阅读说明：本技术 一种多探头准远场电磁散射截面（rcs）外推测试系统 (Multi-probe quasi-far-field electromagnetic scattering cross section (RCS) extrapolation test system ) 是由 周建华 李吉龙 毛小莲 于 2019-10-25 设计创作，主要内容包括：本发明公开了一种多探头准远场电磁散射截面(RCS)外推测试系统,该系统由准远场电磁散射测量系统和准远场电磁散射测量数据处理系统两部分组成。第一部分通过控制转台实现待测目标一维旋转,配合采用专用测试雷达多探头电路来获取待测目标准远场电磁散射测量所需的原始信号。第二部分实现对电磁散射数据进行采集,根据准远场-远场变换外推算法计算被测目标的远场水平面RCS。本发明提供的测试系统克服了传统电磁散射测试手段对测试距离、可测目标尺寸的限制,降低了多探头之间的物理尺寸影响,具有测试效率高、成本低的优势。(The invention discloses a multi-probe quasi-far-field electromagnetic scattering cross section (RCS) extrapolation test system, which consists of a quasi-far-field electromagnetic scattering measurement system and a quasi-far-field electromagnetic scattering measurement data processing system. The first part realizes one-dimensional rotation of the target to be measured by controlling the rotary table, and obtains an original signal required by quasi-far-field electromagnetic scattering measurement of the target to be measured by matching with a special test radar multi-probe circuit. And the second part realizes the collection of electromagnetic scattering data and calculates the far field horizontal plane RCS of the measured target according to a quasi far field-far field transformation extrapolation algorithm. The test system provided by the invention overcomes the limitation of the traditional electromagnetic scattering test means on the test distance and the measurable target size, reduces the physical size influence among multiple probes, and has the advantages of high test efficiency and low cost.)

一种多探头准远场电磁散射截面(RCS)外推测试系统

技术领域

本发明涉及飞行器的雷达电磁散射截面(RCS)测量、雷达目标特性信号测试领域，具体涉及一种基于多探头准远场电磁散射截面(RCS)外推测试系统。

背景技术

电磁散射测量主要用于测量目标的散射特性，而目标的散射特性通常用雷达散射截面(RCS)来衡量。自第二此世界大战中发明雷达以来，军民用雷达得到了迅速发展，如导航系统中的地形防撞、空中交通控制、气象警戒等出现多种民用雷达系统，军用设备如飞机、船舰以及卫星上方的雷达系统起着侦测、监视以及攻击的作用。随着雷达的迅猛发展，各个国家对于侦查与反侦查、隐身与反隐身的研究竞争愈演愈烈，通过缩减目标的RCS来提高隐身能力称为了各国军备开发的主要方向。雷达目标由于体积庞大、结构复杂等因素，利用其进行电磁散射理论计算难度极大，为避免复杂电磁仿真计算，运用RCS测试直接获取电磁散射特性的方法得到了快速发展。RCS测试对于研究目标的雷达散射特性以及隐身技术的发展具有重要意义。

传统RCS测试采用远场或紧缩场测试方式，对被测目标的雷达散射特性进行直接式测量。其中室内远场测试由于测试距离的限制，很难实现大尺寸目标的RCS测试工作。为了解决测试距离限制的难题出现了紧缩场的测试手段，利用高精度的反射面将球面波在短距离下转换为平面波，缩短了对测试距离的要求。然而紧缩场所使用高精度反射面的研制对加工工艺、本体材料、安装基础等要求极高，且造价极其昂贵。目前世界上已建成最大全尺寸紧缩场静区为10m，仍无法满足飞行器整机的测试需求。

发明内容

本发明提供一种多探头准远场电磁散射截面(RCS)外推测试系统，其基于准远场-远场变换外推算法，设置实现待测目标的一维旋转的定位子系统，结合多探头采集技术计算被测目标的远场水平面RCS。解决了暗室内测试距离的限制问题，满足了目标的整机大尺寸测试需求并且降低了系统建造成本，具备批量建设的可行性。

本发明提供的多探头准远场电磁散射截面(RCS)外推测试系统，适用于待测目标满足一维方向远场条件的准远程测试距离下的远场RCS测量。该系统适用于待测目标满足一维方向远场条件的准远程测试距离下的远场RCS测量。

