RCS动态测量雷达定标及其不确定度分析

王 震, 林 刚

(中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089)

RCS动态测量雷达定标及其不确定度分析

王 震, 林 刚

(中国飞行试验研究院,陕西 西安 710089)

测量雷达定标是影响飞机RCS动态测量精度的关键因素。根据RCS动态测量基本原理,分析了RCS动态测量雷达的定标技术,包括定标体、定标距离、悬挂方式、定标时机等内容,详细讨论了影响定标精度的各种因素。结合实际测量流程对测量雷达的定标不确定度进行了分析,最后对RCS测量不确定度评估结果的准确性进行了验证。

动态测量；雷达定标；不确定度

0 引言

RCS动态测量能够反映目标在运动时的散射特性,是获取目标在真实背景环境下电磁散射特征的唯一手段,对于科学、客观地评价飞机的隐身性能及其战场突防能力具有非常重要的参考价值。测量雷达定标作为RCS动态测量的关键环节,直接影响了RCS动态测量的精度。为了提高RCS动态测量数据的可靠性,本文在总结实际工作经验的基础上,对测量雷达定标技术进行了全面分析,并对某测量雷达的定标测量不确定度及RCS测量结果的准确性进行了评估,有助于促进RCS动态测量技术的发展。

1 基本原理

RCS动态测量通常采用基于雷达方程的比较测量法。根据雷达方程,目标的RCS可表示为

式中:σ为目标RCS;P为雷达接收的目标回波功率;R为目标到雷达的径向距离;Pt为雷达发射功率;G为雷达天线增益;λ为雷达工作波长;Lt为发射支路损耗因子;Lm为单程大气衰减因子;Lr为接收支路损耗因子;Lp为极化损耗因子。

假设在RCS动态测量过程中,测量雷达技术状态保持稳定,则式(1)可变为

设标准体的RCS为σs,则有

根据式(3),利用测量已知RCS标准体的回波功率,可以求得雷达系数K值,从而完成雷达定标。

2 测量雷达定标技术

测量雷达定标是动态RCS测量的关键,选择合适的定标试验条件是提高动态RCS测量质量的前提。

（1）定标体的选择

由于金属球的RCS各向同性,其单站的RCS与视向角无关,仅随球的电尺寸而变化,避免了定标过程中定标体姿态控制等复杂技术问题,因而在动态测量中广泛使用。金属球的散射精确解为Mie级数,其对数形式如图1所示。

由图1可知,当金属球电尺寸在光学区时,即满足2πa/λ＞10,其RCS趋向于几何投影面积πa2［1］。为了提高测试精度,一般选择在光学区进行雷达定标。但对于低频测量雷达,在光学区定标时要求金属球尺寸较大,不论从工艺制作还是试验都较难实施,因此可选择在瑞利区或谐振区进行定标。

（2）定标方式

图1 金属球精确解析解

动态测量时,通常采用两种定标方式。可以采用探空气球悬挂金属球的方式对测量雷达进行定标,该方法成本低,但容易受气流等环境因素的影响,且实时性较差。也可以采用试验机拖曳金属球的方式进行定标,该方法虽然成本较高,但受环境影响较小,实时性较好,可以在RCS动态测量过程中穿插多次对测量雷达进行定标。需要特别注意的是在定标过程中要求悬挂金属球的绳子足够长,同时考虑风速、风向对绳子的影响,据此规划定标体与测量雷达间的相对位置,使气球或试验机不出现在测量雷达波束内,确保定标数据的有效性。

在定标时机方面,应根据测量雷达的稳定性,尽可能缩小动态测量过程与定标过程的时间间隔,最大程度上减小环境变化对RCS测量精度的影响,提高测量数据的可靠性。

（3）定标距离

由RCS动态测量的基本原理可知,雷达定标系数K值与距离无关,所以定标距离的选择一般由测量雷达盲区、测量信噪比及远场测量条件等因素决定。

3 RCS定标的测量不确定度分析

在RCS测量雷达定标过程中,设备因素、环境因素、定标体加工精度等因素都会给定标精度带来一定的影响,从而导致定标数据的起伏。为了更好地理解测量误差,提高数据质量,利用数值仿真、试验测量、理论分析以及工程经验等手段对动态RCS定标过程的测量不确定度进行分析。

(1)设备因素

由测量设备引入不确定性的主要因素:天线定位误差、交叉极化、能量漂移、频率漂移、非线性、测距精度和I/Q不平衡性等［2,3］。天线定位误差、测距精度所引入的测量不确定度由雷达跟踪精度决定［4］,该指标也是引起平均照度误差的主要因素。能量漂移、非线性以及I/Q不平衡性所引入的测量不确定度均可通过雷达校准试验给出评估。非线性误差引入的测量不确定度需要在雷达接收机整个线性动态范围内进行评估。能量漂移主要由时间和环境温度的变化引起,一般利用测量雷达的短期稳定性评估定标过程中由该因素引入的测量不确定度。

