丁孝永 童 瓊 賈冒華

（北京無(wú)線電計(jì)量測(cè)試研究所，北京100039）

1 引 言

雷達(dá)散射截面［1］參數(shù)反映了雷達(dá)目標(biāo)對(duì)照射電磁波的散射能力，其參數(shù)測(cè)量準(zhǔn)確性是評(píng)判武器系統(tǒng)隱身性能指標(biāo)的重要依據(jù)。 雷達(dá)散射截面參數(shù)校準(zhǔn)通常采用空心金屬球或龍伯球作為標(biāo)準(zhǔn)體［2］，結(jié)合雷達(dá)方程對(duì)雷達(dá)散射截面參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，通過(guò)實(shí)測(cè)值與計(jì)算值比對(duì)的方式實(shí)現(xiàn)。 該傳統(tǒng)方式具有一定的局限性，無(wú)法解決連續(xù)波雷達(dá)散射截面參數(shù)的現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的問(wèn)題；采用高精度有源［3］接收、轉(zhuǎn)發(fā)模擬的方法可以很好地解決連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)散射截面參數(shù)校準(zhǔn)的問(wèn)題。

2 雷達(dá)散射截面參數(shù)校準(zhǔn)原理

校準(zhǔn)源在距離連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)一定距離處，將接收到的雷達(dá)信號(hào)經(jīng)延時(shí)、放大并且調(diào)制多普勒信息后轉(zhuǎn)發(fā)回雷達(dá)；在收發(fā)天線增益、放大器增益等參數(shù)恒定時(shí)，該校準(zhǔn)源就相當(dāng)于一個(gè)RCS 參數(shù)固定且具有一定速度的標(biāo)準(zhǔn)雷達(dá)目標(biāo)，其等效雷達(dá)散射截面參數(shù)可以通過(guò)溯源到標(biāo)準(zhǔn)體得到，作為連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)的標(biāo)校真值完成校準(zhǔn)，如圖1所示。

圖1 連續(xù)波雷達(dá)RCS 參數(shù)校準(zhǔn)原理框圖Fig.1 CW instrumentation RCS Parameter Calibration diagram

采用收、發(fā)天線分置的雷達(dá)方程見(jiàn)式（1）

式中： Pr——雷達(dá)接收的目 標(biāo)回波功率， W；Pt——雷達(dá)發(fā)射功率，W； Gt——發(fā)射天線在目標(biāo)方向上的增益；Gr——接收天線在目標(biāo)方向上的增益；λ——雷達(dá)波長(zhǎng)，m； σ——目標(biāo)的雷達(dá)散射截面，m2；Lt——發(fā)射饋線支路損耗； Rt——發(fā)射天線到目標(biāo)的距離，m； Rr——接收天線到目標(biāo)的距離，m；Lmt——發(fā)射系統(tǒng)到目標(biāo)之間的大氣傳輸損耗；Lmr——接收系統(tǒng)到目標(biāo)之間的大氣傳輸損耗；Lr——接收饋線支路損耗；Lp——極化損耗。

單站雷達(dá)方程見(jiàn)式（2）

此時(shí)，R ＝Rt＝Rr、Lm＝Rmr＝Rmt。

雷達(dá)散射截面可由式（3）表示

令常數(shù)K 為

雷達(dá)散射截面可改為式（5）表示

式中：σs——標(biāo)準(zhǔn)體的雷達(dá)散射截面，m2； Prs——標(biāo)準(zhǔn)體的回波功率，W； Rs——雷達(dá)天線到校準(zhǔn)體的距離，m；Lms——雷達(dá)到校準(zhǔn)體之間的大氣傳輸損耗。

