基于大型微波暗室小目标RCS测量与分析

李军狮 王小臻 高修宾

(中国洛阳电子装备试验中心 洛阳 471003)

0 引言

目标雷达散射截面(RCS)是表征目标对照射电磁波散射能力的一个物理量，它是雷达目标特性中最基本最重要的一个参数。通过对目标RCS 的测量，不仅可以取得对目标基本散射现象的了解，检验理论分析的结果，而且可以获得大量的目标特征数据，建立目标特性数据库。本文基于Agilent 公司PNA-X 矢量网络分析仪组成的RCS 扫频测量系统，可以在微波暗室下中进行小目标RCS 测试的，系统的工作频率范围500MHz-26.5GHz。该系统与已有测量雷达系统相比较，简单易行，测量精度高。

1 RCS 的测量原理［1］

当忽略各种损耗时，雷达方程可简化为:

将被测目标和已知精确RCS 值的标准球交替放置于相对于测量雷达的同一距离上，当测量雷达的威力系数(即Pt，Gt与Ar均不变)相同时，可分别测得接收功率Pr和Pr0，则:

将上式单位取dB 值后，可得到:

由上式可知，已经标校球σ0，分别测量得到标校球的Pr0和被测目标的Pr，可求得σ 。

图1 RCS 测量系统工作示意图

2 测量系统的组成

2.1 PNA-X 矢量网络分析仪

矢量网络分析仪主要用于测量网络的s 参数，当测量目标RCS 的值时，让矢量网络分析仪的一个通道发射信号，经功率放大器进一步放大后，通过馈线送往发射天线发射出去。它的另一个通道接收目标回波信号，通过它的测量功能就可直接得到待测网络的S21 参数。如果需要，也可以在接收通道中接入低噪声放大器，以提高系统测试动态范围。

2.2 收发天线

采用一对与静区中心进行过严格电校准的宽带喇叭天线，通过馈线与矢量网络分析仪相连，距转台35m 基本满足远场要求(R＞2d2/λ，其中d 为无人机的最大几何尺寸)。为了满足单站RCS 的要求，收发天线距离为40cm，且严格极化匹配。

2.3 转台及支架

转台安装在静区下的测试平台上，放置待测物体的泡沫支架上，测量时受到的杂波干扰最小且满足远场测量条件。支架采用圆柱形聚乙烯支架，加工精度高，360 度反射信号固定，便于背景信号消除。

2.4 转台控制器

采用天线方向图测试系统使用的转台控制器，它既可以直接控制转台，又可以与计算机连接进行自动控制，通常以自动控制为主，以保证测量精度的要求。

2.5 标准球

选取目标特性测量雷达测量目标RCS 所用的Φ618mm、Φ300m 标校球作为暗室测试用标准球，标校球加工误差±0.5dB。通过两种标校球互相测试比较，验证测试系统测试误差。

根据标校球的RCS 理论值计算公式:

式中D 为标校球半径。根据雷达目标特性测量系统对雷达目标RCS 测量精度要求，委托加工的两种标校球的技术指标为:

3 扫频法测量目标RCS

3.1 矢量网络分析仪参数设置

矢量网络分析仪是RCS 测试核心设备，其测试参数设置必须满足微波暗室条件和被测目标RCS测试要求。微波暗室从测试天线到暗室后墙的距离约为46m，矢量网络分析仪进行扫频测试距离需大于92m。为方便区分测量目标和暗室后墙，所以选择的测试距离设置为100m 以上。

3.1.1 测试点数［4］［5］

矢量网络分析仪采用带通工作方式，经傅里叶变换后给出时域响应，模拟脉冲函数对被测目标进行照射。脉冲宽度T 由扫频的带宽B 和所选的窗函数决定。

式中:k 是常数，取决测试所用窗函数，测试选取最小窗，取k=1.2;B 为扫频信号带宽。所以距离分辨力ΔL 为:

矢量网络分析仪测试所需的采样点数为:

上式中N 为采样点数、L 为要保障的暗室测量距离。由公式(5)、(6)、(7)可知，当中心频率为3GHz，扫频带宽为2GHz 时，时间分辨率为0.6ns，距离分辨率为90mm。在满足暗室测量距离92m 情况下，采样点数必须大于1223 点，所以在微波暗室中对无人机进行RCS 测试，需设定的测试点数可设为1601 点，这时测试距离为144m，可满足暗室条件下无人机RCS 测试要求。

3.1.2 其它参数

为提高系统动态范围，降低系统噪声，采取测试数据平均和降低扫描带宽的方法。综合测试系统动态范围和测试需要，拟提高20dB 动态范围，所以选取测量数据平均10 次、1kHz 中频带宽，此时测试速度下降原来的77.5 倍。当扫频点数为1601 点，一次测试时间约为4.5μs/点×1601 ×77.5=558ms，测试速度可满足测试要求。

3.2 RCS 测试程序［2］［3］

(1)将PNA-X 矢量网络分析仪与收发天线按一定极化连接起来。PNA-X 矢量网络分析仪预热半小时以上后，对包括测试用双脊喇叭天线和测试线缆进行二端口校准，存储校准状态，使校准数据准确到测试天线收发端。将矢量网络分析仪与控制计算机用直通网线连接起来，利用Windows XP 远程桌面连接功能，在计算机上根据测试要求设置矢量网络分析仪测试参数。