本发明提供的准远场电磁散射截面(RCS)外推测试系统。该系统的特征为：所述准远场电磁散射测量系统通过控制转台实现待测目标一维旋转，配合采用专用测试雷达多探头电路来获取待测目标准远场电磁散射测量所需的原始信号。该系统在功能上主要分成：准远场电磁散射测量系统和准远场电磁散射数据处理系统。所述准远场电磁散射测量系统，用于通过控制转台实现待测目标一维旋转，配合采用专用测试雷达多探头电路来获取待测目标准远场电磁散射测量所需的原始信号。所述准远场电磁散射测量数据处理系统，用于对所述准远场电磁散射测量原始信号进行处理后，根据准远场-远场变换外推算法计算所述待测目标的远场水平面RCS。

所述专用测试雷达多探头电路具体包括:发射源、接收机、滤波组件、射频前端组合模块、开关矩阵、由发射雷达探头TX和接收雷达探头RX水平间隔排列形成的收发雷达探头组阵列。所述发射源产生的信号输入到所述滤波组件进行脉冲调制产生射频信号后、输出到射频前端组合模块中的功率放大器进行功率放大后输入到所述开关矩阵单元的TX输入端。由计算机控制指令指示所述开关矩阵将所述TX输入端连接到所述多路收发雷达探头组中预设数量的收发雷达探头组的发射雷达探头TX，实现多路发射雷达探头分时输出射频信号。所述接收机通过所述滤波组件、所述射频前端组合模块中的低噪声放大器来接收开关矩阵RX输出端的射频接收信号。所述射频接收信号由所述预设数量的收发雷达探头组中的接收雷达探头RX来提供，所述滤波组件的脉冲调制单元根据设置的发射脉冲和接收脉冲之间的延时，对来自射频前端组合模块中低噪声放大器输出的射频接收信号进行滤波。

优选地、所述收/发雷达探头采用宽波束、宽频带天线组合；宽波束、宽频带天线组合中天线形式为标准的或定制的宽带喇叭。所述开关矩阵用于实现极化方向切换、频段切换，以及射频链路内部校准回路。所述滤波组件为带外滤波器。

进一步地、所述准远场电磁散射测量系统根据计算机控制指令控制转台以小角度转动到N个特定位置，所述数量N可以根据数据加密的实际需要进行设定。控制转台以小角度每转动到一个特定位置后，控制专用测试雷达多探头电路中的接收机以预设频点数进行数据采集，同时控制所述专用测试雷达多探头电路中的开关矩阵以预设数量的收发雷达探头组来获取所述待测目标的准远场电磁散原始信号。所述特定位置需要满足以下条件：

设在以准远场散射测量转台中央为原点建立准远场测试柱面坐标系中专用雷达测试探头的运行轨迹位置为(ρ_c，φ)，ρ_c为在准远场测试半径，φ为该柱面坐标系下极坐标角。则控制转台以小角度每转动到一个所述特定位置时，为了实现测试数据的加密、须使收发雷达探头组阵列中收发雷达探头组的间距在测量过程中对应的水平面离散采样间隔角dφ满足以下条件：

dφ＝360/(2N+1)

其中、N＝kρ_c+10、k为对于特定频率电磁波的传播常数。

进一步地、所述准远场电磁散射数据处理系统对所述准远场电磁散射测量原始信号进行处理后，根据准远场-远场变换外推算法计算所述待测目标的远场水平面RCS，具体实现为：

首先、根据所述准远场电磁散射测量系统获取的待测目标的准远场电磁散原始信号，提取发射电磁波频带内不同频率的电磁波对应的单站测量场值。设在所述准远场测试柱面坐标系中，以准远场距离ρ_c为测试半径，则该准远场距离下对于发射电磁波频带内特定频率电磁波的待测目标的水平面单站测量场值为u(φ,k)，φ为柱面坐标系下极坐标角、k为对于特定频率电磁波的传播常数。

