地平场条件下小尺寸低RCS 目标测量方法研究

刘宗信，李斌，张书迪，刘进北

（解放军95841 部队，甘肃 酒泉 735018）

地平场是室外静态RCS 测试场中的一种，主要用于大尺寸、全尺寸目标部件、模型的测试。为保障大尺寸、大吨位目标测试需求，建设有一定规模体积的目标支撑系统，目标支撑系统通常由金属支架和两轴转顶组成。测量大尺寸、全尺寸目标时，两轴转顶可以内嵌于被测目标体内，不会产生强的反射回波信号增大背景RCS 影响测试精度；测量小尺寸目标时，两轴转顶无法内嵌于被测目标体内，将产生极强的反射回波信号提高背景RCS，在这种情况下，背景RCS 将远强于被测目标RCS，被测目标信号淹没于背景信号中无法识别，造成小尺寸低RCS 目标测试难题。但在室外静态RCS 测试场中，为准确测试评估RCS 测量不确定度、获取数据与室内测试场比对及建立与其他测试场的溯源关系，需要定期对一些小尺寸的标准体（件）进行测量。因此，研究使用有一定规模体积的目标支撑系统，保障小尺寸标准体（件）的测试非常有必要。该文以某地面静态RCS测试场现有目标支撑系统为目标架设保障条件，以金属球作为典型的小尺寸低RCS 量级目标，对小尺寸低RCS 量级目标在室外地面静态RCS 测试场条件下的测试和数据处理方法进行研究[1-16]。

1 测试原理

以地平场为实现形式的室外静态RCS 测试场，测试原理如图1 所示。

图1 地平场测试原理示意图

图1 中，待测目标位于测量设备前端RT处，由目标支撑系统支撑至距地面高hT处；定标体位于距测量设备前端RC处，由标校支架将定标体支撑至距地面高hC处。目标支撑系统由金属支架和两轴转顶组成，测量大尺寸（全尺寸）目标时，两轴转顶可内嵌于被测目标体内，不会对测试产生影响。金属支架及标校支架均采用低散射设计，其自身后向RCS通常比被测目标低两个数量级，不影响测试。测试时，要求RT、hT、RC、hC满足式（1）的约束[3]：

在满足式（1）约束的基础上，由于定标体和待测目标所处的位置不同，可以采用双波门技术，同时获取定标体和测试目标的回波信号，采用比较法计算，由式（2）计算获得测试目标的RCS 值。

2 测试设计

在进行大尺寸部件或全尺寸目标测试时，两轴转顶内嵌于测试目标内部，转顶对测试目标RCS 的影响可以忽略不计。测试小尺寸目标时，转顶无法内嵌于目标体内，转顶回波信号对测试目标的回波信号影响特别大，甚至淹没目标回波信号，因此小尺寸目标无法直接放置在两轴转顶进行测量。

为评估目标支架的低散射特性，通常研制有低散射金属罩，遮挡转顶所产生的回波信号，当低散射金属罩安装于转顶上时，可以得到小尺寸低RCS 目标测试所需要的背景条件。因此，该文对小尺寸低RCS 目标的测量，采用低散射金属罩遮挡转顶获取所需要的低RCS 背景条件，以低散射金属罩为基础进行设计。

图2 所示为其中的一种目标安装方式。该方法在低散射金属罩的前端，固定一段聚苯乙烯泡沫，对泡沫正对测量雷达方面进行斜切，防止聚苯乙烯泡沫镜面反射回波增大背景。然后，将待测目标固定在聚苯乙烯泡沫前段。图中的待测目标为直径12 cm的金属球。

图2 测试目标安装示意图

图3 给出了X 波段直径12 cm 标准球按理论值进行一维距离成像的结果。目标一维像是对扫频结果的傅里叶变化，它是该频段内目标RCS 值的一个均值，通常用以代替中心频点的RCS 值[5]。因此，直径为12 cm 金属球在X 波段的RCS 均值，可视为-21.58 dBsm。

图3 X波段直径12 cm金属球理论值一维距离像

3 数据处理方法步骤

测试选用扫频模式，测量金属球X 波段（8～12 GHz），HH、VV 两种极化方式下的RCS 值。获取测试数据后，主要数据处理方法及步骤如下[4]：

1）用波门1 所采集的数据对波门2 采集数据进行幅度相位修正；

2）通过比较法计算获得波门2 处RCS 值作为金属球RCS 测量值；

3）利用IFFT 变换进行一维距离成像，时域提取法获取金属球回波；

4）将时域提取回波信号采用傅里叶变换（FFT）变换至频域，得到金属球的频域相应曲线。

通常时域提取可选择矩形、hanning、Hamming、Tayler、Sinc 等窗函数，文中选择Tayler 窗函数。

4 测试结果分析

按数据处理方法设计的步骤进行数据的处理分析。

4.1 幅相补偿

图4 给出了HH、VV 两种极化下定标体、测试目标原始回波数据的幅相特性曲线。从原始回波数据曲线可以看出，VV 极化状态下测试目标较HH 极化状态下的幅度变化波动更为剧烈，主要原因是目标支撑系统在VV 极化状态下的回波要比HH 极化状态下的回波强度大，与测试目标回波叠加后造成幅度较大的起伏。

图5 给出了HH、VV 两种极化状态下，经定标及幅相补偿运算后的目标幅相特性曲线及其相位随频率变化的差分结果，从图中可以看出，除个别频点相位变化存在异点外，整个频段内的相位随频率的变化被校准与理想步进频相位随频率变化趋势相接近。

4.2 时域信号分布

在幅相补偿的基础上，作进一步处理。图6 给出了金属球在X 波段HH、VV 两种极化状态下的一维距离成像结果，图中横坐标为-5.073 m（金属球几何中心位置到转顶旋转中心距离经测量为5.1 m）处为金属球所成的像。从成像可以看出金属球在X 波段HH、VV 两种极化状态下的RCS 测量均值分别为-21.42 dBsm、-21.34 dBsm，与理论均值相比误差分别为-0.16 dB、-0.24 dB，测量精度均在0.5 dB以内。

从图6 可以直接看出，VV 极化状态下的强散射点要明显多于HH 极化状态下的强散射点数量，这点也直接解释说明了VV 极化状态下测试目标较HH极化状态下的幅度起伏更为剧烈的原因。

图4 定标体及测试目标原始信号幅相特性

图5 测试目标定标及幅相补偿后特性

图6 回波信号时域分布

4.3 时域提取变换至频域结果

根据时域信号分布，以-5.073 m 为中心加窗提取金属球回波数据变换回频域。图7 给出了原始回波数据计算所得RCS 值、时域提取RCS 值及理论RCS 值在X 波段的比较曲线。从图中可以看出，原始数据曲线来回波动较大，与理论值相比在变化趋势上的吻合度差；时域提取RCS 曲线除加窗效应造成的频段两端RCS 值异常外，与理论值曲线在变化趋势上高度一致，剔除加窗后两端有明显异常的数据后，每个频点与理论值相比误差均在±1 dB 以内。

5 结论

该文研究分析了时域提取法在地平场中测量小尺寸低RCS 目标时可以达到的测量精度，从数值结果看，在X 波段4 GHz 宽的扫频带宽内，剔除加窗效应造成两端频段测量精度不理想外，在整个频段内两种极化方式下的测量精度都十分理想，每个频点均可保证±1 dB 以内的测量精度，整个频段内的平均测量精度更是分别低至-0.16 dB、-0.24 dB，效果非常理想，验证了室外地平场条件下测量小尺寸低RCS 量级目标的可行性。

图7 原始数据、提取数据及理论数据比较曲线