外场RCS测量中背景杂波抑制技术研究

李 勇，胡伟东，张 洋，文 斌

(1.中国人民解放军32184部队， 北京 100093； 2.北京理工大学， 北京 100081)

随着雷达探测技术的不断发展和设备性能的不断提高，各种中远程空基侦察和探测雷达在战场上被大量使用，特别是全天候对地攻击雷达以及为对地攻击提供目标信息的中近程探测雷达，对地面武器装备的作战部署造成了极大威胁。地面装备无论是在作战准备、战术部署还是在对敌进攻的各个阶段，始终处于不同形式的雷达监视之下，越来越先进的探测手段使地面武器装备的战场生存环境越来越严峻。因此，赋予装备隐身防护能力是提高武器装备战场生存能力的重要保障。

随着具备一定雷达隐身能力的武器装备大量配备部队，依托配装部队实地开展装备隐身性能检测和评估将贯穿装备作战运用的全过程。装备在日常维护保养时，需要对其隐身性能进行诊断评估，及时修复出现的隐身故障；在执行任务前，需要对隐身性能进行检测，评估完成任务的可用度；在作战部署时，需要对其实施伪装措施，并要对伪装措施的效果进行评估。

然而，武器装备配发到部队后，无法依托大型暗室进行隐身性能检测评估，也无法提供标准的测试外场进行检测，因此，唯一可行的就是在实际外场环境中，使用相关检测评估设备对武器装备的隐身性能进行检测评估。

RCS是评估装备雷达隐身性能的关键指标。在实际外场环境下，由于受到地表材质及地面平坦度、周围建筑物及植物等背景环境杂波的影响，RCS测量的精度会产生偏差[1-2]。因此，如何抑制背景环境杂波对测量值的影响，是实际外场RCS测量需要解决的关键问题。

为解决外场RCS测量中背景杂波抑制问题，北京航空航天大学的原赛赛等[3]建立了测试系统、测试场的时变传递函数参数化模型，并提出利用软件距离门技术提取辅助校准区域数据来估计模型参数，实现了时变响应特性的精确幅度和相位补偿，提高了背景抵消的精度。该方法针对标准测试外场进行了仿真验证，但野外背景的杂波抑制效果并未提及。

本文重点对实际外场RCS测量中采用的背景矢量相减、软硬件距离门控制等背景杂波抑制相关技术进行了研究，并将杂波抑制后的回波数据进行一维距离像反演得到目标RCS值，最后综合运用背景杂波抑制技术对实际装备的RCS进行测量，验证实际背景环境中杂波抑制方法的有效性。

1 背景矢量相减

1.1 频域背景矢量相减

频域背景矢量相减[4]方法是先记录背景的频率响应，然后在不改变周围环境的条件下，记录被测目标及环境的频率响应，然后将所得到的2个频率数据进行矢量相减，从而消除背景噪声变化带来的影响。

为简单起见，假设测量系统没有噪声，背景杂波只来自于地面的M个散射点，雷达与目标的距离为Rt，地面散射点分布在以目标为中心，前后距离为Rg(m)的范围内，目标的反射系数为kt，地面各个散射点的反射系数为kg(m)，电磁波的起始频率为f0，步进间隔为Δf，步进N个点。

地面散射点的回波信息为：

(1)

目标的回波信息为：

(2)

地面散射点和目标的综合回波信号是sg(t)与st(t)的矢量和sa(t)。此时的回波信息为频域信息，频域背景矢量相减时，先测量背景回波频域信号，即得到sg(t)，再在背景环境不变的条件下放置被测目标进行测量，得到目标和背景的总回波频域信号sa(t)，再将sa(t)与sg(t)进行矢量相减，即可得到目标的回波频域信号st(t)。

1.2 时域背景矢量相减

时域背景矢量相减的原理是先测量背景的时域回波信号，然后测量放置目标后的时域回波信号，最后通过矢量相减的方法对背景杂波进行相减[5]，其原理与频域矢量相减方法类似，只是在时域上实现背景相减功能。

