CN104407331B - 船舶rcs的缩尺模型湖面试验方法及系统 - Google Patents

船舶rcs的缩尺模型湖面试验方法及系统 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种船舶RCS的缩尺模型湖面试验方法及系统，其中方法包括以下步骤：内陆湖泊水面环境下，向水面的被测物体船舶缩尺模型发射一系列窄带脉冲簇；采集船舶缩尺模型的回波信号；将采集的回波信号变换为预先定义的时域信号；对变换后的时域信号，把预定时间窗口外的所有信号置零，并滤掉相互作用的回波，得到目标一维成像曲线；在保持测量系统状态不变的情况下，采用上述方法对定标体进行测量并计算，得到定标体的成像幅值；采用相对定标法，使用定标体的成像幅值对目标的一维成像曲线进行归一化处理，获得定标后的目标一维成像曲线，并将其变换到频域，得到缩尺模型的RCS测试数据；将缩尺模型的RCS测试数据转换成实船RCS。

Description

船舶RCS的缩尺模型湖面试验方法及系统
技术领域
本发明涉及船舶雷达波隐身性设计的试验验证领域，尤其涉及一种船舶RCS(雷达散射截面)的缩尺模型湖面试验方法，可适用于船舶缩尺模型与水面的复合散射RCS试验研究与设计验证。
背景技术
船舶作为水面运行的平台，其RCS取决于目标与水面的复合散射作用。国家相关标准中规定的实船雷达波隐身性指标测试和考核，是在海面上进行的，有别于飞机等空中目标的本体试验，海面上实船测试与其它目标的本体散射测试最本质的区别，在于测试中目标与半空间介质表面是近距离接触的，由于船体与周围附近海面互耦散射的距离比较近，在测量中，无法通过时域滤波进行剔除，因此，实船测试客观上已从目标本体散射扩展至船体与附近海面的复合散射，在水面船舶目标的隐身性设计中，需要在接近实船测试的水面环境下，控制目标回波强度，并有针对性的采取设计措施。
为确保总体雷达波隐身性设计指标满足要求，化解设计风险，需要按照成体系设计思想，采用“仿真+试验”的方法，分阶段开展研究：
(1)通过RCS数值仿真，研究全船RCS及对应的船上强散射源成因和分布，指导指标分解设计，预测各种隐身措施对全船RCS的改善效果；
(2)开展船舶缩尺模型与水面的复合散射特性试验，定量分析和验证水面对测量结果的影响，在模拟实船考核状态的条件下，通过试验掌握全船实际可达的RCS值,制定对应的抑制措施和设计方案。
其中，试验工作需要满足船舶目标与水面的复合散射特性试验需要，由于海面测试受天气的影响较大，且不利于处于内陆地域的设计部门开展研究，因此在内陆湖面开展试验可解决上述问题，水面船舶目标雷达波隐身性设计的模拟试验和验证应具有综合性的功能。检索国内外文献，关于水面船舶目标雷达波隐身性设计的综合模拟验证尚属空白。
发明内容
本发明的目的在于提供一种船舶RCS的缩尺模型湖面试验方法，利用开阔湖面环境进行水面船舶目标RCS测试，满足船舶目标与水面的复合散射特性试验需要。
为了达到上述目的，本发明提供了一种船舶RCS的缩尺模型湖面试验方法，包括以下步骤：
内陆湖泊水面环境下，向水面的被测物体船舶缩尺模型发射一系列窄带脉冲簇，每一簇内包含有n个载频以间隔为Δf递增的脉冲；
采集船舶缩尺模型的回波信号；
采用快速傅里叶变换将采集的回波信号变换为预先定义的时域信号；
对变换后的时域信号，把预定时间窗口外的所有信号置零，并滤掉相互作用的回波，得到目标一维成像曲线；
在保持测量系统状态不变的情况下，采用上述方法对定标体进行测量并计算，得到定标体的成像幅值；
采用相对定标法，使用定标体的成像幅值对目标的一维成像曲线进行归一化处理，获得定标后的目标一维成像曲线，并将其变换到频域，得到缩尺模型的RCS测试数据；
