CN103809175A - 隐身飞机散射特性现场快速评估系统 - Google Patents

Abstract

一种隐身飞机散射特性现场快速判定系统，包括：扫描架，天线子系统，仪表子系统，数据处理子系统，对准子系统和小型装载车，完成了信号的产生，发射，接收，处理，成像，比对，结果分析。本发明能够在维修库或是停机坪等现场，实现对隐身飞机散射特性的快速准确的判定，检测隐身飞机隐身性能的变化，对发生恶化的散射源区域进行定位，为隐身飞机的维护维修提供参考。

Description

隐身飞机散射特性现场快速评估系统

技术领域

本申请涉及一种测试系统，具体的，涉及一种对飞机的散射特性进行现场测试，从而对隐身飞机散射特性进行现场快速判定的系统。 

背景技术

隐身飞机的隐身性能一直是人们关注的焦点，而“4S”标准也将隐身性能列为首位，目前对于隐身飞机的散射特性的测量主要有四种方法即，紧缩场测量，室外地面场测量，动态飞行测量和室内近场测量，上述方法适用于飞机的设计，定型，生产交付等各个阶段。 

紧缩场测试系统由于静区尺寸的限制，主要使用在隐身飞机的设计阶段，对缩比模型或飞机真实部件进行精确的测量。这种测量方式的特点是目标尺寸适度，模型加工费用低，对于新型号设计较为有利。但缩比后加工精度要更高，材料(特别是非均匀介质和磁性材料)的相似性难以保证，在更高频率上的测试设备和测试场地也不易解决。 

专门修建的室外测试场，进行整机的散射特性测试，主要用在整机设计完成后的1:1模型测试（使用低反射金属支架）以及生产中样机的测试（放置于地面采用泡沫支架支撑）。为了满足平面波入射和散射的远场条件，测试距离很大。例如，新墨西哥州中南部白沙导弹场上的RATSCAT测试场，占地十余平方公里，测试频率范围30MHz～95GHz，最大测试距离达2286m，可测试25m的大型目标，转台最大承重达22.7t，已用来测试过F-102等战斗机。静态测量的缺点是难以消除地面和目标支架等杂散回波的影响。 

动态飞行测试是隐身目标具备飞行状态后不可缺少的测试环节，动态测量可以完全模拟和测量目标运动时的真实雷达截面特性， 但飞行姿态及航迹的重复性较差，制约其很难作为定量的、可重复的、可分析的通用测试手段来判定以及指导改进飞行器的隐身性能，并且动态测试的成本很高。动态飞行测试主要应用在隐身飞机产品的出厂验收阶段。 

室内全尺寸近场测试是RCS测试的新技术，通过近场扫描测量和近远场变换技术实现对全尺寸隐身飞机目标散射特性的快速准确测量。主要用于整机研制和整机出厂验收阶段，能够替代大部分的动态飞行测试，节约大量成本。在F-22和F-35的全尺寸整机模型及真实飞机的隐身检测和认证评价中，室内全尺寸近场测试系统扮演了极为重要的角色，也极大程度降低了测试成本和缩短了产品的研制周期。 

前三种测试手段，经过国内相关科研单位的多年研究，技术上已经成熟，已经在国内建成了多个测试厂。第四种室内近场测量手段，相关理论及方案已经逐渐成熟，但尚未实施，目前正在逐步转入实施建设阶段。 

但是，对于已经交付到部队，正在使用中的隐身飞机，其散射特性或者说隐身性能必然会随着飞机的使用而发生变化。比如飞机上的隐身材料，飞机结构上的台阶、缝隙等，在飞机出厂时能够保持一个较好的状态，在使用一段时间过后，甚至一次起飞/降落过后，都有可能发生变化。如何快速准确的判定、检测隐身飞机隐身性能的这个变化，对隐身飞机隐身性能的维护提供参考数据，目前国内这方面是一个空白，缺乏能够快速部署，现场对隐身飞机进行测量判定的相关设备和技术。 

因此，如何能够提供一种现场对隐身飞机的散射特性进行测量判定的系统，成为现有技术亟需解决的技术问题。 

发明内容

本发明的目的在于提出一种隐身飞机散射特性现场快速判定系统及其测量方法，以便能够满足在飞机投入使用后能够对飞机的隐身特性进行检测，从而更好的对飞机进行保养和维护。 

为达此目的，本发明采用以下技术方案： 

首先用合适的方法对出厂时的隐身飞机的散射特性进行准确的测量，保证隐身性能满足要求，然后单次测量得到散射点的分布，最后对两次的测量结果进行比对，得到发生变化的散射点的位置信息，从而对飞机的隐身性能进行维护和保养。 

