雷达散射截面测试技术

随着电磁隐身技术在军事装备（特别是飞行器）上的广泛应用，雷达目标电磁散射特性的重要性研究日益突出。目前迫切需要一种目标电磁散射特性的检测手段，以用于目标电磁隐身性能和隐身效果的定量、定性分析。雷达散射截面积RCS（Radar Cross Section）测量是研究目标电磁散射特性的重要方法，雷达目标特性测量作为航天测控领域的一项先进技术,在新型雷达设计过程中得到广泛的应用，它通过在重要的各姿态角位置RCS的测量，可确定目标形状、尺寸。高精度测量雷达一般通过测量目标的运动特性、雷达反射特性、多普勒特性来获取目标信息，其中雷达RCS特性测量即是测量目标的反射特性。

1  雷达散射界面的定义及测量原理

1.1  散射界面的定义

当物体被电磁波照射时，其能量将朝各个方向散射。能量的空间分布依赖于物体的形状、大小、结构以及入射波的频率和特性。能量的这种分布称为散射。这种能量或功率散射的空间分布一般用散射截面来表征，他是目标的一种假想的面积山。雷达散射界面是目标远场特性,其定义是基于平面波照射下目标各向同性散射时“捕捉”到的区域，通常可用雷达有效散射面积来表征这个区域的尺寸：

在这个表达式中，E是入射波强度，E散射波强度，R为远场距离。从式（1）中可以看出，目标的有效散射面积是用目标散射电磁波的能力来描述的,是雷达探测目标可见度的衡量,单位常用分贝（dB）表示，其大小主要取决于目标的参数(如目标的形状、尺寸及表面电器性能)和雷达参数(如一次场的极化形式、波长等)以及目标的视角。

1.2  测量原理

典型的RCS测试示意图如图1所示。通常发射机和接收机有一个小角度的分离以提高隔离度，对于返回的弱小信号则有更高的灵敏度。旋转支架用于改变目标相对于雷达的方向。

由雷达方程式定义：

为大气与高频传输系统损耗。由于接收机所检测到的功率受发射机、接收机内馈线损耗以及沿射线路径的大气损耗等影响，方程式中必须考虑这几个因素，其中C式中的各项与所探测的目标无关,在一次测量中,可以被认为是个常数。根据具体雷达设备的性能，可以在上列方程中引入若干修正项，则目标有效散射面积可表示为σ＝CPrR4ρθ,式中:ρ为校准时发射机参考功率与 测量实施时发射机功率之比;。θ为天线偏离雷达波束的的信号衰减量。RCS的测量就是依据式(2)进行的在对方程式中有关项进行校准后，可由雷达系统的目标特性测量支路获取目标回波功率P_r,再由雷达的距离跟踪支路测出距离R,进而来计算出目标的雷达散射截面。从式(2)还可看出,要想精确测量出目标的有效散射截面积，对式中常数项C的精确标定是必不可少的。

2  测量标定

雷达目标散射截面测量中的一个主要问题是如何标定，通常采用测量已知反射截面积的定标体作为标校基准，从而对雷达系统进行标校。这种方法是对整个雷达的校准，简便、实用用精度较高。但主要问题是如何进行精确的标校，即建立已知的RCS与雷达接收机输出物理量(电压或功率)之间严格的对应关系，从而由接收机测量值得到所对应目标的未知RCS值。

RCS测量常选用导体球作为定标体，由于其具有各向同性的优点，容易以此来确定测试精度。导体球在光学区的后向散射截面σ_sphere＝πr²,其中r≥λ,r是球体半径，入是辐射波长。一般可用处于光学区的导体球进行定标。另一种作为定标体的是矩形平板,它的单站散射截面是即如σ_plate＝4π（A²/λ²）r²,其中有：VA≥A,故导体球在光学区的雷达散射截面与频率无关，散射截面的振荡特性消失而趋于常数，它等于球的投影面积。当平板的尺寸远远大于波长时，频率相对散射截面非常大，远远大于物理面积这个因素。在室外测量和最近的一些研究与发展经验中，研究人员已经倾向于把短圆柱体作为校准标准。它能更好的消除背景杂波的影响。

