CN108248892B

CN108248892B - 一种散射测试支吊系统可测范围扩展方法及系统

Info

Publication number: CN108248892B
Application number: CN201711474014.7A
Authority: CN
Inventors: 何国瑜; 李志平; 武建华; 王正鹏
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-12-29
Filing date: 2017-12-29
Publication date: 2020-10-20
Anticipated expiration: 2037-12-29
Also published as: CN108248892A

Abstract

本发明公开了一种散射测试支吊系统可测范围扩展方法及系统，对现有两支一吊系统采用的大圆扫描方式提出一种优化工作模式，用以扩展散射测试两支一吊系统的可测范围。由于两支一吊系统的大圆扫描方式通过非线性矩阵变换得到雷达散射截面的测量结果，这种测量方式不具备数据的完备性。本发明提出的优化工作模式中，首先通过改变吊绳的长度，在不同的俯仰角α下进行测量，然后通过改变两根支杆的高度差，在不同的横滚角β下进行测量，综合使用两种测量结果。计算表明，相比于一般的工作模式，可测范围可以从64％提升到90％。在支架系统机械设计方面，仅需增加支杆横向间距的微调自由度，这种改变所增加的成本有限，支杆的受力基本没有改变，系统可靠性和安全性不会受到影响。

Description

一种散射测试支吊系统可测范围扩展方法及系统

技术领域

本发明属于低可观测技术领域，具体涉及真实作战隐身飞机RCS测量中一种目标支吊系统可测范围扩展的方法和技术。

背景技术

除传统泡沫支架和低反射金属支架外，近期出现了一种两支一吊支架系统，它们的性能见表1。在缩比模型RCS测量中，主要应用泡沫支架和金属支架。在1:1全尺寸飞机测量中，泡沫支架已经不便于使用，改用金属支架和两支一吊系统。金属支架的转台在支架的顶端(称转顶)，测量时在被测目标上开一个洞，转顶嵌入该洞(消除转顶的反射)。

表1三种支架系统的比较

附图1为两支一吊系统示意图，两支一吊系统中，一维转台台面与地面平行，转台旋转轴z与地面垂直。两根支杆固定在转台上，与转台台面垂直。两根支杆在点b和点c与飞机实现机械连接。固定在屋顶的吊绳与飞机背部的a点连接，吊绳与转台轴线重合。通过a、b、c三点将飞机固定在空中。通过调整支杆I和支杆II的高度以及吊绳的长度可以改变飞机的俯仰角α和横滚角β。转台转动带动飞机实现转台方位角

变化进行目标的RCS测量。

在两支一吊测量系统中，建立飞机坐标系x’y’z’和转台坐标系xyz，如附图2所示。在飞机坐标系x’y’z’中，飞机对准x’轴，且与机身轴线重合，飞机的水平面与x’y’平面重合，z’轴与飞机背部垂直。θ为z’轴与电磁波射线的夹角，称天顶角；

为电磁波射线在x’y’平面投影与x’轴的夹角，称方位角，天顶角θ和方位角

称为飞机的特征姿态角。在转台坐标系xyz中，xy平面与一维转台台面平行(与地面平行)，z轴与转台台面(地面)垂直。电磁波与旋转轴z垂直。

在RCS测量中，平面波的方向是确定的，飞机通过支架系统改变它在空间的姿态，从而得到雷达散射截面σ(θ,φ)。天顶角θ和方位角

表示电磁波射线和飞机的两个特征夹角。当θ∈(0，π)和

时，特征姿态θ，

将涵盖整个空间区域。两支一吊系统的参数为α，β，

通过坐标变换可以计算出对应的姿态角θ，

然后获得要求的σ(θ,φ)。

金属支架转顶旋转轴为坐标系的z’轴，电磁波与旋转轴呈倾斜状态，天顶角θ为电磁波射线与z’轴的夹角。转顶旋转角为飞机的方位角

机头方向对准电磁波时方位角

当电磁波射线与旋转轴倾斜时，姿态角的变化方式称为圆锥扫描。圆锥扫描时给定天顶角θ为常数，转顶旋转方位角

变化，进行特征姿态角的均匀采样，可直接得到要求的

如图9所示。显然，圆锥扫描可以保证数据的完整性。

两支一吊支撑系统无需在飞机上开洞，对被测飞机没有破坏，因此受到重视。转台坐标系中xy平面与一维转台台面平行(与地面平行)，z轴与转台台面(地面)垂直。电磁波与旋转轴z垂直，给定飞机的俯仰角α和横滚角β后，转台方位角

