一种机载雷达空中目标RCS精确测量方法_严广友.pdf

电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering133现代军事装备的发展存现小型化、隐身化趋势，常规地面 RCS 测量雷达已不能满足空中隐身目标全方位测量需求，目标 RCS 测量手段逐渐由地面测量平台向空中机载测量平台转变。机载测量平台受载机运动影响，地杂波展宽严重，地面测量平台的测量方法已不能满足机载平台对 RCS 测量的需求。机载雷达通常设计为 3 种波形形式：低重频脉冲波形（LPRF）、中重频脉冲波形（MPRF）、高重频脉冲波形（HPRF）。LPRF 波形通常用于空空上视探测目标，在距离维检测目标，虽然此时雷达的主瓣杂波对探测性能影响较小，但雷达天线的副瓣杂波仍会对检测性能产生影响，根据地物回波的特性不同，副瓣杂波影响通常在 3dB 至5dB 之间，用此波形很难高精度测量空中目标 RCS 值。MPRF 波形通常用于全向探测空中目标，目标的距离维和速度维将产生一定的模糊度，虽然可以通过主杂波跟踪技术消除主杂波的影响，但副瓣杂波经过多次折叠仍然对目标检测性能产生影响，虽然此时雷达的主瓣杂波对探测性能影响较小，但雷达天线的副瓣杂波仍会对检测性能产生影响，副瓣杂波影响通常在 3dB 至 5dB之间，用此波形同样很难高精度测量空中目标 RCS 值。HPRF 波形通常用于探测前向（迎头）空中目标，利用目标多普勒频移特性在频率为无杂波区进行目标检测，此种方式可以用来测量空中目标 RCS，且由于不受地物回波的影响，可以确保测量精度，但不能满足全向测量目标 RCS 特性的需求。1 雷达RCS测量原理测量目标有效散射面积(RCS)的原理是基于雷达方程并通过相对比较的方法得到的：（1）将代入，得到：（2）式中：为目标的雷达截面积；SNR 为测量的功率信噪比；Pin为目标回波功率；B 为接收机带宽；R 为雷达至目标的距离；K：为波尔兹曼常数；Ts 为系统噪声温度；L 为雷达系统损耗；L大气为大气系统损耗；P 为发射的脉冲功率；为发射的脉冲宽度；N为天线波束的空间扫描角；Gt为天线的发射增益；Gr为天线的接收增益；为工作波长。P、Gt、Gr、Ts、L、Lr、B 值通过标定，在相对比较法处理中可以消除；SNR、R 在跟踪目标过程中变化很大，因此在每次跟踪中要测量、采集，L大气为大气损耗，与收发距离、仰角、大气环境有关，根据 R 和大气环境得到。雷达方程可变换为下式：（3）（4）通过对 Kk进行多次测量，可以得到常数项 Kk的校一种机载雷达空中目标 RCS 精确测量方法严广友1臧伟旺1汪铁龙2许航3（1.中国电子科技集团公司第十四研究所 江苏省南京市 210039）（2.中国人民解放军 94575 部队 江苏省连云港市 222345）（3.中国人民解放军 95028 部队 湖北省武汉市 430000）摘要：本文根据目标 RCS 测量的基本原理，利用机载雷达 LPRF 波形高度线内无时域地杂波回波的特性，提出了一种适合机载雷达动态精确测量空中目标 RCS 的方法，并给出了 RCS 精确测量的具体步骤；同时，提出利用转发机进行机载雷达系统精确标校的方法，解决机载雷达精确标校的问题；最后通过实例验证,证明了系统标校和测量方法的有效性。关键词：机载雷达；RCS 测量；LPRF 时域杂波分布；转发机标校电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering134准值如下：（5）式中：i 为处理的测量段，m 为测量的次数。2 机载雷达RCS精确测量方法机载雷达 RCS 测量，受到雷达接收机灵敏度、发射机功率、载机环境因素等因素影响，同时雷达接收机灵敏度又受到环境温度、湿度等变化而有所改变。因此，机载雷达需要精确的测量目标的 RCS 值，必须对机载雷达状态进行精确标校。机载雷达 RCS 精确测量步骤见图 1。2.1 系统校准系统标定是影响机载雷达进行空中目标 RCS 动态精确测量的关键因素之一。传统的雷达系统标校方法有：标准金属球标校法、标准喇叭标校法、卫星标校法、标校塔标校法等，这些标校法虽能标定机载雷达起飞前的初始状态，但由于机载雷达在地面静止与空中运动状态中，系统状态参数会产生较大变化，且在空中平台运动中产生一定幅度的随机波动，传统的标校方法已不能满足机载平台对 RCS 精确测量的标校需求。本方法提出了一种实时转发机标校手段，用于机载雷达飞行过程中的精确标校。如图 2 所示，实时转发机标校时是将转发机安置在航线上，在进行 RCS 测量时，机载雷达交替照射被测目标和航线上的转发机，通过实时比对测出目标的 RCS 值，此方法实时性好，不受系统状态变化影响，标校过程雷达系统自动完成，无需人员操作，实施方便。