将缩尺模型的RCS测试数据转换成实船RCS。
接上述技术方案，步骤将缩尺模型的RCS测试数据转换成实船RCS中，具体根据电磁缩比定律，当缩比因子为s时，有：
l′＝l/s，f′＝f×s，σ′＝σ/s2
其中，l为目标长度，f为目标测试频率，σ为目标RCS，l′为缩比后的目标长度，f′为缩比后所需的目标测试频率，σ′为缩比后目标的RCS。
接上述技术方案，所述窄带脉冲簇的脉冲宽度为其中ΔLmax为缩尺模型的最大尺寸，频率脉冲增量Δf满足T1为电磁波从发射天线至缩尺模型的往返时间。
本发明还提供了一种船舶RCS的缩尺模型湖面试验系统，包括：
脉冲发射模块，用于在内陆湖泊水面环境下，向水面的被测物体船舶缩尺模型发射一系列窄带脉冲簇，每一簇内包含有n个载频以间隔为Δf递增的脉冲；
采集模块，用于采集船舶缩尺模型的回波信号；
傅里叶变换模块，用于采用快速傅里叶变换将采集的回波信号变换为预先定义的时域信号；
滤波模块，用于对变换后的时域信号，把预定时间窗口外的所有信号置零，并滤掉相互作用的回波，得到目标一维成像曲线；
定标体测量模块，用于在保持测量系统状态不变的情况下，采用上述方法对定标体进行测量并计算，得到定标体的成像幅值；
RCS测试数据处理模块，用于采用相对定标法，使用定标体的成像幅值对目标的一维成像曲线进行归一化处理，获得定标后的目标一维成像曲线，并将其变换到频域，得到缩尺模型的RCS测试数据；
数据转换模块，用于将缩尺模型的RCS测试数据转换成实船RCS。
接上述技术方案，数据转换模块具体用于根据电磁缩比定律，当缩比因子为s时，有：
l′＝l/s，f′＝f×s，σ′＝σ/s2
其中，l为目标长度，f为目标测试频率，σ为目标RCS，l′为缩比后的目标长度，f′为缩比后所需的目标测试频率，σ′为缩比后目标的RCS。
接上述技术方案，所述窄带脉冲簇的脉冲宽度为其中ΔLmax为缩尺模型的最大尺寸，频率脉冲增量Δf满足T1为电磁波从发射天线至缩尺模型的往返时间。
本发明产生的有益效果是：本发明突出船舶目标与水面的复合散射特点，同时，兼顾了船舶局部结构本体散射试验需求；本发明具备宽带高分辨率测量特点，具有高距离向分辨能力；可充分利用内陆湖泊环境，受天气影响小，无需大面积增地，效费比高。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1为本发明实施例船舶RCS的缩尺模型湖面试验方法流程图；
图2为本发明的一个实施例中的脉冲串发射信号；
图3为本发明的一个实施例中定标后的目标一维成像曲线；
图4a、图4b为本发明实施例中水面试验场景；
图5为水面角反射器回波的一维成像曲线；
图6为角反射器RCS随风力变化曲线(频率13.3GHz，RCS随风力变化，13.3GHz(接近水面))；
图7角反射器RCS随风力变化曲线(频率10GHz)。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例船舶RCS的缩尺模型湖面试验方法，包括以下步骤：
S1、内陆湖泊水面环境下，向水面的被测物体船舶缩尺模型发射一系列窄带脉冲簇，每一簇内包含有n个载频以间隔为Δf递增的脉冲；
S2、采集船舶缩尺模型的回波信号；
S3、采用快速傅里叶变换将采集的回波信号变换为预先定义的时域信号；
S4、对变换后的时域信号，把预定时间窗口外的所有信号置零，并滤掉相互作用的回波，得到目标一维成像曲线；
S5、在保持测量系统状态不变的情况下，采用上述方法对定标体进行测量并计算，得到定标体的成像幅值；