变化带动飞机旋转完成RCS测量，这种姿态角变化方式称为大圆扫描。两支一吊支撑系统的缺点之一是，测量参数α，β，

不是要求的特征姿态角θ，

因此不能直接得到要求的σ(θ,φ)。

当前两支一吊的基本使用方法是两根支杆具有相同的高度，通过吊绳伸缩改变目标的俯仰角α，此时目标的横滚角β＝0。根据给定的β＝0和α(例如α从-15°～15°)、和转台方位角

进行RCS测量。计算结果证明，当设定横滚角β＝0的一般工作模式中，当俯仰角|α|≤15°情况下，特征姿态角θ，

的有效数据区域占64％，不可测量的数据区域占36％。当俯仰角|α|≤90°情况下，特征姿态角θ，

的有效数据区域占50.6％，不可测量的数据区域占49.4％。这种方法间接的得到σ(θ,φ)，不可能在θ，

的全空间球面上得到希望的测试结果。换言之，大圆扫描测量的测量结果不具备数据完整性。

为了从大圆扫描结果得到要求的σ(θ,φ)，必须进行数据变换。在现有技术中中，未见上述变换的详细分析，特别是在两支一吊支撑系统应用方面尚无有指导意义的结论。两支一吊支架系统，由于具有承重大，对测试目标没有破坏等优点，在全尺寸飞机测量中得到了许多应用。但是现有的两支一吊系统的大圆扫描方式通过非线性矩阵变换间接的得到雷达散射截面(RCS)测量结果，这种测量方式不具备数据的完备性，在不改变横滚角的一般工作模式中，实际可测范围只有64％，不可测范围达到36％。因此对两支一吊的工作模式继续进行研究，在工程应用方面具有重要的实际意义。

发明内容

本发明对现有两支一吊系统采用的大圆扫描方式提出一种优化工作模式，用以扩展散射测试两支一吊系统的可测范围，在支架系统机械设计方面，优化工作模式仅需要在一般工作模式的基础上增加支杆横向间距的微调自由度，这种改变所增加的成本有限，支杆的受力基本没有改变，系统可靠性和安全性不会受到影响。

本发明提供了一种散射测试支吊系统可测范围扩展方法，在两支一吊支撑系统中，一维转台在俯仰转动机构下面，转台台面与地面平行，转台旋转轴与地面垂直；两根支杆固定在转台上，并且与转台台面垂直，两个支杆与飞机实现机械连接；固定在屋顶的吊绳与飞机背部连接，吊绳与转台轴线重合，两个支杆和一个吊绳将飞机固定在空中，其中，调整吊绳的长度改变飞机的俯仰角α，调整支杆的高度差改变飞机的横滚角β，转台旋转带动飞机实现转台方位角

变化进行目标的RCS散射截面的大圆扫描。

上述散射测试支吊系统可测范围扩展方法中，当电磁波射线与转台旋转轴z垂直时，给定飞机的俯仰角α和横滚角β后，转台旋转带动飞机实现转台方位角

变化，实现大圆扫描。

上述散射测试支吊系统可测范围扩展方法中，首先设定横滚角β为0°，改变俯仰角α，转台旋转带动飞机实现转台方位角

变化，进行RCS测量；再设定俯仰角α为0°，改变横滚角β，转台旋转带动飞机实现转台方位角

变化，进行RCS测量；最后，综合使用两种条件下的测量结果。

本发明还提供了一种散射测试支吊系统可测范围扩展系统，一般工作模式中，两根支杆具有相同的高度，通过吊绳伸缩改变目标的俯仰角α，此时目标的横滚角β＝0，改变俯仰角α，转台旋转带动飞机实现转台方位角

变化，进行RCS测量；其中，该可测范围扩展系统提出了一种优化工作模式，在支架系统机械设计方面，所述优化工作模式需要在一般工作模式的基础上增加支杆横向间距的微调自由度。在两种情况下，支杆的受力要求基本系相同，一般工作模式和优化工作模式有相同的系统可靠性和安全性。

综上所述，本发明提出的优化工作模式中，首先通过改变吊绳的长度，在不同的俯仰角α下进行测量，然后通过改变两根支杆的高度差，在不同的横滚角β下进行测量，综合使用两种测量结果。相比于一般的工作模式，可测范围可以从64％提升到90％。在支架系统机械设计方面，仅需增加支杆横向间距的微调自由度，这种改变所增加的成本有限，支杆的受力基本没有改变，系统可靠性和安全性不会受到影响。