转发机标校法是属于有源实时标校的一种方法。2.1.1 雷达发射通道标校转发机收到的雷达发射通道功率值为：（6）（7）（8）式中：Pt 表示雷达发射功率；Gt 表示雷达发射天线增益；Gz 表示转发机天线增益；R 表示转发机与雷达间的距离；Lz表示转发机内部损耗；L大气表示大气损耗；Pzin 表示转发机接收到的功率大小，为工作波长。2.1.2 雷达接收通道标校雷达接收到转发机的信号为：（9）（10）（11）式中：Pz 表示转发机发射功率；Gz 表示转发机天线增益；Gr 表示雷达天线接收增益；R 表示转发机与雷达间的距离；L 表示雷达损耗；L大气表示大气损耗；Pin表示雷达接收机接收到的功率大小，为工作波长。2.2 回波信号获取2.2.1 LPRF 时域清晰区机载雷达 LPRF 波形时域杂波分布特性见图 3。当测量雷达平台与空中目标的距离小于本测量雷达图 1：精确测量步骤图 2：转发机实时标校示意图电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering135平台的场高时，空中目标处于本测量雷达的时域清晰区，利用该清晰区进行机载雷达 RCS 测量，可解决了传统雷达地杂波对测量结果影响较大的问题。为避免远距离杂波在检测区重叠，脉冲周期设计应尽可能长，单脉冲无杂波区检测波形设计见表 1。2.2.2 探测距离估算雷达探测距离方程：（12）式中参数定义和取值见表 2。为保证 RCS 测量精度，检测因子 D1(n)取 18dB，将上表参数带入公式，可以计算得对 1 m2目标，采用 LPRF 高度线内清晰区检测法，RCS 测量距离可达21km。2.2.3 RCS 测量采集数据量飞机升限一般为 18km，雷达每帧时长取 24ms，当被测目标迎头测量时，RCS 采集的数据量最低，以典型的相对速度450m/s计算，RCS每次测量数据量随距离（飞机高度）的关系曲线见图 4。2.3 目标RCS计算由公式（1）可得：（13）图 3：LPRF 时域杂波分布表 1：低重频多脉冲波形设计表序号脉宽（s）重复周期（s）非相参积累信号带宽（MHz）10.52500-30008 脉冲2表 2：参数定义和取值序号字母定义取值(单位)1P峰值发射功率43dB(W)2Gt发射天线增益35dB3Gr接收天线增益35dB42波长的平方-30dB(m2)5目标截面积0dBsm(m2)6k非相参积累得益9dB7K玻尔兹曼常数-228.6-228.6dB(W/(Hz-K)8TS噪声温度24.6dB(K)9B接收机带宽63dB(Hz)10Fn接收机噪声系数5dB11D1(n)检测因子16dB12L系统损耗6dB电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering136其中，（14）（15）式中，为目标的 RCS，SNR 为测量的功率信噪比，R 为雷达至目标的距离，L 大气为大气系统损耗，为工作波长，KK1为发射校正系数，KK2为接收校正系数。3 试验结果结合某型机载雷达空中 RCS 动态测量技术研究，经过多次试验试飞，雷达系统动态标校及空中目标 RCS动态测量，测试数据重复一致性较好，RCS 测量精度满足指标要求。3.1 系统校准结果3.1.1 雷达发射通道标校转发机接收到雷达发射信号大小见图 5，图中横坐标为转发机时间（s），纵坐标为转发机接收的功率（dBW）。经过多次测量，雷达发射通道校准结果见图 6，图中横坐标为测量次数，纵坐标为雷达发射KK1值（dBW）。经过多次测量 KK1均值为-74.31 dBW，均方差为0.6191 dBW。3.1.2 雷达接收通道标校转发机发射信号大小见图 7，图中横坐标为转发机时间，纵坐标为转发机发射功率（dBW）。经过多次测量，雷达接收通道校准结果见图 8，图中横坐标为测量次数，纵坐标为雷达接收KK2值（dBW）。经过多次测量 KK2均值为-164.95 dBW，均方差为0.4206 dBW。3.1.3 雷达 KK值统计雷达KK值统计结果见图9，图中横坐标为测量次数，图 4：测量数据量随距离(飞机高度)的关系曲线图 5：转发机接收到雷达信号图 6：雷达发射通道校准结果图 7：转发机发射信号电力与电子技术Power&Electronical Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering137纵坐标为雷达 KK值（dBW）。KK均值为-239.26 dBW，均方差为 0.646 dBW。3.2 RCS测量结果在试验试飞中对某型无人机及有人机进行了多次空中动态 RCS 测试，测试结果见图 10；其中，图 10（a）横坐标为方位视向角（度），纵坐标为 RCS 值（dBm2）；图 10（b）横坐标为俯仰视向角（度），纵坐标为 RCS值（dBm2）。