0 引言

掠海水平方向测试舰船RCS，是获取舰船电磁散射特征信息的重要手段，是舰载雷达研制、性能评估的重要依据，用于支撑舰载雷达作用距离、海杂波抑制、目标识别等能力的设计和分析。舰载雷达在搜索、跟踪海上目标时，雷达视线接近于掠海水平状态，测试舰船在小入射余角、海背景条件下的雷达散射截面数据，需对雷达测试系统进行定标，确定测试系统的工作状态，保证舰船RCS测量精度。

对雷达标定有2种方法，一是在雷达接收机前端注入信号，并改变幅度或相位检测接收机的传递函数。接收机把所接收的信号与注入点的射频功率相关联。各种幅度只能通过改变信号振荡器的输出与雷达参数一起考虑，此种定标方法称为内定标；二是利用已知标准体，用气球或无人直升机将其带到空中，使雷达天线的主轴瞄准己知标准体，测试已知目标后向散射特性，得出目标的RCS对接收响应的一组K值，此种定标方法称为外定标。

1 定标方法

通过内定标、外定标2种方法，建立被测目标的雷达散射系数与回波功率测量值的对应关系。

1.1 内定标

内定标方法有2种定标方式，其一，采用标准微波功率信号源作为定标设备，在接收机波导口面注入不同功率信号，对回波功率与注入功率之间关系曲线进行测试。其二，从发射机到天线的馈线中有一输出耦合器，从天线到接收机的馈线中接有另一输入耦合器。两定向耦合器之间用标称量的衰减器。检验接收机输入功率与输出功率比值是否发生变化。内定标原理框图如图 1所示。

内定标基本方程为：

${{K}_{内}}\frac{{{{P}}_{r}}}{{{{P}}_{t}}}=\left( \frac{{{{P}}_{or}}}{{{{P}}_{oc}}} \right)\left( \frac{{{{L}}_{r}}{{{L}}_{t}}}{{{{L}}_{c}}{{{L}}_{DGt}}{{{L}}_{DCr}}} \right){\text{，}}$

(1)

式中：P_r 为接收功率，W；P_t 为发射功率，W；P_or 为接收机的信号输出功率，W；P_oc 为接收机的定标信号输入功率，W；L_r 为接收支路馈线损耗；L_t 为发射支路馈线损耗；L_c 为延迟线的衰减值；L_dcr 为输出耦合器的耦合度；L_dct 为输入耦合器的耦合度。

1.2 外定标

测试舰船RCS外定标通常采用相对比较法，先对标准体进行测量，测出标准体的回波功率P_r0和距离R₀，并监测测量雷达发射功率。由于标准体反射面积σ₀为已知量，依据雷达方程求出系统定标系数K_外。

根据雷达方程，目标回波功率如下式：

${{{P}}_{r}}=\frac{{{{P}}_{t}}{{{G}}^{2}}{{\lambda }^{2}}\sigma }{{{(4\pi )}^{3}}{{({R})}^{4}}}{\text{。}}$

(2)

式中：P_r 为目标的回波功率，W；P_t 为测试雷达发射功率，W；λ为测试雷达工作波长，m；G为测试雷达天线增益；σ为目标的雷达散射截面，m²；R为目标到测量雷达的距离，m。

在系统稳定的情况下，可以认为λ、G保持不变。对标准体测量由式（2）可得雷达外场定标系数，如式（3）所示。

${{{K}}_{\text{外}}}=\frac{{{(4\pi )}^{3}}}{{{{G}}^{2}}{{\lambda }^{2}}}=\frac{{{{P}}_{t0}}{{\sigma }_{0}}}{{{{P}}_{r0}}{{({{{R}}_{0}})}^{4}}}{\text{。}}$

(3)

