（机械电子工程专业论文）毫米波波段目标辐射及散射特性测量方法研究.pdf

摘要 y 5 7 1 3 7 9 本文煨“十五”浆国防预研项目的重要组成部分，对狨甲目标及其在隐身材 鞲下豁散瓣特性帮辍射特懂测试方法避嚣了磷究，舞赣关嚣陡顼嚣戆臻究提供茯 据。 本文莳先通过对毫米波波段目标散射特性的测试原理的分析，确定了瀚米波散 射特性测试方法及隐身效果的评估方法：黯远场祭件、测试背爨在雷达测试中的影睫 爱衰减绘磁灌论零实戥上筑劳羲；黯嚣达测试中靛重要方法一缭蹈溅试建立了较为涛 晰的数学模型。 其次，进行了3 】1 】i n 脉冲雷达的敬进，对改进结聚进行了实测对比与校验橼定工作， 对装甲器挺逛孬了努弱测试帮结果钓分褥。 再次，对毫米波波段譬标辐射特性箭测试藤避，进行了理论藻穑、地物背景和立 体金属目标方面的阐述和论证。 最爱，本文开展了躐米波辐射诗的测试原理与鞭g 试方法的分耩帮论 正工作，著进 毒亍了实舔遮耱背景翡毫米波辐赫赫憾瓣霹琵爨试与鼗摄分辑王律，提毫毫米波渡段金 属目标辐射特性控制的初步方案。 全文的工作旨在为桐关的国防科研提供理论郴实践上的依搬。 关键谰：毫米波辐射诗雷达辐射特性教封特牲 a b s t r a c t 1 hjsp a p e ri sa ni m p o r t a n tp a r to fan a t i v ed e f e n s ep r e p a r a t o r ys t u d yt a s k i nt h et e n f i v e y e a rp l a n m e a s u r e m e n tm e t h o d so fs c a t t e r i n ga n dr a d i a t i o n c h a r a c t e r is t i co fa r m y t a r g e t sa r es y s t e m a t i c a l l yr e s e a r c h e ds oa st op r o v i d e b a s isf o rt h er e l a t e dn a t i v ed e f e n s ep r o j e c t t h r o u g ht h ea n a l y s i s f o rt h em 删b a n dt a r g e t st e s t p r i n c i p l eo f s c a t t e r i n gc h a r a c t e r s t i ct of i r s t ，m a k e ds u r et h et e s tm e t h o df o rs c a t t e r i n g c h a r a c t e r i s t i ca n dt h ev a l u a t i o nm e t h o df o rc o n c e a l e dr e s u l t s ：g a v et h ef a r f i e l dt e r ma n dt e s tb a c k g r o u n di nr a d a rt e s to fi n f l u e n c ea n da t t e n u a t i o n w i t ht h e o r i e sa n dp r a e t i e ea n a l y s i s ：e s t a b l i s h e dc l e a rm a t h e m a t i c sm o d e lf o r t h ei m p o r t a n tr a d a rt e s t i n gm e t h o dc o n t r a c t i o nt e s t t h en e x ti no r d e r ，p r o c e e d e dt h ei m p r o v e m e n to fap u l s em m l vr a d a r ，e a r r i e d o u tt h i si m p r o v e m e n t sp r a c t i c em e a s u r i n gc o n t r a s t s ，v e r i f ya n dd e m a r c a t e w o r k ，p r o c e e d e dt h eo u t f i e l dt e s ta n dr e s u l t sa n a l y s i st ot h ea r m o rt a r g e t a g a i n ，c a r r i e dt h r o u g ht h eb a s eo ft h e o r y ，t e r r ab a c k g r o u n da n ds o l i dm e t a l t a r g e t se x p o u n da n dd e m o n s t r a t ef o r b a n dt a r g e t sr a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i