雷達(dá)散射截面測試技術(shù)
引言
隨著電磁隱身技術(shù)在軍事裝備（特別是飛行器）上的廣泛應(yīng)用，雷達(dá)目標(biāo)電磁散射特性的重要性研究日益突出。目前迫切需要一種目標(biāo)電磁散射特性的檢測手段，以用于目標(biāo)電磁隱身性能和隱身效果的定量、定性分析。雷達(dá)散射截面積RCS（Radar Cross Section）測量是研究目標(biāo)電磁散射特性的重要方法，雷達(dá)目標(biāo)特性測量作為航天測控領(lǐng)域的一項先進(jìn)技術(shù),在新型雷達(dá)設(shè)計過程中得到廣泛的應(yīng)用，它通過在重要的各姿態(tài)角位置RCS的測量，可確定目標(biāo)形狀、尺寸。高精度測量雷達(dá)一般通過測量目標(biāo)的運動特性、雷達(dá)反射特性、多普勒特性來獲取目標(biāo)信息，其中雷達(dá)RCS特性測量即是測量目標(biāo)的反射特性。
1 雷達(dá)散射界面的定義及測量原理
1.1 散射界面的定義
當(dāng)物體被電磁波照射時，其能量將朝各個方向散射。能量的空間分布依賴于物體的形狀、大小、結(jié)構(gòu)以及入射波的頻率和特性。能量的這種分布稱為散射。這種能量或功率散射的空間分布一般用散射截面來表征，他是目標(biāo)的一種假想的面積山。雷達(dá)散射界面是目標(biāo)遠(yuǎn)場特性,其定義是基于平面波照射下目標(biāo)各向同性散射時“捕捉”到的區(qū)域，通常可用雷達(dá)有效散射面積來表征這個區(qū)域的尺寸：
在這個表達(dá)式中，E是入射波強度，E散射波強度，R為遠(yuǎn)場距離。從式（1）中可以看出，目標(biāo)的有效散射面積是用目標(biāo)散射電磁波的能力來描述的,是雷達(dá)探測目標(biāo)可見度的衡量,單位常用分貝（dB）表示，其大小主要取決于目標(biāo)的參數(shù)(如目標(biāo)的形狀、尺寸及表面電器性能)和雷達(dá)參數(shù)(如一次場的極化形式、波長等)以及目標(biāo)的視角。
1.2 測量原理
典型的RCS測試示意圖如圖1所示。通常發(fā)射機(jī)和接收機(jī)有一個小角度的分離以提高隔離度，對于返回的弱小信號則有更高的靈敏度。旋轉(zhuǎn)支架用于改變目標(biāo)相對于雷達(dá)的方向。
由雷達(dá)方程式定義：
為大氣與高頻傳輸系統(tǒng)損耗。由于接收機(jī)所檢測到的功率受發(fā)射機(jī)、接收機(jī)內(nèi)饋線損耗以及沿射線路徑的大氣損耗等影響，方程式中必須考慮這幾個因素，其中C式中的各項與所探測的目標(biāo)無關(guān),在一次測量中,可以被認(rèn)為是個常數(shù)。根據(jù)具體雷達(dá)設(shè)備的性能，可以在上列方程中引入若干修正項，則目標(biāo)有效散射面積可表示為σ＝CPrR4ρθ,式中:ρ為校準(zhǔn)時發(fā)射機(jī)參考功率與 測量實施時發(fā)射機(jī)功率之比;。θ為天線偏離雷達(dá)波束的的信號衰減量。RCS的測量就是依據(jù)式(2)進(jìn)行的在對方程式中有關(guān)項進(jìn)行校準(zhǔn)后，可由雷達(dá)系統(tǒng)的目標(biāo)特性測量支路獲取目標(biāo)回波功率Pr,再由雷達(dá)的距離跟蹤支路測出距離R,進(jìn)而來計算出目標(biāo)的雷達(dá)散射截面。從式(2)還可看出,要想精確測量出目標(biāo)的有效散射截面積，對式中常數(shù)項C的精確標(biāo)定是必不可少的。
2 測量標(biāo)定
