国外雷达目标特性测试技术发展研究

姚 远， 肖舒文， 陈晓盼

（中国人民解放军军事科学院，北京100082）

0 引言

美国、英国、法国、德国等国家投入大量经费，建立各种类型的室内外测试场，形成了内外场、动静态、固定式与移动式、多平台、类型齐全的测试体系，具备了高精度、宽频谱、低可探测等测试能力。研制生产之前，通过雷达目标和环境特性的调查和分析，提出适用的探测波段和体制，优化雷达效能[1]。利用各种测试手段获取目标（全尺寸实物、全尺寸模型、缩比模型、部件、材料）的特性信息，将为开展相应军事技术研究提供重要支撑[2]。

1 测试场类型

根据测试原理和测试条件，典型的雷达目标特性测试场可分为室内静态测试场、室内近场测试设施、场室外静态测试场、室外动态测试场等多种类型[3]。目前，国外雷达目标特性测试场主要有美陆军ERADS测试场、美海军雷达反射实验室、美国空军研究实验室、欧洲EADS室外测试场等。国外典型雷达目标测试场，如表1所示。

表1 国外典型雷达目标特性测试场

室内静态测试场分为两种：紧缩场和非紧缩场。紧缩场通过准直元件在近距离内将点源产生的球面波转换为平面波，形成幅度和相位分布近乎理想的平面波照射区域（也称“静区”），从而满足远场测量条件。非紧缩场则是利用天线对目标进行直接照射，所使用的天线通常要比紧缩场天线小得多。

室外静态测试场用来测试不同方位角和俯仰角条件下，目标对不同频率、不同极化方式的散射幅度和相位，以此来研究目标的雷达特性。

室外动态测试场用于大型实际目标的测量，能够真实地反映实际结构形变、部件活动、运动姿态及背景等对电磁散射结果的影响。

室内近场测试场用于开展全尺寸目标弹目交会仿真测试，获取飞机或导弹目标近场雷达目标动态特性，评估导弹引信性能指标。由于室内近场测试场本身不满足远场条件，需借助近-远场转换技术，获取目标的远场数据。

各种类型的测试场的特点比较如表2所示。

2 雷达目标特性测试流程

雷达目标特性测试流程如图1所示。主要流程包括实验大纲制定、测量系统校准、目标姿态控制、定标体与目标测量、数据处理与误差分析和形成测试报告等环节[4]。

2.1 实验大纲制定

在进行雷达目标特性测试实验前，需要先行制定实验大纲，对测试频率范围、测试场地、目标类型和姿态、实验方案、待测特性量和数据处理与误差分析方法等进行讨论，明确测试内容。

2.2 测试系统校准

按照实验大纲要求，对待用测试系统进行校准。例如，对测量雷达的发射功率、动态范围、时基标准、辐射场分布等关键指标进行校准，对测量仪器仪表进行定标核准等，确保测试的准确性，满足实验要求。

2.3 目标姿态控制

目标姿态控制是对目标进行架设与调姿（静态测量），或者是航迹的规划（动态测试）。针对地海杂波测量时，则需确定测试区域和扫描范围。

2.4 目标与定标体测量

定标体与目标测量是获取定标体（定标塔）和被测目标电磁散射回波的过程。主要内容是根据大纲要求设置、调整目标状态与系统参数（如频率、极化方式、目标姿态角等），测量定标数据和目标数据。

表2 典型雷达特性测试场特点比较

2.5 数据处理与误差分析

在获得雷达目标特性测试数据后，进行定标、时频变换、高分辨成像、动态特性提取和统计分布等数据处理，并根据处理结果开展测试误差分析，给出测试精度。

2.6 形成测试报告

按照实验大纲的要求，对雷达目标特性测试的实验内容、测试过程、目标状态、数据分析和结果评价等进行汇总，形成对测试实验进行全面总结说明的测试报告。

3 测量不确定度与测试场认证

3.1 测量不确定度

测量不确定度是指测量结果变化的不肯定，是表征被测量的真值在某个量值范围的一个估计。

对于一个实际测量过程，影响测量结果的精度有多方面因素，因此测量不确定度一般包含若干个分量。此时，测量结果的不确定度用各不确定度分量合成后所得的合成不确定度uc表示。为求得uc，首先需分析各种影响因素与测量结果的关系，以便准确评定各不确定度分量，然后再进行合成不确定度计算，其步骤如图2所示。

所谓标准不确定度，指采用标准差来表征的不确定度。标准差即均方差或标准偏差，是一组数据中各值与其平均数离差平方的算术平均数的平方根，反映了组内个体间的离散程度。扩展不确定度，指采用反映置信水准的区间半宽度来表征的不确定度。

例如，美国电气和电子工程师协会发布的《雷达散射截面测试程序推荐实施通则》提供了雷达散射截面RCS的测量不确定度分析方法。关于不确定度分量的构成，可参考表3给出的RCS测量不确定度分析样例。表中1至13项给出了不确定度每项来源（不确定度分量），第14项是基于这些分量合成的不确定度，不确定度可采用对数表示。

3.2 测试场认证

为了缩减测量过程中带来的不确定度，提升测试场获得的测量数据质量，美国测试场指挥官委员会（Range Commanders Council，简称RCC）开展了“美国国防部RCS测试场认证计划”，用于描述美国国防部各种RCS测试场的操作与功能，评估建立通用认证标准的可行性，为国防部RCS测量领域的同类技术和试验室标准认证奠定基础。

