变俯角RCS测量杂波干扰抑制技术研究

刘增灿,王 森，张天才

(中国兵器工业第五九研究所， 重庆 400039)

【基础理论与应用研究】

变俯角RCS测量杂波干扰抑制技术研究

刘增灿,王 森，张天才

(中国兵器工业第五九研究所， 重庆 400039)

针对地面武器装备变俯角隐身特性精确测量需求，结合仿真模拟与测量试验分析了变俯角自由空间场目标RCS测量中的背景干扰，设计了低俯角雷达栅屏蔽地面反射波和中高俯角集成应用强吸波材料铺设、距离门及背景对消的变俯角背景干扰综合抑制方案，通过试验验证抑制方案大大降低了地杂波背景干扰对目标RCS测量影响，有效保障了地面武器装备隐身特性检测精度。

变俯角；RCS；杂波抑制；自由空间场

雷达散射截面(RCS)是表征目标雷达隐身性能的重要指标，室外场目标RCS测量方法有自由空间场和地面平面场两种。自由空间场是指抑制或消除地面反射波的雷达目标散射特性测试场[1]。自由空间目标雷达散射特性(用雷达散射截面即RCS表征)测量时雷达波束不仅照射到被测目标，同时也照射到除目标以外测试区域，杂波作用与目标真实回波耦合不能有效分开，且变俯角下视测量时由于雷达回波空间传输路径的改变杂波干扰也随之变换，使得不能有效获取目标RCS真实值，影响到目标隐身性能的准确测量与评估。

为解决室外自由空间场地面目标变俯角下视测量时的背景杂波干扰问题，本文通过对背景干扰源试验检测与仿真分析，提出雷达栅屏蔽和吸波材料吸收的背景杂波综合干扰抑制方案，有效降低了背景干扰，提高了目标RCS测量精度，为地面武器装备的雷达隐身性能检测评估及隐身材料工程化应用提供了技术支撑。

1 RCS测量背景杂波干扰分析

1.1 测试区地面反射杂波影响

根据测试场实际情况，测试区域(雷达到目标之间的场地)为斜向上水泥面(倾角约2°)。根据电磁波传输原理，当雷达在低俯角(0°～20°)测量时，地面反射杂波包括地面直接散射杂波和经地面到达目标的二次反射杂波(如图1所示)，其对目标后向散射测量产生重要影响。同时根据互易定理，目标部分回波也将经由地面与地面发射作用后再回到雷达接收天线，因此，地面的反射作用是双程的，地面的干扰对目标的准确测量不可忽略。

图1 变俯角自由空间场目标测试杂波干扰示意图

建立了场地电波传输模型，模拟计算地面反射波干扰及多路径传输影响(如图2所示)[2-4]。由图2模拟结果可知：无雷达栅时RCS衰减起伏变化较大，而有雷达栅时[5]，RCS相对自由空间衰减较小，衰减变化也较为平坦。并且雷达栅到目标转台间的地面反射系数越小(地面越平整光滑)，RCS衰减起伏越小，地面反射波干扰越小[6-7]。说明地面反射波对目标区的散射回波具有重要影响,必须进行抑制。

图2 地面反射波干扰模拟计算图

同时，在室外测试场开展了三面角反射器标准体RCS测量背景杂波干扰试验(如表1)。根据角反射器方向特性可知，当角反射器口面法线相对于测试雷达的波束中心偏离2°以内时，其RCS的波动不会大于1 dB[8]，但从实际测试数据的统计结果看，在3 cm波段角反射器放置高度仅变化20 cm，即角度变化只有0.1°左右时，其RCS波动就达到十几分贝，这完全排除人为操作和设备误差的可能性，只能说明在测试中受到了地面反射波的影响。

表1 3 cm波段试验结果统计

可见，在低俯角范围内，从理论模拟和外场实测试验结果分析，地面反射波对目标RCS测量的影响都不可忽略，必须采取措施抑制或消除地面反射波杂波的干扰。

1.2 目标区域背景杂波影响

当雷达测量俯角在20°以上时，雷达波束照射区域集中在目标支撑方位旋转平台区域，旋转平台背景因素对目标测量影响最大。旋转平台表面为金属与木板混合结构，存在大量不连续金属表面和凹腔等强散射源结构；旋转平台边缘存在排水道凹槽、转台操作维护地坑凹槽、转台后方地表植被等地表杂波干扰源。高俯角测量时，目标区域后向散射背景显著上升，甚至淹没目标散射信号。由于目标与旋转平台表面结构和周围地表的互作用及多路径效应，背景对目标的耦合干扰使得难以获得目标真实RCS。必须采取措施降低或消除目标区域背景的干扰，才能有效提高目标RCS测量的准确性。