o f i n a l l y ，t h i st e x tp u t t e du pt h ea n a l y s i so ft e s tp r i n c i p l ea n dt e s tm e t h o d f o r w r a d i o m e t e r p r o c e s s e dp r a t i c a lt e r r ac o n t r a s tt e s ta n dd a t a sa n a l y s i s f o rr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c ，p u t t e df o r w a r dt h ep r i m a r ys c h e m ef o rm m wb a n d m e t a lt a r g e tr a d i a t ec h a r a c t e r i s t i c sc o n t r 0 1 t h ea i mo ff u l lt e x ti s p r o v i d i n gt h ea e a d e m i ca n dp r a t i c a lp r o o ff o r r e l a t e dn a t i o n a ld e f e n s es c i e n t i f i er e s e a r c h i n g k e y w o r d s ：m i l l i m e t e rw a v e r a d i o m e t e rr a d a rr a d i a t i o n c h a r a c t e r i s t i c s c a t t e r i n gc h a r a c t e r i s t i c 硼1 一诒业毫米波波段目标辐射致散剩特性测量力法研究 1 1 绪论 第一章概述 当今和未来战场显示出大纵深、立体化、信息化、集密综合火力支援以及快速 机动等突出特点。随着航空及航天技术的发展，雷达技术的进步，以及现代化战争的 需要，雷达目标散射特性研究的重要性目前在我国已显得更加突出。国外在该领域的 研究工作已开展了6 0 多年之久，因其研究大都紧密结合军事需要，其研究成果及资 料难以获得，至于近场雷达目标散射特性的研究报告就更难了解。然而，国外的军事 强国在近场领域的加强研制，导致了其战术武器的迅速发展，同时也促进了其民用技 术的发展。对于毫米波目标辐射特性的研究工作，无论是在国外还是在国内都开展的 很少。随着近年来主被动复合制导技术的迅猛发展，作为目标特性的重要方面，毫米 波目标辐射特性的研究工作的重要性己同样突出其重要性。新世纪微波半导体电子技 术的迅速发展，使毫米波波段电磁窗口利用更加突出，毫米波波段目标散射特性与辐 射特性的测试系统与测量方法研究成了研究的重要内容。 1 2 毫米波及其特点 毫米波是介于微波与光波之间的电磁波，通常毫米波频段是指3 0 一3 0 0 g h z ，相 应波长为1 0 l m m 。目前绝大多数的应用研究集中在几个“窗口”频率包括3 5 、4 5 、 9 4 、1 4 0 、2 2 0 g h z 和三个吸收峰( 6 0 、1 2 0 、2 0 0 g h z 频率上) 。 毫米波电子系统具有如下特性： 小天线孔径具有较高的天线增益； 高跟踪精度和制导精度； 不易受电子干扰； 低角跟踪时多径效应和地杂波干扰小； 多目标鉴别性能好； 雷达分辨率高； 大气衰减“谐振点”可作保密传输。 由于这些特性，毫米波主要应用在结构小，重量轻，分辨力高，作用距离近和 具有良好多普勒处理特性的场合。 与微波相比，毫米波受恶劣天气影响大，但分辨力高，结构轻小；与红外和可 见光相比，毫米波系统虽没有那样高的分辨力，但通过烟雾灰尘的传输特性好，且在 坝卜论文 毫米波波段目标辐射及散射特性测量方法研究 毫米波被动目标识别中具有明显的优势。 军事】二的需要是推动毫米波系统发展的重要因素。毫米波在雷达，制导，战术 和战略通信，电子对抗，遥感，辐射测量等方面得到了广泛应用。 i 3 毫米波波段的目标识别技术“” 目标特性包括目标的电磁特性和光学特性，目标的电磁特性即目标的电磁散射特 性和辐射特性，包括目标散射场与辐射场的幅度特性、相位特性、频率特性、极化特 性、角闪烁特性等。 毫米波波段的目标识别技术分为主动识别和被动识别两个方面。主动识别中的主 要部分是目标雷达截面积( r c s ) 的测量即散射特性的测量，被动识别中的主要部分 是目标辐射温度即辐射特性的测量。近年来毫米波主被动复合制导技术在军事上的迅 速发展，对毫米波波段目标的散射特性和辐射特性的测量研究有了更迫切的需求。 对于目标的主动识别来说，作用距离较短的毫米波雷达体积小、重量轻，而在方 位和距离上有较高的分辨率，因而在目标数据、感兴趣的杂波特征和截面数据的获得 上，具有一般微波传感器所无法比拟的优点。毫米波传感器在体积和重量方面的优点， 使它们十分适合用于导弹寻的器和末制导，这已成为目标毫米波技术最活跃的研究方 向。 