基于亚ns窄脉冲瞬态散射的目标RCS测量

梁子长, 方金鹏, 高 伟

（环境电磁特征国家重点实验室,上海 200438）

基于亚ns窄脉冲瞬态散射的目标RCS测量

梁子长, 方金鹏, 高 伟

（环境电磁特征国家重点实验室,上海 200438）

利用亚ns级脉冲源及取样示波器,采用双接收天线分别接收回波信号与触发信号的形式,减少了系统的时基抖动,提高了系统稳定度和灵敏度；在复杂测试背景中实现了目标散射测量,获取了目标超宽带RCS；与标准体的理论RCS值相比,测量结果误差小于1 d B,说明了该瞬态散射测试系统及方法的有效性。

目标识别；脉冲；时域测量

0 引言

超宽带窄脉冲瞬态散射测量系统通常由UWB脉冲发射源、高带宽数字示波器和超宽带天线等组成［1-3］。随着超宽带脉冲功率技术、超宽带天线技术和数据采集技术的发展［4,5］,超宽带窄脉冲瞬态散射测量技术已逐渐成熟。

由于窄脉冲瞬态散射测量具有良好的时间及空间分辨力,复杂目标瞬态散射回波测量可分辨其不同部位的散射回波；且单次的瞬态散射测量回波包含目标从低频到高频的丰富信息,从中可提取目标的散射截面、冲击响应、散射中心和极点分布等特性数据。与传统频域RCS幅相测量技术相比,超宽带散射时域测量技术具有分辨率较高、无需暗室环境等优点。本文主要利用亚ns级脉冲源及取样示波器,采用双接收天线形式实现了目标散射回波脉冲的同步采集；并在非暗室环境中开展了目标的窄脉冲瞬态散射回波测量及分析,标定获取了目标超宽带RCS分布,与标准体的理论RCS值相比,误差小于1 dB。

1 瞬态散射测量系统及方法

由于实时示波器采集数据精度及带宽相对较低,目标散射特性的瞬态测量通常采用取样示波器。后者要求采集触发信号与散射回波信号严格同步,通常人们利用脉冲源直接提供同步触发信号［3,6,7］,但该同步方法仍存在触发时基抖动较大、发射功率降低等问题。

本文介绍的超宽带窄脉冲瞬态散射测量系统主要由亚ns级窄脉冲源、取样数字示波器及超宽带天线等组成,图1给出了测量系统示意图,为提高测量稳定度及系统灵敏度,这里采用了3天线测量方式,即除发射与接收天线外,利用第3个天线提供示波器触发信号,与利用接收天线的分路信号触发相比,既保证了触发信号的同步性,又可减少有效信号分路衰减及电缆中多次反射的干扰。

图1 超宽带时域窄脉冲散射测量系统框图

目标散射测量过程中,分别进行脉冲源信号、目标及背景散射回波的时域波形测试；并利用脉冲对准方法,抵消背景回波的干扰；同时,通过多次测量平均（64次）的方法提高测试数据精度。

窄脉冲瞬态散射测量的RCS定标则采用相对定标法,如式（1）所示：

式中：E目标测试为目标随方位角和相对时间变化的测试时域响应；E定标体测试为标准定标体的测试时域响应；σ定标体理论值为定标体RCS理论值；θ为测试方位角；t为时间；f为电磁波频率；FFT表示傅里叶时频变换。

这里选择边长为10 cm的金属平板作为定标体,同时,对该定标体RCS值进行扫频数值计算,获取其近似的超宽带RCS理论值。

2 瞬态散射测量结果及比较

为验证测试系统和方法的有效性,分别对金属平板、金属球目标进行瞬态散射开展了测量。测量试验中,选取的窄脉冲宽度约为0.3 ns,测量场地为7 m×3 m的普通房间,测量距离取为4 m。