S6、采用相对定标法，使用定标体的成像幅值对目标的一维成像曲线进行归一化处理，获得定标后的目标一维成像曲线，并将其变换到频域，得到缩尺模型的RCS测试数据；其中归一化处理即目标曲线逐点减去定标体的成像幅值，再加上定标体的RCS值(对数形式表示)，即获得定标后的目标一维成像曲线(见图3)。
采用相对定标法，即保持测量系统状态不变的情况下分别对定标体和被测目标进行测量，选择标准球定标体，记录定标数据和目标测试数据，按下式进行处理：
其中，σT被测目标的RCS；
PT目标的回波功率；
P0定标体回波功率；
目标测试距离；
定标体测试距离。
使用测量系统在相应的测量频段和极化条件下对定标球进行测量，记录定标数据。
S7、将缩尺模型的RCS测试数据转换成实船RCS。本发明的一个实施例中，根据电磁缩比定律，当缩比因子为s时，有：
l′＝l/s，f′＝f×s，σ′＝σ/s2
其中，l为目标长度，f为目标测试频率，σ为目标RCS，l′为缩比后的目标长度，f′为缩比后所需的目标测试频率，σ′为缩比后目标的RCS。
在具体实现时，首先需要对基于脉宽带宽约束的扫频测试参数设置：
利用湖面开展水面目标缩尺模型的RCS试验，对测试参数提出了较高的要求，主要体现为对测试精度要求高，满足复杂湖面背景下缩尺目标低散射回波的准确提取要求。
为解决传统窄带宽脉冲测试方法在缩尺目标距离分辨力上的不足，本发明采用宽带扫频测试方法，在带宽B上发射一系列脉间变频的射频脉冲串，每个脉冲串的脉冲宽度满足目标距离门识别要求，带宽满足目标距离分辨力要求。
1)发射脉冲宽度
根据被测目标的最大尺寸ΔLmax确定脉冲宽度和回波距离门脉冲宽度。为考虑目标上的多次散射带来的路径延长，实船测试距离门所对应的长度至少宽于目标物理尺寸的3倍，则所需脉冲宽度为
当缩尺模型对应目标区域宽度为12m时，发射脉宽取100ns。
2)系统带宽
系统带宽决定了测量的距离分辨力，其与带宽的关系为
其中，c为光速，B为带宽。系统的工作带宽不低于4GHz，X波段对应的测试模型理论分辨力为4cm。
3)频率步长：
根据频域采样定理，为获得无混叠的时域信号，脉间频率增量Δf满足
T1为电磁波从发射天线至远处建筑物的往返时间，根据所需的不模糊距离L，可以得出
L大于T1所对应的距离，这样一维距离成像区可以覆盖整个雷达作用区域，避免相邻脉冲信号发生混叠。为满足测试天线至不同面积湖面的测试距离要求，频率增量Δf选取10kHz-1MHz，对应的不模糊距离的范围是15000m-150m。
4)采用多参数综合建模的测试功率选择方法
提出了针对宽带扫频测试的多参数综合计算模型：
信号处理带宽B：在脉冲内实现解调，假设脉冲上升沿为50ns，则信号处理带宽为20MHz。
T0：标准温度，取298K
k：玻尔兹曼常数，1.38×10-23W/Hz/K
M：频率步进相参积累点数；
λmin：最小工作波长；
σt：目标散射面积；
(S/N)min：最小可检测信噪比；
天线传播因子F：天线对准误差，精确调整后该参数可取为0dB。
天线增益G：缩尺模型目标按15m考虑，各目标距离下天线增益按照30dB设计。
按1:10的缩尺比例，等效实船测试频率4GHz的缩尺测试频率为40GHz系统噪声系数Fn：取为4dB。
大气损耗L1：1dB。
发射天线前端损耗L2：该参数是功放输出端到发射天线的信号衰减量，电缆接头及电缆本身带来的插入损耗，估算为3dB。
天线馈源驻波损耗L3：假设天线馈源驻波比为1.5，插入损耗为0.2dB。
接收传输损耗L4：从接收天线到低噪声放大器之前的电缆及接头插入损耗，估算为3dB。
视频处理信噪比损失L5：1dB。
基于一维距离分辨的水面环境背景杂波剔除