2 背景杂波干扰抑制

2.1 低俯角地面反射杂波抑制

为抑制低俯角地面反射波的干扰，设计了雷达栅屏蔽地面反射影响的方案。雷达栅为倾角可变、向上倾斜金属板支架模块化结构，且表面粘贴强吸波材料(法向反射率优于-40 dB)，如图3所示。雷达栅抑制原理是采用倾斜吸波结构将经地面反射至目标的回波信号屏蔽遮挡吸收，实现地面反射杂波的屏蔽。雷达栅长度约为2 m、宽度约1.25 m，采用 5 mm后角钢制造，有可锁定的滚动轮，既保证雷达的稳定性和牢固性，又兼顾可移动性和组合性，以满足不同测试俯角和不同大小目标的测试需求。

依据目标处合成场强相对于自由空间的衰减值为0的原则，确定雷达栅高度和位置。雷达栅高度设置示意图见图4，包括雷达入射角、雷达栅与雷达距离、雷达高度、雷达与吸波材料前边缘和目标支撑旋转平台中心(即转台中心)的距离等，雷达栅高度通过下式计算得到

(1)

式(1)中：HA为雷达高度(m)；HF为雷达栅高度(m)；HT为被测目标最大高度(m)；R为转台中心与雷达间的水平距离(m)；R′为吸波材料前边缘与雷达的水平距离(m)；r为转台半径(m)；RF为雷达栅与雷达间的水平距离(m)；θ为雷达入射角( °)。

图4 雷达栅高度设置示意图

雷达栅位置设置示意图见图5，包括雷达入射角、雷达栅与雷达的距离、雷达高度、雷达与吸波材料前边缘和转台中心的水平距离等，雷达栅位置通过下式计算得到

(2)

雷达栅的最小宽度以摆放位置遮挡住天线3dB波束宽度为准,并满足下式要求。

F≥1.5×L×RF/R

(3)

式(3)中：F为雷达栅的最小宽度(m)；L为被测目标的横向最大尺寸(m)。

图5 雷达栅位置设置示意图

2.2 中高俯角目标区杂波抑制

通过理论计算和探索试验，设计了采用100 mm的平板型强吸收型泡沫材料屏蔽目标支撑方位旋转平台区域后向散射回波,采用距离门技术消除目标前后杂波和背景对消技术抑制目标支撑旋转平台周围固定杂波等中高俯角下的背景抑制方案。

吸波材料铺设宽度应至少超出目标支撑旋转方位平台边缘2 m，且吸波材料边缘尽量齐整，避免出现边缘层次不齐情况,如图6所示。因为，试验中发现吸波材料前边缘的立面在雷达一维距离像中会产生较为明显的波峰，使得转台背景等效RCS增大，干扰目标测试。

图6 吸波材料应用示意图

根据目标距离与目标最大尺寸，设置合适的雷达硬件和软件距离门宽度[9]。一般考虑到目标绕射原因以及实际工程经验，软件距离门宽度应不小于目标最大尺寸的1.2倍，以屏蔽目标纵向距离以外的杂波干扰。

分别采集目标与背景全方位角域RCS数据和空背景360°全方位角域等效RCS数据，采用目标与背景数据矢量相减方法进行旋转平台背景对消[10]，以消除或降低目标与旋转平台自身背景及其与平台周围固定杂波间的相互干扰或多路径效应，获得旋转目标较为真实的雷达散射特性。

3 试验验证

3.1 地面反射波抑制试验

基于标准体试验验证了地面反射杂波干扰抑制效果。试验采用-10dBsm标准球为被测目标(如图7所示)，分别对目标支撑方位旋转平台中心高度为0.6 m、1 m和1.6 m的金属球回波进行测试，得到在有无雷达栅的情况下不同高度方向上标准球的RCS数据分布，如表2所示。

图7 标准球验证试验

表2 地面反射波抑制前后标准球RCS测量比较

通过分析，在0°俯角下3 cm波段，高度为1.2 m的雷达栅放置在56 m处，可使旋转平台中心1 m高度处的标准体测量值与理论值差异由3.35 dB降低最低至0.09 dB，其他高度处RCS差异也大幅下降，地面反射波干扰抑制效果明显。

3.2 目标区杂波抑制试验

通过对中高俯角(大于20°)下的背景等效RCS数据进行测量分析。采用强吸波材料铺设屏蔽地杂波措施后，背景等效RCS均值降低10 dB，且RCS幅值波动幅度降低，背景抑制效果较好。

以-10 dB标准球来验证经应用距离门技术和采用对消技术后转台背景干扰抑制效果。对-10 dBsm金属球在低俯角和高俯角下的测试数据进行了处理，其处理结果统计情况如表3所示，转台背景抑制前后标准球RCS测量曲线如图8所示。

