CN102401891A - 一种被动式雷达目标增强器的实现方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及被动式雷达目标增强器。所要解决的技术问题在于提供一种被动式雷达目标增强器的实现方法，解决现有技术中的角反射器增强效果不均匀和龙伯球制作工艺复杂和增强效果不稳定的问题。其特征在于：选用一种非金属透光材料制作成至少包含前面的椭球体表面(10)、后面的反射面表面(12)的一个准椭球体形状的增强器，所述增强器的后面的反射面表面(12)上紧密贴有金属膜。本发明的有益效果有三个：一是均匀地增强目标的RCS，二是增强角度范围大，3db宽度达到120°左右，三是大大简化龙伯球的制作工艺，减低了被动式雷达增强器的制作成本。

Description

一种被动式雷达目标增强器的实现方法

技术领域

本发明涉及电磁散射目标特性领域，具体涉及被动式雷达目标增强器。

技术背景

在现代防空兵器靶试过程中对于靶标的要求能够模拟真实目标的RCS。专用试验机场的无人机是属于外形尺寸较小、机体机构比较简单的无人飞行器，而试验要求的真实目标外形一般都比较大，所以无人机作为靶机无论在尺寸大小上还是形态结构上均与真实的目标飞行器有较大的区别，必须对无人机采用雷达增强措施，使无人机尽量与实际目标“形似”，才能获取比较真实准确的试验数据，更好地完成各项靶试任务。

另外在民用船只安全救生领域中要求小型船只如游艇或渔船安装被动雷达增强器亦便于被发现，防止发生航运中的安全事故。

无源雷达增强器即是为了解决以上问题而使用的一种微波增强装置，其本身不辐射微波能量但能将入射发射回去，从而增大靶机目标本身的RCS。目前现有的被动雷达目标增强器主要有角反射器组合和龙伯球，角反射器组合的特点是制作简单，但增强区域的角度范围较小，且增强效果不够均匀，容易产生凹坑(即增强效果较小)，检索到92213249.6的专利申请“雷达角反射器(实用新型)”。龙伯透镜是个不均匀介质圆球，球中任意点的折射率随其距球心的距离而各不相同。透镜表面的折射率和空气相同，球心处的折射率最大。介质折射率的变化引起透镜中的光路变化。龙伯透镜的发射效率较稳定，且角度范围大，但缺点是制作工艺较为复杂，尤其是控制介电常数的技术，而且对温度的控制要求很高，如申请号为200580038415.7的中国专利公开的“Luneberg介电常数及其制造方法”。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种新的被动式雷达增强器的实现方法，可有效解决现有技术中的角反射器增强效果不均匀和龙伯球制作工艺复杂和增强效果不稳定的问题。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种被动式雷达目标增强器的实现方法，其特征在于：选用一种非金属透光材料制作成至少包含前面的椭球体表面10、后面的反射面表面12的一个准椭球体形状的增强器，所述增强器的后面的反射面表面12上紧密贴有金属膜；

在测试获得非金属透光材料的介电常数ε的情况下，所述准椭球体形状的增强器的尺寸是通过以下步骤设计的：

步骤1：将准椭球体分为三个表面区域：区域1：即前面的椭球体表面10；区域2：即用于连接区域1和区域3的圆柱体表面11，半径为b；区域3：即后面的反射面表面12；

步骤2：用下式表示区域1：

$\frac{{(x-a)}^2}{a^2}+\frac{y^2+z^2}{b^2}=1,x\≤a---\left(2\right)$

步骤3：区域3上的点由下面的方法得到：首先，定义一个常数f，它表示从区域1中的曲线顶点20沿着x轴到区域3上的曲线顶点F的距离；用n表示制作该反射器的介质的折射率：

$n=\sqrt{\mathrm{\ϵ}}---\left(3\right)$

$a=\frac{\mathrm{nf}}{n+1}---\left(4\right)$

则：

$b=a\sqrt{1-\frac{1}{n^2}}---\left(5\right)$

b、n为已知，则通过式(5)就可得到a，再通过式(4)就可得到f；

区域3上的点与区域1上的点是一一对应的，设(x₂，y₂)为区域3上的点，与之相对应的(x₁，y₁)为区域1上的点，则：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=x_1+f\sin \mathrm{\θ}\\ y_2=y_1-f\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(6\right)$

θ为：

$\tan \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{b^2(a-x_1)}{a^2{y}_1}---\left(7\right)$