先对边长20 cm的金属平板进行瞬态散射回波测量,图2给出了测量的目标时域散射回波结果,两次测量回波十分一致。

图2 金属平板目标的瞬态散射回波

由于测试场地是非吸波的普通房间,测量回波中明显包含目标及其与房间北墙耦合的两部分回波,如图2（a）所示,两者时间差约13 ns,对应的空间距离约为1.9 m,与实际的平板目标与北墙间距离一致。图2（b）给出了金属平板散射回波的局部放大结果。可见,除约54 ns处的主脉冲回波外,后续还存在一定的拖尾,其中部分包含侧墙的多路径反射回波,一般可根据目标尺寸设置合适的时间窗减小其影响。

在此基础上对回波信号依次进行高斯滤波、RCS定标处理,图3给出了该金属平板目标1 GHz～3 GHz范围内的RCS对比结果；测量结果与其数值计算结果的最大偏差约为0.9 dB。

图3 瞬态散射测量的金属平板目标（边长20 cm）RCS比较

再对直径为8 cm的金属小球进行瞬态散射回波测量,测量获得时域回波及RCS分布结果如图4所示。

图4 直径8 cm金属球时域回波及定标

图4（a）为该金属小球的时域脉冲回波,其中包含金属球前点反射及经后点绕射的爬行波两部分,两者时延约为0.7 ns,与金属球的半周长近似一致。图4（b）为该金属小球定标后的超宽带RCS结果,与其数值计算RCS（Mo M）比较,两者偏差小于1 d B；由于直接反射回波与爬行波的干涉作用,其RCS曲线在2.1 GHz附近存在干涉谷值。

3 结论

利用建立的亚ns窄脉冲瞬态散射测量系统,采用双接收天线分别接收回波信号与同步触发信号的形式进行散射测量,减少了电缆中多次反射导致的时基抖动,提高了系统灵敏度；并在非暗室环境中实现了金属平板、金属小球等目标的瞬态散射回波测量,获取了其超宽带RCS数据,与理论计算的RCS结果相比,测量误差小于1 dB,说明了本文建立的瞬态散射测量系统及测量处理方法的有效性。

［1］Robert J.Fontana,Edward Richley and Jo Ann Barney.Commercialization of an Ultra Wideband Precision Asset Location System［C］.IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies,2003,Reston.

［2］Robert Fontana,Aitan Ameti,Edward Richley, Lance Beard and Dennis Guy.Recent Advances in Ultra Wideband Communications Systems［C］. Proceedings IEEE Conference on Ultra Wideband Systems and Technologies,2002.

［3］关鑫璞,王少刚,王党卫,等.超宽带目标时域电磁散射特性测量［J］.微波学报,2008,24（1）：29-34.

［4］董楠,程受浩,刘华,等.超宽带螺旋天线的仿真设计［J］.制导与引信,2005,26（2）：48-51.

［5］石红艳,孙绪保,刘璐璐,等.三陷波特性的超宽带单极子天线［J］.制导与引信,2012,33（2）：32-35.

［6］王运飞,王经瑾,刘国治.超宽带散射信号的时域测量及处理［J］.强激光与粒子束,2001,13（6）：739-743.

［7］夏景,孔娃,王刚.超宽带微波近场目标探测成像实验系统［J］.微波学报,2009,25（4）：87-91.

Target RCS Measurements Based on Sub-ns Narrow Pulse Transient Scattering

LIANG Zi-chang, FANG Jin-peng, GAO Wei
（National Key Laboratory of Electromagnetic Environmental Research,Shanghai 200438,China）

Synchronized collecting of echo signal and the triggor signal is achieved by the dual-receiving antenna using sub-ns pulse source and sampling oscilloscope.It reduces jitter and improves stability and sensitivity of system and wideband RCS distribution of the target is obtained.Compared to theoretical RCS of standard targets,the error of the measured data is less than 1 d B.It illustrates the validlity of the test system and method of transient scattering.

target recognition；pulse；time domain measurement

TN958

A

1671-0576（2014）01-0025-03

2013-08-08

梁子长（1978-）,男,硕士,高工,主要从事目标与环境电磁散射特性技术的研究。