微波辐射测量最先及最成熟的应用，是微波遥感的测量，由于其不仅可以全天侯、 全天时工作，而且设备简单，隐蔽性好，因而随着微波集成电路技术的进展，在军事 上正在获得日益广泛的应用。另一方面，在实际使用中受天线口径尺寸的限制，空间 分辨率不是很高，所以微波辐射测量在军事上主要用于武器的末制导、寻的器、恶劣 气候条件下的近距离战术侦察等。所以，为了尽量提高空间分辨率，这些应用主要工 作在毫米波波段。 用于导弹末制导的毫米波辐射计有非成像和成像两种工作方式。采用毫米波辐射 计的终端寻的器，即s a d a r m ( s o n e sa n dd e s t r o ya r m o u r ) 系统属于非成像工作方式； 毫米波辐射测量地域相关器( r a d i o m a t r i ca r e ac o r r e l a t i o n ) ，即r a c 系统属于成 像的工作方式。成像和非成像工作方式的制导系统均只采用毫米波辐射计进行目标辐 射特性或场景辐射图像测量，故统称为被动式制导系统。如上所述，受天线口径尺寸 的限制，这种制导系统的空间分辨率不高，作用距离较近，一般只能作用于十米到一 公里的范围之内。为了克服这一缺点，正在发展各种形式的主动一被动复合制导系统。 在作用距离很远时，采用主动式的雷达寻找并跟踪目标，当作用距离很近时受目标闪 烁噪声的影响，雷达的寻的跟踪误差较大，而被动毫米波辐射计又具有较高的精度， 充分发挥各自的长处，使整个制导系统具有优良的性能。此外，这种雷达辐射计组 坝卜论史毫米波波段目际辐射及散劓特性测量方法研究 成的复合制导系统还可以同时利用雷达提供的距离信息和辐射计提供的方位信息，相 互补充，提高武器跟踪制导的精度“”。 毫米波辐射特性的测量，即被动式的目标识别目前只能立足于辐射计的一维输 出。基于一维波形的常用特征有f o b w 特征、波形特征及频谱特征等，目标的尺寸、 形状、电磁特性以及探测系统与目标的视角、方位等信息，反映为回波信号的能量、 峰值、脉冲宽度、最大和最小的升降斜率等各个方面。在本文中对于毫米波辐射特性 的测量采用的时3 毫米i ) i c k e 式直流辐射计，输出的回波电压的大小反映着目标辐射 温度的大小。 1 4 国内外的研究现状及发展趋势 研究近场雷达目标散射特性从5 0 年代后期就比较活跃，多集中在美、英、法、 德等国。现在国外的雷达截面测试技术已发展到了一个相当高的技术水平。除了常规 的室内、室外雷达截面测量以外，利用抛物面紧缩场进行缩距测量，利用距离波门的 时间分离法和利用角度滤波的空间分离法以提高信噪比，利用极窄脉冲高分辨系统和 逆合成孔径技术进行目标闪烁点识别的二维和三维成像测量，以及利用时域测试系统 测试目标的瞬态响应等先进测试技术，均已发展到相当成熟的阶段，测量误差可小于 l d b ，而且正在向更高的测试糟度和更完善的测试功能发展。目标特性的研究在我国 开展得较晚，到“七五”计划的1 9 8 6 年才开始起步，但经过三个五年计划的努力有 了较好的发展，至“九五”计划末，我国已拥有自己的雷达目标特性分析计算和实验 研究手段，毫米波主被动复合探测技术与毫米波目标辐射特性的研究工作也在“十五” 计划中得以开展，可以初步满足我国国防建设的需要。但是国内对于毫米波段的目标 特性的测试研究还刚刚起步，还有大量的工作要做3 。 1 5 本文的主要工作 本文是国家“十五”某重点预研项目研究的一部分，通过对3 m m ，8 m m 波段目标 辐射特性、散射特性测试的研究分析，为毫米波主被动探测技术的研究提供依据。本 论文系统地介绍了作者攻读硕士学位期间的主要工作。全文主要工作概述如下： ( 1 ) 对3 毫米、8 毫米脉冲雷达的工作原理及其后期改进进行了理论上的阐述和 论证：给出脉冲毫米波雷达对目标散射特性的测试方法：给出了装甲目标隐身效果的 评估方法。 ( 2 ) 对某国防预研项目中的装甲目标缩比模型避行了3 毫米和8 毫米波段r c s 的测试，进行了装甲目标的r c s 反演与验证。 i i _ ! j 论文肇米波波段目标辐射及散射特性测量方法研究 ( 3 ) 对毫米波波段的目标辐射特性从地物背景和金属目标两个方面进行分析， 建立了理论模型，为毫米波被动探测技术的研究提供理论依据；对3 毫米d je k e 式辐 射计进行了原理、测试方法的研究，为更精准、快捷的毫米波辐射特性的探测技术提 供理论依据。 ( 4 ) 对不同的地物背景进行实地测试，对测试结果作出分析；对辐射特性的控制 作出初步结论。 4 颂 ：论文蜷米波波段目标辐射及散匀j 特悄删量方法研究 第二章毫米波波段目标散射特性的测试原理 毫米波雷达与微波段雷达相比，具有较高的工作频率和较宽的带宽，因此将显示 出其独特的性能。毫米波雷达具有如下的优点： ( 1 ) 用较小的天线口径可得到高的天线增益： ( 2 ) 有较高的跟踪( 制导) 精度： ( 3 ) 具有较强的抗电子干扰能力； ( 4 ) 在低仰角工作时没有明显的多径效应和地面杂波干扰； ( 5 ) 具有多目标分辨与识别能力； ( 6 ) 具有较高的分辨率。 2 1 毫米波雷达工作原理咖 毫米波雷达的工作原理可以由基本的雷达方程来描述。