VHF频段隐身目标缩比模型的雷达散射截面测量

陈伯孝 胡铁军 朱 伟 张中山 张兴龙

(西安电子科技大学雷达信号处理国家重点实验室,陕西西安710071)

1.引 言

反雷达隐身技术的出现对现代雷达构成了巨大的威胁。它是利用系统工程的设计思想,综合运用各种反探测技术,最大限度地降低目标探测系统的探测能力。目前的隐身技术主要通过外形隐身设计技术、雷达吸波材料隐身技术等手段来实现。外形设计隐身技术是在保证目标气动性能的前提下,对目标的外形结构和形状进行优化设计,使目标反射的雷达波能量偏离至无关紧要的方向,从而减小在规定方向上的雷达散射截面积(RCS)。雷达吸波材料隐身技术是反雷达隐身的另一重要手段。目标表面通过涂覆吸波材料,可将雷达照射到目标上的大部分电磁波能量转换为热能而耗散掉,或使电磁波因干扰而消失。但这种技术主要是针对微波频率。由于涂层厚度的限制及其电磁特征,吸波材料隐身对甚高频(VHF)频段是无效的。根据一些研究资料报道[1-4,7]:隐身目标在微波段的RCS很小,如美国隐身战斗机F-117A在微波波段的RCS只有约0.02 m2,而在主谐振区却高达10～20 m2,两者相差1000倍左右。因此,利用隐身目标在低频段的频率谐振特性、极化特性是提高现代雷达反隐身能力的重要突破口。

针对隐身目标的RCS测量和仿真方面的文献较多[3-5,12],但大多是针对微波波段而言,且只有同极化下的RCS测量结果,尚未见对隐身目标交叉极化的RCS进行测量方面的报道。本文的工作主要是在VHF频段、在不同极化模式下对隐身目标的RCS进行测量。隐身目标表面的吸波材料对低频段目标RCS测量的影响可以忽略。本文介绍了隐身目标缩比模型的RCS测试方法,并给出实测数据处理结果,分析了其RCS特性。

2.低频段RCS的测量方法

2.1 缩比模型RCS测量原理

RCS测量分为缩比模型测量、全尺寸目标静态测量、全尺寸目标动态测量三种方式[4]。一般在微波暗室中,由于暗室尺寸的限制,多采用目标缩比模型测量法。缩比模型的RCS测量就是将雷达波长、目标各部分的尺寸和材料参数等按电磁模型相似比例关系缩小,这样便可以在微波暗室内方便地进行模拟测量,并由此推算实际尺寸目标的散射特征。该方法测试简便、灵活、工作量小。

根据缩比模型测量法中要保持Maxwell求解过程的相似性,需保持第一和第二雷诺系数不变,因此波长与尺寸按比例缩小。根据全尺寸目标与目标缩比模型之间的电磁关系,缩比为1:s的目标模型的RCS(σ′)与折算成1∶1真实尺寸时的目标 RCS(σ)有如下关系[1-2]

相应地,缩比模型的测试频率 f′应为全尺寸目标测试频率f的s倍。由于所测试的目标模型分别为F-xx和 B-x,对应的缩比因子为s=10和s=20。为在30～300 MHz频率范围对目标进行RCS测量,对F-xx缩比模型分低频段(300 MHz～1 GHz)和高频段(1～3.5 GHz)两个频率段进行测试;对B-x缩比模型分低频段(600 MHz～2 GHz)和高频段(2～7 GHz)两个频率段进行测试。

2.2 定标体的选取

在微波暗室中进行缩比模型测量的关键在于定标体的选取和定标体RCS理论值的计算。所谓定标体是指已知RCS值或能通过计算得到RCS值的目标,也称标准体。常用的定标体[3]有:金属导体球、金属平板、光学类反射器(如二面角)。

考虑到低频段的谐振效应,选取的定标体的尺寸应与测试所用频率的波长相当。因此,对目标F-xx,根据低频段的测量频率范围和目标的缩比因子,在不同的极化组合下选用的定标体见表1。

表1 不同极化下定标体的选取

而对于B-x缩比模型,由于其整个测试频段为600 MHz～7GHz,在同极化(HH 、VV)模式下选用定标球(直径0.4 m)作为定标体,在交叉极化(HV、VH)模式下选用二面角(边长0.5 m)作为定标体。

2.3 测试系统组成

该测试系统主要由矢量网络分析仪、功率放大器、天线、低RCS支架、计算机和转台控制器组成,如图1所示[5-6]。其中矢量网络分析仪既作为频率步进信号的发射机,同时接收频域响应信号并可对其进行处理;转台控制器由计算机控制,可以控制并记录当前方位角;隔板采用吸波材料,用来降低收发天线间的直接耦合。标准天线采用对数周期天线,根据不同的极化测试情况分别按水平或垂直放置。测试四种极化组合:HH(发射、接收极化组合)、VV、HV、VH.测试目标模型为:F-xx(缩比因子s=10)、B-x(s=20)。

图1 RCS测试系统组成

3.低频段RCS测量及分析计算过程

系统通过计算机控制矢量网络分析仪发射频率步进信号,得到的回波数据为矢量网络分析仪的S21参数,包括幅度和相位,转换为频域复信号,并存储起来。配合对转台的控制,即可测得目标不同方位角的回波数据。

低频段RCS测试及其分析计算过程如图2所示。测试时分三步进行:先测试暗室背景散射噪声电平,并将数据临时存储;再测量定标体回波信号并存储测量数据;最后测量被测目标回波信号,将数据存储并进行后继处理。

图2 低频段RCS测试及分析计算过程

对测试并记录的原始数据进行处理,得到目标的RCS矩阵的分析、计算过程如下:

1)将保存的幅相数据转换成复信号,为频域复信号,暗室背景、定标体、被测目标的频域复信号分别表示为 E r(f)、S d0(f)、S t0(f).