然后、基于准远场与远场散射方向图的变换关系，利用所获取发射电磁波频带内不同频率的电磁波对应的单站测量场值计算出单站远场散射方向图S_Far(φ_Far,k)：

其中、U(φ,k)与步骤2中u(φ,k)的关系为：

式中

为汉克尔函数，k为对于特定频率的电磁波传播常数、k'为电磁波传播常数由电磁波频带中频率的不同引起的变量，U(φ,k)为近场数据处理结果，φ_Far为远场柱面坐标系下极坐标角，R₀为测试雷达探头测量位置与等效散射点间的绝对距离。

最后、根据得到单站远场散射方向图S_Far(φ_Far,k)，采用的以下公式计算得到被测目标对应的远场水平面RCS：

σ(φ_Far,k)＝4π|S_Far(φ_far，k)|²；

其中、σ(φ_Far,k)为待测目标的在为远场柱面坐标系下极坐标角φ_Far的远场电磁散射截面RCS。

相应地，本发明还提供一种多探头准远场电磁散射截面(RCS)外推测试方法，该方法包括：将待测目标放置于测试转台之上、控制转台实现待测目标一维旋转的同时，采用上述专用测试雷达多探头电路来获取待测目标准远场电磁散射测量所需的原始信号；对得到所述原始信号进行处理后，根据准远场-远场变换外推算法计算所述待测目标的远场水平面RCS。

进一步地、控制转台实现待测目标一维旋转的同时，采用专用测试雷达多探头电路来获取待测目标准远场电磁散射测量所需的原始信号，具体实现为：控制转台转动到N个特定角度/位置，所述数量N根据数据加密测量的实际需要进行设定；当转台每转动到一个该特定位置后，控制收发雷达探头组阵列以预设数量的雷达探头组来获取所述待测目标的准远场电磁散原始信号，并以预设频点数进行数据采集；所述收发雷达探头组阵列由发射雷达探头TX和接收雷达探头RX水平间隔排列形成；所述特定位置满足以下条件：以准远场散射测量转台中央为原点建立准远场测试柱面坐标系，专用雷达测试探头的运行轨迹位置为(ρ_c，φ)，ρ_c为准远场测试半径，φ为柱面坐标系下极坐标角；控制转台每转动到一个所述特定位置时，使所述专用测试雷达多探头电路中收发雷达探头组的间距满足测量过程中水平面离散采样间隔角为dφ实现测试数据加密，dφ＝360/(2N+1)，其中N＝kρ_c+10、k为对于特定频率电磁波的传播常数。

附图说明

图1为本发明提供的多探头准远场电磁散射截面(RCS)外推测试系统运行示意图；

图2为准远场电磁散射测量系统中专用测试雷达多探头电路原理图；

图3为系统中的滤波组件对接收到的电磁散射信号进行滤波处理前后的波形图示意图；

图4为准远场电磁散射测系统硬件部分的一个实施例示意图。

具体实施方式

为了使本发明所解决的技术问题、技术方案以及有益效果更加清楚明白，以下结合附图对本发明进行进一步详细说明。应该理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

附图1为本发明提供的多探头准远场电磁散射截面(RCS)外推测试系统运行示意图。该系统在以转台中心为圆心、半径为R的距离上设置有专用测试雷达多探头组，每个探头组包括一个发射探头TX和一个接收探头RX。转台中心放置待测目标，可以通过控制转台进行旋转实现待测目标一维旋转。

该测试系统包括：准远场电磁散射测量系统和准远场电磁散射数据处理系统；所述准远场电磁散射测量系统，用于通过控制转台实现待测目标一维旋转，配合采用专用测试雷达多探头电路来获取待测目标准远场电磁散射测量所需的原始信号；所述准远场电磁散射测量数据处理系统，用于对所述准远场电磁散射测量原始信号进行处理后根据准远场-远场变换外推算法计算所述待测目标的远场水平面RCS。

所述专用测试雷达多探头电路具体包括:发射源、接收机、滤波组件、射频前端组合模块、开关矩阵、由发射雷达探头TX和接收雷达探头RX水平间隔排列形成的收发雷达探头组阵列。该专用测试雷达多探头电路中各部分的连接关系如图2所示。发射源产生的信号T输入到所述滤波组件,由脉冲调制单元进行脉冲调制产生射频信号后、输出到射频前端组合模块中的功率放大器PA进行功率放大后输入到所述开关矩阵单元的TX输入端。如图2所示、所述功率放大器具体实现为并联的两个不同频带的功率放大器PA，使用时由用户选择具体使用哪个频段的功率放大器；其中一个用于放大1-18GHz的射频信号，另一个用于放大18-40GHz的射频信号。