为验证 RCS 测量精度，对无人机在地面测试场进行RCS 静态测试，测试选取与参加试飞状态完全相同的 2架无人机进行，两架无人机 RCS 测试值分别为 0.29 m2和 0.26 m2，均值为 0.275 m2，与雷达空中动态测试的RCS 值 0.24 m2相差 0.6dB，满足 RCS 空中动态精确测量需求。4 结束语现代军事装备的发展呈现小型化、隐身化趋势，常图 8：雷达接收通道校准结果图 9：雷达 KK值统计结果(c)某有人机方位视向角曲线图 10：空中动态 RCS 测试(a)某无人机方位视向角-RCS 曲线(b)某无人机俯仰视向角-RCS 曲线计算机与图像技术Computer&Multimedia Technology电子技术与软件工程Electronic Technology&Software Engineering138雷达视频记录功能用于记录作战中显示操作画面、上级指挥指令、下级执行动作等视频信息。在战场指控控制、日常训练中扮演非常重要的角色，是雷达显示系统中重要组成部分。记录视频的质量影响雷达战后分析的精确度和准确性。现在常用的方法采用专用编码芯片与高性能压缩算法对雷达显示屏幕内容进行编码记录1-4，基本流程是将 RGB 原始显示视频进行 YUV 色彩空间变换5-8与抽样然后转换成 BT.1120 格式，由编码芯片进行 H264 或 H265 编码压缩，达到雷达视频压缩记录的目的。例如基于 FPGA 将颜色分量信号和时序信号在色度空间压缩和格式变换，转换成 SOC 可识别的标准 BT.1120 送 SOC 编码压缩处理9。但是，在 RGB色彩空间（4:4:4）向 YUV 色彩空间（4:2:2）转换过程中存在一定的信息损失，影响了记录视频的质量，特别一种雷达视频记录中的 RGB 转 YUV 改进算法蔡委哲杨东华王继生邱晗（南京电子研究所 江苏省南京市 210039）摘要：本文针对雷达记录视频数据采样色度信息丢失问题，提出一种自适应色度采样算法，相比传统标准的色度采样算法，该方法考虑亮度对人眼感知信息的影响，首先判定相邻像素亮度变化幅度，当亮度变化较少时，采用亮度加权的方式对色度进行采样处理；当亮度变化较大时，采用色度优先的方式进行采样处理。实验研究表明，本算法可以实现雷达视频记录过程中色度信息的最佳记录效果，改善传统记录方式中雷达记录视频易失真的问题。关键词：RGB；YUV；BT1120；雷达记录视频图 1：RGB 转 BT1120 格式流程规地面 RCS 测量雷达已不能满足空中目标全方位测量需求，目标 RCS 测量手段呈现由地面静态测量平台向空中动态测量平台转变的新需求。本文根据目标 RCS测量的基本原理，利用机载雷达 LPRF 波形高度线内无时域地杂波回波的特性，提出了一种适合机载雷达动态精确测量空中目标 RCS 的方法，并给出机载雷达系统精确标校的方法和 RCS 精确测量的步骤。最后通过实例验证,证明了此方法的有效性。参考文献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,2005.2 WELSH B M,MULLER W D,KENT B M.Air force research laboratory advanced compact range RCS uncertainty analysis for a general targetJ.IEEE Antennas and Propagation Magazine,2003,45(3):195-201.3 丁孝永,童琼,贾冒华.一种测量雷达散射截面参数现场校准方法J.宇航计测技术,2019(2):39-1.4 陈大庆,钱丽,张永福.单脉冲雷达目标 RCS 特性测量技术研究 J.现代雷达,2008(12):30-12.5 刘付兵,汪连栋,俞静一,等.动态雷达目标 RCS测量及分析 J.雷达与对抗,2005(1).6 丁孝永,童琼,贾冒华.一种测量雷达散射截面参数现场校准方法J.宇航计测技术,2019(2):39-1.7 张德保等.外场毫米波 RCS 测量中的无源标校法J.船舶电子对抗,2006(29):31-33.作者简介严广友（1976-），男，江苏省盐城市人。高级工程师。研究方向为机载雷达系统设计及目标特性测量技术。臧伟旺（1982-），男，河南省安阳市人。研究员。研究方向为机载火控雷达、弹载雷达系统总体论证与设计。汪铁龙（1986-），男，湖南省益阳市人。工程师。研究方向为机载雷达设备试验和使用方法。许航（1991-），男，河南省焦作市人。工程师。研究方向为雷达作战运用和电子对抗作战效能评估。