3 高精度RCS 參數(shù)校準(zhǔn)方案

3.1 校準(zhǔn)源定標(biāo)方法

校準(zhǔn)源等效RCS 參數(shù)可表示為［4］

式中： σ0——校準(zhǔn)源等效RCS 參數(shù)，m2； Gt0——校準(zhǔn)源發(fā)射天線增益； Gr0——校準(zhǔn)源接收天線增益；GE0——校準(zhǔn)源放大器增益；λ——被校準(zhǔn)雷達(dá)波長(zhǎng)，m；LP0——校準(zhǔn)源損耗；Pt0——校準(zhǔn)源發(fā)射功率，W；Pr0——校準(zhǔn)源接收功率，W。

可以看出，校準(zhǔn)源的等效RCS 參數(shù)值只與接收天線增益、發(fā)射天線增益、放大器增益及工作波長(zhǎng)等參數(shù)有關(guān)，當(dāng)校準(zhǔn)源的位置固定且其放大倍數(shù)恒定時(shí)，其等效雷達(dá)散射截面參數(shù)就為恒定值，這就是校準(zhǔn)源的校準(zhǔn)原理。 只要保證校準(zhǔn)源的輸入功率和輸出功率的比值保持恒定，即可使得其等效RCS 參數(shù)為恒定值，無(wú)需對(duì)校準(zhǔn)源內(nèi)部所有參數(shù)分別定標(biāo)，只需對(duì)其輸入輸出功率進(jìn)行功率標(biāo)定即可完成對(duì)校準(zhǔn)源的溯源。

根據(jù)式（5）可知，連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)RCS 參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)裝置對(duì)于雷達(dá)散射截面指標(biāo)模擬不確定度主要取決于其含天線的系統(tǒng)增益，可以采用由微波暗室、標(biāo)準(zhǔn)矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、放大器、收發(fā)天線組成的天線校準(zhǔn)系統(tǒng)［5］對(duì)多點(diǎn)動(dòng)態(tài)增益指標(biāo)進(jìn)行精確相對(duì)量定標(biāo)，再用標(biāo)準(zhǔn)體（龍伯球）進(jìn)行絕對(duì)量定標(biāo)［6］。 量值傳遞過(guò)程如圖2所示。

圖2 量值傳遞圖Fig.2 Measure value transfer diagram

3.2 校準(zhǔn)源實(shí)現(xiàn)方案

校準(zhǔn)源主要由收發(fā)天線、通道單元、中頻單元、北斗時(shí)間同步儀、遠(yuǎn)端控制儀等部分組成。 校準(zhǔn)源組成框圖如圖3所示。

圖3 校準(zhǔn)源組成框圖Fig.3 Calibration source consists of block diagram

在校準(zhǔn)源中，接收系統(tǒng)將天線接收下來(lái)的射頻信號(hào)經(jīng)過(guò)放大、濾波、下變頻為中頻信號(hào)，為了保證校準(zhǔn)源的輸出延時(shí)，頻率和功率的精確可控，本系統(tǒng)擬采用數(shù)字射頻存儲(chǔ)技術(shù)（DRFM）實(shí)現(xiàn)對(duì)采集到的中頻模擬信號(hào)的高速采樣和存儲(chǔ)。 按設(shè)置的參考距離進(jìn)行相應(yīng)時(shí)間的延遲，并結(jié)合DDS 技術(shù)將中頻基準(zhǔn)信號(hào)經(jīng)相應(yīng)變頻后作為時(shí)鐘信號(hào)，通過(guò)數(shù)字方式控制產(chǎn)生一個(gè)多普勒頻移信號(hào)。 將該信號(hào)對(duì)DRFM 輸出端的信號(hào)進(jìn)行多普勒調(diào)制，即可產(chǎn)生一個(gè)包含距離延時(shí)和多普勒頻移參數(shù)的回波信號(hào)。最終由高速數(shù)模轉(zhuǎn)換器轉(zhuǎn)換為正交基帶模擬信號(hào)，后經(jīng)激勵(lì)上變頻到輸出端口由發(fā)射天線發(fā)回給被校準(zhǔn)雷達(dá)。 此信號(hào)與發(fā)射信號(hào)完全相參，并且包含距離、速度和幅度信息。