以某型测量雷达为例,由设备因素引入的部分测量不确定度评估测试结果如图2所示。

图2 设备因素引入的部分测量不确定度评估测试结果

图2(a)为接收通道I/Q不平衡性测量结果。测量雷达接收通道的直流偏置为ΔI0=0.232 7, ΔQ0=―33.998 8,接收通道基准增益为104 7.116 9,由接收通道I/Q不平衡性引入的测量不确定度为0.36 dB;图2(b)为接收通道非线性误差测试结果,该部分引入的测量不确定度为0.25 d B。

（2）环境因素

背景噪声、近场照射以及多路径反射等构成了影响RCS动态测量的环境因素。由于测量雷达定标时,定标体升空高度较高,且由于定标体尺寸较小,远场条件容易满足,近场照射以及多路径反射对动态RCS测量定标的影响很小,因此背景噪声成为影响定标结果的主要因素。背景噪声对RCS测量精度的影响如图3所示。

图3 背景噪声对RCS测量精度的影响

由图3可知,当测量过程中信杂比优于20 d B时,背景噪声引入的误差可控制在1 d B以内,如要提高RCS动态测量精度,则在定标过程中应尽可能在高信杂比条件下进行测量。

（3）定标体加工精度引入的误差

RCS动态测量采用的金属球理论上是各向同性的,但由于机械加工误差等因素的影响,球的规则性、表面光洁度等都会在雷达定标过程中引入误差［3］,在毫米波段测量时,该因素引入的测量误差更大。以直径为249 mm的金属球为例,当金属球直径加工误差为0.5 mm,表面粗糙度为0.05 mm时,在高频段测试时,由定标体加工精度引入的测量不确定度为0.04 dB。具体估算方法可参考文献［5］。

（4）RCS定标测量不确定度估计及验证

根据雷达方程,假设方程中各变量之间相互独立或近似独立,利用式(4)即可得出RCS动态测量过程中定标的综合不确定度为

式中:Δσi为各不确定度分量;σ0为测量值的最优估计。

利用直径为249 mm的金属球对某测量雷达进行定标,依据上述的分析过程,该测量雷达定标的测量不确定度评估结果如表1所示。

表1 某型测量雷达定标测量不确定度

表中:S为数值仿真;M为试验测量;T为理论分析;E为工程经验。

由表1可知该测量雷达定标的测量不确定度为0.7 dB,则通过迭代对金属球RCS测量不确定度估计为1.0 dB,对应的测量不确定度区间为［―1.0,0.81］dB。金属球RCS测量结果如图4所示。

4 结束语

图4 金属球RCS测量结果

雷达定标是RCS动态测量过程中的关键环节,本文根据实际工程经验对雷达定标技术进行了较为全面的分析,同时利用实测数据对雷达的定标测量不确定度进行了分析和验证,对于准确评估复杂目标的电磁散射特性具有重要意义,为提高RCS动态测量精度,确保数据质量奠定了基础。

［1］Merrill I.Skolnik,王军,等.雷达手册［M］.北京:电子工业出版社,2003.

［2］林晓焕,林刚,马训鸣.RCS动态测量结果的不确定度分析［J］.微电子学与计算机,2008,25(3).

［3］Lorant A.Muth,Dale M.Diamond,John A.Lelis. Uncertainty Analysis of Radar Cross Section Calibrations at Etcheron Valley Range［R］.National Institute of Standards and Technology,2004.

［4］J.Sorgnit,P.Mora,L.A.Muth,etc.Uncertainty Analysis Procedures for Dynamic Radar Cross Section Measurement at the Atlantic Test Range［R］.National Institute of Standards and Technology,1998.

［5］杨沛,邹永杰,康鹏.外场RCS测量常用标校方法分析比较［J］.电子科技,2011,24(3).

The Calibration of RCS Measuring Radar and Uncertainty Analysis

WANG Zhen, LIN Gang
(China Flight Test Establishment,Xi'an Shaanxi 710089,China)

The calibration of measuring radar is considered as the key factors that affect the dynamic RCS measurement accuracy of aircraft.Based on the fundamental theory of dynamic RCS measurement,the calibration technology of RCS measurement radar is analyzed, including calibration object,calibration distance,hanging way and calibration timing,etc. The factors that affect the calibration accuracy are discussed and in conjunction with the actual measurement process,the uncertainties of measuring radar calibration are analyzed.Finally,the precision of the evaluation results of the RCS measurement uncertainty is verified.

dynamic measurement;radar calibration;uncertainty

TN011

A

1671-0576(2014)04-0033-04

2014-09-12

王 震(1983―),女,工程师,主要从事目标特性测试及数据分析研究;林 刚(1971―),男,研究员,主要从事目标特性与隐身技术研究。