由式(1)与式(2)可得雷达接收到的信号sa(t)为：

sa(t)=sg(t)+st(t)

(3)

对式(1)和式(3)分别作IFFT，得到sg(t)和sa(t)的时域形式IFFT[sg(t)]和IFFT[sa(t)]，再将IFFT[sa(t)]与 IFFT[sg(t)] 矢量相减，即可完成背景矢量相减。

2 软硬件距离门控制

2.1 硬件距离门

硬件距离门是通过在RCS测量雷达中设计定时器来控制发射脉冲宽度，实现对目标和背景杂波之间的分离。

在RCS测量中，多数脉冲雷达的发射脉冲宽度在1 μs以内，定时器触发发射机发射一个射频脉冲，经过一定时延后，接收机完成对目标回波脉冲的接收。对于室外测试场，在脉冲发射后，来自测试场周边环境的杂波到达接收天线的时延通常可能长达数微秒，而通过定时器对接收开关的控制，接收机可将位于距离门以外的绝大部分杂波滤除掉[6-7]。

具体设计时，硬件距离门的功能由开关芯片实现。该开关芯片在发射支路发射信号时，关闭开关，使发射信号无法经过环形器进入接收支路；而在回波信号到达时，打开开关，使接收支路能够接收到回波信号。

实际测量时，对于单散射点目标，需要在回波脉冲的上升沿到来之前一小段时间打开开关，在回波脉冲的下降沿结束之后的一小段时间之后关闭开关。硬件距离门控制时序如图1所示。

图1 硬件距离门控制时序图

图1中，PRT为PLL的控制字，每个PRT的周期即是一个脉冲重复周期，Pulse为脉冲调制信号，而Protect信号即是回波信号进入接收支路前经过的保护开关的调制信号，Pulse和Protect信号都是低电平代表断开，高电平代表接通。由图1可见，Protect信号比Pulse信号延时了一段时间，并且Protect信号比Pulse信号接通的时间要长了一些。

若开关打开时间过长，会使被测目标的前后一段范围内的背景杂波被接收机接收到；若开关打开时间过短，会使回波脉冲不能完全进入接收机，导致遗漏目标散射信息，最终不能得到准确的测量结果；若开关打开的时间不是回波信号到达的时间，则回波脉冲完全不能进入接收机，那么接收机接收到的信号只是接收机的噪声。可见，准确地控制接收机前开关的通断时间，能够确保背景杂波得到有效抑制。

2.2 软件距离门

经过硬件距离门的处理，进入接收机的是目标以及距离目标很近的背景，此时，若背景远小于目标，则测量结果已经比较准确，不需要再作处理，但是如果目标前后很近的地方出现较大的背景噪声，则需要设计软件距离门，通过合理设置数据截取的软件距离门参数滤出目标区域外的杂散信号，进一步减小目标区前后的杂散信号影响[8]。软件距离门可通过时域加窗来实现[9]，将窗函数低值部分对准杂波进行加权，能够直接抑制背景干扰。

由式(3)可得到目标和背景杂波的回波信号，对其进行IFFT运算，有：

(4)

在实际测量中，往往测量距离是已知的，对于单散射点目标，可以以目标位置为中心，对g(l)进行加窗运算，能够有效滤除杂波。但是对于多散射点目标，由于目标的散射中心本身就覆盖了一段距离，而为了保留目标的全部散射信息，时域窗必须将这段距离内完全覆盖，因此这段距离内的背景杂波仍然无法消除，此时需要结合前文介绍的背景矢量相减技术来进一步减弱背景杂波。

3 一维距离像反演RCS

传统的RCS测量数据处理方法是直接对回波的频域数据取模。在背景复杂的环境下，传统的RCS计算结果会与实际情况有较大的出入，无法满足精确测量的要求。本节综合利用前两节介绍的背景矢量相减、时域加窗等方法，给出一种RCS计算的方法，即由一维像反演RCS的方法。

