单脉冲雷达目标RCS特性测量技术研究

ｆｉ－－ｎ木Ｆｓ＋ｍ４ＦＬ；
ｉｆｆｉ＜＝ｆｉｌ； ｉｆ ｆｉ＞＝ｆｉ２；
ａｎｓｗｅｒ＝ｓｔｒｃａｔ（‘Ｆｓ＝’，ｎｕｍ２ｓｔｒ（Ｆｓ），’，’，’ＦＬ＝‘，ｎｕｍ２ｓｔｒ（－ＦＬ），．．．
’ｍ＝，ｉｎｔ２ｓｔｒ（ｍ），’ｎ＿＇，ｉｍｓｔｒ（ｎ），’ｆａｎ＝’，ｎｕｍ２ｓｔｒ（ｆｉ））
ｅｎｄ
ｅｎｄ ｅｎｄ
２目标有效散射面积（ＲＣＳ）［２－３］
雷达目标通常用雷达有效散射面积来表征，目标的有效散射面积有时也称为有效反射面积，常用字母 仃来表示。所谓有效反射面积就是把目标看成一个假想的，垂直与天线波束方向的无损耗的各方向均匀的 反射体，它在雷达处产生的功率密度和实际目标相同，这个假想的反射体的面积就是实际目标的有效散射 面积ａ。其表达式为
误差，以及使高速ＡｄＤ采样难度加大，中频处理和数据采集难度加大等一系列问题。下面就对系统设计中 几个关键问题的分析解决进行论述。
３．１
宽带接收机线性失真分析及对策 任何实际系统都是非理想的，对宽带接【Ｉ父机来说，由于混频器的非线性，容易引起系统非线性火真。
即输出信号除有Ｊ－ｔＶ言号外，还产生谐波干扰信号。在进行宽。４叶丁ｔ－Ｉ－？ｆｔ－ａ频时，由干接收机的相对带宽增火，谐波
一次镜像抑制溉频方案，合理地选取本振秒：｜＝ｌ频频率，既达到抑制镜像嵘声，提高－ｌ－要ｌｔ２；ＯＩ灵敏度，义避开
了惜波二ｌＨ扰的日的。
４１６
组合谐波计算公式为 Ｅ＝ｎＦｓ＋ｍＥＬ
的Ｍａｔｌａｂ仿真程序为：
ｃｌｃ； ｃｌｅａｒ ａｌｌ； ｃｌｏｓｅ ａｌｌ； （４）
式中ｎ，ｍ为自选的整数。我们对一次镜像抑制混频器的谐波干扰进行了系统仿真．计算高次谐波二Ｆ扰
ｆ＞ｔｌｏＥ＋ｔｚ／ｏ＋ｔｏ＋ｔＤＣＡ
４Ｉ ７
式中ｔ№为人动态对放绝对延迟：“／Ｄ为ＡＤＣ变换时问：ｔｏ为运算译码ｕ寸问：ｆＤＣＡ为数控衰减器暂态时间。 ２）ＡＧＣ控制器送出的控制码传给衰减器的数字信号上可能有振荡。衰减器中用到部分数字器件要预 防和消除其内部极小的振荡。 ３）若ＡＤＣ采样的量化误差为Ｅ１０），译码运算的误差为Ｅ２（ｎ），则ＥＩ（，Ｏ为截尾误差，而Ｅ２００不要设计 为舍入误差，应平移＋０．４５７ｄＢ。 在采用校准技术后，瞬时ＡＧＣ实际的控制精度达到０．３ｄＢ以内，满足ＲＣＳ的实际测量要求。瞬时ＡＧＣ 将信号动态范围扩人了约６０ ｄＢ，与其后的中频采样一道，能满足１００ｄＢ以上的ＲＣＳ测量要求。 ３．３中频采样模块设计 传统的中频采样除满足奈特斯特采样定律，即采样频率要满足：Ｆｓ＞一２△Ｆ，ＡＦ为信号带宽。还受信 号载频的制约，即满足中频采样公式
杂敞信号落入带内的概率加大，使得接收机信杂比变坏。因此，如何避开谐波干扰，保证喈波不落入信号
的有效带宽内是本系统设训‘而临的技术难题之一。传统的多级本振混频接收方案，一方面系统敬。ｉ；ｔ４比较繁 另ｊ，另一方面在宽带范嗣内，除要考虑目标信号与本振信号混频厉的谐波干扰外，更为凼难的是还要避开 多个本振之问及多个本振与信号之问的相互＂ｆ４－Ｊ：ｌ－ｔＶ＇Ｊ干扰。为了避开喈波干扰，课题中的ＲＣＳ测量通道采Ｊ１Ｊ
图４动态范围与灵敏度关系曲线
为达到高灵敏皮而造成的动态损火，例如灵敏度训，ｌ：ｌ／入Ｉ－０．５ｄＢ时，Ａ／Ｄ动态范围要损火９．６ｄＢ，这样，
．ＩＩ Ｓ