雷達(dá)目標(biāo)散射截面測量中的一個主要問題是如何標(biāo)定，通常采用測量已知反射截面積的定標(biāo)體作為標(biāo)?；鶞?zhǔn)，從而對雷達(dá)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)校。這種方法是對整個雷達(dá)的校準(zhǔn)，簡便、實用用精度較高。但主要問題是如何進(jìn)行精確的標(biāo)校，即建立已知的RCS與雷達(dá)接收機(jī)輸出物理量(電壓或功率)之間嚴(yán)格的對應(yīng)關(guān)系，從而由接收機(jī)測量值得到所對應(yīng)目標(biāo)的未知RCS值。
RCS測量常選用導(dǎo)體球作為定標(biāo)體，由于其具有各向同性的優(yōu)點，容易以此來確定測試精度。導(dǎo)體球在光學(xué)區(qū)的后向散射截面σsphere＝πr2,其中r≥λ,r是球體半徑，入是輻射波長。一般可用處于光學(xué)區(qū)的導(dǎo)體球進(jìn)行定標(biāo)。另一種作為定標(biāo)體的是矩形平板,它的單站散射截面是即如σplate＝4π（A2/λ2）r2,其中有：VA≥A,故導(dǎo)體球在光學(xué)區(qū)的雷達(dá)散射截面與頻率無關(guān)，散射截面的振蕩特性消失而趨于常數(shù)，它等于球的投影面積。當(dāng)平板的尺寸遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于波長時，頻率相對散射截面非常大，遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于物理面積這個因素。在室外測量和最近的一些研究與發(fā)展經(jīng)驗中，研究人員已經(jīng)傾向于把短圓柱體作為校準(zhǔn)標(biāo)準(zhǔn)。它能更好的消除背景雜波的影響。
3 室外測量
外場RCS測量是獲取大型全尺寸目標(biāo)電磁散射特性的重要手段。室外場測試分為動態(tài)測試和靜態(tài)測試。動態(tài)RCS測量是在目標(biāo)飛行時測量的，動態(tài)測量比靜態(tài)測量具有某些優(yōu)勢，因為它包括了諸如機(jī)翼，引擎，推動部件等對雷達(dá)散射截面的影響。也能很好的滿足遠(yuǎn)場條件。但其成本較高，并受天氣的影響，目標(biāo)姿態(tài)控制困難，角閃爍嚴(yán)重。相比動態(tài)測試，靜態(tài)測試無須跟蹤目標(biāo)，被測目標(biāo)固定在轉(zhuǎn)臺上，不需轉(zhuǎn)動天線，只需通過控制轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)角度，就可以實現(xiàn)被測目標(biāo)360°的全方位測量，因此大大降低了系統(tǒng)的成本及測試費用。同時，由于目標(biāo)中心相對于天線是靜止不動的，姿態(tài)控制精度高，并且可以重復(fù)測量，不但提高了測量和標(biāo)定的精度，而且方便、經(jīng)濟(jì)、可操作性好。靜態(tài)測試便于對目標(biāo)多次測量。
RCS室外測試時，地平面的影響非常大,其外場測試示意圖如圖2所示。最早想到的方法是把一個范圍內(nèi)安裝的大尺寸目標(biāo)和地平面隔離，但是近年來認(rèn)為這是幾乎不可能完成的。人們認(rèn)識到最有效的處理地平面反射的方法就是利用地平面作為照射過程的參與者，即創(chuàng)造一個地面反射環(huán)境。
室外測量的其缺點是地平面必須非常的平整，雷達(dá)天線的高度與頻率有關(guān)，因為直接路徑信號和反射路徑的信號在到達(dá)目標(biāo)時需要同相位。同時,地平面的反射率也受到頻率和極化方式的影響。盡管如此，基于地面反射的遠(yuǎn)場測試仍然是外場測試的主要方法，遠(yuǎn)場距離往往需要很長，并且地平面可處理以控制地面反射區(qū)。