本发明能够在维修库或是停机坪等现场，实现对隐身飞机散射特性的快速准确的判定，检测隐身飞机隐身性能的变化，对发生恶化的散射源区域进行定位，为隐身飞机的维护维修提供参考。 

附图说明

图1是根据本发明的隐身飞机散射特性现场快速判定系统的框架图。 

图中的附图标记所分别指代的技术特征为： 

1、扫描架；2、天线子系统；3、仪表子系统；4、数据处理子系统；5、对准子系统；6、小型装载车。 

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。 

本发明所公开的隐身飞机散射特性现场快速判定系统是一套成像雷达系统，机动性强，能对处于近场的现役隐身飞机的散射特性进行二维成像分析，并能对服役一段时间后的隐身飞机的散射特性进行对比分析，对恶化区域进行定位。 

本发明的构思如下：在高频段，目标的散射特性等效于散射中心散射响应之和。因此对于隐身飞机散射特性变化的分析就相当于对散射中心变化的分析，而对散射中心变化的分析关键是两点：能够对散射中心进行识别和分辨，能够对散射中心的变化进行检测。对散射中心的识别即要求对系统的分辨率足够的大，对散射中心的变化的检测即对前后两次的雷达二维图像进行比对。 

首先，单次测量对散射中心的分辨和定位要有较高的准确度，因此要求系统具有高分辨率和高定位精度。根据对雷达信号的研究和分析，系统的距离向分辨率由雷达信号的瞬时带宽决定，瞬时带宽越大，分辨率越高，这决定了微波信号系统一定是宽带的雷达系统。横向分辨率取决于天线的波束宽度，它与天线孔径的长度成反比，要提高横向分辨率指标，需要大幅度的压缩波束宽度，增加孔径长度是一种方法，原理上可以使用阵元排成很长的阵列来实现，实际上这不太能实现，特别是在现场进行测量的时候布置这么长得阵列是不现实的。但是，当被测散射目标体是静止目标的时候，可以将阵元同时收发简化为单个收发测量，即天线沿着直线等间隔移动位置分别进行测量，记录每一测量位置的散射回波数据，具体到实际情况，就是将天线子系统2放置于扫描架1上，如图所示，使得天线子系统2沿着扫描架做上下方向的直线步进运动。 

雷达成像是对雷达回波信号的处理来获得目标信息的，所以，雷达信号的产生，发射显得尤为重要。如前所述，所需的雷达系统为宽带雷达系统，同时为了获得飞机在2-18G的广阔的频带上的散射特性分析，所需的微波系统在整个频带上，应该具有较好的稳定性，长时间测量漂移性比较低，一般采用分波段进行电路方面的设计，即仪表子系统3应采用分波段进行电路方面的设计，另外，为了获得更好的性能，应当分析不同体制的雷达信号的性能特点，选择合适的雷达体 制。本系统由于是近场测量，且对测量时间有很高的要求，优选的，本系统采用线性调频体制。 

为了实现对天线运动状态的控制（如步进间隔，天线运动长度等），使用数据处理子系统4，例如计算机，即对扫描架进行控制，还需要使用数据处理子系统4针对不同待测目标对微波系统参数的不同需求，对控制电路进行设置，从而控制微波系统的系统参数。而接收信号，同样要先经过微波系统的处理，送入数据处理子系统4进行采集处理。 

微波信号要经过天线的转化，从而成为自由空间波，回波信号要经过接收天线的转化，转化为电路中的信号。由于目标的散射特性是与雷达到目标的距离是有关的，对前后的两次测量来讲，要想真正的找到目标本身的散射特性变化，需要避开其他因素导致的散射特性的变化，如相对位置，所以在前后两次的测量中，应当使用对准子系统5保证雷达和待测目标之间的相对位置不发生变化。对准子系统的精度应保证在误差的范围内，散射点依旧仍在分辨单元之内。 

数据处理子系统4对雷达数据进行采集，处理得到雷达二维像。雷达二维像本身也是数据，所以要通过某些数据处理手段，找到前后两次的不同的散射点，并依据最终的评判标准确定需要维护的区域，从而实现了对恶化区域的定位。 