附图说明

图1为两支一吊系统的示意图；

图2为飞机坐标系和特征姿态角定义；

图3为两种姿态角扫描的方法，左图为圆锥扫描，右图为大圆扫描；

图4为两支一吊系统转台坐标系和目标坐标系关系示意图；

图5为大圆扫描采样点分布图；

图6为β＝0°时，大圆扫描方位角

与天顶角θ关系曲线；

图7为β＝0°，|α|≤15°时，

与θ关系曲线；

图8为大圆扫描方位角

与

的关系曲线；

图9为飞机方位角与θ的关系；

图10为圆锥扫描采样点分布图；

图11为α＝0时，大圆扫描方位角

与天顶角θ曲线；

图12为优化工作模式测量数据分布；

图13为优化工作模式的可测区；

图14为优化工作模式和一般工作模式下，可测区域比例和俯仰角α的关系；

图15为横滚运动示意图；

图16为波束偏转增加可测范围示意图。

具体实施方式

本发明散射测试支吊系统可测范围拓展的具体实施方式如下：

①横滚角β＝0，对一系列离散俯仰角α，进行转台方位角

的旋转；

②方位角α＝0，对一系列离散横滚角β，进行转台方位角

的旋转；

③将两种测量结果进行综合。

俯仰角α在±15°区间的全部曲线落在图7a中幅度最大的两条曲线之间的区域内，该区域为图4所示区域在目标坐标系中的映射，也是大圆扫描实际可测的数据范围，如图7所示。不难计算大圆扫描时可测区域的面积占64％，如图7b所示。

两支一吊支撑系统一般工作模式产生数据缺失的重要原因是设定横滚角β＝0°造成的。所以设定方位角α＝0°，对一系列离散的横滚角β进行转动转台的测量，结果如图11所示，与图7相比他在横坐标方向上产生了一个“位移”。

将两者的测量结果进行综合，结果如图12所示，可测范围不难计算为90％。

图3为两种姿态角扫描的方法，左图为圆锥扫描，右图为大圆扫描。

为了将大圆扫描测量结果转换到圆锥扫描要求的结果，必须进行坐标变换。图4为两种坐标系之间关系的示意图。x轴和x’轴之间的夹角为俯仰角α。y轴和y’轴之间的夹角为横滚角β。电磁波射线

与z’轴的夹角为天顶角θ。射线

在xy平面投影与x轴的夹角为转台方位角

射线

在x’y‘平面投影与x’轴的夹角为转顶的方位角

假设电磁波射线

处于转台坐标系的xy平面，射线上P(xyz)点到原点0的距离r＝1，则P点在xyz坐标为：

可以证明，P点在飞机坐标系的坐标x’y’z’为：

由式(3)计算出P点在坐标系x’y’z’的坐标后，可以计算雷达射线和飞机关系的特征姿态角θ，

方位角：

天顶角：

当前两支一吊的典型工作方式为：两根支杆具有相同高度，此时飞机的横滚角β＝0，通过吊绳的伸缩改变飞机的俯仰角α。图5为在大圆扫描中的测量点的示意图，横坐标为转台方位角

采样点为n₁；纵坐标为俯仰角α，采样点为n₂，横坐标和纵坐标的采样点均匀分布。在一般工作模式下，横滚角β＝0，俯仰角α从-15°到15°变化，由式(3)计算电磁波射线上P点在飞机坐标系中的坐标x’y’z’，再由式(4)和式(5)计算特征姿态角θ，

图6为一般工作模式下，计算的天顶角θ与转台方位角

的关系曲线。当α＝90°时，转台方位角

天顶角θ＝180°；

时，θ＝90°，

时，θ＝0°；

时，θ＝90°；

时，θ＝180°。当α＝-90°时，转台方位角

天顶角θ＝0°；

时，θ＝90°，

时，θ＝180°；

时，θ＝90°；

时，θ＝0°。上述两条曲线几乎是由直线构成的“折线”。

可见，当俯仰角α比较小时，天顶角的变化曲线比较像是正弦或余弦曲线。例如|α|≤15°时，天顶角θ的曲线见图7。俯仰角α＝-15°时，转台方位角

天顶角θ＝75°；

时，θ＝90°，

时，θ＝105°；

时，θ＝90°；

时，θ＝75°。俯仰角α＝-15°，

从0～360时，形成一条“负的余弦曲线”。在俯仰角α＝15°时，转台方位角φ₁＝0，天顶角θ＝105°；φ₁＝90时，θ＝90°，φ₁＝180时，θ＝75°；φ₁＝270时，θ＝90°；φ₁＝360时，θ＝105°。俯仰角α＝15°，φ₁从0～360时，形成一条“余弦曲线”。

