雷达定标技术对飞机RCS动态测量的影响分析

丁欢

摘 要本文首先简要介绍了飞机RCS动态测量的原理，然后对测量过程中的雷达定标技术进行详细讨论。分析了真实雷达截面特性。通过对各种目标的实际测量，了解目标的基本散射特征，检验了理论分析的结果，详细介绍两种精确的方法进行幅度定标：直接方法和间接方法。为后续获得准确数据和更高的准确度起到重要作用。

【关键词】RCS 雷达 定标

研究目标雷达特征的一个重要手段是RCS的动态测量，它能够真实反映目标在实际背景环境中运动时的雷达特征。通过RCS的动态测量数据分析可以得到大量的目标特征数据，为建立目标特性数据库提供保障，同时还可以了解目标基本的散射现象，并验证理论分析的正确性。

目标的雷达截面积由雷达方程可知为：

其中：σ表示目标雷达的截面；Pt表示雷达的发射功率；λ表示雷达的波长；Lt表示发射支路的衰减因子；Lm表示单行程大气损耗因子；Pr表示雷达接收的目标回波功率；G表示雷达天线增益；Lr表示接收支路的衰减因子；R表示目标与雷达的径向距离；Lp表示极化衰减因子。

如果上式中的Pt、G、λ、Lt、Lr在测量过程中为常量，同时将极化因子Lp合并到待求的σ中去，那么上式可写为：

则对数形式为：

式中K为雷达常量，由雷达参数确定，

其中L为总的馈线损耗系数，包括Lt、Lr，同时还令其包括因测试方法而引入的固定衰减。

在测试过程中采取一定方法使雷达的高频参量保持稳定，使得Pt、G、λ、L的变化保持在允许的范围之内。

在σ的表达式中，大气传播损耗因子Lm可通过计算获得，也可在对精度要求不高的前提下通过查阅文献获得一个单一的近似值，由标准金属球的实测获得K，同时目标的RCS动态测试数据可通过测得的瞬时Pr和R值来得到。

RCS动态测量的定标过程包括两部分：一部分是直接定标，直接方法又可分为绝对定标和相对定标几个过程。其中，絕对定标过程是通过测量标准金属球的RCS值，得到比较测量方法的基准；间接定标过程是通过测量雷达的输出功率校线，得到被测雷达输出电压与功率的对应曲线。另一部分是间接定标方法，包括对雷达特征的详细测量、对未知目标回波功率的测量、以及应用雷达方程对未知目标RCS的计算等几个过程。下面将分别对此几种定标方法进行讨论。

直接定标包含绝对定标和相对定标两种：

1 绝对定标

该过程需要使用标准体如金属球或角反射器作为定标标准，通过这些标准体的几何特征可以求得其精确的RCS值。同时，将未知目标与标准体的雷达回波直接进行对比，最终求得未知目标的RCS值。理想情况下，未知目标和参考目标的RCS测量值相等，并且参考目标到雷达的距离和未知目标到雷达的距离相同。因此，未知目标与参考反射器的回波功率值可直接进行对比。但是，由于实际情况中，参考目标和未知目标到雷达距离无法相等，并且需要具有不同RCS值的各种尺寸目标。为克服这一困难，采取了如下措施：通过修正雷达距离方程来消除两种目标到雷达距离的差异。修正方程式如下：

上式中：σu：未知目标的RCS

Pu、Pr：未知目标与参考目标的回波功率

Ru：未知目标与雷达间的距离

Rr：参考目标与雷达间的距离

Fu：未知目标的传播因子

Fr：参考目标的传播因子

σr：参考目标的RCS

（5）式中的传输因子Fr和Fu包含着两个目标和雷达之间的电磁波的传播条件、大气衰减或散射、以及可能存在的多径效应等信息。如果定标和对未知目标同时进行RCS测量，那么两个传播因子相等，所以（5）式则可化简为：

如果参考目标的距离分辨单元以内没有其它大的目标，同时在测量过程中传播因子保持不变时，这种定标方法的精度仅仅依赖于参考目标的RCS精度。

由于，标准金属球测得的K值为：

那么，标准金属球的真实RCS值必须精确。在波长较长时，由于机械公差等原因所引起的球体表面洁度、规则性、光度等方面的问题对未知目标RCS测量值影响不是很大，但是当较短的波长特别是毫米波照射时，这些客观存在的问题对未知目标的RCS值就存在着很大影响。

图1为金属球体上类似于二面角或三面角的沟槽引起的自身RCS误差曲线。由图显示不难得到，在X波段，4mm沟槽使金属球RCS产生1dB的误差。而在毫米波95Hz频率下，1mm的沟槽引起4～5dB的金属球RCS误差。根据国外的资料显示，一般的标准金属球误差约为0.8dB，其不可预计误差也为0.8dB。

GJB6180规定了其表面粗糙度的均方跟误差，同时规定了金属球的最小RCS，并且要求应采用两点定标法，即采用两个不同大小的标准金属球进行定标，并且两个金属球相互定标所得的RCS应该与其理论值相对应。GJB6180还要求应该在飞行前后各完成一次定标，或者在被测飞机飞行过程中完成一次定标。GJB6180对金属球和定标过程的规定，其主要目的是为了最大限度提高RCS动态测量的精度，降低标准体引入的测量误差。

2 相对定标

该方法提供测量雷达的功率校线，即回波的功率幅度与电压值的对应关系。在此过程中，需要信号发生器向雷达接收机提供一定的功率电平，此功率电平从饱和状态到接收机噪声电平，在雷达接收机的整个动态范围内逐渐提高或降低，最后记录雷达输出端的信号电压。在某些情况下，还可以使用雷达接收机IF组合的衰减器进行定标过程，但由于IF组合与RF组合之间有可能存有一定的非线性，在RF放大器以、接收机混频器和前置放大器这些设备中会产生这种非线性。所以使用IF衰减可能会产生定标误差，应尽可能不使用IF衰减器。

我们通过对相对定标的结果分析，了解到接收机输出电压作为输入功率电平的函数曲线，其线性范围至少要达到50dB，把这种曲线称为接收机的功率校线。

图2为某次测量时所得到的某雷达接收机功率校线。

间接定标包括对雷达特征、未知目标回波功率的测量，以及应用雷达方程对未知目标RCS的计算分析等几个过程。由雷达方程得到未知目标RCS的表达式为：

要直接通过上式求得目标的RCS精确值，必须对雷达参数、回波功率进行详细、准确的测定。同时确定各传播因子的大小，而这种方法引起的误差存在于雷达参数和回波功率的测量以及各传播因子的使用方面上。

在实际使用时，无论是直接定标还是间接定标方法，都需要确定接收机的功率校线，即需要确定输入功率与输出电压的关系。

参考文献

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作者单位

西安航空职业技术学院 陕西省西安市 710089