一种测量雷达散射截面参数现场校准方法

2019-03-25丁孝永贾冒华

宇航计测技术 2019年1期

丁孝永童琼贾冒华

（北京无线电计量测试研究所，北京100039）

1 引言

雷达散射截面［1］参数反映了雷达目标对照射电磁波的散射能力，其参数测量准确性是评判武器系统隐身性能指标的重要依据。雷达散射截面参数校准通常采用空心金属球或龙伯球作为标准体［2］，结合雷达方程对雷达散射截面参数进行计算，通过实测值与计算值比对的方式实现。该传统方式具有一定的局限性，无法解决连续波雷达散射截面参数的现场校准的问题；采用高精度有源［3］接收、转发模拟的方法可以很好地解决连续波测量雷达散射截面参数校准的问题。

2 雷达散射截面参数校准原理

校准源在距离连续波测量雷达一定距离处，将接收到的雷达信号经延时、放大并且调制多普勒信息后转发回雷达；在收发天线增益、放大器增益等参数恒定时，该校准源就相当于一个RCS 参数固定且具有一定速度的标准雷达目标，其等效雷达散射截面参数可以通过溯源到标准体得到，作为连续波测量雷达的标校真值完成校准，如图1所示。

图1 连续波雷达RCS 参数校准原理框图Fig.1 CW instrumentation RCS Parameter Calibration diagram

采用收、发天线分置的雷达方程见式（1）

式中： Pr——雷达接收的目标回波功率， W；Pt——雷达发射功率，W； Gt——发射天线在目标方向上的增益；Gr——接收天线在目标方向上的增益；λ——雷达波长，m； σ——目标的雷达散射截面，m2；Lt——发射馈线支路损耗； Rt——发射天线到目标的距离，m； Rr——接收天线到目标的距离，m；Lmt——发射系统到目标之间的大气传输损耗；Lmr——接收系统到目标之间的大气传输损耗；Lr——接收馈线支路损耗；Lp——极化损耗。

单站雷达方程见式（2）

此时，R ＝Rt＝Rr、Lm＝Rmr＝Rmt。

雷达散射截面可由式（3）表示

令常数K 为

雷达散射截面可改为式（5）表示

式中：σs——标准体的雷达散射截面，m2； Prs——标准体的回波功率，W； Rs——雷达天线到校准体的距离，m；Lms——雷达到校准体之间的大气传输损耗。

3 高精度RCS 参数校准方案

3.1 校准源定标方法

校准源等效RCS 参数可表示为［4］

式中： σ0——校准源等效RCS 参数，m2； Gt0——校准源发射天线增益； Gr0——校准源接收天线增益；GE0——校准源放大器增益；λ——被校准雷达波长，m；LP0——校准源损耗；Pt0——校准源发射功率，W；Pr0——校准源接收功率，W。

可以看出，校准源的等效RCS 参数值只与接收天线增益、发射天线增益、放大器增益及工作波长等参数有关，当校准源的位置固定且其放大倍数恒定时，其等效雷达散射截面参数就为恒定值，这就是校准源的校准原理。只要保证校准源的输入功率和输出功率的比值保持恒定，即可使得其等效RCS 参数为恒定值，无需对校准源内部所有参数分别定标，只需对其输入输出功率进行功率标定即可完成对校准源的溯源。

根据式（5）可知，连续波测量雷达RCS 参数现场校准装置对于雷达散射截面指标模拟不确定度主要取决于其含天线的系统增益，可以采用由微波暗室、标准矢量网络分析仪、放大器、收发天线组成的天线校准系统［5］对多点动态增益指标进行精确相对量定标，再用标准体（龙伯球）进行绝对量定标［6］。量值传递过程如图2所示。

图2 量值传递图Fig.2 Measure value transfer diagram

3.2 校准源实现方案

校准源主要由收发天线、通道单元、中频单元、北斗时间同步仪、远端控制仪等部分组成。校准源组成框图如图3所示。

图3 校准源组成框图Fig.3 Calibration source consists of block diagram

在校准源中，接收系统将天线接收下来的射频信号经过放大、滤波、下变频为中频信号，为了保证校准源的输出延时，频率和功率的精确可控，本系统拟采用数字射频存储技术（DRFM）实现对采集到的中频模拟信号的高速采样和存储。按设置的参考距离进行相应时间的延迟，并结合DDS 技术将中频基准信号经相应变频后作为时钟信号，通过数字方式控制产生一个多普勒频移信号。将该信号对DRFM 输出端的信号进行多普勒调制，即可产生一个包含距离延时和多普勒频移参数的回波信号。最终由高速数模转换器转换为正交基带模拟信号，后经激励上变频到输出端口由发射天线发回给被校准雷达。此信号与发射信号完全相参，并且包含距离、速度和幅度信息。

3.3 现场校准定标方法

根据收发分置雷达方程式（1），可以求得雷达的K 值，见式（7）

现场校准主要是对雷达的K 值进行现场量值传递以实现修正，使其适应外场现场测量环境。被校连续波测量雷达的K 值通常是通过理论计算和实验室校准相结合得到的，由于是在实验室环境下进行的定标，其测量结果在实验室环境下比较准确。由于现场环境比较复杂，受到多路径效应、大气衰减等环境因素的影响，其在实验室环境下得到的K 值在现场环境下应用，就会存在较大误差。因此，需要在现场实际测量环境下对连续波测量雷达的K 值进行量值传递，以修正因环境不同引起的K值变化。

3.4 现场校准技术方案

现场校准［7］修正雷达K 值因子时，校准源被架设在高塔上（或实际测量环境中），被校雷达和校准源间的距离R 由全站仪精确测量，被校雷达发射雷达信号，校准源对其信号进行接收，并且将接收到的雷达信号经延时、放大及调制多普勒信息后动态模拟雷达目标特性信号真值雷达散射截面参数，转发回被校雷达，被校雷达实时跟踪测量，并解算出雷达散射截面参数测量值。

通过对比被校雷达雷达散射截面参数测量值与校准源产生的雷达散射截面参数完成自身校准。校准过程中通过在预定区域架设雷达栅抑制多路径效应，得到雷达在该现场使用环境下的K 值。雷达散射截面参数校准过程如图4所示。

连续波雷达散射截面参数现场校准方式分为设备定期校准和试验实时校准。设备定期校准是指针对连续波雷达散射截面参数按照设定的周期进行常规现场校准，其目的是在一定程度上保证连续波雷达天线常数K 的准确性，为连续波雷达散射截面参数测量做基本保障。