基于室外场RCS精确测量分析

摘 要：在现代高科技战争中，不论是空中目标还是地面目标，其隐身性能(雷达散射截面RCS)的大小直接影响其生存能力。因此，随着隐身技术的高速发展，对RCS的测试也提出了更高的要求。如何精确测量目标的RCS，特别是低散射物体，将对武器系统的研究设计及定型改进具有十分重要的意义。对如何实现室外RCS精确测量进行了相关的研究和分析，并通过实验，结果证明具有较好的效果。

关键词：雷达散射截面积；吸波材料；瑞利准则；对消系统；紧缩场法

中图分类号：TN972+.4 文献标识码：B

文章编号：1004-373X(2008)11-012-03オ

RCS Precision Measurement Analysis Based on Room Outfield

ZHAO Guoqun1，ZHU Feng1，LIU Li′na1,TAN Dong2，ZHANG Saiqiao1，OUYANG Juan1

(1.School of Electrical Engineering，Southwest Jiaotong University，Chengdu，610031,China;2.95948 Unit,Lanzhou,732750,China)

オ

Abstract：In modern high tech war,no matter the airborne target or the ground object,the size of its stealth performance,radar cross section,affects its survivability directly.Therefore,along with the high speed development of stealth technology,mankind also sets a higher request to the RCS test.How precision measuring goal's RCS,specially the low scattering object,it has the extremely vital significance to designation,setting and improvement of the armament system research.How to realize precision measurement of RCS,this paper studies and analyses it,through the experiment,the results prove the good effect.

Keywords：radar cross section;absorbing material;Rayleigh criterion;cancellation system;contraction field

雷达散射截面积(RCS)的测量通常分为室内测量和室外测量两种。所谓室内测量，是指暗室测量，其主要优点是背景电平低、使用经济、操作方便、不受天气的影响。但其主要的缺点是暗室空间不够大，被测目标的尺寸受到限制，无法对大型、真实的目标进行直接测试，对于大型目标，只能对其按一定的比例进行缩比模型测量，然后进行散射幅度和频率的换算，以得到实际的RCS值。因此，测量精度与模型的逼真程度有很大关系，而缩比模型不可能拥有实际真实目标的所有复杂细节，这样就会造成测量结果与实际目标的散射之间有一定的差距。鉴于暗室测量的局限，本文主要在测试方法及测试场地的选择及设计方面讨论了如何实现室外全尺寸目标散射截面积的精确测试。

1 测试方法

室外场测试可分为动态测试和静态测试，动态测试可对目标进行1∶1测试，但其成本太高，并且受天气的影响，目标姿态控制困难，角闪烁严重。相比动态测试，静态测试无须跟踪目标，被测目标固定在转台上，不需转动天线，只需通过控制转台旋转角度，就可以实现被测目标360°的全方位测量，因此大大降低了系统的成本及测试费用。同时由于目标中心相对于天线是静止不动的，姿态控制精度高，并且可以重复测量，不但提高了测量和标定的精度,而且方便、经济、可操作性好。静态测试便于对目标多次测量。

1.1 点频方式

首先测出来自支架、地面反射、远区阻挡物等背景的信噪比(S/N)，然后再将被测目标放于支撑塔架上并测出来自目标背景的信噪比。通过二次矢量场相减技术(对消)，将背景噪声消除,从而得到被测目标的信噪比,再根据下列公式计算出目标的信噪比：

И

S/Ntarg=K+10lg σtarg－40lg R

(1)

И

式中K为测量设备的时变物理参数；σtarg为被测目标的散射截面积；R为被测目标到天线的距离，常量；S/Ntarg为被测目标的信噪比。

需要指出的是，K值并非一个固定常量，他与测量设备自身状态、气候、温度等环境因素均有关系，K值只在某一时间段内(测量设备稳定工作，气候、温度等环境变化很小)为一常量。因此，在每次进行测量的时候(时间跨度较长，环境改变)均需对K值进行重新标定。具体标定方法为：用一已知散射截面积σ的标准金属球放置于支撑塔架上，然后按照上述的方法测出标准金属球的信噪比，从而反算出当前条件下的K值。И

