基于扫频RCS测量的便携式吸波涂料测量仪

2010-08-12王亮薛明华洪韬

电子技术应用 2010年6期

王亮，薛明华，洪韬

(北京航空航天大学电子信息工程学院，北京100191)

现代装备，如各种飞机、军舰等，为减小敌方雷达的发现概率，采用了不同程度的隐身措施。在装备表面涂覆雷达吸波涂料RAC(Radar Absorbing Coating)来减小雷达散射截面已成为一种重要的方法。通常表征吸波涂料隐身特性的基本参量是其对电磁波的反射率，表达式为:

式中V反是涂料的反射电压，V入是涂料上的入射电压，P反是涂料的反射功率，P入是涂料的入射功率。上式也可以理解为在给定的波长和极化的条件下，电磁波从同一方向、以同一功率密度入射到雷达吸波涂料平面和良导体平面，雷达吸波涂料平面与同尺寸良导体平面两者镜面方向反射功率之比。

常用的传统方法[1]主要有远场RCS测试法、弓形测试法、样板空间平移测试法等。这些方法均要求在微波暗室内进行测试，并且无法对已经涂覆于机体表面的材料进行测试。近年来，一些便携式反射率测试仪相继被研制出来[2]，均采用检波方案，存在测量精度不高、动态范围小的缺点。本文提出并实现了一种基于扫频RCS测量原理的便携式吸波涂料反射率测试设备。与传统方法相比，本设备简单、测试灵活；与其他的便携式方法相比，具有精度更高、性能稳定的优点。

1 扫频测量原理

扫频RCS系统也称线性调频系统，其结构如图1和图2所示。其中fi是发射频率，fr是回波频率，f0是中频信号频率，τ是延迟时间，B是扫频信号带宽，T是扫频信号持续时间，c是光速，R是目标到混频器信号端口的距离。

根据扫频RCS系统原理[3]，混频器输出的中频信号中包含有与目标距离成线性关系的频率分量:

混频器输出的中频信号表达式为:

式中SR(t)是输出的中频信号，E0(t)是中频信号的包络，φ是相位，且有:

由式(3)可以看出:

(1)其频率f0正比于发射带宽B及延迟时间τ，反比于扫频时间T，即f0=Bτ/T。假如目标区有多个反射回波源，中频信号应包含所有反射信号的矢量和。

(2)基于频率与f0目标的距离R呈fc=2BR/cT的正比关系，对频率的分辨率也是对距离的分辨率。其幅度(或信号包络)E0(t)反映了目标在t时刻对雷达波的反射强度；由扫频测量体制中微波扫频频率fi[f0-B/2，f0+B/2]与信号持续时间t[0，T]的相关性可知,信号幅度随时间的变化规律E0(t)也是其随发射频率的关系曲线E0(fi)。根据定义:若对回波信号进行检波取出包络E0(fi)，再对包络取模平方，即是反射率与发射频率的关系曲线。

获取目标反射率随扫频频率变化的曲线图的过程简述如下:

(1)首先对采样数据作背景对消处理，然后做N点FFT处理实现距离向(或称频率)分辨；这里N为序列字长。然后采用硬件或软件门将一维成像非目标区内的杂散噪声信号频率进一步滤除，从而只保留目标区频带内的数据。

(2)对保留数据作IFFF，得到目标区相应的时域波形，记为Si(t)，由于线性扫频体制中时域回波信号亦是扫频发射频率的函数，所以Si(t)可以用Si(fi)表示。

(3)对电压信号Si(fi)取平方，得到回波信号的瞬时功率P(t)或P(fi)的波形，其包络就是目标RCS随频率的幅度分布。

(4)为获得P(fi)包络，再一次FFT得到P(fi)的功率谱分布，该谱中低频区的谱线代表包络，高频谱是载波fc。

(5)用数字滤波将低频区的包络谱滤出。再对包络谱作IFFT便可恢复反射功率的包络波形，也即RCS和扫频发射频率的关系曲线。

2 系统结构分析和实现过程

本测试仪用于对平板型吸波涂料进行快速性能检测。频率特性采用分波段控制，可覆盖2 GHz～18 GHz范围。对反射率测量的动态范围大于40 dB。图3给出了本系统的框图。

测量仪由嵌入式工控计算机、USB采集和控制模块、微波系统、延时电缆、各波段测试探头、定标校准件组成。工控机内装计算机操作系统，有上位机软件，完成系统控制、数据处理和储存、结果显示等操作。USB采集模块由A/D芯片、USB芯片CY7C68013组成，完成从放大器采集数据，将数据通过USB总线传送到电脑的功能。