所述开关矩阵用于实现极化方向切换、频段切换，以及射频链路内部校准回路。由计算机控制指令指示所述开关矩阵将所述TX输入端连接到所述多路收发雷达探头组中预设数量的收发雷达探头组的发射雷达探头TX，实现多路发射雷达探头分时输出射频信号。所述接收机通过所述滤波组件、所述射频前端组合模块中的低噪声放大器来接收开关矩阵RX输出端的射频接收信号，其参考信号Ref由所述开关矩阵内部的耦合组件对发射进行检测所得到。所述射频接收信号由所述预设数量的收发雷达探头组中的接收雷达探头RX来提供，所述滤波组件的脉冲调制单元根据设置的发射脉冲和接收脉冲之间的延时，对来自射频前端组合模块中低噪声放大器LNA输出的射频接收信号进行滤波。所述低噪声放大器LNA具体实现为并联的两个不同频带的低噪声放大器LNA，使用时由用户选择具体使用哪个频段的低噪声放大器；其中一个用于放大1-18GHz的射频信号，另一个用于放大18-40GHz的射频信号。

优选地、所述滤波组件为带外滤波器；所述收/发雷达探头采用宽频带、宽波束、双线极化、高交叉极化、小尺寸测试探头，实现多路雷达探头组阵列的布设以及信号的发射与接收。宽频带可以使雷达探头工作覆盖频带快，提高系统测试效率，减少更换探头时间；(经设计均大于两倍频宽)；宽波束可以保证测试探头应均匀辐射并完全覆盖待测目标。利用双线极化特性替代线极化天线的旋转工作模式，提高系统测试效率，实现待测目标的HH，VV，HV，VH四种极化特性下的电磁散射测量。雷达探头的高交叉极化特性能够提高待测目标的HH，VV，HV，VH四种极化特性下电磁散射测量情况下的测量精度；采用小尺寸的雷达探头可以降低探头组安装所需空间体积，同时可提高探头间距，降低探头间的互耦干扰。

如图3所示、低噪声放大器LNA放大后的接收信号进入滤波组件进行脉冲调制接收。所述滤波组件的脉冲调制单元根据精确设置的发射脉冲和接收脉冲之间的延时，采用接收脉冲作为门信号对来自射频前端组合模块中低噪声放大器LNA输出的射频接收信号进行滤波。最后经过滤波组件的接收射频信号返回至系统内接收机，完成射频信号发射与接收测试。

图4为准远场电磁散射测系统硬件部分的一个实施例示意图。如图4所示、所述准远场电磁散射测系统的硬件部分主要包括：控制计算机、实时控制器RTX、所述专用测试雷达多探头电路、转台AZ和转台驱动器。所述专用测试雷达多探头电路中的发射源和接收机为同一矢量网络分析仪。所述网络分析仪的参考信号RI引自开关矩阵内部的耦合组件对发射信号进检测所得。系统控制核心设备RTC控制器负责控制系统中设备高速稳定可靠的工作，实现系统设备仪器的实时控制时序和通信交互。控制计算机通过LAN与RTC控制器相连接，RTC控制器负责解析控制计算机的控制指令，将其转换成SPI或TTL电平控制测试转台、测试仪器、开关矩阵、射频前端组合、滤波组件等，实现系统测试的同步和时序关系。其中非实时控制和数据传输采用LAN方式；实时控制采用TTL/SPI电平控制方式，实现测试系统的快速测试。

准远场电磁散射测量系统根据计算机控制指令控制转台以小角度转动到N个特定扫描位置，所述数量N可以根据数据加密的实际需要进行设定。控制转台以小角度每转动到一个特定扫描位置后，控制专用测试雷达多探头电路中的接收机以预设频点数进行数据采集，同时控制所述专用测试雷达多探头电路中的开关矩阵以预设数量的收发雷达探头组来获取所述待测目标的准远场电磁散原始信号。所述转台转动到的特定位置需要满足以下条件：