4 室內(nèi)緊縮場測量
理想的RCS測試應(yīng)在無反射雜波干擾的環(huán)境中進(jìn)行，照射目標(biāo)的入射場不受周圍環(huán)境的影響，微波暗室為室內(nèi)RCS測試提供了良好的平臺，通過合理的布置吸波材料可降低背景反射電平,并且使得測試能夠在可控的環(huán)境中進(jìn)行，以減少環(huán)境的影響。微波暗室最重要的區(qū)域稱為靜區(qū)，待測目標(biāo)或天線置于靜區(qū)中。其主要性能是靜區(qū)內(nèi)雜散電平的大小，常用反射率和固有雷達(dá)散射截面兩個參數(shù)作為微波暗室的評價指標(biāo)。根據(jù)天線和RCS遠(yuǎn)場條件，R≥2D2λ，故當(dāng)目標(biāo)尺寸D很大，波長λ很短時，測試距離R必須很大，為解決這個問題,20世紀(jì)90年代后，高性能的緊縮場技術(shù)得到發(fā)展和應(yīng)用。圖3所示是典型的單反射面緊縮場測試圖。緊縮場使用旋轉(zhuǎn)拋物面構(gòu)成的反射面系統(tǒng)在一個相對較短的距離可把球面波轉(zhuǎn)為平面波，饋源放置在拋物面的焦點，因此得名“緊縮”。為減小緊縮場靜區(qū)振幅的錐削和波紋度，反射面的邊緣處理為鋸齒形。在室內(nèi)散射測量中，由于暗室尺寸的限制，大多數(shù)暗室用做測量縮比目標(biāo)模型，1：s縮比模型的RCS(δ)與折算成1：1真實目標(biāo)尺寸的RCS(δ)的關(guān)系式為6=S+201gs(dB),而縮比模型的測試頻率f應(yīng)為實際目標(biāo)測試頻率f的s倍。
5 測試支架
進(jìn)行RCS測試時，目標(biāo)支架回波是一個重要的背景散射雜波，需要設(shè)計特別的低散射支架用以安裝和旋轉(zhuǎn)目標(biāo)、這個旋轉(zhuǎn)軸應(yīng)能夠使目標(biāo)360°方位角旋轉(zhuǎn)并在高度上45°的變化。目前,RCS測量釆用的目標(biāo)支架主要有兩種：一種是低密度泡沫支架，另一種是低反射金屬支架。由于測量時支架與目標(biāo)一起轉(zhuǎn)動，支架的非圓對稱會造成支架回波的起伏，釆用背景抵消技術(shù)雖能進(jìn)行部分補償，但殘余部分的影響在低RCS測量時仍不能忽略。同時,安裝目標(biāo)后，支架的變形減小了背景補償技術(shù)的效果。而泡沫支架強度較小,現(xiàn)廣泛應(yīng)用的金屬支架如圖4所示，支架內(nèi)有一如圖5所示的轉(zhuǎn)子支撐目標(biāo)，并可使目標(biāo)旋轉(zhuǎn)。支架金屬外殼呈橄欖形，前緣和后緣制成很尖的銳角，支架朝入射波方向傾斜，以減少后向散射電磁波。前傾角增加可使后向散射減小，實際結(jié)構(gòu)應(yīng)考慮支架強度和電磁性能等因素。在支架上涂覆吸波材料能夠使RCS減少7?15dB。
支架的關(guān)鍵設(shè)計參數(shù)是它的后向散射截面和它
對于大目標(biāo)的物理支撐強度，典型的散射截面值一般是－25~－45dB,承載能力可達(dá)到500?10000磅。
6 測試技術(shù)
傳統(tǒng)的RCS測試技術(shù)一般都是點頻方式。使用這種方法僅僅可以得到雷達(dá)散射截面以及方位角和頻率響應(yīng)之間的關(guān)系，但得不到散射中心的分布。目前室內(nèi)使用比較普遍的是步進(jìn)頻率RCS測試技術(shù)。
6.1 點頻方式