3.3 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)定標(biāo)方法

根據(jù)收發(fā)分置雷達(dá)方程式（1），可以求得雷達(dá)的K 值，見(jiàn)式（7）

式中：σs——標(biāo)準(zhǔn)體的雷達(dá)散射截面，m2； Prs——標(biāo)準(zhǔn)體的回波功率，W； Rs——雷達(dá)天線到校準(zhǔn)體的距離，m；Lms——雷達(dá)到校準(zhǔn)體之間的大氣傳輸損耗。

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)主要是對(duì)雷達(dá)的K 值進(jìn)行現(xiàn)場(chǎng)量值傳遞以實(shí)現(xiàn)修正，使其適應(yīng)外場(chǎng)現(xiàn)場(chǎng)測(cè)量環(huán)境。 被校連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)的K 值通常是通過(guò)理論計(jì)算和實(shí)驗(yàn)室校準(zhǔn)相結(jié)合得到的，由于是在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下進(jìn)行的定標(biāo)，其測(cè)量結(jié)果在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下比較準(zhǔn)確。 由于現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境比較復(fù)雜，受到多路徑效應(yīng)、大氣衰減等環(huán)境因素的影響，其在實(shí)驗(yàn)室環(huán)境下得到的K 值在現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境下應(yīng)用，就會(huì)存在較大誤差。 因此，需要在現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際測(cè)量環(huán)境下對(duì)連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)的K 值進(jìn)行量值傳遞，以修正因環(huán)境不同引起的K值變化。

3.4 現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)技術(shù)方案

現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)［7］修正雷達(dá)K 值因子時(shí)，校準(zhǔn)源被架設(shè)在高塔上（或?qū)嶋H測(cè)量環(huán)境中），被校雷達(dá)和校準(zhǔn)源間的距離R 由全站儀精確測(cè)量，被校雷達(dá)發(fā)射雷達(dá)信號(hào)，校準(zhǔn)源對(duì)其信號(hào)進(jìn)行接收，并且將接收到的雷達(dá)信號(hào)經(jīng)延時(shí)、放大及調(diào)制多普勒信息后動(dòng)態(tài)模擬雷達(dá)目標(biāo)特性信號(hào)真值雷達(dá)散射截面參數(shù)，轉(zhuǎn)發(fā)回被校雷達(dá)，被校雷達(dá)實(shí)時(shí)跟蹤測(cè)量，并解算出雷達(dá)散射截面參數(shù)測(cè)量值。

通過(guò)對(duì)比被校雷達(dá)雷達(dá)散射截面參數(shù)測(cè)量值與校準(zhǔn)源產(chǎn)生的雷達(dá)散射截面參數(shù)完成自身校準(zhǔn)。校準(zhǔn)過(guò)程中通過(guò)在預(yù)定區(qū)域架設(shè)雷達(dá)柵抑制多路徑效應(yīng)，得到雷達(dá)在該現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境下的K 值。 雷達(dá)散射截面參數(shù)校準(zhǔn)過(guò)程如圖4所示。

連續(xù)波雷達(dá)散射截面參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)方式分為設(shè)備定期校準(zhǔn)和試驗(yàn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)。 設(shè)備定期校準(zhǔn)是指針對(duì)連續(xù)波雷達(dá)散射截面參數(shù)按照設(shè)定的周期進(jìn)行常規(guī)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)，其目的是在一定程度上保證連續(xù)波雷達(dá)天線常數(shù)K 的準(zhǔn)確性，為連續(xù)波雷達(dá)散射截面參數(shù)測(cè)量做基本保障。

圖4 連續(xù)波雷達(dá)RCS 參數(shù)校準(zhǔn)示意圖Fig.4 CW Radar RCS Parameter Calibration diagram

試驗(yàn)實(shí)時(shí)校準(zhǔn)是指針對(duì)武器型號(hào)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)時(shí)進(jìn)行的專項(xiàng)校準(zhǔn)，其校準(zhǔn)修正流程如圖5所示［8］。

