基于緊縮場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的空靶雷達(dá)目標(biāo)特性測(cè)量方法

李高鵬

(中國(guó)人民解放軍92419部隊(duì)，遼寧 葫蘆島 125000)

0 引言

RCS測(cè)量是空靶雷達(dá)目標(biāo)特性研究中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，也是現(xiàn)代武器裝備研發(fā)的關(guān)鍵性基礎(chǔ)技術(shù)。當(dāng)前RCS測(cè)量方法主要包括室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量、近場(chǎng)測(cè)量和緊縮場(chǎng)測(cè)量。室外遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量需要滿足瑞利準(zhǔn)則約束的遠(yuǎn)場(chǎng)條件，場(chǎng)地試驗(yàn)保密性較差，容易受到氣候條件影響。近場(chǎng)測(cè)量通常需要掃描測(cè)量和近遠(yuǎn)場(chǎng)變換處理。緊縮場(chǎng)系統(tǒng)是通過高精度的反射器將饋源發(fā)出的球面波在緊縮的距離上轉(zhuǎn)換為平面波，滿足天線/RCS測(cè)試的遠(yuǎn)場(chǎng)條件要求，具有測(cè)試效率高、背景電平低、保密性高和全天候測(cè)量的優(yōu)點(diǎn)。微波暗室RCS測(cè)量系統(tǒng)是某單位第一個(gè)室內(nèi)場(chǎng)RCS測(cè)量系統(tǒng)，2011年12月完成驗(yàn)收并投入使用。該測(cè)量系統(tǒng)是基于緊縮場(chǎng)技術(shù)的雷達(dá)目標(biāo)特性測(cè)量系統(tǒng)，具有測(cè)量精度高、背景電平低、測(cè)量種類全等優(yōu)點(diǎn)，可以完成標(biāo)準(zhǔn)體、靶彈彈頭、彈體的RCS特性測(cè)量。

1 緊縮場(chǎng)測(cè)量技術(shù)及其工作原理

為了完成某一物體的雷達(dá)目標(biāo)特性測(cè)量，必須產(chǎn)生一個(gè)具有平面波特性的測(cè)量用電磁場(chǎng)，即要滿足測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)條件。對(duì)點(diǎn)源天線而言，最小測(cè)試距離R通常由式(1)所表述的經(jīng)典遠(yuǎn)場(chǎng)條件——瑞利準(zhǔn)則決定。

R=2D2/λ

(1)

以波長(zhǎng)為3 cm的測(cè)量信號(hào)為例，不同尺寸目標(biāo)對(duì)應(yīng)的滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件的測(cè)量距離如表1所示。

從表1中可以看出，為了滿足測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)條件需要較遠(yuǎn)的測(cè)量距離，這使得在不采取一定技術(shù)措施的情況下進(jìn)行雷達(dá)目標(biāo)特性測(cè)量變得異常困難。為解決上述難題，人們提出了很多的技術(shù)方案，緊縮場(chǎng)技術(shù)就是其中的一種。

所謂緊縮場(chǎng)技術(shù)就是采用近場(chǎng)聚焦技術(shù)以產(chǎn)生和處理入射照射波和散射波，使球面波在到達(dá)目標(biāo)處可認(rèn)為是平面波?，F(xiàn)在有2種方法可以實(shí)現(xiàn)球面波到平面波的變換。一個(gè)方法為利用介質(zhì)透鏡產(chǎn)生準(zhǔn)平面波，另一個(gè)方法是采用拋物面反射器產(chǎn)生平面波。下面以拋物面反射面作為平面波產(chǎn)生器說明緊縮場(chǎng)工作原理，如圖1所示。

圖1 反射面緊縮場(chǎng)原理圖

反射面緊縮場(chǎng)的主體設(shè)備為拋物面反射面，當(dāng)位于拋物面焦點(diǎn)上的發(fā)射饋源向反射面發(fā)射信號(hào)時(shí)，根據(jù)光學(xué)反射原理，經(jīng)反射面反射的電磁波將變成平行波照射到被測(cè)目標(biāo)上；而被測(cè)目標(biāo)反射回來的目標(biāo)散射電磁波信號(hào)經(jīng)過反射面聚集反射回接收饋源，通過對(duì)接收信號(hào)的處理就可以得到被測(cè)目標(biāo)的雷達(dá)目標(biāo)特性。這樣，在一個(gè)較短的距離上產(chǎn)生了一個(gè)能夠滿足雷達(dá)目標(biāo)特性測(cè)量的遠(yuǎn)場(chǎng)條件的測(cè)量場(chǎng)。

2 微波暗室RCS測(cè)量系統(tǒng)組成及應(yīng)用能力分析

2.1 系統(tǒng)組成

主要組成包括三大部分，如圖2所示。

圖2 微波暗室RCS測(cè)量系統(tǒng)組成圖

第一部分為緊縮場(chǎng)系統(tǒng)，主要由微波暗室、反射面板、收發(fā)天線、饋源支架等組成。該部分主要功能有兩個(gè)方面，一方面是通過反射面板將發(fā)射天線產(chǎn)生的球面波轉(zhuǎn)換成平面波，從而形成測(cè)量所需的遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件；另一個(gè)方面則是通過反射面板將目標(biāo)產(chǎn)生的后向散射聚焦到接收天線，以得到測(cè)量用的回波信號(hào)。