带来了动态范围与灵敏度的尖锐矛盾，采川ＩＡＧＣ控制系统后，人人降低了系统对Ａ／Ｄ变换器何数的婴水， 较好解决了Ａ／Ｄ变换带米的动态范罔与接收机灵敏度的矛盾。选择高位数Ａ／Ｄ变换器（ｉ２ｂｉｔｓ）。可满足汝 计的需要。
图１设计原理框图
为了高保真获取目标ＲＣＳ测量信息，该测量通道为宽带设计。带宽＝１０ＭＨｚ，线性动态范围≥ｌＯＯｄＢ， 灵敏度设计尽可能达到雷达的极限灵敏度。因此，以往与窄带测量通道设计相比，这种宽带接收机使得通
带｜人Ｊ线Ｉ生失真增大，信号幅度、相位抖动程度增加，带内杂散信号增多。同时宽带信号也会；蒂正交采样的
Ｒ’ｔ ｆｄｈ ｏ’
’章蠹量叁要§誊：誊翻朝§譬墨‘魏§《≤垂堇鲻垂基ｌ萎§§ｌ
只＝罴
（５）
式中庀为载波频率。随着现代数字信号处理技术的发展，使数字化由视频推向中频。数字振荡器（ＮＣＯ） 已成功地应用到混频器的工程设计当中。数字振荡器的应用，淡化了传统中频采样受信号载频而的制约条 件，较好地解决了宽带条件下ＶＱ通道幅度、相位不平衡和零点漂移的棘手问题。设计中必须注意的问题 是采样时钟必须与发射信号的时钟同步，即采样时钟与产生发射信号的时钟必须为同一个基准源。本系统 采用的数字中频采样模块流程图如图３所示。 图３中数字本振为复数信号产生器，其特点是可以同时直接产生数字振荡流，即ｓｉｎ＠０Ｎ）与ｃｏｓ（∞ｏＮ）。 详尽的工作机理请见参考文献【９】。本系统设计的数字中频采样，在１０ＭＨｚ中频带宽内，Ｉ，Ｑ通道的幅度 平衡指标优于０．１ｄＢ，相位平衡优于Ｏ．１。，几乎没有零点漂移。解决了模拟接收机难以克服的这三个技术指 标难题，满足了ＲＣＳ测量的技术要求。
关键词雷达；目标特性：ＲＣＳ；接收机 １
引
言
雷达目标特性测量作为航天测控领域的一顼先进技术在新型雷达设计过程中得到广泛的应用。作为我 国北方高精度测量带的主干设备，大功率脉冲测量雷达能完成卫星、飞船和导弹的测量任务，实时提供目 标的距离、方位角、俯仰角、径向多普勒速度等信息，在加装适当设备后进而能实时获取目标ＲＣＳ值的时 间序列流，与相应的轨道参数数据一起进行数据融合分析，提取目标的表面材料的电磁特征等物理量，并 能分析目标绕质心运动等参数，与数据库中积累的已有探测目标的数据比对，进而完成所探测目标的分类
图２瞬时ＡＣｅ原理框图
图２中，前置中频放大器来的中频信号由定向耦合器分成两路，一路经对放ＡＧＣ控制器产生６ｂｉｔＡＧＣ
控制码送数控衰减器，另一路经７－延迟线延迟后送数控衰减器。采用高速对数放大器及高速ＡＧＣ运算技术，
在小于７－的时间内，瞬时完成对数控制衰减器的衰减控制。当引入ＩＡＧＣ系统后，突破了传统ＡＧＣ带宽的 限制。在从ＧＣ系统设计时需注意： １）延迟线的延迟时间７．必须满足下列关系
４试验结ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ分析
ＲＣＳ测量是一个综合的系统工程，除信息获取这一关键环：１，外，对目标的跟踪、系统标定平¨对洲蚓：数 据的分析也是精确测量目标ＲＣＳ必不可少的重要环：仃，哪一个环：１，有问题都不可得出观察目标相对精确的 ＲＣＳ测量值。对目标的跟踪由原雷达跟踪通道来完成，至于对ＲＣＳ测量通道的标定方法和对测量数据的 处理分析方法也是当前目标ＲＣＳ测量这一课题比较具有挑战性的研究内容。目前主要有两种测蜮方法：精 确法汞Ｉ近似法。由于精确测量目标的ＲＣＳ很困难，目前工程上大多采用近似法（相对测量法），人多数近 似方法可以预测实际物体３ｄＢ精度内的ＲＣＳ。图５为某型单脉冲雷达在采用该系统设计测量的某过境甲旱 的ＲＣＳ实际测量曲线。从ＲＣＳ测量结果分析可以得出该测量通道设计是合理的。测量数据精度能满足事 后对目标ＲＣＳ特性分析的需要。