将先前测出的目标信噪比及算出的K值代入上式就可以反求出被测目标的散射截面积Еtarg。И

用标定法对金属球散射截面进行实验。因当k0r1时(其中k0=2π/λ)，金属球散射截面积达极大值σmax。取半径r=0.1 m的标准金属球，实验频率f=478 MHz，测算其σ值。如图 1，得单站RCS值σmax为-9.55 dB，由σmax3.63σ得实验σе:

И

σ=σmax3.63=－15.149 dBm

(2)

И

该金属球散射截面积理论值σ′=πr2=0.031 4m2=－15.03 dBm，其误差为：

|σ′－σ|=0.119

图1 实验结果

1.2 扫频方式

点频测试最大的优点是设备简单，数据处理速度快。但存在的主要缺陷是每个测量周期(目标相对雷达旋转一周)仅获得单频点的RCS方位曲线，背景不易完全消除，对于低散射物体，会造成较大的测量误差，因此该方法比较适合于大型目标的RCS测量。对于低散射物体的测量，用扫频方法测量则能得到较高的测量精度。

扫频是相对点频而言，点频是单一频率，而扫频则为一个频段。在每个测量周期可获得该频段内的测量数据，通过对接收到的目标反射的频域信号进行快速IFFT处理将频域信号转换到时域中，然后计算目标回波时间，其目标回波时刻可通过大散射体初步确定，然后采用时域加门技术(加时间窗)将目标的回波位置卡在时间门内，从而不考虑环境杂波的影响，提高了精度。然后对门内时域信号进行FFT处理则获得测量值的频域数据[1]。测试中，采取多次平均和加时间窗的方法可以提高信噪比，理论上取100次平均，信噪比可提高约20 dB。通过对75 mm小球的测试，其测试值与理论值相比，误差小于0.1 dB[2]。在相同条件下，信噪比的提升本身就有利于提高测量精度。相比用提高发射功率来增大信号强度，扫频方式显得更加经济和简单。由此看出，扫频方式在其他条件均没有改变的情况下，就能提高信噪比，从而使得测量精度更高，因此也更加适合于低散射目标的测试，较点频试具有明显的优势，扫频方式是一种先进的、很有前途的RCS测试方法。其具体测试方法与点频式相同。

2 测试场地的选择和设计

为了减小环境因素的影响，测试场地应该选择在开阔平坦地带，周围没有高山、湖泊、森林、建筑物、庄稼地等。

2.1 远场边界条件[3]

根据雷达原理，远场雷达目标散射截面积与雷达到目标的距离无关，即电磁波要对被测目标进行平面波照射。因此，在室外静态测试场中，要消除距离的影响，天线与转台的距离R0必须首先满足远场边界条件：

И

R0≥2D2/λ(3)

И

式中，D为目标横向尺寸，λ为波长。需要说明的是该公式只是一个经验公式，是当前广泛采用的保证远场RCS测量精度的远场标准，即只要满足这样的距离条件，可以认为，电磁波对被测物体进行了平面照射。

从式(3)可以看出，当被测目标尺寸较大，而波长很小时，R0很大，这要求测试场地十分庞大，很不经济。因此，必要时可以用紧缩场法来进行测，即用紧缩场反射面天线产生准平面波，模拟平面波对待测目标进行照射，这样可以较小的R0获得平面波。该方法可以大大减小测试场地，也是一种测量目标散射特性的有效方法。И

2.2 地面平整处理[4]

地杂波是影响RCS测量精度的一个主要因素，因此，除了要满足远场边界条件进行测试外，还要考虑地杂波的影响。虽然多年来，国际国内都对地面的反射状况进行了广泛和深入的分析、研究，但是由于地面的复杂性，很难用一个精确的数学模型来进行准确的描述。因此，在解决地杂波问题上始终是一个比较突出的问题和难题。对于测试场地，更是不能回避这个问题，因此对地面的平整处理是必须的。