通过式(2)、式(3)、式(4)、式(5)可求得区域1；则区域1上的点坐标都是已知的，则由公式(6)、公式(7)求得区域3上的点的坐标。

区域2则是一个半径为b的圆柱体，用于连接区域1和区域3，在计算(x₂，y₂)时，如果发现y₂的值大于b，则全部使用b代替，如果没有大于b的值，则，区域2就没有了，区域1与区域3直接相连。

所述一种被动式雷达目标增强器的实现方法，其特征在于：选用波导短路法测试获得非金属透光材料的介电常数ε。

本发明将带来以下有益效果：

本发明的有益效果有三个：一是均匀地增强目标的RCS，二是增强角度范围大，3db宽度达到120°左右，三是大大简化龙伯球的制作工艺，减低了被动式雷达增强器的制作成本。

附图说明

图1本发明的被动雷达增强器的设计流程

图2准椭球体的组成

图3准椭球体的设计尺寸

图4(a)以微波测量线为核心设备的介电常数测试系统原理图

图4(b)以网络分析仪为核心设备的介电常数测试系统原理图

图5一个具体实施例的暗室测量结果示意图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

本发明的发明原理是这样的：选用一种非金属材料，一般是聚苯乙烯，在测试获得它的介电常数的情况下，根据所要求的RCS设计不同尺寸的准椭球体，并在球的一端紧密贴上金属膜。这种准椭球体由于外形尺寸的变化可以将外径上的一个点辐射源变成平面波辐射出去，或将球体所截获得入射平面波聚为一点，这种反射机理和龙伯透镜的反射机理基本一致，龙伯透镜是由于折射率的变化引起透镜中光路变化。

实际操作如下：

第一、选定原材料

选用非金属材料聚苯乙烯，它是采用通用型聚苯乙烯为原料注射成形，聚苯乙烯特点是硬而刚，具有良好的化学稳定性和介电性能(介电常数在2.8左右)，着色性好，易于成形，清洁度高，透光率≥87％，但性脆，耐热性低。

第二、测量介电常数

测量方法选用波导短路法测量介电常数：

波导短路法所需的设备主要有短路波导和网络分析仪，在没有网络分析仪情况下，可使用微波测量线(图4(a)、(b)分别为以微波测量线、网络分析仪为核心设备的介电常数测试系统)。在测试时先校准测试系统，然后分别测量短路波导中无测试试片和有测试试片两种状态下的反射信号相位和幅度，并利用计算程序计算出材料的介电常数和损耗角正切。

采用短路波导法测试介电常数ε和损耗角正切tgδ时，测试试片的尺寸应满足：测试试片的宽度和高度应与规定的测试频率所选用的波导内截面的尺寸一致，测试试片的长度应是四分之一介质波导波长的奇数倍。测试试片尺寸的公差应控制在0.05mm以内，各个面的垂直度应控制在100∶1以内。

介电常数ε的计算公式为

$\tan [\frac{2\mathrm{\π}\·d}{{\mathrm{\λ}}_c}\·\sqrt{\mathrm{\ϵ}(1+{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{{\mathrm{\λ}}_g}\right)}^2)}-1]$

                                                       (1)

$=-\frac{{\mathrm{\λ}}_g}{{\mathrm{\λ}}_c}\sqrt{\mathrm{\ϵ}[1+{\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_c}{{\mathrm{\λ}}_g}\right)}^2]-1}\·\tan \left[\frac{2\mathrm{\π}}{{\mathrm{\λ}}_g}\left(\frac{{\mathrm{\λ}}_g(P_1-P_0)}{360\sqrt{\mathrm{\ϵ}}-d+(n\·{\mathrm{\λ}}_g)/2}\right)\right]$

(1)式为一超越方程，求解后即可得到介电常数ε。

第三、设计外形尺寸

本增强器为一个准椭球体，结构图如图2所示，分为三个表面：前面的椭球体表面10、中间的圆柱表面11和后面的反射面表面12。在某些情况下(由介质的介电常数ε决定)，表面11有可能没有，表面10与12直接相连。