Ｆ
１２
Ｄ＝４死Ｒ２ Ｉ二竺ｌ
ｌＥｌ Ｉ
式中局为入射电场强度，易为反射电场强度。
（１）
从（１）式可以看出，目标的有效散射面积是用目标散射电磁波的能力来描述的，是目标对雷达入射能 量进行散射能力的测量。其大小主要取决于目标的参数（如目标的形状、尺寸及表面电器性能）和雷达参 数（如一次场的极化形式、波长等）以及目标的视角。测量目标的ＲＣＳ可按雷达方程式定义来完成，式（２）
Ｆｓ＝ｉｎｐｕｔ（’Ｆｓ－－＇）； ＦＬ＝ｉｎｐｕｔ（’ＦＬ＝’）； ｆｉｌ＝ｉｎｐｕｔ（’ｆｉｌ＝’）； ｆｉｚ＝ｉｎｐｕｔ（＇ｆｉ２＝’）；
ｆｏｒｍｉ一１０：１：１０： ｆｏｒ ｎ＝一１０：１：１０：
％ｌｏｗ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＭＨｚ； ％ｈｉｇｈ ｆｒｅｑｕｅｎｃｙ ＭＨｚ；
％ｈａｒｍｏｎｉｃ ｄａｔａ＜－１０
图３数字正交混频原理框图
传统分析Ａ／Ｄ采样的动态范围为ＳＮＲｉ６．０２ｎ＋１．７６（ｄＢ），ｎ为Ａ／Ｄ有效位数。例如ＡＤ６６４４，按上述 公式计算，理论动态范围为８６ｄＢ，实际该芯片在中频３０ＭＨｚ由厂家给出的动态范围仅为７３ｄＢ左右，与 理论计算相差较大，再加上由于Ａ／Ｄ变换带来的动态范围与接收机灵敏度的矛盾如图４所示。
Ｃ：芏兰生挲，Ｃ中各项与所探测的目标无关，在一次测量中，ｗ－Ｉ‘以被认为是个常数。根据
，＾一、３，２
ｒ ｒ
尸Ｇ‘旯‘
具体雷达设备的性能，可以在上列方程中引入若干修正项，则目标有效散射面积可表示为
Ｏ－＝ＣＰ．Ｒ４ＤＯ （３）
式中ｐ为校准时发射机参考功率／ｆｔ２１量实施Ｈ，－Ｊ发射机功率；伊为天线偏离雷达波束信号衰减量；ＪＲ为雷达至 目标的斜距：只为雷达接收的回波功率。 ＲＣＳ的测量就是依据式（３），在对方程式中有关项进行校准后，由雷达系统的目标特性测量支路获取 目标回波功率只，由雷达的距离跟踪支路测出距离尺进而来计算出目标的雷达散射截面：从公式（３）还 可看出要想精确测量出目标的有效散射截面积，对式中常数项的精确标定是必不可少的。目前除常规标定 球标定外，利用空间ＲＣＳ标定卫星进行ＲＣＳ测量通道的精确标定也是值得借鉴的方法。
就是收发共用天线雷达方程式的通用形式。
４ｌ ５
盯＝Ｐ，Ｒ
。（４万）３圪Ｉｔ．
Ｐ，Ｇ２Ａ２
＝ｃｅｒＲ４
（２）
限于篇幅，公式中符号的具体定义及公式的详尽推导过秸：请见参考资料｛３Ｊ。由了：接收移Ｌｆ／７检测到的功率 受发射机、接收机内馈线损耗以及沿射线路径的大气损耗等影响，方程式中必须考虑这ＪＬ＇ｉ、因素。 式中
和识别，并丰富雷达测量数据库。通过在重要的各姿态角位置ＲＣＳ的测量，确定目标形状、尺寸Ｉ¨。这是一
项具有前沿性的研究工作，已引起国内外专家高度重视。 高精度测量雷达一般通过测量目标的运动特性、雷达反射特性、多普勒特性获取目标信息，雷达ＲＣＳ 特性测量即是测量目标的反射特性。作为目标ＲＣＳ特性测量过程大致分为【２】：对基本散射现象的理解；系 统性能验证：获取诊断数据：建立数据库：目标识别分类。 文章以某新型脉冲雷达目标ＲＣＳ测量通道为背景，详细论述了目标信息获取过程设计的关键技术。