设在以准远场散射测量转台中央为原点建立准远场测试柱面坐标系中专用雷达测试探头的运行轨迹位置为(ρ_c，φ)，ρ_c为在准远场测试半径，φ为该柱面坐标系下极坐标角。则控制转台以小角度每转动到一个所述特定位置时，为了实现测试数据的加密、使收发雷达探头组阵列中收发雷达探头组的间距在测量过程中对应的水平面离散采样间隔角dφ满足以下条件：

dφ＝360/(2N+1)

其中、N＝kρ_c+10、k为对于特定频率电磁波的传播常数。

准远场电磁散射测量数据处理系统的核心为准远场散射算法模块。准远场散射算法模块包括：准远场-远场变换外推算法模块，探头补偿算法模块，数据前后处理模块以及RCS计算算法模块。其基于准远场-远场变换外推算法模块配合数据前后处理模块将准远场采集到的水平面单站测量场值为u(φ,k)外推到远场散射方向图S_Fsr(φ，k)，其中k为对于特定频率电磁波的传播常数。RCS计算模块根据准远场-远场变换外推算法模块计算得到的S_Fsr(φ，k)计算出远场待测目标的水平面RCS。

所述准远场电磁散射数据处理系统，对所述准远场电磁散射测量原始信号进行处理后根据准远场-远场变换外推算法计算所述待测目标的远场水平面RCS，具体实现为：

首先、根据所述准远场电磁散射测量系统获取的待测目标的准远场电磁散原始信号，提取发射电磁波频带内不同频率的电磁波对应的单站测量场值。设在上述准远场测试柱面坐标系中，以准远场距离ρ_c为测试半径，则该准远场距离下对于发射电磁波频带内特定频率电磁波的待测目标的水平面单站测量场值为u(φ,k)，φ为柱面坐标系下极坐标角、k为对于特定频率电磁波的传播常数。由于在有限距离下未达到测试探头远场距离，未能满足平面波均匀的照射在待测目标的条件，需要对待测目标进行相同成像处理获得待测目标反射率γ_T(ρ',φ')进行补偿修正。为此、在所述准远场电磁散射测量系统还设置有探头补偿模块，用于修正补偿探测的测试数据。该探头补偿模块采用正方向金属板作为参考校准件。由于金属板校准件每个电磁散射点反射率一致，同时该金属板需足够大覆盖待测目标的尺寸。利用一维测试转台电磁散射成像原理，获得该参考校准件的对于特定频率电磁波的二维像g_r(x,y)。根据校准件每个电磁散射点的反射率一致特性，可由参考校准件的对于特定频率电磁波的反射率γ_r(ρ',φ')来说明探头方向图的影响。对待测目标进行相同成像处理，获得对于该特定频率电磁波的待测目标的反射率γ_T(ρ',φ')。经过探头补偿后的实际待测目标对于该特定频率电磁波的等效散射点反射率γ(ρ',φ')：

γ(ρ',φ')＝γ_T(ρ',φ')/γ_r(ρ',φ')；

实际特定频率电磁波的待测目标的水平面单站测量场值u(φ,k)：

其中、F_probe(θ)为探头方向图，θ为测试探头与γ(ρ',φ')等效散射点之间的夹角。

然后、基于准远场与远场散射方向图的变换关系，利用所获取发射电磁波频带内不同频率的电磁波对应的单站测量场值计算出单站远场散射方向图S_Far(φ_Far,k)：

其中、U(φ,k)与步骤2中u(φ,k)的关系为：

式中

为汉克尔函数，k为对于特定频率的电磁波传播常数、k'为电磁波传播常数由电磁波频带中频率的不同引起的变量，U(φ,k)为近场数据处理结果，φ_Far为远场柱面坐标系下极坐标角，R₀为测试雷达探头测量位置与等效散射点间的绝对距离。

最后、根据得到单站远场散射方向图S_Far(φ_Far,k)，采用的以下公式计算得到被测目标对应的远场水平面RCS：

σ(φ_Far,k)＝4π|S_Far(φ_far，k)|²；

其中、σ(φ_Far,k)为待测目标的在为远场柱面坐标系下极坐标角φ_Far的远场电磁散射截面RCS。

相应地，本发明还提供一种多探头准远场电磁散射截面(RCS)外推测试方法，该方法包括：将待测目标放置于测试转台之上、控制转台实现待测目标一维旋转的同时，采用专用测试雷达多探头电路来获取待测目标准远场电磁散射测量所需的原始信号；对得到所述原始信号进行处理后，根据准远场-远场变换外推算法计算所述待测目标的远场水平面RCS。