因此，参见图1，一种隐身飞机散射特性现场快速判定系统，包括：扫描架1，天线子系统2，仪表子系统3，数据处理子系统4，对准子系统5和小型装载车6； 

扫描架1： 

所述扫描架1具有竖直的轨道，以便于天线子系统2沿着竖直方向做步进运动。 

天线子系统2： 

其中天线子系统2包括收发分置且距离很近的两个天线，示例性的，两个天线距离为10cm，所述天线子系统2固定在扫描架1上沿着竖直方向做步进运动，所述天线子系统2发射从低频到高频一定带宽的信号，并接收回波数据。天线除应该满足单元隔离度要求之外，还应该考虑天线与扫描架，目标之间的耦合；天线的重量和体积以便于扫描架的拆装；前后比的要求，以控制目标信号和环境干扰。 

优选地，所述天线子系统在俯仰方向波束较窄，以满足“扁平”飞机目标照射电平的要求。 

所述天线子系统具有如下的技术指标： 

1波段划分：在2-18G的频段上，波段一般划分为两个波段2-8G和6-18G。因此，所述天线子系统能够发射两个不同频段的雷达波，例如，在2-18G频段上的，2-8G和8-18G。 

2波束宽度：波束宽度应满足应当根据测试距离和目标区的大小确定天线的主瓣宽度，若主瓣太小，无法覆盖整个目标区，若主瓣过大，目标区以外的电磁杂波就会进入到天线中，造成较大的测量误差。 

3增益：8dB 

优选地，所述天线子系统采用宽带脊喇叭探头。 

进一步优选地，所述天线子系统： 

1探头口径背面覆盖吸波材料 

2天线边缘尽量薄且锋利，使得反射面积最小 

3探头输入端链接隔离器或是衰减器。 

仪表子系统3： 

所述仪表子系统3电连接所述天线子系统，完成2-18G微波信号的产生发射、接收、放大、混频、波段转换。 

优选地，所述仪表子系统3采用线性调频体制，进一步优选地，采用分波段涉设计，包括2-8G,8-18G两个波段。 

数据处理子系统4： 

所述数据处理子系统4，通过成像算法对采集的数据进行处理，得到雷达二维图像，并通过图像配准算法和图像变化检测算法完成前后两次测量的图像的配准和比对，最终找出已经发生恶化的散射源区域，进行空间分离、定位、报警等，并给出定量的散射特性测量数据。为飞机的维护决策提供精确的参考数据。 

本领域技术人员应当知道，可以采用本领域所熟知的成像算法，图像处理方法，每种处理的算法，以及图像配准算法，图像变化检测算法。主要是考察雷达二维图像的特点，以之为基础进行算法方面的分析和研究。 

对准子系统5： 

所述对准子系统5用于保证前后两次的待测飞机和测试系统的相对位置不发生变化。以免因为相对位置的变化造成的测量误差。定位和设备的位置调整应当满足简便，易于执行，并且执行速度快的需求。 

根据对对准技术的调研，激光追踪仪并不太适合在本场合的使用。因此，优选地，可以采用激光测距仪利用三点激光对准法进行对准。 

所述对准子系统5应当能够有效快速对设备按照既定的位置放置题，或者说快速有效地使得设备放置的位置与标准位置之间的误差引起的散射点的定位误差在分辨率的范围之内。 

小型装载车6： 

所述小型装载车6上安装有对准子系统5和扫描架1，以有效快速地移动。 

本发明还公开了一种利用上述的隐身飞机散射特性现场快速判定系统进行现场判定的方法，包括如下测量步骤： 

(1)在飞机散射特性检测合格出厂后，立即使用该系统对飞机散射特性进行第一次二维成像测量，根据目标尺寸及测试指标要求确定测试的系统参数，开机启动测试系统，同时控制扫描架进行扫描采集回波数据，将数据送回计算机进行数据处理，得到第一次二维像作为基准图像。并保存系统和飞机的相对位置。 

(2)在飞机服役一段时间后，进行第二次测量。首先使用对准子系统保证飞机和系统的相对位置和第一次测量是一致的，利用和第一次测量相同的系统参数开启测试系统进行第二次测量，经过数据处理系统得到第二次二维像。 