在水面环境下采用宽带扫频测试方法，利用时域脉冲对杂波信息进行初步滤除，利用宽带测量进行高精度的一维距离分辨，对目标区回波进行精细提取，具体步骤主要包括：
1)发射一系列窄带脉冲簇，每一簇内包含有n个载频以间隔为Δf递增的脉冲(见图2)；
2)设置一组距离延时采样门，对每个回波脉冲采集其正交解调后的基带信号；
3)如果一簇脉冲相对于目标角度变化足够短，则存储的回波脉冲的采样数据近似等价于目标的瞬时离散频域响应；
4)对瞬时离散频域响应数据进行离散逆傅里叶变换(IDFT)，得到一簇脉冲所测得的目标一维距离分辨曲线(即一维成像曲线)。重复以上过程，即可获得每一簇脉冲所对应的一维距离分辨曲线。
本发明实施例船舶RCS的缩尺模型湖面试验系统，基于上述试验方法，该试验系统包括：
脉冲发射模块，用于在内陆湖泊水面环境下，向水面的被测物体船舶缩尺模型发射一系列窄带脉冲簇，每一簇内包含有n个载频以间隔为Δf递增的脉冲；
采集模块，用于采集船舶缩尺模型的回波信号；
傅里叶变换模块，用于采用快速傅里叶变换将采集的回波信号变换为预先定义的时域信号；
滤波模块，用于对变换后的时域信号，把预定时间窗口外的所有信号置零，并滤掉相互作用的回波，得到目标一维成像曲线；
定标体测量模块，用于在保持测量系统状态不变的情况下，采用上述方法对定标体进行测量并计算，得到定标体的成像幅值；
RCS测试数据处理模块，用于采用相对定标法，使用定标体的成像幅值对目标的一维成像曲线进行归一化处理，获得定标后的目标一维成像曲线，并将其变换到频域，得到缩尺模型的RCS测试数据；
数据转换模块，用于将缩尺模型的RCS测试数据转换成实船RCS。
数据转换模块具体用于根据电磁缩比定律，当缩比因子为s时，有：
l′＝l/s，f′＝f×s，σ′＝σ/s2
其中，l为目标长度，f为目标测试频率，σ为目标RCS，l′为缩比后的目标长度，f′为缩比后所需的目标测试频率，σ′为缩比后目标的RCS。
所述窄带脉冲簇的脉冲宽度为其中ΔLmax为缩尺模型的最大尺寸，频率脉冲增量Δf满足T1为电磁波从发射天线至缩尺模型的往返时间。
为便于与理论值进行比较，采用标准角反射器为测试对象，基于开阔湖面进行水面目标RCS综合试验，以尺度较大的B角反射器(10dBsm@10GHz即10GHz频率下的RCS为10dBsm)为实尺度参照，以尺度较小A角反射器(5dBsm@10GHz)作为缩尺模型，基于电磁缩比理论，即如果把模型的尺寸减小N倍，为了保持缩比模型和实尺度模型的相似性，必须把电磁振荡的周期减小N倍，即把频率提高N倍。按目标尺寸的比例在不同频率上进行测量，对测量结果的缩比关系、水面的影响以及海面计算结果进行比对分析，研究缩比模型湖面测试的有效性。
(1)测试对象
目标距水面30cm，接近湖面测试(见图4a和图4b)，以直角边长21公分的B角反射器为实尺度参照，将直角边长16公分的A角反射器作为缩尺模型。
(2)测试工况
采用基于矢量网络分析仪的测试系统，矢量网络分析仪、功放、环行收发隔离器、天线等组成测量系统，1端口接功放，过环行器接天线；回波从环行器接矢网2端口，测量S21参数；单天线测量，将天线安装在天线支架上，通过摄像头定位，实现天线固定和角度、高度的调整。
测试频率：13.3GHz(A角反射器)、10GHz(B角反射器)
测试距离：56m(见图5)
测试带宽：4GHz，距离向分辨力4cm
峰值功率：20W
天气：晴朗，风力0级、1级、2级
试验结果(见图6、图7)表明：
1)目标接近水面时，目标与水面之间的耦合效果对于目标的整体散射状况有较大影响，对比目标与水面复合散射的数值仿真结果，测试误差优于2dB；
