雷達散射截面測試技術(shù)

隨著電磁隱身技術(shù)在軍事裝備（特別是飛行器）上的廣泛應用，雷達目標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電磁散射特性的檢測手段，以用于目標電磁隱身性能和隱身效果的定量、定性分析。雷達散射截面積RCS（Radar Cross Section）測量是研究目標電磁散射特性的重要方法，雷達目標特性測量作為航天測控領(lǐng)域的一項先進技術(shù),在新型雷達設(shè)計過程中得到廣泛的應用，它通過在重要的各姿態(tài)角位置RCS的測量，可確定目標形狀、尺寸。高精度測量雷達一般通過測量目標的運動特性、雷達反射特性、多普勒特性來獲取目標信息，其中雷達RCS特性測量即是測量目標的反射特性。

1  雷達散射界面的定義及測量原理

1.1  散射界面的定義

當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，他是目標的一種假想的面積山。雷達散射界面是目標遠場特性,其定義是基于平面波照射下目標各向同性散射時“捕捉”到的區(qū)域，通?？捎美走_有效散射面積來表征這個區(qū)域的尺寸：

在這個表達式中，E是入射波強度，E散射波強度，R為遠場距離。從式（1）中可以看出，目標的有效散射面積是用目標散射電磁波的能力來描述的,是雷達探測目標可見度的衡量,單位常用分貝（dB）表示，其大小主要取決于目標的參數(shù)(如目標的形狀、尺寸及表面電器性能)和雷達參數(shù)(如一次場的極化形式、波長等)以及目標的視角。

1.2  測量原理

典型的RCS測試示意圖如圖1所示。通常發(fā)射機和接收機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)支架用于改變目標相對于雷達的方向。

由雷達方程式定義：

為大氣與高頻傳輸系統(tǒng)損耗。由于接收機所檢測到的功率受發(fā)射機、接收機內(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無關(guān),在一次測量中,可以被認為是個常數(shù)。根據(jù)具體雷達設(shè)備的性能，可以在上列方程中引入若干修正項，則目標有效散射面積可表示為σ＝CPrR4ρθ,式中:ρ為校準時發(fā)射機參考功率與 測量實施時發(fā)射機功率之比;。θ為天線偏離雷達波束的的信號衰減量。RCS的測量就是依據(jù)式(2)進行的在對方程式中有關(guān)項進行校準后，可由雷達系統(tǒng)的目標特性測量支路獲取目標回波功率P_r,再由雷達的距離跟蹤支路測出距離R,進而來計算出目標的雷達散射截面。從式(2)還可看出,要想精確測量出目標的有效散射截面積，對式中常數(shù)項C的精確標定是必不可少的。

2  測量標定

雷達目標散射截面測量中的一個主要問題是如何標定，通常采用測量已知反射截面積的定標體作為標?；鶞?，從而對雷達系統(tǒng)進行標校。這種方法是對整個雷達的校準，簡便、實用用精度較高。但主要問題是如何進行精確的標校，即建立已知的RCS與雷達接收機輸出物理量(電壓或功率)之間嚴格的對應關(guān)系，從而由接收機測量值得到所對應目標的未知RCS值。

RCS測量常選用導體球作為定標體，由于其具有各向同性的優(yōu)點，容易以此來確定測試精度。導體球在光學區(qū)的后向散射截面σ_sphere＝πr²,其中r≥λ,r是球體半徑，入是輻射波長。一般可用處于光學區(qū)的導體球進行定標。另一種作為定標體的是矩形平板,它的單站散射截面是即如σ_plate＝4π（A²/λ²）r²,其中有：VA≥A,故導體球在光學區(qū)的雷達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。當平板的尺寸遠遠大于波長時，頻率相對散射截面非常大，遠遠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標準。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翼，引擎，推動部件等對雷達散射截面的影響。也能很好的滿足遠場條件。但其成本較高，并受天氣的影響，目標姿態(tài)控制困難，角閃爍嚴重。相比動態(tài)測試，靜態(tài)測試無須跟蹤目標，被測目標固定在轉(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，并且可以重復測量，不但提高了測量和標定的精度，而且方便、經(jīng)濟、可操作性好。靜態(tài)測試便于對目標多次測量。

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)安裝的大尺寸目標和地平面隔離，但是近年來認為這是幾乎不可能完成的。人們認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。

6.1  點頻方式

該方式首先測出來自支架、地面反射、遠區(qū)阻擋物等背景的信噪比（S/N）,然后再將被測目標放于支撐塔架上并測出來自目標背景的信噪比。通過二次矢量場相減技術(shù)（對消）基本可將背景噪聲消除，從而得到被測目標的信噪比,然后再根據(jù)下列公式計算出目標的信噪比：

式中，K為測量設(shè)備的時變物理參數(shù);σ_terg為被測目標的散射截面積;R為被測目標到天線的距離（常量），S/N_terg禰為被測目標的信噪比。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，在每次進行測量的時候（時間跨度較長，環(huán)境改變），均需對K值進行重新標定。具體標定方法為:用一已知散射截面積σ的標準金屬球放置于支撐塔架上，然后按照上述的方法測出標準金屬球的信噪比，從而反算出當前條件下的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（目標相對雷達旋轉(zhuǎn)一周）僅能獲得單頻點的RCS方位曲線，對于低散射目標，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，步進頻率系統(tǒng)就是掃頻的一種。

步進頻率信號是一種頻率呈步進式變化的超寬帶雷達信號，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，可以得到目標合成距離高分辨率輸出，因而在微波成像、目標識別等雷達系統(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)。

采用步進頻率信號測量與點頻連續(xù)波相比，可以省去復雜的硬件對消器,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準天線發(fā)射出去，回波信號通過另一個相隔很近的標準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，最早的RCS測試技術(shù)是點頻連續(xù)波方式。隨著數(shù)字計算機以及儀器計算機控制技術(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，雷達鏡像，大目標RCS特征更加精確。