﻿ 舰船RCS测试内外结合定标方法
 舰船科学技术  2016, Vol. 38 Issue (11): 125-128 PDF

Methods of internal and extermal calibration for ship RCS testing
LI Yong-xin, YE Zong-min
No. 91404 Unit of PLA, Qinhuangdao 066000, China
Abstract: This paper is aimed at the problem of ship RCS test calibration, discussed from the front end of the receiver injection standard microwave signal or form a transmitter coupled emission power input receiver two calibration principle and method, as a basis for the correction of external field calibration. According to the radar equation, the main error factors are analyzed, such as external calibration RCS test equipment、standard body processing、target tracking and positioning、test area environment and so on. The error of transmission power、system nonlinearity、system stability、polarization loss and so on are discussed. The standard size、surface finish、and the required signal to noise ratio of the external field calibration are proposed. Through the method of internal calibration and external calibration combination, solve the problem of test error caused by the deviation of the state of the receiver in the time of calibration and test, the accuracy and migration of the RCS long time test are guaranteed.
Key words: ship RCS     internal calibration     external calibration     calibration body
0 引言

1 定标方法

1.1 内定标

 图 1 内定标原理框图 Fig. 1 Calibration principle diagram

 ${{K}_{内}}\frac{{{{P}}_{r}}}{{{{P}}_{t}}}=\left( \frac{{{{P}}_{or}}}{{{{P}}_{oc}}} \right)\left( \frac{{{{L}}_{r}}{{{L}}_{t}}}{{{{L}}_{c}}{{{L}}_{DGt}}{{{L}}_{DCr}}} \right){\text{，}}$ (1)

1.2 外定标

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

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

 $\frac{{{{K}}_{{\text{外}}{2}}}}{{{{K}}_{{\text{外}}{1}}}}\frac{{{{K}}_{{\text{内}}{2}}}}{{{{K}}_{{\text{内}}{1}}}}{\text{，}}$ (4)

 ${{{K}}_{{\text{外}}{2}}}=\frac{{{{K}}_{{\text{内}}{2}}}}{{{{K}}_{{\text{内}}{1}}}}{{{K}}_{{\text{外}}{1}}}{\text{。}}$ (5)

2 定标要求与步骤 2.1 内定标

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Pr -Pt ，并进行显示监控。

6）改变功率值，重复步骤5作出Pr -Pt 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

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

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Pr0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K1K2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。

 图 2 测量雷达定标曲线图 Fig. 2 Measurement of radar calibration curve
2.3 内外定标相结合

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Pt 和接收机功率Pr ，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2K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

3.1 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。

3.2 标准球加工精度引起的校准误差

 图 3 标准球暗室测试曲线 Fig. 3 The test curve of standard ball chamber
3.3 目标定位误差

 $\Delta {{\sigma }_{p}}({\text{dB}})=-40\log \cos (\frac{\pi \theta }{4{{\theta }_{0}}}){\text{。}}$ (8)

4 结语

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。

 [1] 黄培康, 殷红成, 许小剑. 雷达目标特性[M]. 北京: 电子工业出版社, 2005 : 112 -114. [2] 黄培康. 雷达目标特征信号[M]. 北京: 宇航出版社, 1993 : 223 -239. [3] 何国瑜, 卢才成, 洪家才, 等. 电磁散射的计算和测量[M]. 北京: 北京航空航天大学出版社, 2006 : 244 -245. [4] WELSH B M, LINK J N. Accuracy criteria for radar cross section measurements of targets consisting of multiple independent scatterers[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation , 1988, 36 (11) :1587–1592. DOI:10.1109/8.9709 [5] SKOLNIK M I.雷达手册[M].南京电子技术研究所, 译.北京:电子工业出版社, 2010: 544-545, 566-567. [6] 庄钊文, 袁乃昌, 等. 雷达散射截面测量:紧凑场理论与技术[M]. 长沙: 国防科技大学出版社, 2000 : 7 -8. [7] 航天工业总公司.目标雷达散射截面数据格式要求: GJB 3830-1999[S].北京:航天工业总公司, 1999. [8] LANK G W. Radar measurement accuracy for fluctuating targets[J]. IEEE Transactions on Aerospace and Electronic Systems , 1991, 27 (6) :868–870. DOI:10.1109/7.104245 [9] 国防科学技术工业委员会综合计划部.测量不确定度的表示及评定: GJB 3756-99[S].北京:中国人民解放军总装备部, 1999.