(2)在微波暗室中，将测试转台设置到测试平台静区中心下方，通过连接件把测试支架固定在转台上。在转台周围铺设好吸波材料，将测试平台上升到适当高度。将转台控制器及控制计算机安装在测试平台侧下方控制室内，方便测试人员更换测试件。对微波暗室背景信号进行测试，将暗室背景信号存储到矢量网络分析仪内存中。

(3)架设Φ618mm 标准球。

图2 标准球测试状态图

(4)调整转台到起始位置，设置矢量网络分析仪显示为S21-背景信号，开始测量标准球回波信号S21，得到标准球的测量数据Pr0。

(5)将标准球换为被测目标，设转台起始位置与无人机机头对准发射天线相一致方向为0。

图3 无人机测试状态图

(6)设置矢量网络分析仪显示为S21-背景信号，测试转台2°步进，测量被测目标的S21，得到被测目标的Pr。

(7)把测量数据代入计算公式(1-5)计算可获得目标的RCS 值。

3.3 数据处理与误差分析

为准确测试被测目标的RCS 值，减小测试误差，系统采用标准球校准、背景对消、时域门等技术进行测试数据处理。

3.3.1 标准球校准

采用两个标校球360°测试，互为标准球和测试目标，以理论值印证测试值，将测试值与理论值最接近的一面做为标准球测试面，与测试目标值进行比较，减小标准球引入误差。

3.3.2 背景对消

系统利用矢量网络分析仪矢量场相关技术，先对微波暗室背景进行测试，将其数据临时存储在矢量网络分析仪存储器中，认为背景信号为一白噪声，最后在标准球或被测目标数据中进行相减，消除暗室后墙、侧墙、目标支架等引起的反射回波对测量结果的影响。

3.3.3 时域门

将被测目标架设于静区中心进行RCS 测试，可以采用时域门技术，将平台边缘和后墙反射信号选通在时域门之外，减小测试误差。测试目标小于3m时，对被测目标进行360 度圆周测试，时域门设置为以静区为中心±30ns 以内。

3.3.4 误差分析

采用扫频测试方法得到目标频域数据，经背景对消、加权平均并在时域加时域门等处理后，需要将时域数据再转换为频域数据。在频域数据中抽取需计算RCS 值的频率下标准球和被测目标功率电平值，利用公式(1-3)计算出被测目标的RCS 值。

地面反射对测试结果的影响:微波暗室在30m 处入射角为85°，吸波材料反射系数约为-15dB。反射信号在静区中心位置反射信号高度为0.5m，而被测目标架高为1.8m 左右，所以可以认为时域门内地面反射信号对被测目标RCS 测试影响很小，可以忽略。

矢量网络分析仪噪声影响［5］:根据PNA-X 矢量网络分析仪技术指标可知轨迹噪声(@1kHz IF BW)＞0.0006 dB at 22.5 GHz，校准后仪表显示结果轨迹噪声电平很小，可以认为矢量网络分析仪噪声未引入测试误差。

3.4 测试误差验证

对两个标准球进行测试可知 Pφ300=-109.55dBm、Pφ618=-102.49dBm

由公式(1-5)σφ300= Pφ300-Pφ618+σφ618=-109.55-(-102.49)+(-5.23)=-12.29dBm2

Δσ=-11.51-(-12.29)= 0.78dBm2

由于标校球加工误差±0.5dB，所以从测量结果可知，RCS 测试系统对标校球RCS 测试测试引入误差很小，说明测试系统可用于满足测试条件目标的RCS 测试，测试准确。

4 扫频RCS 测试系统应用

采用扫频测试方式，可以快速测试目标一定频率的RCS 值，还可以采用时域方式对被测目标进行一维成像。表1 是无人机在S 波段某频率下的部分测试数据，图4 是某无人机鼻准方向的一维成像图。

表1 无人机RCS 值测试表

图4 无人机鼻准方向一维成像图

5 结束语

微波暗室内RCS 的测量研究是目前我国隐身与反隐身技术研究的有效手段。本文基于矢量网络分析仪构建的RCS 测量系统可通过发射宽带扫频信号来测量目标RCS 随频率的关系，也可给出目标的成像以以识别目标。该系统通过加时间门，加窗函数等信号处理的手段来提高全频段RCS 的测量精度，可为完成小目标RCS 测试和进行雷达目标识别提供测试数据。

［1］黄培康、殷红成、许小剑编著，雷达目标特性［M］北京:电子工业出版社，2005.3.

［2］刘密歌、赵军仓、张麟兮、李南京微波暗室中两种RCS 测试系统的比较［J］计算机测量与控制2007，15(3):300-301.

［3］薛元松、许家栋单频点与宽带扫频测试目标RCS 的比较［J］.现代电子技术，2006，218(3):25-27.

［4］陆申奇矢量网络分析仪时域测量功能的分析和应用电子测量与仪器学报2004 增:344-348.

［5］Agilent PNA-X Network Analyzer Quick Reference Guide，2006.