1.3 内外结合定标

由于环境或客观因素限制，实际测试舰船RCS过程中，雷达外场定标与舰船RCS测试不能同时进行，雷达定标与舰船RCS测试可能间隔很长时间（可能几小时或几天），测试舰船RCS时雷达发射功率、接收机状态与外场定标时雷达状态相比发生了变化，直接采用外场定标常数K_外1会引起较大测量误差。需对外场定标常数K_外1进行修正，保障舰船RCS测量的准确性。

徦设测试舰船RCS时，外场定标常数为K_外2，同时采用发射机耦合功率方式对测试系统进行内定标K_内2，测试舰船RCS与测试前2次外定标（K_外1、K_外2）与内定标（K_内1、K_内2）的关系如式（4）所示。

$\frac{{{{K}}_{{\text{外}}{2}}}}{{{{K}}_{{\text{外}}{1}}}}\frac{{{{K}}_{{\text{内}}{2}}}}{{{{K}}_{{\text{内}}{1}}}}{\text{，}}$

(4)

由式（4）得到式（5）：

${{{K}}_{{\text{外}}{2}}}=\frac{{{{K}}_{{\text{内}}{2}}}}{{{{K}}_{{\text{内}}{1}}}}{{{K}}_{{\text{外}}{1}}}{\text{。}}$

(5)

从式（5）可看出，假定在雷达定标与舰船RCS测试期间，天线增益与雷达工作波长发生的变化可以忽略不计，雷达测试系统的变化只体现在发射功率与接收机状态的变化。利用内外结合的定标方法，可以消除由于接收机状态漂移所带来舰船RCS测试误差。

2 定标要求与步骤 2.1 内定标

内定标要求与步骤如下：

1）在测试前，采用标准微波信号注入法对接收机进行内定标。

2）采用的微波信号源准确度应高于回波信号功率测量准确度的3~10倍。

3）微波信号源的量程应大于测量雷达输入信号的动态范围。

4）在舰船RCS测试过程中，采用发射耦合信号、衰减器和馈线将功率信号馈到测量雷达高放前端。

5）给定功率源输出值，利用雷达数据采集记录系统，记录接收机相应测量通道的输出电平P_r -P_t ，并进行显示监控。

6）改变功率值，重复步骤5作出P_r -P_t 校准曲线。

7）校准曲线应根据接收机线性度确定，至少包含12个校准点。

8）采用式（7），通过2次内定标对接收机状态漂移进行修正。

2.2 外场定标 2.2.1 外场定标要求

外场定标在自由空间使用空心金属球作为标准体对雷达测试系统进行定标，具体要求如下：

1）标准体的最小RCS应大于 $10\text{ }\!\!\lambda\!\!\text{ }_{\text{max}}^{2}$ 。

2）定标球表面粗糙度的均方根误差应不超过 ${{\text{ }\!\!\lambda\!\!\text{ }}_{\text{max}}}/\sqrt{32}\text{ }\!\!\pi\!\!\text{ }$ 。

3）定标球应满足一定的升空高度，由标准体及环境干扰等引起的综合定标幅度误差应不大于±1 dB。

4）标准体的定位误差应控制在0.3 dB范围内。

5）在定标过程中，对标准体累计信噪比必需高于20 dB。

6）外场定标曲线应由二点法确定，定标点应根据被测目标预计的RCS范围选定。

2.2.2 标准体选择

常用标准体有矩形平板、角反射器、龙泊透镜反射器、金属球等。表 1中列出几种标准体最大散射截面的计算公式。

2.2.3 定标程序

RCS外场测量采用相对比较法，通常用高空标准球作为定标体，标准金属球系在距氢气球100 m的位置处，然后将气球升空。跟踪雷达捕获并跟踪升空标准金属球体，一般情况下标准球到雷达距离为600~1200 m，仰角为10°~20°，同时记录雷达测出标准体的回波功率P_r0和距离R₀，并记录测量雷达发射功率，由于标准体反射面积σ₀为已知量，根据式（3）求得外场定标常数。