中频信号由放大器经过USB芯片采集后传输到嵌入式工控机，在计算机内部进行数据处理。其关键和难点是USB芯片的固件和驱动程序的编写。当芯片上电时，首先由缺省USB设备进行枚举。此款USB芯片具有软配置的特点。枚举完成以后，就可以通过USB的连接线将固件代码下载到芯片的RAM内。之后8051就会脱离复位并开始运行这些代码，并且再一次进行枚举，这个过程叫做重枚举。

CYPRESS公司为用户提供了固件程序框架和固件函数库，根据外设功能的具体要求，在相应的函数中填写函数体，就可以完成自定义功能。固件函数框架包含初始化、处理标准USB设备请求以及USB挂起时的电源管理等。框架完成了一个简单的任务循环，其任务调度的步骤如下:

(1)调用用户函数TD_Poll()。这部分程序由开发者填写，以实现USB外设的主要功能。

(2)判断是否有标准设备请求等待处理。如果有，则分析该请求并响应。

(3)判断USB内核是否收到USB挂起信号。如果收到，则调用用户函数TD_Suspend()。从该函数成功返回以后(返回值为TRUE)，再检测是否发生USB唤醒事件。如果未检测到，则处理器进入挂起方式；如果检测到，则调用用户函数TD_Resume()，程序继续运行。如果从TD_Suspend函数返回FALSE，则程序继续运行。流程图如图4。

这个框架包含以下函数挂钩:void TD_Init(void)；void TD_Poll(void)；BOOL TD_Suspend(void)；void TD_Resume(void)。

以上为任务分配器，分别在框架初始化、设备工作期间、框架进入挂起状态之前、被外部的唤醒事件唤醒且恢复处理之后调用。此外还有9个设备请求函数和8个USB中断函数需要用户自己设置。

驱动程序采用的是CYPRESS提供的通用驱动程序，这是一个可以使用应用程序通过I/O控制来访问的通用驱动程序。用户使用Win32函数DeviceIoControl()来提交I/O控制码，并且为CreateFile()函数返回的设备句柄设置I/O缓冲区。DeviceIoControl()的函数原型为:

IOCTL和相应的输入、输出结构在开发软件包的ezusbsys.h中作出了定义。WindowsDDK提供的USB100.H提供了标准的USB的I/O结构。

本测试仪的工控计算机内部应用软件使用了Visual C++，具有以下主要功能:设置扫频源的工作模式与扫频参数；设置控制/中频单元的工作参数；保存回波的采样数据；计算RCS，并分别得到目标RCS关于时间及频率变化的曲线；RCS数据保存与打印输出。

在软件编写的过程中，曲线绘制利用了实验室内部开发的绘制一维曲线类CCurve。该类可实现以下功能:根据数据绘制一维曲线，放大、缩小曲线，标注曲线关键点，移动关键点的位置，更改曲线坐标范围，计算曲线选定范围内的均值。

为了便于程序维护，扫频测量条件下目标RCS计算所需的函数均被封装在名为CDataProcess的数据处理类中。CDataProcess类的成员变量包括待处理数据的指针、定标数据的指针以及处理过程中必需的参数信息。用户可通过调用该类的成员函数进行RCS的计算。

USB芯片内部集成有8051内核，控制16 bit D/A输出锯齿波扫描电压，该电压经过低通滤波器平滑,作为恒温VCO的扫频控制电压。扫频信号经过定向耦合器主路作为混频器的本振信号，耦合器支路输出信号经微波放大器达到18 dBm左右的功率值，该信号经环形器、4 m同轴电缆到达测试探头。探头的反射波经环形器的另一端口到达混频器的信号端口。

虽然发射信号通过环形器对混频器信号口的直漏功率比目标最大回波功率大10 dB左右，但由于4 m延时电缆相当于自由空间5 m，故两者频率相差较大，通过带通滤波并放大后，可保证计算机采集到比较理想的目标回波。为限制泄漏信号过大而使混频器饱和，在混频器信号口加一个衰减器，控制泄漏信号电平小于0 dBm。当然衰减器的引入使混频器动态范围减少了10 dB左右，但还可保证混频器至少有40 dB以上的测量动态范围。而其他的便携式测量方案采用检波方法，最大动态范围也很难做到40 dB。这是采用扫频系统的最大优点。