计算过程如下：首先将背景矢量相减后的目标回波频域数据作IFFT变换，得到一维高分辨率距离像，再根据目标区位置、尺寸等参数，选择合适的时域加窗信号，将一维高分辨率距离像和时域加窗信号相乘并滤除杂波，最后将加窗后的距离像再作FFT变换到频域，计算出RCS。

4 背景杂波抑制流程

RCS测量采取的是相对测量法，即分别测量已知RCS大小的标准体和待测目标的回波电压值，然后比较计算出目标的RCS[10]。为了提高测量精度，需要采用背景矢量相减技术，在相同的测量条件下，分别测量背景、定标体和目标的回波值，然后分别从目标和定标体中减去背景值作为新的目标和定标体数据，最后采用多种算法进行后续的RCS计算，具体测量步骤如下：

步骤1选定背景相对稳定的区域作为定标体和目标测量的位置。

步骤2测量定标体区域背景回波：根据定标体放置位置与测量雷达的相对位置，设置合适的硬件距离门参数，测量没有放定标体时定标区背景回波数据。

步骤3测量定标体回波数据：将定标体置于定标体测量位置，设置合适的硬件距离门参数，测量定标体的回波数据。

步骤4测量目标区域背景回波：根据目标放置位置与测量雷达的相对位置，设置合适的硬件距离门参数，测量没有放置目标时目标区域背景回波数据。

步骤5测量目标回波数据：将目标置于目标测量位置，设置合适的硬件距离门参数，测量目标的回波数据。

步骤6数据处理：由步骤2～步骤5测得的数据进行背景矢量相减，再采用一维距离像反演RCS方法计算目标的RCS值。

5 验证

本节结合某型装备的外场RCS测量数据，验证本文提出的背景杂波抑制技术的效果。本次测量的目的是获取某装备在实际外场条件下的RCS值。测量过程选择在水泥路面上，背景环境相对稳定。

图2给出的是采用传统RCS数据处理方法得到的结果，图3给出的是采用不同加窗处理算子反演出的RCS值。

图2 传统RCS处理曲线

图3 加窗反演RCS处理曲线

对比图2和图3，采用背景抑制方法计算出的RCS值比传统数据处理方法得到的RCS值的均值要低。加矩形窗反演后，均值比传统计算方法下降了4个dB，而加hamming、hanning、blac kman窗反演后，均值比传统方法下降了将近7个dB，并且得到的RCS频域曲线明显比反演前平缓很多。

被测装备在实际背景中采用本文方法测得的RCS值以及未经过背景杂波抑制测得的RCS值，与同型号装备在变俯角RCS测试场[1]测得的经过背景抵消的RCS值进行对比，结果如表1所示。

表1 RCS均质测量结果

从表1可以看出，实际外场测试中，如果不进行背景杂波抑制，测得目标RCS值与背景杂波混杂在一起，与标准场测得的目标RCS值相差较大，误差超过10 dB。采用本文背景杂波抑制技术对背景杂波进行抑制后，实际外场测得的目标RCS值与标准场测得的目标RCS值相比，虽然在数值上要偏大，但总体上误差不超过1.5 dB。通过比较可知，采用本文背景杂波抑制技术能够有效抑制背景杂波，获得较高精度的目标RCS值。

6 结论

本文在背景矢量相减、软硬件距离门控制等背景杂波抑制技术基础上，给出了一维距离像反演RCS计算方法，有效提高了目标RCS测量精度。实际测试结果表明采用背景抑制方法计算出的RCS值比传统数据处理方法得到的RCS值的均值要低，说明在外场RCS测量中采用背景杂波抑制技术能够有效减小背景杂波对目标RCS测量值的影响，提高测量的SNR和精度。本文仅探讨了相对稳定背景环境下背景杂波抑制方法，对于实际复杂背景下目标RCS测量中背景杂波的测量及抑制技术，还需进一步开展研究。