(3)数据处理子系统将第二次二维像同第一次二维像通过图像配准和变化检测算法，进行处理，即可找出已经发生恶化的散射源区域，进行空间分离、定位、报警。 

本发明提供了一种具备高度机动性，能够在现场实现对隐身飞机目标的散射特性的快速、精确诊断判定、问题定位并给出维护建议的自动化、智能测试系统。该系统提供了一种准确、快速、经济的方法来判定隐身飞机在使用期间或在维修前、维修后隐身性能的完整性，以确保能够有效的完成任务及其生存能力。总结下来，本发明的快速判定系统具有以下特点: 

(1)高度的机动性，可在停机坪，维修库等现场测量，不用配备测试室或大型的测试场地; 

(2)测量速度快，减少隐身飞机的曝光时间; 

(3)能够对飞机的散射特性进行高分辨率二维成像; 

(4)能够对飞机的散射特性的变化进行判定，对发生恶化区域的定位。 

以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详 细说明，不能认定本发明的具体实施方式仅限于此，对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单的推演或替换，都应当视为属于本发明由所提交的权利要求书确定保护范围。 

Claims (10)

1.一种隐身飞机散射特性现场快速判定系统，包括：扫描架，天线子系统，仪表子系统，数据处理子系统，对准子系统和小型装载车，

其中，所述扫描架具有水平的轨道，以便于天线子系统沿着竖直方向做步进运动；

所述天线子系统包括收发分置且距离很近的两个天线，所述天线子系统固定在扫描架上沿着水平方向做步进运动，所述天线子系统发射从低频到高频一定带宽的信号，并接收回波数据；

所述仪表子系统电连接所述天线子系统，完成2-18G微波信号的产生发射、接收、放大、混频和波段转换；

所述数据处理子系统，通过成像算法对采集的数据进行处理，得到雷达二维图像，并通过图像配准算法和图像变化检测算法完成前后两次测量的图像的配准和比对，最终找出已经发生恶化的散射源区域，进行空间分离、定位和报警，并给出定量的散射特性测量数据；

所述对准子系统用于保证前后两次的待测飞机和测试系统的相对位置不发生变化；

所述小型装载车上安装有所述对准子系统和所述扫描架，以有效快速地移动。

2.根据权利要求1所述的隐身飞机散射特性现场快速判定系统，其特征在于：

所述天线子系统在俯仰方向波束较窄，能够发射2-8G和8-18G的雷达波，增益为8db。

3.根据权利要求2所述的隐身飞机散射特性现场快速判定系统，其特征在于：

所述天线子系统能够根据测试距离和目标区的大小确定天线的主瓣宽度。

4.根据权利要求3所述的隐身飞机散射特性现场快速判定系统，其特征在于：

所述天线子系统采用宽带脊喇叭探头。

5.根据权利要求2-4所述的隐身飞机散射特性现场快速判定系统，其特征在于：

所述天线子系统的探头口径背面覆盖吸波材料，天线边缘尽量薄且锋利，使得反射面积最小，探头输入端链接隔离器或衰减器。

6.根据权利要求5所述的隐身飞机散射特性现场快速判定系统，其特征在于：

所述天线子系统的两个天线距离为10cm。

7.根据权利要求1所述的隐身飞机散射特性现场快速判定系统，其特征在于：

所述仪表子系统采用线性调频体制。

8.根据权利要求7所述的隐身飞机散射特性现场快速判定系统，其特征在于：

所述仪表子系统采用分波段涉设计，包括2-8G,8-18G两个波段。

9.根据权利要求1所述的隐身飞机散射特性现场快速判定系统，其特征在于：

所述对准子系统采用激光测距仪利用三点激光对准法进行对准。

10.一种利用权利要求1-9中任意一项的隐身飞机散射特性现场快速判定系统进行现场判定的方法，包括如下步骤：

(1)在机场，用所述快速判定系统对飞机散射特性进行第一次二维成像测量，得到第一次二维像作为基准图像，并保存系统和飞机的相对位置；

(2)在飞机服役一段时间后，进行第二次测量，首先使用对准子系统保证飞机和所述快速判定系统的相对位置和第一次测量是一致的，利用和第一次测量相同的系统参数开启测试系统进行第二次测量，经过数据处理系统得到第二次二维像；

(3)数据处理系统将第二次二维像同第一次测量的二维像通过图像配准和变化检测算法，进行处理，可找出已经发生恶化的散射源区域，进行空间分离、定位和报警。

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