2)风力在0级和1级条件下，2次测试结果变化相对稳定，而在2级风力条件下测试时，由于水面波动对目标方位的影响，2次测试结果出现较明显震荡。
3)风力在0级和1级条件下，两个不同尺度的角反射器存在较好的缩比关系，实测缩比差值与理论缩比差值可保持在0.5dB以内。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (6)

1.一种船舶RCS的缩尺模型湖面试验方法，其特征在于，包括以下步骤：
内陆湖泊水面环境下，向水面的被测物体船舶缩尺模型发射一系列窄带脉冲簇，每一簇内包含有n个载频以间隔为Δf递增的脉冲；
采集船舶缩尺模型的回波信号；
采用快速傅里叶变换将采集的回波信号变换为预先定义的时域信号；
对变换后的时域信号，把预定时间窗口外的所有信号置零，并滤掉相互作用的回波，得到目标一维成像曲线；
在保持测量系统状态不变的情况下，根据上述步骤对定标体进行测量并计算，得到定标体的成像幅值；
采用相对定标法，使用定标体的成像幅值对目标的一维成像曲线进行归一化处理，获得定标后的目标一维成像曲线，并将其变换到频域，得到缩尺模型的RCS测试数据；
将缩尺模型的RCS测试数据转换成实船RCS。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，步骤将缩尺模型的RCS测试数据转换成实船RCS中，具体根据电磁缩比定律，当缩比因子为s时，有：
l′＝l/s，f′＝f×s，σ′＝σ/s2
其中，l为目标长度，f为目标测试频率，σ为目标RCS，l′为缩比后的目标长度，f′为缩比后所需的目标测试频率，σ′为缩比后目标的RCS。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述窄带脉冲簇的脉冲宽度大于等于其中ΔLmax为缩尺模型的最大尺寸，频率脉冲增量Δf满足T1为电磁波从发射天线至缩尺模型的往返时间。
4.一种船舶RCS的缩尺模型湖面试验系统，其特征在于，包括：
脉冲发射模块，用于在内陆湖泊水面环境下，向水面的被测物体船舶缩尺模型发射一系列窄带脉冲簇，每一簇内包含有n个载频以间隔为Δf递增的脉冲；
采集模块，用于采集船舶缩尺模型的回波信号；
傅里叶变换模块，用于采用快速傅里叶变换将采集的回波信号变换为预先定义的时域信号；
滤波模块，用于对变换后的时域信号，把预定时间窗口外的所有信号置零，并滤掉相互作用的回波，得到目标一维成像曲线；
定标体测量模块，用于在保持测量系统状态不变的情况下，通过上述模块对定标体进行测量并计算，得到定标体的成像幅值；
RCS测试数据处理模块，用于采用相对定标法，使用定标体的成像幅值对目标的一维成像曲线进行归一化处理，获得定标后的目标一维成像曲线，并将其变换到频域，得到缩尺模型的RCS测试数据；
数据转换模块，用于将缩尺模型的RCS测试数据转换成实船RCS。
5.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，数据转换模块具体用于根据电磁缩比定律，当缩比因子为s时，有：
l′＝l/s，f′＝f×s，σ′＝σ/s2
其中，l为目标长度，f为目标测试频率，σ为目标RCS，l′为缩比后的目标长度，f′为缩比后所需的目标测试频率，σ′为缩比后目标的RCS。
6.根据权利要求4所述的系统，其特征在于，所述窄带脉冲簇的脉冲宽度大于等于其中ΔLmax为缩尺模型的最大尺寸，频率脉冲增量Δf满足T1为电磁波从发射天线至缩尺模型的往返时间。
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