圖5 連續(xù)波測(cè)量雷達(dá)RCS 參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)修正流程圖Fig.5 CW Radar RCS Parameter Calibration correction flow diagram

如圖5所示，根據(jù)外界環(huán)境變化情況在試驗(yàn)前后分別對(duì)連續(xù)波雷達(dá)散射截面參數(shù)進(jìn)行校準(zhǔn)，保證雷達(dá)測(cè)量過(guò)程與現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)過(guò)程外界環(huán)境條件盡可能一致，消減由于外界環(huán)境隨時(shí)間變化引入的測(cè)量誤差，得到雷達(dá)在該現(xiàn)場(chǎng)使用環(huán)境下的K 值，提高連續(xù)波雷達(dá)對(duì)目標(biāo)雷達(dá)散射截面參數(shù)的實(shí)時(shí)測(cè)量精度。

3.5 雷達(dá)散射截面參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的不確定度分析

3.5.1 不確定度來(lái)源分析

本項(xiàng)目對(duì)校準(zhǔn)源現(xiàn)場(chǎng)量值傳遞進(jìn)行了不確定度評(píng)定。 評(píng)定過(guò)程中對(duì)各參數(shù)不確定度采用不確定度分量合成方法。 標(biāo)準(zhǔn)不確定度的來(lái)源包括A類不確定度和B 類不確定度，A 類不確定度是由測(cè)量重復(fù)性定義的，B 類不確定度的來(lái)源主要包括：試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的量值傳遞引入的測(cè)量不確定度分量、校準(zhǔn)源本身引入的測(cè)量不確定度分量等。

1）重復(fù)性引入的測(cè)量不確定度uA

當(dāng)測(cè)量?jī)x器在同樣的環(huán)境和設(shè)置條件下，測(cè)量結(jié)果的范圍將會(huì)在不確定度窗口中，測(cè)量重復(fù)性定義了這個(gè)范圍的大小。

2）試驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)的量值傳遞引入的測(cè)量不確定度uB1

現(xiàn)場(chǎng)測(cè)試中，由現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境引起的雷達(dá)散射截面參數(shù)量值傳遞過(guò)程中的測(cè)量誤差是不可避免的，因此，可采取高塔測(cè)試及增加現(xiàn)場(chǎng)吸波材料面積的測(cè)試方法，將現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境引起的測(cè)量誤差減小到最低，得出該項(xiàng)不確定度分量。

3）校準(zhǔn)源本身引入的測(cè)量不確定度uB2

校準(zhǔn)源本身在校準(zhǔn)過(guò)程中對(duì)雷達(dá)散射截面參數(shù)的產(chǎn)生數(shù)值也與真值之間存在誤差，該誤差分量會(huì)對(duì)現(xiàn)場(chǎng)量值傳遞造成影響，不確定度見(jiàn)表1。

表1 雷達(dá)散射截面參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的不確定度Tab.1 Radar RCS Parameter Calibration Uncertainty

3.5.2 合成不確定度

3.5.3 擴(kuò)展不確定度

4 結(jié)束語(yǔ)

本方案基于有源校準(zhǔn)的原理，應(yīng)用雷達(dá)目標(biāo)模擬、無(wú)線電射頻、標(biāo)準(zhǔn)核查等技術(shù)，提出了一種高精度雷達(dá)散射截面參數(shù)校準(zhǔn)技術(shù)。 使雷達(dá)散射截面參數(shù)校準(zhǔn)的不確定度小于2.5dB，解決了雷達(dá)散射截面參數(shù)現(xiàn)場(chǎng)校準(zhǔn)的準(zhǔn)確度問(wèn)題，保證了雷達(dá)散射截面參數(shù)的量值傳遞的準(zhǔn)確性，為武器系統(tǒng)性能的準(zhǔn)確評(píng)定提供可靠保障。