当不考虑大气衰减和噪声 影响时，雷达接收机所接收的反射功率为 _ = 筹。，去4 ( 21 ) 式中p c _ 发射功率； 卜发射天线在目标方向上的增益； 斤一发射机到目标的距离； o r 目标的有效散射面积； f 一接收天线的有效接收面积。 当雷达使用收发公用天线时，根据天线增益和有效接收面积之间的关系可得 g ：g ：；g ，：华( 2 2 ) 圹 式中e 接收天线在目标方向上的增益。 则 。= 譬( 2 3 ) 将式( 2 3 ) 代入式( 2 1 ) 得 则 只= 锵 a ， 颅 | 论文毫米波波段目标辎射及散制特性测量方法研究 。一墨g ：! 生 一) 3 只 ( 2 5 ) 考虑到大气对毫米波的衰减，引入衰减指数项，则式( 2 5 ) 变为 n 警 汜e ， 式中a 是大气的衰减系数( d b k m ) 。 式( 2 5 ) 是用雷达参数来表示作用距离的方程。若用噪声和接收机参数表示时，则 有 p y = 姐b f n l r s | n 式中五标准室温( k ) b 带宽； 疗一接收机噪声系数； ，系统损耗； 5 肛啼噪比。 将式( 2 7 ) 代入式( 2 6 ) 得 r 4 ：型塾! ! ：! 三 ( 4 口) 3 k t o b f n l ，嵩 式( 2 8 ) 就是毫米波雷达的作用距离方程。 2 2 远场条件分析 ( 2 7 ) ( 2 8 ) 雷达散射截面( r c s ) 是一个定量描述目标对入射电磁波散射强弱的等效物理量， 为了消除探测距离r 对r c s 数值的影响，在其定义中给出了r 一一的极限条件，这意 味着目标处的入射波和雷达处的散射波都具有平面波的性质。 但在r c s 的实际测量中，r o 。的理想情况并不存在，大多数情况下，入射波和 散射波应近似为点源所发出的球面波。当目标与雷达距离足够远时，入射波和散射波 具有很大的曲率半径，目标尺度内的入射波与平面波相差甚微，在整个探测过程中， 随探测距离变化而引起的r c s 数值变化不大；但当目标与雷达的距离较近时，目标和 天线尺度内的入射波和散射波的相位分布将随探测距离的变化而产生较大的改变，由 于目标各部分的干涉作用，其r c s 的数值也将发生变化。为保证所测数值的一致性， 人们规定了最常用的标准远场条件( 见式2 9 ) ，尽可能排除非平面波的影响。 在毫米波波段目标特性和r c s 研究的全尺寸大俯角测量中，距离往往只有一百米 坝| - 论殳毫米波波段目标辐荆披散射特性测量方法圳究 左右。由于距离的限制，非平面波照射目标模型是一。个最大的误差来源。这时更加要 求满足测量的目标远场条件，即 全尺寸条件下远场条件：r 2 车； ( 2 9 ) l ( 目标距离一r ；波长一 ；目标尺寸一d ：) 在进行装甲目标r c s 的缩比测量时，考察此时的目标远场条件，设缩比后的缩比 因子为p ； 作出3 n u n 和8 m m 波条件下全尺寸和缩比模型测量时须满足的远场条件如下： 波段 8 m m3 m m 原型缩比模型原型缩比模型 远场条件r 坦克尺寸7 m 1 2 k m3 k m3 2 7 k m8 2 k m 散射点 0 7 m1 2 0 m3 0 m3 2 7 m8 2 m 尺寸 0 3 m2 2 m5 5 m6 0 m1 5 m 表2 13 m m 和8 m m 波全尺寸和缩比模型测量时的远场条件 从表2 1 可以看出，探测地面目标的毫米波雷达要满足远场条件是十分困难的。 对于多散射中心复杂目标的r c s 缩减效果评估，可以采用在一定距离上的非远场测试 加低通滤波的方法。在毫米波波段，目标各部分的散射能量与其它部分的散射能量基 本无关，目标的散射点尺寸相对整个目标尺寸小得多，由于各部分散射幅度的大小以 及散射方向图的主瓣和零点的位置对测量距离不太敏感，因此，单个散射点容易满足 远场条件。但由于部件加工和定位的误差，使强散射源的分布具有很大的随机性，将 雷达回波信号经过滤波后比较，更具有实际意义。 毫米波条件下，近场与远场测量相比较，其主要影响是组合方向图的波瓣和零点 略有变化。因此，常常采用小于标准远场距离处进行测量。 7 r p = 扩一a 2 p = 冉午i = 婴 足 为件条场远 比缩 坝1 “论文毫米波被段目际辐射发散射特性测量方法研究 2 ，3 测试背景分析 毫米波近感技术的雷达测量中，目标与雷达相距较近，此时地面背景的杂波功 率超过接收机的热噪声功率，信杂比s n 成为制约发现目标的主要因素。 2 3 1 信号杂波比s n 信杂比s n 是在背景杂波限制下是否能发现目标的决定因素，它由目标和杂波的 有效雷达截面之比给出， 即：曼：0 - 7 。( 2 1 1 ) c c 7 ， 图2 1 脉冲雷达地面截面积 有效杂波截面盯。是每单位面积的杂波与被雷达照射的地面表面面积a 的乘积。 由上图分析表明，在俯角妒较小及脉冲宽度有限的情况下， 州册( 争s e c 妒 式中r 是距离，是水平波束宽度，c 是光速，r 是脉冲宽度。因此， 吒= ( c r o r o ) ( - 譬) s e c 伊 即毫米波脉冲条件下的信杂比为： 曼：丝!