美国RCS测试场认证计划始于1995年，其工作核心包括三个要素：制定一项标准、一项演示验证计划以及在整个领域的推广。RCS测试场认证计划确立了三个层次的文件：

表3 RCS测量不确定度分析样例

a）一是明确了认证的参考标准ANSI/NCSL Z-540-1-1994；

b）二是各参加认证测试场依据ANSI/NCSL Z-540-1-1994编制《RCS测试场手册》；

c）三是发布了认证的评价基准《RCS测量质量保证手册》[5]。

RCS测试场认证计划采用第三方认证的方式，以确保认证过程的客观公正性，其最终目标是希望未来国防部所需要的RCS数据均来自于经过认证的测试场。计划自启动以来逐渐得到了美国国防部和工业界许多RCS测试场的重视，并积极参与其中。事实证明，RCS测试场认证是成功的，有力地促进了RCS测试场测试水平及测试数据置信度的提高。

4 国外测试场技术特点分析

4.1 测试场类型体系化

欧美发达国家的军方、工业部门和高校已经建立了多个测试场，逐步构建了室内静态测试场、室外静态测试场、室外动态测试场等多种类型测试场组成的测试场体系，可根据测试任务的具体要求，选取不同的测试场进行雷达目标特性测试。

4.2 测试场功能特色化

经过多年的持续建设，国外军方、军工企业、高校均拥有自己的测试场，且各具特色：

a）军方的目标特性测试场（实验室），重点开展武器装备目标特性的评估和鉴定试验；

b）军工企业重点开展雷达目标特性技术研究以及在研装备的雷达特性测量与验证工作；

c）高校则有针对性地开展目标特性测试技术创新研究。

4.3 测试能力多样化

目标特性测试场能力主要体现在测试场规模、可测目标大小和重量、测量频段、最低可测RCS以及测试精度、新技术与新部件等。

测试场规模主要体现在测试场范围和静区大小。目前，国外室外静态测试场的最远测试距离大多已经超过千米，而室内测试场也达到了百米量级。室外测试场可测重量达数十吨，目标尺寸达数十米，可测频段范围从0.1 GHz～2 THz。测试精度主要取决于测试区（静区）的平面波质量和背景抵消后的最低电平。对于静区，《雷达散射截面测试程序推荐实施通则》指出，幅度和相位的偏差应不大于1 d B和10°。最低可测RCS取决于最低背景电平，目前美国林肯实验室的背景可以抵消到比原有背景低40 d B，有泡沫柱支架时的背景为-30 dBsm，采用背景抵消技术后可达到-70 d Bsm。在测试设备的新技术和新部件方面，国外多个测试场已经采用全息型紧缩场、新型金属支架、平移法剔除背景影响等多种新技术及部件，提升测试场的测试能力。

5 国外测试技术发展趋势分析

5.1 测试场地向大型化方向发展

随着隐身技术的发展，武器系统（如飞行器）已经不再是全金属或者主要是金属外表了，飞机的结构材料也采用了大量的结构性复合材料，既能达到隐身，又可以减轻重量。为了得到其雷达特征信息，必须进行全尺寸测试。因此，国外相关机构除大力开展室内测试技术研究外，非常重视大型室外测试场地的建设，尤其加大了动态测试场的建设力度。动态测试不但能够反映真实背景环境下的目标雷达特征，而且可以反映目标的活动部件运动等对目标雷达特性的贡献，可以规避静态测试需对目标整体改装等缺陷。

5.2 测试频段向多波段方向发展

随着现代光电技术的不断发展，雷达目标特性探测设备的频段已经由微波、毫米波、亚毫米波，扩展到红外激光波段，和光学探测设备相兼容。对抗单一频段的隐身技术是远远不能满足未来战争需求的，所以测试设备的频段也必须覆盖、甚至超越这一范围，实现多波段的雷达目标特性测量，才能满足反导技术和武器隐身设计的需要。

5.3 测试过程向规范化方向发展

国外主要通过制定测试标准以及开展测试场认证两个重要手段提高测试过程的规范化和数据处理的一致性，从而提高数据质量。以美国为例，由军方、国家标准与技术研究所、IEEE等机构和组织通力合作制定了雷达散射截面测试的标准。同时，依据多种测试标准，美国开展了目标特性测试场认证。

截至2015年6月，先后共有30多个测试场参与其中，先后有18个测试场完成了认证，提高了RCS测试过程的规范化程度，促进了RCS数据处理与分析技术的提高。

5.4 测试数据解读立体化，分析专业化

传统的RCS测量数据分析包含离散数据的数字特征和谱特征提取、概率分布统计以及随方位角俯仰角分布的RCS曲线。随着雷达测试功能的扩展，不再局限于RCS测量，大带宽测量设备可以提供复杂目标的一维像、二维ISAR成像、InISAR成像以及多普勒特征等其它特征，能够进行信杂比测量以及箔条和诱饵的雷达目标特征测量，测试数据可进行极坐标曲线绘制。统计特征实时处理，从不同的维度反映目标特征，对数据的解读和展示更加立体化。

随着隐身、目标识别、精确打击等技术的飞速发展，需要深入挖掘数据背后的隐藏信息，其中数据分析处理处于十分重要的地位。

目前，国外大多测试场都配备了较完整的数据处理分析系统，数据的分析挖掘工作同时由测试场、应用部门和专业部门联手进行。测试场可以按要求提供所需的特征信号与必要的特征参数，应用部门根据自己的特定要求对数据进行特征再提取，专业部门的研究人员可以对测试数据提供高质量的研究。

6 结束语

测试场的测试能力是开展目标特性专业研究的重要技术手段和途径，本文梳理了国外雷达特性测试场类型和技术特点，分析了雷达目标特性测试流程和测量不确定度分析技术，归纳了国外测试场类型体系化、功能特色化、测试能力多样化技术特点，并对国外雷达特性测试技术发展趋势进行了预判。