其中、控制转台实现待测目标一维旋转的同时，采用专用测试雷达多探头电路来获取待测目标准远场电磁散射测量所需的原始信号，具体实现为：控制转台转动到N个特定角度/位置，所述数量N根据数据加密测量的实际需要进行设定；当转台每转动到一个该特定位置后，控制收发雷达探头组阵列以预设数量的雷达探头组来获取所述待测目标的准远场电磁散原始信号，并以预设频点数进行数据采集；所述收发雷达探头组阵列由发射雷达探头TX和接收雷达探头RX水平间隔排列形成；所述特定位置满足以下条件：以准远场散射测量转台中央为原点建立准远场测试柱面坐标系，专用雷达测试探头的运行轨迹位置为(ρ_c，φ)，ρ_c为准远场测试半径，φ为柱面坐标系下极坐标角；控制转台每转动到一个所述特定位置时，使所述专用测试雷达多探头电路中收发雷达探头组的间距满足测量过程中水平面离散采样间隔角为dφ实现测试数据加密，dφ＝360/(2N+1)，其中N＝kρ_c+10、k为对于特定频率电磁波的传播常数。

进一步地、所述专用测试雷达多探头电路中各部分的连接关系如图2所示。所述控制所述专用测试雷达多探头电路以预设数量的雷达探头组来获取所述待测目标的准远场电磁散原始信号，具体实现为：采用滤波组件的脉冲调制单元对发射源产生的信号进行脉冲调制，对脉冲调制后的信号进行功率放大后输入到所述开关矩阵单元的TX输入端，控制开关矩阵将所述TX输入端连接到所述预设数量的收发雷达探头组的发射雷达探头TX，实现多路发射雷达探头分时输出射频信号；控制所述预设数量的收发雷达探头组中的接收雷达探头RX获取射频接收信号，并且通过所述滤波组件的脉冲调制单元根据设置的发射脉冲和接收脉冲之间的延时，采用门信号对经过低噪声放大器放大后的射频接收信号进行滤波。

其中、对所述得到的原始信号进行处理后，根据准远场-远场变换外推算法计算所述待测目标的远场水平面RCS，具体实现为：

根据获取的待测目标的准远场电磁散原始信号，提取发射电磁波频带内不同频率的电磁波对应的单站测量场值；

以准远场距离ρ_c为测试半径，建立准远场测试柱面坐标系。设在该准远场距离下对于发射电磁波频带内特定频率电磁波的待测目标的水平面单站测量场值为u(φ,k)，φ为专用雷达测试探头在该柱面坐标系下极坐标角、k为对于特定频率电磁波的传播常数；

基于准远场与远场散射方向图的变换关系，利用所获取发射电磁波频带内不同频率的电磁波对应的单站测量场值u(φ,k)计算出单站远场散射方向图S_Far(φ_Far,k)：

其中、U(φ,k)与步骤2中u(φ,k)的关系为：

式中为汉克尔函数，k为对于特定频率的电磁波传播常数、k'为电磁波传播常数由电磁波频带中频率的不同引起的变量，U(φ,k)为近场数据处理结果，φ_Far为远场柱面坐标系下极坐标角，R₀为测试雷达探头测量位置与等效散射点间的绝对距离；

根据得到单站远场散射方向图S_Far(φ_Far,k)，计算得到被测目标对应的远场水平面RCS，计算公式为：σ(φ_Far,k)＝4π|S_Far(φ_far，k)|²，σ(φ_Far,k)为待测目标的在为远场柱面坐标系下极坐标角φ_Far的远场电磁散射截面RCS。

与现有技术相比，本发明提供的测试系统结合多探头测量采集技术，通过在准远场测试距离下的电磁散射数据采集，利用近远场变换算法获取待测整机目标的远场电磁散射特性。克服了传统测试手段远场与紧缩场对于测试距离以及可测目标的尺寸限制，实现全尺寸待测目标的电磁散射快速、准确测量，具有测试效率高、成本低的优势。