：2 0 r rc o s r p c c r o r o c r s e e 妒c r o r o c r ( 2 1 2 ) ( 2 1 3 ) ( 2 1 4 ) 毫米波波段目标辎射及散射特性测量方法研究 以下给出各种地面物质在雷达俯视角为3 0 0 条件下的归一化杂波截面积，据 资料报道，各截面积特性在3 5 g s z ( 8 m m ) 和9 4 g h z ( 3 m m ) 时很接近。 地面物质单位截面积( d b m 2 m 2 ) 草地 一2 2 沙地一3 0 树林 一1 8 沙砾- 2 4 混凝土一3 3 路面一1 5 表2 2 地面物质的杂波截面积 用分贝表示信杂比，可将信杂比表示为 ，嗽( 泸峨 等芳卜删， 缩比后的信杂比表示为p ，：听i p 2 ) m 昭 s 1 = l o l o g 害卜删， = - 。三昭l ：；器p | 一- 。三。g c r ， 盯n 比f 。 2 3 2 两种不同背景下毫米波脉冲雷达的信杂比。“： ( 2 1 5 ) ( 2 1 6 ) a 地面背景为草地( 3 m m 波，9 4 9 h z 与8 m m 波，3 5 g h z ) 设俯视角为3 0 。；坦克目标= 2 5 m 2 缩比因子p = 4 ，草地单位雷达截面积 一2 2d b m 2 m 2 ；3 m m 脉冲雷达波束分别为0 8 。和2 。；脉冲宽度5 0 n s ；8 m m 脉冲雷 达波束为4 。，脉冲宽度5 0 n s ；通过计算不同条件下原型和缩比模型的信杂比，绘出毫 米波脉冲雷达( 3 m m 与8 m ) 在草地背景环境下，全尺寸和缩比模型的信杂比( s n ) 随目标距离r 变化的对比示意图： 删l 论义毫米波波段目标辐射及散射特性测量方法研究 脉冲雷达草地背景条件下信杂比 舻! 、 袋 、h 。一3 mm 口旷 i _ 一 、赴如2 。 、卜渤 一 m 七 。j 一 - 、： “ 、| + ，一 图2 2 毫米波雷达( 3 r a m 与8 m m ) 在草地背景环境下， 全尺寸和缩比模型的信杂比( s n ) 随目标距离r 变化的对比示意图 b 地面背景为路面，c r 0 = 一1 5 d b m 2 m 2 其它指标同上。绘出如图为毫米波脉冲雷达 ( 3 m m ，8 r a m ) 在路面背景环境下，全尺寸和缩比模型的信杂比的对比图： 脉冲雷达路面背鬻下信杂比 i l 忿、， 一、j 一 3 m r r 0 日 、：、- i 唑兰 _ 1 i - 。 ： 8 m h i l _ ： ，一。 图2 3 毫米波雷达在地面背景环境下， 全尺寸和缩比模型的信杂比( s n ) 随目标距离r 变化的对比示意图 删j j 论义毫米波波段目标辐劓及散劓特性测量方法研究 由以上数据图可得：3 r a m 波段0 8 0 波束宽度在草地背景下的信杂比较高，且缩比 模型的信杂比亦较高。各波段在缩比条件下信杂比有较大幅度的下降且与波束宽度成 反比，即波束宽度越小，信杂比越高。因此，在测量时以选用窄波束宽度草地背景下 为宜。依据式2 1 5 与2 1 6 以及上述的草地背景和路面背景下信杂比的对比，可以知 道：背景的单位杂波截面积越小，雷达测试的信杂比越高。因此，在混凝土( 一3 3 d b m 2 m 2 ) 背景下，雷达测试的信杂比最高，最适宜雷达波的测试。 2 4 装甲目标散射特性的钡试方法与隐身效果的评估“州踟m ” 雷达天线接收目标的散射信号，反映为回波电压的大小。装甲目标散射特性的 测试，即目标r c s 的测量，一般是通过获得已知散射截面( r c s ) 的标准目标( 如标 准角反射器) 信号来进行的。 一 金角反射器 酱棚标 图2 4 装甲目标散射特性测试方法 如图，征_ 州同明删1 式距隅、测试角度、捌试耶蜕即所有测试条件都相同的条件 下，分别对精确已知r c s 数值为o 。的角反射器和待测装甲目标迸行雷达波测试，得 到二者的雷达回波电压u d 和u ，。 根据雷达方程可得测试装甲目标的作用距离与雷达截面积为 咖貉 ( 2 _ 1 7 ) 。 ( 4 石) 5 只， 一 旷絮g 乎 ( 21 8 ) 1 p2 、 标准r c s 目标( 角反射器) 的作用距离与雷达截面积为 露= 鬻 ( 2 1 9 ) 旷絮挚 ( 2 。o ) 式中p t 一雷达发射的峰值功率：g 一雷达天线增益；r 0 、r ，一雷然与角蜃射器和装甲 倾 论文毫米波波段目标辐身j 及散射特性测量查鲨塑塑 同标之问的距离；o 。o 广角反射器与装甲目标的雷达截面积 射器和装甲目标时，雷达接收机的输入功率。 当r 。= r t 时，根据式( 2 1 8 ) 和式( 2 2 0 ) 可得 o - ，易k o u ； 一= _ 盯op ok r u ； p 。，、p ，一测量角反 ( 2 2 1 ) 式中k 。、k 。一分别为测量角反射器和装甲目标时，雷达接收机输入至视频输出之 间的功率放大倍数； u 。u 7 分别为测量角反射器和装甲目标时，雷达接收机视频输出电压。 设雷达接收机为大信号视频检波，并设k o = k t ，则从式( 2 2 1 ) 可得 07 ：嬖 ( 2 2 2 ) c r 0彰i 用分贝表示时 1 0 l o g 生：2 0 1 0 9 _ u r ( d b ) ( 2 2 3 ) 盯ou o 这样，通过式( 2 2 3 ) 就可以求出待测装甲目标的r c s 值。 