3  室外测量

外场RCS测量是获取大型全尺寸目标电磁散射特性的重要手段。室外场测试分为动态测试和静态测试。动态RCS测量是在目标飞行时测量的，动态测量比静态测量具有某些优势，因为它包括了诸如机翼，引擎，推动部件等对雷达散射截面的影响。也能很好的满足远场条件。但其成本较高，并受天气的影响，目标姿态控制困难，角闪烁严重。相比动态测试，静态测试无须跟踪目标，被测目标固定在转台上，不需转动天线，只需通过控制转台旋转角度，就可以实现被测目标360°的全方位测量，因此大大降低了系统的成本及测试费用。同时，由于目标中心相对于天线是静止不动的，姿态控制精度高，并且可以重复测量，不但提高了测量和标定的精度，而且方便、经济、可操作性好。静态测试便于对目标多次测量。

RCS室外测试时，地平面的影响非常大,其外场测试示意图如图2所示。最早想到的方法是把一个范围内安装的大尺寸目标和地平面隔离，但是近年来认为这是几乎不可能完成的。人们认识到最有效的处理地平面反射的方法就是利用地平面作为照射过程的参与者，即创造一个地面反射环境。

6.1  点频方式

该方式首先测出来自支架、地面反射、远区阻挡物等背景的信噪比（S/N）,然后再将被测目标放于支撑塔架上并测出来自目标背景的信噪比。通过二次矢量场相减技术（对消）基本可将背景噪声消除，从而得到被测目标的信噪比,然后再根据下列公式计算出目标的信噪比：

式中，K为测量设备的时变物理参数;σ_terg为被测目标的散射截面积;R为被测目标到天线的距离（常量），S/N_terg祢为被测目标的信噪比。需要指出的是，K值并非一个固定常量，他与测量设备自身状态、气候、温度等环境因素均有关系，K值只在某一时间段内（测量设备工作稳定，气候、温度等环境变化很小时）为一常量。因此，在每次进行测量的时候（时间跨度较长，环境改变），均需对K值进行重新标定。具体标定方法为:用一已知散射截面积σ的标准金属球放置于支撑塔架上，然后按照上述的方法测出标准金属球的信噪比，从而反算出当前条件下的K值。

6.2  扫频方式

传统的微波暗室测量大多使用点频方式,点频测试最大的优点是设备简单，数据处理速度快。缺陷是每个测量周期（目标相对雷达旋转一周）仅能获得单频点的RCS方位曲线，对于低散射目标，需要添加对消系统来消除暗室背景，且这种背景不易消除。因此，对于低散射物体的测量，点频方式测量系统会造成较大的测量误差，用扫频方法测量则能得到较高的测量精度，步进频率系统就是扫频的一种。

步进频率信号是一种频率呈步进式变化的超宽带雷达信号，它由一串脉冲组成，每个脉冲发射频率不同，频率间的阶跃为固定值。对脉冲回波做快速傅里叶逆变换（IFFT）处理，可以得到目标合成距离高分辨率输出，因而在微波成像、目标识别等雷达系统中广泛使用。其方程为：

式中，f₀为起始频率,∆f表示频率步进间隔。对这个频域信号做傅里叶逆变换，可得到其时域形式为：

由此可见，傅里叶逆变换处理出来的结果是一串载频为中心频率的sinc函数。

采用步进频率信号测量与点频连续波相比，可以省去复杂的硬件对消器,从而有效减少了背景杂波的影响。信号经过功率放大器放大后可直接由标准天线发射出去，回波信号通过另一个相隔很近的标准增益天线送入矢量网络分析仪接收端，然后利用矢量网络分析仪的时域功能进行软件对消，从而使测试方案得以简化。

7  结语

隐身RCS测试技术的研究讨论开始于1965年，到现在已经近半个世纪，最早的RCS测试技术是点频连续波方式。随着数字计算机以及仪器计算机控制技术的发展，隐身测试技术已经得到极大的进步，而且紧凑场技术还可以使测量从室外转移到室内，从而使背景对消，雷达镜像，大目标RCS特征更加精确。