图3中的区域1即前面的椭球体表面10；是扁长形的回转球体的一部分，可以用(2)式表示：

$\frac{{(x-a)}^2}{a^2}+\frac{y^2+z^2}{b^2}=1,x\≤a---\left(2\right)$

扁长形的回转球体可以通过将椭圆沿着主轴旋转得到。这里的旋转轴为x轴。图3中表示的a与公式中的a是一致的。

表面12的反射面上面的点可以由下面的方法得到。首先，定义一个常数f，它表示从图3中的点20沿着x轴到点F的距离。如果用n表示制作该反射器的介质的折射率，

$n=\sqrt{\mathrm{\ϵ}}---\left(3\right)$

那么a可以表示为：

$a=\frac{\mathrm{nf}}{n+1}---\left(4\right)$

同时，b可以定义为：

$b=a\sqrt{1-\frac{1}{n^2}}---\left(5\right)$

在设计时，n与b的取值是已知的，那么，我们通过式(5)就可得到a，再通过式(4)就可得到f。

在本设计方法中，表面12上的点与表面10上的点是一一对应的，设(x₂，y₂)为表面12上的点，与之相对应的(x₁，y₁)为表面10上的点，那么可得到下式：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=x_1+f\sin \mathrm{\θ}\\ y_2=y_1-f\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(6\right)$

这里θ可以表示为

$\tan \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{b^2(a-x_1)}{a^2{y}_1}---\left(7\right)$

由于表面10上的点坐标都是已知的，所以由公式4就可以得到表面12上的点的坐标。

区域3设计好以后，在介质体的表面还要加上一个反射涂层。区域2则是一个半径为b的圆柱体，用于连接区域1和区域3，在计算(x₂，y₂)时，如果发现y₂的值大于b，则全部使用b代替，如果没有大于b的值，这就是前文所说的情况，区域2就没有了，区域1与区域3直接相连。

第四、加工制作

根据步骤三计算出结构图的表面尺寸，通过数控机床加工成形，加工成形以后最后在表面12上均匀贴一层铝箔纸，最后成形。

第五、暗室测量

暗室测量用于测试检验被动雷达增强器的性能。经对按照本发明所得的体直径为88.9mm准椭球体做具体暗室测量；暗室测试10GHz时单站RCS；结果如图5所示，最大的RCS达到0.52平方米，而且3db宽度达到120°左右的角度范围。

Claims (2)

1.一种被动式雷达目标增强器的实现方法，其特征在于：选用一种非金属透光材料制作成至少包含前面的椭球体表面(10)、后面的反射面表面(12)的一个准椭球体形状的增强器，所述增强器的后面的反射面表面(12)上紧密贴有金属膜；

在测试获得非金属透光材料的介电常数ε的情况下，所述准椭球体形状的增强器的尺寸是通过以下步骤设计的：

步骤1：将准椭球体分为三个表面区域：区域1：即前面的椭球体表面(10)；区域2：即用于连接区域1和区域3的圆柱体表面(11)，半径为b；区域3：即后面的反射面表面(12)；

步骤2：用下式表示区域1：

$\frac{{(x-a)}^2}{a^2}+\frac{y^2+z^2}{b^2}=1,x\≤a---\left(2\right)$

步骤3：区域3上的点由下面的方法得到：首先，定义一个常数f，它表示从区域1中的曲线顶点20沿着x轴到区域3上的曲线顶点F的距离；用n表示制作该反射器的介质的折射率：

$n=\sqrt{\mathrm{\ϵ}}---\left(3\right)$

$a=\frac{\mathrm{nf}}{n+1}---\left(4\right)$

则：

$b=a\sqrt{1-\frac{1}{n^2}}---\left(5\right)$

b、n为已知，则通过式(5)就可得到a，再通过式(4)就可得到f；

区域3上的点与区域1上的点是一一对应的，设(x₂，y₂)为区域3上的点，与之相对应的(x₁，y₁)为区域1上的点，则：

$\left\{\begin{array}{c}{x}_2=x_1+f\sin \mathrm{\θ}\\ y_2=y_1-f\cos \mathrm{\θ}\end{array}\right.---\left(6\right)$

θ为：

$\tan \left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{b^2(a-x_1)}{a^2{y}_1}---\left(7\right)$

通过式(2)、式(3)、式(4)、式(5)可求得区域1；则区域1上的点坐标都是已知的，则由公式(6)、公式(7)求得区域3上的点的坐标；

区域2则是一个半径为b的圆柱体，用于连接区域1和区域3，在计算(x₂，y₂)时，如果发现y₂的值大于b，则全部使用b代替，如果没有大于b的值，则，区域2就没有了，区域1与区域3直接相连。

2.按照权利要求1所述的一种被动式雷达目标增强器的实现方法，其特征在于：选用波导短路法测试获得非金属透光材料的介电常数ε。

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