)行定標(biāo)，并且兩個金屬球相互定標(biāo)所得的RCS應(yīng)該與其理論值相對應(yīng)。GJB6180還要求應(yīng)該在飛行前后各完成一次定標(biāo)，或者在被測飛機(jī)飛行過程中完成一次定標(biāo)。GJB6180對金屬球和定標(biāo)過程的規(guī)定，其主要目的是為了最大限度提高RCS動態(tài)測量的精度，降低標(biāo)準(zhǔn)體引入的測量誤差。

2 相對定標(biāo)

該方法提供測量雷達(dá)的功率校線，即回波的功率幅度與電壓值的對應(yīng)關(guān)系。在此過程中，需要信號發(fā)生器向雷達(dá)接收機(jī)提供一定的功率電平，此功率電平從飽和狀態(tài)到接收機(jī)噪聲電平，在雷達(dá)接收機(jī)的整個動態(tài)范圍內(nèi)逐漸提高或降低，最后記錄雷達(dá)輸出端的信號電壓。在某些情況下，還可以使用雷達(dá)接收機(jī)IF組合的衰減器進(jìn)行定標(biāo)過程，但由于IF組合與RF組合之間有可能存有一定的非線性，在RF放大器以、接收機(jī)混頻器和前置放大器這些設(shè)備中會產(chǎn)生這種非線性。所以使用IF衰減可能會產(chǎn)生定標(biāo)誤差，應(yīng)盡可能不使用IF衰減器。

我們通過對相對定標(biāo)的結(jié)果分析，了解到接收機(jī)輸出電壓作為輸入功率電平的函數(shù)曲線，其線性范圍至少要達(dá)到50dB，把這種曲線稱為接收機(jī)的功率校線。

圖2為某次測量時所得到的某雷達(dá)接收機(jī)功率校線。

間接定標(biāo)包括對雷達(dá)特征、未知目標(biāo)回波功率的測量，以及應(yīng)用雷達(dá)方程對未知目標(biāo)RCS的計算分析等幾個過程。由雷達(dá)方程得到未知目標(biāo)RCS的表達(dá)式為：

要直接通過上式求得目標(biāo)的RCS精確值，必須對雷達(dá)參數(shù)、回波功率進(jìn)行詳細(xì)、準(zhǔn)確的測定。同時確定各傳播因子的大小，而這種方法引起的誤差存在于雷達(dá)參數(shù)和回波功率的測量以及各傳播因子的使用方面上。

在實際使用時，無論是直接定標(biāo)還是間接定標(biāo)方法，都需要確定接收機(jī)的功率校線，即需要確定輸入功率與輸出電壓的關(guān)系。

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作者單位

西安航空職業(yè)技術(shù)學(xué)院 陜西省西安市 710089