电磁波在地面将产生漫反射和镜面反射，具体以哪种方式为主则以地面粗糙度(起伏度)来决定。如果是漫反射，那么将有更多的地面反射电磁波进入天线，而测试中需要的是直接反射波进入天线，因此这会增大测量误差，这是我们不希望的。若电磁波以入射角余角Е日丈湓诎纪共黄降牡孛媸(图2)，地面起伏度为h，电磁波会在H点和O′点产生反射。И

图2 地面起伏度对电磁波的影响

由图2看出，由大地起伏度h引起的波程差ΔR为：

И

ΔR=hsin θ［1－(1－2sin2θ)］=2hsin θ

(4)

И

根据瑞利准则，只有当ЕR

由镜面反射的条件可以看出，测试频率越高，波长越小，那么大地起伏度h越小，对地面的平整度要求就越高。因此，对于测试场地，要根据实际的测试频段来确定，应当以所测最高频率所对应的波长来确定地面的平整度。

2.3 天线和目标高度

增大天线高度可以减小副瓣电平以及地杂波的影响，增大目标高度可以减小地面反射波进入天线。但实际中，不可能无限度的升高天线和目标高度，在可能的情况下增大天线和目标高度，有助于提高测量精度。如果是雷达测试场，仰角在1°内，采用的经验公式为：

И

ha×ht=nRλ4(n=1,3,5,…)

И

式中ha为天线相对地面的高度，ht为目标在支架上相对地面的高度，R为天线到目标的距离。通常情况下：ht/R≤1%。И

2.4 斜坡及倾斜塔架

天线高度也受地面影响。天线到塔架之间的地面设计为一倾斜面以及倾斜支撑塔架，前者有利于减小地面反射波进入天线，后者有利于减小支撑塔架及转台反射的电磁波经地面再反射进入天线，从而干扰天线。支撑塔架和转台将会反射电磁波，为了减小塔架及转台反射带来的影响，在其表面涂抹吸波材料是必须的。吸波材料能够吸收大部分电磁波，但仍有少量部分一路经直接反射回天线，而另一路则通过地面反射进入天线。因此，为了减小地面反射部分的影响，倾斜支撑塔架是一种有效的途径。

图3中，MN代表水平地面，MS代表倾斜一定角度的

[CM(21*2]斜面。A为天线位置，B为放在支撑塔架上的被测物体。[CM)]

AB为天线发射波，BP为被测物体的反射波，PA为水平面反射波，SC为斜面反射波。从该图看出，当为水平面时，其反射的电磁波刚好进入天线，从而干扰天线，而SC方向向上射向天空。因此，倾斜一定地面角度将能减小地面反射波进入天线，从而提高测量精度。

倾斜塔架也是相同的原理，不再赘述。

图3 倾斜地面对电磁波地面反射的影响

3 结 语

本文分析了RCS室内室外测试的优劣，从而提出了建立室外测试场的方法，进而给出了具体测试法。该方法克服了传统室内测试场法的局限性，通过实验，证明了其有效性。同时本文也对怎样建立和设计测试场地在原理分析上提出了一些方法和建议，在实践别是对于建立雷达测试靶场具有指导意义。

参 考 文 献

［1］薛元松,许家栋.单点频与宽带扫频测试目标RCS的比较［J］.现代电子技术，2006,29(3):25-27.

［2］李南京,张麟兮，许家栋，等.远场RCS的精确测试方法研究［J］.现代雷达，2006,28(8):70-73.

［3］陶建锋,盛孝鹏，孙青.复杂目标的近场散射特性分析［J］.现代雷达，2006,28(10):75-78.

［4］王英智,雷彬,张万君.大地靶场地面散射特性的测试方法［J］.军械工程学院学报，2005,17(6):7-10.

作者简介 赵国群 女，西南交通大学电磁散射理论研究工作者。

朱 峰 男，西南交通大学教授，博士生导师。主要研究领域为电磁兼容，电磁场与微波等。

注：本文中所涉及到的图表、注解、公式等内容请以PDF格式阅读原文。