2)进行背景杂波对消。由于背景杂波可以看成是一种加性噪声,因此将目标加背景的频域复信号减去只有背景的频域复信号,目的是提高动态测试范围并消除背景噪声,减少背景杂波对测试结果的影响。经背景杂波对消输出的信号为

3)进行频域-时域-频域变换,将频域信号通过逆傅立叶变换(IFFT)到时域;采用时域加窗,消除目标所在主散射区之外的杂波干扰影响;然后再通过傅立叶变换(FFT)变换回频域,分别得到各个频点定标体和目标的回波信号幅度|S d1(f)|、|S t1(f)|.图2中各信号为

式中g d(n)、g t(n)分别为对定标体和被测目标的时域加窗函数。

这里涉及到时域加窗长度的选取问题。窗函数长度取得过大,则窗内背景杂波、噪声干扰成分增加,会增大测量的误差;窗函数长度取得过小,则目标真实的散射能量丢失,产生测量误差。因此,对定标体和被测目标的窗函数长度 d r0和d r的选取原则:分别取其最大尺寸的两倍,即d r0=D r0,d r=D r,D r0、D r分别为定标体和被测目标的最大尺寸。时域加窗函数为

式中:(N d1,N d2)对应的距离为(R-D r0,R+D r0);(Nt1,Nt2)对应的距离为(R-Dr,R+Dr);R为天线与目标支架之间的距离。

4)计算RCS.先按式(7)计算各测试频点被测目标缩比模型的RCS值σ′(f),再按式(1)计算实际尺寸目标的RCS值。

在目标的不同方向,再对目标测量基础上重复上述分析计算过程。

对不同的极化组合方式,均要重复上述测量与分析计算过程。

4.测量结果

下面结合实测数据,对背景杂波对消的效果进行分析处理,并给出目标RCS的有关测试结果。

4.1 背景杂波对消

RCS测试的环境中总是存在背景杂波,特别是在VHF低频段,微波暗室内尽管铺设有吸波材料,但仍然存在较强的背景杂波,必须进行背景杂波对消,以减小这种背景杂波对测量结果的影响。从图3中定标体和目标B-x的RCS测量的时域信号可以看出,定标球和目标的散射中心完全被背景杂波噪声所淹没,若不进行背景杂波抑制,就无法确定目标的位置。图3中虚线为背景杂波对消处理后的结果,圆圈所标示的位置即为定标球或目标的散射中心,距离测试天线约18 m,即图1中标准天线与支架上定标球或目标之间的距离。采用背景杂波对消可以将暗室杂波的影响降低40 dB左右。

4.2 RCS测量结果

图4给出了两种目标的RCS测量结果。其中图4(a)～(d)为 HH、HV、VH、VV四种极化组合下,在机头向0～10°内平均的RCS测量结果,横坐标均为折算的实际频率(测试用频率/缩比因子),纵坐标为RCS测量值(单位d Bsm为d B平方米);图4(e)(f)分别为HH极化组合下,两目标的RCS测量值的频率-方向分布的灰度图,极坐标的半径表示实际频率,方向为测试时天线与目标轴线的夹角,0°为目标的迎头方向。由此可见:对不同的极化方式,两目标的RCS随频率的起伏变化都有十几dB左右;在某些频率点,交叉极化与同极化能量相当,整体上HH极化更强些;两目标的 RCS随方向变化也较大,F-xx的RCS在目标法线方向附近强一些,而B-x在机翼视线方向明显强得多。

4.3 测量结果有效性验证

为了验证测试结果的有效性,对同一缩比模型F-xx在水平极化(HH)模式下分别在不同的时间进行了三次独立测试。三次测试的频段分别为400～900 MHz,800 MHz～1.5 GHz,400 MHz～ 1.5 GHz.在迎头向10°内平均RCS的测试结果如图5所示,图中横坐标为折算的实际频率。可以看出,各次测试结果吻合的很好,除少数频率点外,三次测试之间相差最大不超过3 d Bsm.

图5 F-xx三次测量结果比较

另外,由文献[8]中给出的F-117A的 RCS测量结果也可以看出,在迎头向、100～300 MHz频段内的RCS也在0～12 dBsm.本文测量结果与国外测试结果相当。

5.结 论

本文首先介绍了VHF低频段RCS测试方法,给出了测试数据的分析计算过程;然后给出了实测数据分析处理结果。RCS测试结果表明:①隐身目标在频率300 MHz以下隐身效果差,RCS较大,主要集中在0 dB以上;②隐身目标的RCS在米波段存在谐振效应,在300 MHz以下的不同频点上,RCS相差约10 dB左右;③对目标F-xx,HH极化的RCS比VV极化平均要高好几个分贝,但在一些频点交叉极化与VV极化的RCS相当,这表明可以利用交叉极化信息,通过极化合成使得极化角[8-9]与目标的极化特性相匹配,从而提高对隐身目标的检测能力;④对目标B-x,同极化比交叉极化平均要高约10 dB,VV极化比HH极化均值略小,但某些频点VV极化比HH极化还高;⑤对于目标的不同方位角,其RCS也有较大差别,F-xx的RCS在其法线方向附近较强,而B-x的RCS则在其机翼视线方向明显强得多。因此,可以通过雷达组网的方式从多视角提高对隐身目标的检测能力。

这些结果表明:在低频段,隐身目标的谐振特性非常明显,故RCS有10 dBsm左右;雷达的极化特性与隐身目标的极化特性相匹配,也有利于对隐身目标的探测。本文研究对探测隐身目标的低频段、全极化米波雷达有参考价值。

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