近年来，隐身和反隐身技术越来越得到各国的重视，它已成为战场胜败的关键 因素之一。因此，隐身效果的测试和评估就至关重要。通过对隐身前后的雷达散射截 面的测量可以得出隐身的效果，所以一种代价小、效果好、操作易行的测试系统和方 法就很有必要。按照上述装甲目标r c s 的测试方法，从式( 2 2 3 ) 同样可知，只要测出 隐身前雷达视频输出电压un 和隐身后雷达视频输出电压u 。即可得出隐身效果。隐身 效果即是坦克在隐身前和隐身后的r c s 变化量，不要求精确测定坦克的雷达截面积。 由于隐身和无隐身两个坦克的外型完全相同、测试条件、测试环境也完全相同，可根 据下式测出隐身效果值。 1 0 1 0 9 监：2 0 l o g ( 2 2 4 ) 盯前u 前 测试中可选择实战坦克的实际工作地面作为背景，选择毫米波寻的系统实际条 件下的俯视角、工作体制等，不但可大大减化测试条件，而且测试条件与实际相同， 可将测试数据直接用于各种隐身材料或外形隐身实际效果的评估。 2 5 装甲目标的隐身缩比测试分析“”“”“” 理论研究，全尺寸静态测量，模型测量和动态测量是目标和环境特性研究主要方法。 其中模型测量( 缩比测量) 是利用缩比的工作频率对目标电磁缩比模型进行测量，在目 标和环境的研究中是测量精度高，安装方便并可重复测量的一种测量研究，广泛用于目 倾l 论文毫米波被段目标辐刺及散射特性测量方法研究 标特性测量新技术的模拟研究和对新理论分析方法的验证。 当模型和原型几何相似时，两者相应长度之比称为几何缩比因子，通常用p 表 示。对于无耗散射体，或对于满足物理相似条件的有耗散射体，模型和原型问有 ，= 兰n ；口，= 粤；( p 一缩比因子，p 下标一缩比模型，m 下标全尺寸目标) 。 1 7p 从而可以直接从模型测量值o - 。推断原型值。 但出于吸波材料参数的限制，不可能在模型工作频率上找到满足物理相似性的 有耗介质，这时，缩比测量值盯。显然不可能正确反映原型散射体的性能。 为定量描述有耗散射体的缩比关系，可类似地重新定义模型测试不满足物理相 似要求的缩比因子q ，也就是在隐身缩比模型测量时令隐身缩比模型的缩比因子为 g ，则模型和原型间有 盯= 9 2 仃。( 2 ，2 5 ) 如图，设a 为原型，c 为a 的隐身缩比模型，b 为a 的非隐身缩比模型，b 与c 外形和大小完全一致。 + g 图2 5 缩比测试数学模型图 因而有 仃。= p 2 吼( 2 2 6 ) 因为b 与c 外形上没有差别，所以可以通过实验或计算的方法找出两者的散射 截面吼和q ，在实验中我们通常用公式( 2 ，2 4 ) 来评估隐身效果的好坏，同样可获得 & ：，2 仃。 容易得到 盯。= p2 ，2 盯。 ( 2 2 7 ) ( 2 2 8 ) 型l ：鲨坚童鲞鲨婆墼! 堑塑壁垒墼! ! 堑丝型墼查些竺塑 即缩比模型( 有耗目标) 的缩比因子为q = p r 由于涂层隐身的衰减取决于涂层的厚度和入射波的频率，当涂层与入射波频率一 定时，在原型坦克和缩比坦克上同种涂层隐身材料的衰减是相同的，因此可以绘出以 下测量系统图： 盯原 i 缩比p 无隐身坦克的缩比模型 图2 6 装甲目标缩比测试原理图 将上述流程图用公式表示如下： 原型 缩比模型 未隐身 盯原= ，2 盯缩= ，2 吁笋2 等= p 2 r2 辣 隐身 旷2 等2 劳2 睾 表2 4 雷达缩比测试计算公式 1 4 -1011l。，1。，。j 觅涂层隐身 坦，iil，上 身大小相同 崽无 4 i ii ：论文 壤米波波段目标辐射及散劓特性测量方法研究 例如，某次测量，隐身缩比坦克模型目标仃。= o 1 5 m 2 ；缩比因子p = 4 ；涂层隐身衰 减一1 5 d b ：求原型坦克目标的口。 解p = 4 ；一15 ：1 0 l o g 垒：1 0 1 0 9 ( 1 l r2 ) ；r2 ：1 0 15 ； 盯= p 2 ，2 0 - 。= 4 2 - 1 0 15 o 1 5 = 2 8 5 m 2 又女日i 某次测量，测得隐身缩比模型和未隐身缩比模型的平均器刮，隐身靴 模型盯缩荫= o 1 m 2 ，则原型坦克和涂上同种涂层隐身的原型坦克的r c s 分别是多少? ( 缩比因子p = 4 ) 解：，2 = i 0 12 ： o - 原= p 2 ，2 仃缩隐= 1 6 o i 0 1 2 = 1 6 0 m 2 ； 盯随= ，2 盯缩隐= o 1 1 0 1 2 = l o m 2 坝卜论盘毫米波波段目标辐射及散射特性测量方法研究 第三章毫米波雷达及目标的散射特性测试与分析 3 1 毫米波散射特性测试系统工作原理”2 儿” 毫米波散射特性测试系统( 3 r n m 、8 m m 脉冲雷达) 的工作原理如图3 1 所示。 图3 13 毫米、8 毫米波脉冲雷达原理框图 本系统采用脉冲工作体制，其工作原理为发射源发射脉冲信号，发射信号经隔离 器、环流器及天线向目标发射，目标回波信号经环流器进入混频器。