表3 背景对消和距离门应用背景抑制效果

对比表3可知，一般情况下，采用背景对消和距离门手段后，目标RCS测量最大值减小、最小值变大、平均值变小，但目标RCS曲线波动明显更小、更平滑，且与理论解析值更接近。表3中存在2处距离门越大RCS测量值变小的特殊情况，原因在于采用背景对消和纵向距离门方法，可以抑制大部分杂波干扰，但是目标与目标区杂波的多次横向散射、非相干散射耦合效应是无法消除的，这种耦合干扰与目标正常反射回波矢量叠加，使得目标RCS可能变大、也可能减小。

经低俯角地面反射波抑制和中高俯角目标方位旋转平台区域背景综合抑制，不同俯角下的背景抑制前后背景等效RCS测量试验，如表4所示。

图8 背景抑制前(上)后(下)标准球RCS值

表4 变俯角背景干扰抑制后的背景等效RCS测量值

通过对比背景抑制前后背景等效RCS测量数据曲线，可见在采取背景抑制技术后，背景等效RCS在厘米波呈现下降趋势，低、中、高俯角下背景等效RCS分别改善15 dB、18.6 dB和10.3 dB，对于坦克装甲车辆类目标其RCS均值为10 dBsm时，采用背景干扰综合抑制方案，由背景干扰而引入的RCS测量误差可分别下降0.2 dB、1.4 dB和1.5 dB，综合背景抑制技术方案效果明显，有助于提高变俯角下的武器装备雷达散射特性测量精度。

4 结论

通过变俯角自由空间场RCS测量背景干扰源分析、背景干扰抑制方案设计及抑制效果试验验证等研究，掌握了变俯角地面反射波对目标测量影响规律，建立了变俯角自由空间场RCS测量地杂波背景干扰综合抑制方案，通过背景等效RCS测量试验和标准体RCS测量试验，背景等效RCS降低10dB以上，实现了变俯角背景等效RCS达到-20dBsm，验证了背景抑制方案的有效性，有效提高了变俯角自由空间场目标RCS测量精度，将为地面武器装备隐身效果测量与评估提供准确、可靠的数据支撑。

[1] GJB 4238—2001,军用目标特性和环境特性术语[S].总装电子信息基础部,2001.

[2] ZHAO X W，PERTTI V.Multipath propagation study combining terrain diffraction and reflection[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2001,49(8):1204-1209.

[3] HOLM P D.Calculation of higher order diffracted fields for multiple-edge transition zone diffraction[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation,2004,52(5):1350-1355.

[4] 戴幻尧,刘勇,黄振宇,等.极化雷达导引头对 多路径干扰的检测识别新方法[J].雷达学报,2016,5(2):157-158.

[5] 张新好,洪韬,陈忠海,等.雷达栅参数选取及多路径干扰抑制技术研究[J].遥测遥控,2013,34(6):14-18.

[6] IEEE Antennas and Propagation Society. IEEE recomm-ended practice for radar cross section test procedures[S].New York:Antenna Standards Committee,2007:6-19.

[7] 张瑜,李玲玲.低角雷达跟踪时的多路径散射模型[J].北京理工大学学报,2004,19(1):83-86.

[8] 周文明,宋建社,郑永安,等.常见定标体的雷达截面计算与仿真[J].电光与控制,.2007,14(5):28-32.

[9] DOREN W H.Introduction to RCS measurements[C]//Antennas and Propagation Conference,IEEE,2008,LAPC 2008.Loughborough 17-18 March,2008:37-44.

[10] SHIELDS M W,FENN A J.A new compact range facility for antenna and radar target measurements[J].Lincoln Laboratory Journal,2007,16(2):384-386.

(责任编辑周江川)

StudyonClutterInterferenceRejectionforRCSMeasurementinVariable-Depression-Angle

LIU Zengcan, WANG Seng, ZHANG Tiancai

(The No.59 Institute of China Ordnance Industry, Chongqing 400039, China)

To deal with the accurate measurement requirements for stealth characteristics of ground equipment in variable-depression-angle, background clutter interference were analyzed, in this paper, based on simulation and measurement tests. It designs a comprehensive program of ground reflection signal rejection with radar fence in low depression-angle and integrated application of laying the absorbing material, radar distance threshold, background subtraction in middle and high depression-angle.Through test validation, the proposed program greatly reduces the clutter rejection in target RCS measurement, which effectively guaranteed the detection accuracy of stealth characteristics for ground Equipment.

variable-depression-angle; RCS; clutter rejection; free space range

2017-07-15；

2017-08-10

刘增灿(1979—)，男，硕士研究生，高级工程师，主要从事雷达测试与隐身技术研究。

10.11809/scbgxb2017.11.042

本文引用格式：刘增灿,王森，张天才.变俯角RCS测量杂波干扰抑制技术研究[J].兵器装备工程学报，2017(11):192-196.

formatLIU Zengcan, WANG Seng, ZHANG Tiancai.Study on Clutter Interference Rejection for RCS Measurement in Variable-Depression-Angle[J].Journal of Ordnance Equipment Engineering,2017(11):192-196.

TN951

A

2096-2304(2017)11-0192-05