該方式首先測出來自支架、地面反射、遠(yuǎn)區(qū)阻擋物等背景的信噪比（S/N）,然后再將被測目標(biāo)放于支撐塔架上并測出來自目標(biāo)背景的信噪比。通過二次矢量場相減技術(shù)（對消）基本可將背景噪聲消除，從而得到被測目標(biāo)的信噪比,然后再根據(jù)下列公式計算出目標(biāo)的信噪比：
式中，K為測量設(shè)備的時變物理參數(shù);σterg為被測目標(biāo)的散射截面積;R為被測目標(biāo)到天線的距離（常量），S/Nterg禰為被測目標(biāo)的信噪比。需要指出的是，K值并非一個固定常量，他與測量設(shè)備自身狀態(tài)、氣候、溫度等環(huán)境因素均有關(guān)系，K值只在某一時間段內(nèi)（測量設(shè)備工作穩(wěn)定，氣候、溫度等環(huán)境變化很小時）為一常量。因此，在每次進(jìn)行測量的時候（時間跨度較長，環(huán)境改變），均需對K值進(jìn)行重新標(biāo)定。具體標(biāo)定方法為:用一已知散射截面積σ的標(biāo)準(zhǔn)金屬球放置于支撐塔架上，然后按照上述的方法測出標(biāo)準(zhǔn)金屬球的信噪比，從而反算出當(dāng)前條件下的K值。
6.2 掃頻方式
傳統(tǒng)的微波暗室測量大多使用點頻方式,點頻測試最大的優(yōu)點是設(shè)備簡單，數(shù)據(jù)處理速度快。缺陷是每個測量周期（目標(biāo)相對雷達(dá)旋轉(zhuǎn)一周）僅能獲得單頻點的RCS方位曲線，對于低散射目標(biāo)，需要添加對消系統(tǒng)來消除暗室背景，且這種背景不易消除。因此，對于低散射物體的測量，點頻方式測量系統(tǒng)會造成較大的測量誤差，用掃頻方法測量則能得到較高的測量精度，步進(jìn)頻率系統(tǒng)就是掃頻的一種。
步進(jìn)頻率信號是一種頻率呈步進(jìn)式變化的超寬帶雷達(dá)信號，它由一串脈沖組成，每個脈沖發(fā)射頻率不同，頻率間的階躍為固定值。對脈沖回波做快速傅里葉逆變換（IFFT）處理，可以得到目標(biāo)合成距離高分辨率輸出，因而在微波成像、目標(biāo)識別等雷達(dá)系統(tǒng)中廣泛使用。其方程為：
式中，f0為起始頻率,?f表示頻率步進(jìn)間隔。對這個頻域信號做傅里葉逆變換，可得到其時域形式為：
由此可見，傅里葉逆變換處理出來的結(jié)果是一串載頻為中心頻率的sinc函數(shù)。
采用步進(jìn)頻率信號測量與點頻連續(xù)波相比，可以省去復(fù)雜的硬件對消器,從而有效減少了背景雜波的影響。信號經(jīng)過功率放大器放大后可直接由標(biāo)準(zhǔn)天線發(fā)射出去，回波信號通過另一個相隔很近的標(biāo)準(zhǔn)增益天線送入矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀接收端，然后利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的時域功能進(jìn)行軟件對消，從而使測試方案得以簡化。
7 結(jié)語
隱身RCS測試技術(shù)的研究討論開始于1965年，到現(xiàn)在已經(jīng)近半個世紀(jì)，最早的RCS測試技術(shù)是點頻連續(xù)波方式。隨著數(shù)字計算機(jī)以及儀器計算機(jī)控制技術(shù)的發(fā)展，隱身測試技術(shù)已經(jīng)得到極大的進(jìn)步，而且緊湊場技術(shù)還可以使測量從室外轉(zhuǎn)移到室內(nèi)，從而使背景對消，雷達(dá)鏡像，大目標(biāo)RCS特征更加精確。
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