在混频器中，本 振信号与回波信号进行混频输出，中频信号经中频放大器放大，中频放大器为1 2 g h z 宽频带低噪声放大器。经中频放大器放大后输入检波器，检波信号经视频放大 器放大输出，一路通过t d s 2 2 0 示波器可显示波形，读出幅度值，打印出波形，另一 路通过t d s 2 2 0 示波器与通用微机相连，把数据传送至微机进行记录及处理，用于目 标特性分析。 3 2 对数放大器在毫米波雷达中的使用“3 在毫米波雷达的实际测试、特别是装甲目标的隐身效果评估测试中，未隐身目 标( 强信号) 和有隐身目标( 弱信号) 之间相差很大。因此，毫米波雷达接收机系统 输入信号的动态范围很宽。输入信号接近于噪声电平时，要求接收机在检波之前有足 1 6 矗米漓波段目标辐剩及散劓特性测量方法研究 够高的增益，当输入信号很大时，在此高增益下又会带来严重失真。因此，接收机面 临如何处理输入信号大幅度变化的问题。 连续信号或事实上接近连续的信号( a m 、单边带调制信号等) ，可以用自动增益控 制( a g c ) 系统进行处理。频率是重要的信号( f m 信号) ，通常可以用高增益限幅中频放 大器进行处理。但是，典型的雷达和电子对抗( e c m ) 接收机处理的是具有高度随机性 和时间很短的脉冲信号。在这些系统中，a g c 环路的使用受到了限制，而限幅放大器 又消除了重要的脉冲高度信息。解决此问题的办法是使用对数放大器。在毫米波雷达 应用中使用对数放大器还有另外一个优点，即对数放大器能够帮助从不希望的信号， 例如土地背景等造成的“杂乱回波”中分离出希望的信号。 对数放大器的输出信号经检波后的脉冲强度是中频输入信号强度的对数函数，它 已广泛地被用在许多现代化雷达中。适当地设计对数放大器，可以得到大于l o o d b 的输入动态范围，而输出动态范围可以与线性放大器一样( 2 0 d b 3 0 d b ) ，因此，对 数放大器可以在瞬时把大的输入动态范围压缩为小的输出动态范围。典型的对数放大 器能使7 0 一8 0 d b 的输入动态范围通过对数作用将输出动态范围压缩到2 0 d b 左右。 为此，在原有的3 m m 脉冲雷达的基础上，将中放、检波和视放部分用对数视频 放大器取代，从而对小信号进行不失真的线性放大，对大信号进行对数放大，可以更 有效和准确地对目标进行探测，其改进后的雷达原理图如图3 2 所示： 图3 2 3 毫米波脉冲雷达( 内置对数放大器) 原理框图 改进后的内置对数放大器的3 毫米脉冲雷达对于隐身效果的测试和评估更加简 易而方便。 确卜诒女毫米波波段目标辐射发散射特性测量方法研究 在对数放大器中，输出电压( v ) 和输入功率( d b m ) 呈线性关系，如图3 3 a 、b 所示： 传递函数为： 圪。= 一匕十 ( 3 1 ) 瓦甲，a 2 双大器斜半l v d b m ) ，匕2 铜八切竿 d b m j ，p o2 犬制电比 根据对数放大器的参数( a = 5 0 m v d b ) 可得： u o = 5 0 ( m v d b ) ( 1 0 l g 只) + c ( 3 2 ) 所以： 笺：；：置j ：暑) j u ：一u = s 。c - 。，g b 一。g 暑， u 2 - u l = 5 0 - 噜芦叫川s 龇碍 1 0 l g 垒0 - 1 掣( 棚) ( 3 _ 3 ) ) u 图3 3 a p ，与v o u t 的对数关系图3 3 b p ，与v o u t 的线性关系 从上述分析可以得出，目标隐身效果( d b ) 计算方法为： 接收机接收到被测物体的回波电压，每对应于5 0 m y 的电压变化，反应为l d b 的 变化，即l d b 5 0 m v 例如： 目标回波电压1 5 0 0 m y ，加上隐身后测得的回波电压为1 0 0 0 m v ，则隐身衰减的电压 数为1 5 0 0 一1 0 0 0 = 5 0 0 m v ，根据l d b 5 0 m v 可得5 0 0 m v 的电压衰减相当于5 0 0 5 0 = l o d b 的 衰减。 雷达波散射截面积r e s ( m 2 ) 的计算方法如下： 二 甜 一 砌 一乏鋈 枷 一 砌 新一 坝j ，论文肇米波波段h 标辐射及散射特性测_ 里；互鎏塑塾 定标得出标准r c s ( 角反射器) 接收到的i 回波电压，对厘于角反射器日刁 r c s = o - 。m 2 对于所测目标的回波电压v ，可如下计算出目标对应的r c s ： 1 01 2 旦：生监 。盯。 5 0 ( 3 4 ) j 仃：仃。1 0 r ( 删：) 例如：用8 m m 雷达在0 度俯视角测得2 # 角反射器的回波电压为1 5 0 0 m y ，2 # 标准 角反射器的r c s = 4 7 2 9 5r l l 2 ，对于回波电压为1 0 0 0 m y 的目标来说，它的r c s ： 口：。(”一)：l11000矿-150047(m2)o-10 4 72 9 50 7 ( m 口= 。 5 0 0 = l 5 0 0 。 