第二部分為目標(biāo)支撐與轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)，主要由低散射泡沫支架、目標(biāo)轉(zhuǎn)臺(tái)組成。該部分的主要功能是將被測(cè)目標(biāo)支撐起來，并進(jìn)行水平方位的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，為二維成像、旋轉(zhuǎn)掃頻測(cè)量提供條件。

第三部分為儀表與軟件系統(tǒng)，主要由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀(Agilent N5230)、控制計(jì)算機(jī)以及測(cè)量軟件組成。該部分主要功能包括三個(gè)方面：一是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為發(fā)射和接收單元產(chǎn)生測(cè)量用寬頻帶雷達(dá)信號(hào)并接收目標(biāo)的回波信號(hào)；二是矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為測(cè)量設(shè)備對(duì)測(cè)量回路的S參數(shù)進(jìn)行測(cè)量；三是完成測(cè)量數(shù)據(jù)處理并進(jìn)行相關(guān)顯示。

2.2 應(yīng)用能力分析

2.2.1 主要指標(biāo)

微波暗室RCS測(cè)量系統(tǒng)的主要指標(biāo)如下：

靜區(qū)尺寸：1.5 m(可擴(kuò)充至1.7 m)；

工作頻段：8～18 GHz、34～36 GHz；

背景電平：-55 dBsm、對(duì)-35 dBsm的高隱身目標(biāo)有1 dB的測(cè)試精度；

極化方式：HH、HV、VV、VH；

測(cè)量對(duì)象：標(biāo)準(zhǔn)體、靶彈彈頭、彈體等；

測(cè)量類型：一維成像、二維成像、點(diǎn)頻RCS、寬帶RCS；

成像分辨率：優(yōu)于10 cm。

2.2.2 能力分析與應(yīng)用方法

微波暗室RCS測(cè)量系統(tǒng)具有的測(cè)量應(yīng)用能力主要有以下幾個(gè)方面：

1)高精度低散射面積測(cè)量能力支撐隱身靶標(biāo)設(shè)計(jì)與測(cè)量。

由于微波暗室靜區(qū)空室背景電平極低，采用背景對(duì)消的方式，在工作頻段內(nèi)均達(dá)到了-55 dBsm，且對(duì)-35 dBsm低散射目標(biāo)具有1 dB的測(cè)量精度，這標(biāo)志著微波暗室測(cè)量系統(tǒng)具有低散射面積測(cè)量能力，可以開展隱身靶標(biāo)雷達(dá)目標(biāo)特性測(cè)量，為隱身靶標(biāo)設(shè)計(jì)提供測(cè)量手段和評(píng)估支持。

2)多維度高分辨率成像測(cè)量能力支撐靶標(biāo)散射性能診斷分析。

微波暗室RCS測(cè)量系統(tǒng)采用寬帶掃頻體制和旋轉(zhuǎn)逆合成孔徑成像技術(shù)實(shí)現(xiàn)一維和二維高分辨率成像測(cè)量，可以完成靶標(biāo)電磁散射中心測(cè)量和診斷，為靶標(biāo)散射中心分布成像診斷提供數(shù)據(jù)支撐。

3)全方位多頻點(diǎn)RCS測(cè)量能力支撐靶標(biāo)定標(biāo)測(cè)試。

位于測(cè)試靜區(qū)的目標(biāo)支撐系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)方位360°、步進(jìn)0.02°目標(biāo)旋轉(zhuǎn)，通過旋轉(zhuǎn)掃頻模式可以實(shí)現(xiàn)工作頻段內(nèi)任意點(diǎn)頻RCS測(cè)量，并具有寬帶RCS測(cè)量能力。可以提供多種形式、滿足國(guó)軍標(biāo)要求的靶標(biāo)RCS標(biāo)定數(shù)據(jù)，為靶場(chǎng)試驗(yàn)提供真值和參考基準(zhǔn)。

3 應(yīng)用舉例

在某型雷達(dá)試驗(yàn)中，需要完成雷達(dá)對(duì)不同反射面積小目標(biāo)探測(cè)能力的考核。試驗(yàn)前，運(yùn)用微波暗室RCS測(cè)量系統(tǒng)對(duì)廠家提供的三個(gè)空靶進(jìn)行了測(cè)量，經(jīng)測(cè)量發(fā)現(xiàn)廠家提供的空靶在設(shè)計(jì)上存在錯(cuò)誤，且加工工藝不能滿足使用要求。于是要求重新進(jìn)行設(shè)計(jì)和加工，并對(duì)重新設(shè)計(jì)和加工的靶標(biāo)進(jìn)行了測(cè)量，達(dá)到了設(shè)計(jì)要求并能滿足靶場(chǎng)試驗(yàn)使用要求。具體如圖3～5所示。

圖3 靶標(biāo)實(shí)物圖

圖4 原始靶標(biāo)測(cè)量結(jié)果圖

圖5 改進(jìn)后靶標(biāo)測(cè)量結(jié)果圖

4 結(jié)束語

本文介紹的基于緊縮場(chǎng)技術(shù)構(gòu)建的室內(nèi)場(chǎng)靜態(tài)RCS測(cè)量系統(tǒng)，具有完備的雷達(dá)目標(biāo)特性測(cè)量能力，可在空靶設(shè)計(jì)、目標(biāo)測(cè)量中發(fā)揮較為重要的作用。