1）利用探空气球或风筝悬吊定标金属球至一定斜距和高度后记录回波信号电压，并计算雷达校准常数K₁。

2）测量系统对准标准体，并计算测量雷达校准常数K₂。

3）根据K₁、K₂的平均值K=（K₁ +K₂）/2作为外场定标系数。

4）按照预计的目标运动轨迹，测量测试区域背景电平的幅值。

定标曲线如图 2所示。

2.3 内外定标相结合

内外相结合定标步骤如下：

1）测试系统开机加热，待雷达发射功率、接收机系统稳定工作后，此时雷达天线与工作波长的变化可以忽略不计。

2）用发射机耦合功率输入接收机前端，记录发射功率P_t 和接收机功率P_r ，计算内定标比值K_内1。

3）按照外场定标程序对标准体进行定标，记录发射机功率并根据雷达方程求出外场定标系数K_外1。

4）在测试舰船RCS时，用发射机耦合功率注入接收机系统，记录发射机功率并计算内定标K_内2。

5）根据式（7）可求得内外合成定标系数K_外2，K_外2作为测试舰船RCS的定标常数。

3 内外结合定标主要误差因素分析

舰船RCS测试中，主要误差因素包括测量雷达设备误差、标准体加工误差、目标跟踪定位误差等因素。

3.1 测量雷达设备误差

在测试舰船RCS定标过程中，测量雷达的稳定性、精度、灵敏度、动态范围等都会对测量结果产生重要的影响。因此从以下几方面分析测量雷达设备误差：

1）发射功率：发射功率检波、放大电路的不稳定性。

2）系统非线性：复杂目标的动态RCS一般都具有非常大的动态范围，所以接收机的线性范围将对RCS测量精度产生直接影响。

3）系统稳定性：即定标与舰船RCS测试时，接收机增益发生了漂移，导致定标系统常数发生变化。

4）射频及中频衰减器引入测量误差。

5）极化损耗：如果RCS动态测量雷达没有很好的极化隔离，则交叉极化会引起较大的RCS测量误差。

6）频率漂移：由频率漂移引起的RCS测量误差。

7）发射机功率测量及接收机增益测量引入的测量误差。

测量设备误差如表 2所示。

3.2 标准球加工精度引起的校准误差

在光学区，理论上金属球的RCS是各向同性的，但由于机械公差等因素的影响，球的规则性、表面的光洁度等方面都会存在一些问题，金属球的误差将对被测目标的RCS精度产生很大的影响，如表 3所示。

在舰船RCS测试过程中，通常采用直径φ=300 mm标准金属球作为标准体，其标准球的雷达截面积σ=0.07065 m²，转换成对数为σ=-11.5 dBm，图 3列出标准球微波暗室测试曲线。

3.3 目标定位误差

雷达对目标定位误差引起的定标误差为：

$\Delta {{\sigma }_{p}}({\text{dB}})=-40\log \cos (\frac{\pi \theta }{4{{\theta }_{0}}}){\text{。}}$

(8)

式中：2θ₀为天线的3 dB波束宽度；θ为最坏情况的指向误差。

4 结语

通过以上定标主要误差因素分析，为了保障小入射余角条件下舰船RCS的测量精度和置信度，需对定标进行严格质量控制，具体措施如下：

1）严格监测雷达状态，确保雷达状态变化在可控范围内，记录发射机功率、极化隔离度、频率、衰减器等参数，在定标过程中，接收机工作在线性范围内，采用内外相结合的方法对接收的漂移进行校正。

2）标准体的几何尺寸误差和表面光洁度精度要满足定标要求，在定标前，标准体必需经过微波暗室测量，确保定标精度。

3）在定标过程中，确保测量雷达对准标准体，使标准体在雷达3 dB波束范围内。

通过以上分析，为了精确测试舰船RCS，定标精度是关键，因此采用内外场相结合的方法，保障定标精度。