3 3 毫米波雷达的校验、标定与模拟测试 利用内置对数放大器的3 m m 、8 m m 脉冲雷达，对具有标准r c s 的大小角反射器，以及 遮上隐身篷布和吸波材料后的角反射器进行对比测试，以验证雷达对目标散射特性测试 的原理和计算方法的准确性。 3 m m 、8 m m 雷达测试数据见下表，隐身效果( d b ) 的计算方法见上。 雷达3 m m 雷达回波电压8 m m 雷达回波电压 角反射器 ( m v )( m v ) 5 1 6 0 09 2 0 4 #1 4 0 07 6 0 2 #1 1 5 04 9 0 表3 13 m m 8 m m 波雷达测试标准角反射器数据( k = 5 0 m v d b ) 5 # 角反射器最大r c s ：d 5 。= 2 6 9 0 5 6 m 2 4 # 角反射器最大r c s ：盯4 一= 1 3 4 5 2 8 m 2 2 # 角反射器最大r c s ：吼一= 3 3 6 3 2 m 2 埘i 论文 毫米波激段茸标辐射及散射特性测量方法研究 理论上：1 0 1 0 90 5 m a x ：3 0 1 d b ，1 0 1 0 9 0 s m a x = 9 , 0 3 d b ，1 0 1 0 9 纽= 6 0 2 d b ， 0 - 4 一 盯2 仃2 m “ 3 m m 雷达实测r c s 之比与理论r c s 之比对比如下： ( u 5 一u 4 ) 5 0 m v d b = ( 1 6 0 0 1 4 0 0 ) 5 0 = 4 d b ：( 3 o l d b ) ： ( u 5 一u 2 ) 5 0 m v d b = ( 1 6 0 0 1 1 5 0 ) 5 0 = 9 d b ：( 9 0 3 d b ) ： ( u 4 一u 2 ) 5 0 m v d b = ( 1 4 0 0 一1 1 5 0 ) 5 0 = 5 d b ：( 6 0 2 d b ) 比较结果大致相符，因此3 m m 雷达实验测量原理及方法真实可靠。 8 m m 雷达实测r c $ 之比与理论r c s 之比对比如下： ( u 5 一u 4 ) 5 0 m v d b = ( 9 2 0 7 6 0 ) 5 0 = 3 2 d b ：( 3 0 1 d b ) ： ( u 5 一u 2 ) 5 0 m v d b = ( 9 2 0 4 9 0 ) 5 0 = 8 6 d b ：( 9 0 3 d b ) ： ( u 4 一u 2 ) 5 0 m v d b = ( 7 6 0 4 9 0 ) 5 0 = 5 4 d b ；( 6 0 2 d b ) 比较结果大致相符，因此8 m m 雷达实验测量原理及方法真实可靠。 3 4 装甲目标散射特性的外场测试与分析 3 4 1 测试目的 通过对某装甲目标缩比模型，在方位角为0 。一3 6 0 。时的3 m m 、8 m m 散射特性测 试，了解真实装甲目标在方位角0 。一3 6 0 。时的3 m m 、8 m m 散射特性；通过装甲目标 隐身缩比模型，在方位角为0 。一3 6 0 。时的3 m m 、8 m m 散射特性测试，进行隐身材料 对装甲目标的隐身效果评估。 硕士论文毫米波波段目标辐射及散射特性测量方法研究 3 4 2 测试条件 图3 4 装甲目标模型 图3 5 穿上隐身蓬布的装甲目标模型 1 测试距离与俯视角如图3 6 所示： 坝i 。论史毫米波波段目标辐身寸及散射特性测量方法卅究 图3 6测试距离与角度示意图 h = 2 1 m ，l = 4 3 m ，r = 4 7 8 m ，俯仰角a = 2 6 。 模型方位角见图3 7 所示： 3 4 3 雷达系统 图3 7 模型方位角示意图 1 测试系统见图3 8 、图3 9 所示 5 o 1 8 0 0 2 2 5 。 图3 8 测试系统 坝j j 论文毫米波波段目标辐射及散射壁壁型垦查堕型堑 2 系统测试过程 ( 1 ) 雷达波束照满模型，模型由步进电机自控转动，输出信号至a c l 0 3 0 采集卡， 存入微机，打印出0 。3 6 0 。雷达特性信号曲线。 ( 2 ) 雷达波束照满模型，模型由步进电机手控转动，间隔1 5 。，由t d s 2 2 0 数字存 储示波器读出峰值电压，测量无隐身与有隐身时的雷达特性信号。 3 4 4 测试结果 1 3 m m 波段测量某装甲目标模型o 一3 6 0 。散射特性测试 角反射器反射电压2 4 v ，( 雷达截面积1 3 4 7 6 平方米) ，测试频率f - 9 5 5 g h z 背景为水泥地面。背景峰值电压：0 1 v 根据测试数据，通过2 4 节的装甲目标散 射特性测试方法，计算并绘出目标o 3 6 0 。r c s 示意图如图。 22 2 1e 一 三16 晕 1 12 a i 。ij 黼曲腿 lj i 黼 一 卅 孵 瓤 - 删 料 鼎 ?j|?； 匕陋 船 黼 m j i 1 删 州一r 一 + 1 - 。 一 i j j _ _ _ _ _ - _lr ， r 1 田 蒲虔( o ) 图3 93 m m 波段测量某装甲目标4 ：1 金属模型o 一3 6 0 0 反射特性曲线 从反射特性曲线图中可以看出，当装甲目标模型以尾部为0 0 角逆时针转动时， 各不同方位角度下的装甲目标雷达截面积( r c s )