俯仰角α在±15°区间的全部曲线落在图7a中幅度最大的两条曲线之间的区域内，该区域为图4所示区域在目标坐标系中的映射，也是大圆扫描实际可测的数据范围。

图5和图7的测量点数相等，并且一一对应，但测量点在两张图上的分布不同。图5所示测量区上的测量点均匀分布，而在图7a的测量点分布不均匀。俯仰角α在±15°区间的全部曲线落在图7a中幅度最大的两条曲线之间的区域内，该区域为图4所示区域在目标坐标系中的映射，也是大圆扫描实际可测的数据范围。图7中，在d和d’点附近测量点非常密集，有区域分布密集，使得另外区域出现空缺。由图7可见，在机头和机尾附近的区域测量的数据比较完整，在侧面的区域测量的数据缺失较多。不难计算大圆扫描时可测区域的面积占64％，不可测量的区域面积占36％。

转台方位角

和特征姿态角中的飞机方位角

非常接近，但是随着俯仰角α增加，两者出现差别。图8给出大圆扫描方位角

与

的关系曲线。在俯仰角α为15°时，两者的偏差小于1°。为了分析方便，可近似认为

两支一吊支撑系统一般工作模式产生数据缺失的重要原因是设定横滚角β＝0°造成的。为了扩大两支一吊支撑系统的测量有效区域，必须适当增加改变横滚角的扫描方式。下面提出一种新的工作模式，它的测试有效区将提高到90％。这种工作模式称为优化工作模式。

假定目标的俯仰角α＝0°，当横滚角β从-15°变化到15°，由式(3)计算电磁波射线上P点在飞机坐标系中的坐标x’y’z’，再由式(4)和式(5)计算特征姿态角θ，

图11为俯仰角α＝0°，横滚角β变化时，转台方位角

与天顶角θ的关系曲线。在横滚角β＝-15°时，转台方位角

天顶角θ＝90°；

时，θ＝75°，

时，θ＝90°；

时，θ＝105°；

时，θ＝90°。俯仰角α＝-15°，

从0～360时，形成一条“负的正弦曲线”。在横滚角β＝15°时，转台方位角

天顶角θ＝90°；

时，θ＝105°，

时，θ＝90°；

时，θ＝75°；

时，θ＝90°。俯仰角α＝15°，

从0～360时，形成一条“正弦曲线”。横滚角β在±15°区间的全部曲线落在图11中幅度最大的两条曲线之间的区域内。

图7与图11比较，两者在横坐标

方向产生了“错位”。当α＝0°，对一系列离散的横滚角β进行转动转台的测量，β从-15°～15°变化时，飞机侧面测量的数据多，而机头和机尾附近区域的数据缺失多。我们将图7和图9的两种情况都进行测试后，将数据进行综合处理，得到图11的情况，与图7相比在横坐标方向上产生了一个“位移”。

对横滚角β＝0，俯仰角α变化时，所有可测数据处于两条余弦曲线之间的区域可测区域，用“可测区”字样标明。对俯仰角α＝0，横滚角β变化时，所有可测数据处于两条正弦曲线之间的区域，可测区域，用“可测区”字样标明。不可测的区域用“不测区”字样标明，见图13。不难计算，在这种情况下，可测区域面积为90％，不可测区域面积为10％。测量数据的完整性得到很大提升。

计算表明，一般工作模式和优化工作模式的可测区域的面积η均随测试的俯仰角|α|的增加而减小。在|α|＝90°时，η分别下降到50％和75％，见图14。

为了进行目标的横滚，两根支杆的高度必须进行调整。吊绳在转台中心，且其高度恒定不变，见图15。

大圆扫描时，目标的横滚角β决定于两根支杆高度的变化。横滚如图15所示。支杆I和支杆II高度不同，飞机出现横滚，两根支杆的高度差为：

H＝L×sin β (6)

两根支杆之间的横向距离为d：

d＝L×cos β (7)

当给定两根支杆在目标水平情况下的间距L时，可以根据测量的横滚角β值计算出两根支杆高度的差H以及需要调整的两根支杆之间的距离d。在真实作战飞机的RCS测量中，第一位的要求是必须保证飞机的安全性和可靠性。因此要求优化工作模式的安全性和可靠性不能受到影响。

在两支一吊的基础上，增加波束偏转，也可以扩展测试区和天顶角的测试范围。

可测区范围：如图16中所示，按照余弦曲线，计算方框中余弦曲线下面的面积，加上0.5236，总可测面积1.5236。总面积1.333*1.5708＝2.0944。可测面积为：

可测面积提高10％。

波束向下偏转，α＝±15°测量两次；波束向上偏转，α＝±15°测量两次。考虑HH/VV，增加8次测量。采用优化工作模式时，可测范围为：

可测范围又提高20％。考虑HH/VV，增加12次测量。

综上所述，本发明提出了一种优化工作模式，首先通过改变吊绳的长度，在不同的俯仰角α下进行测量，然后通过改变两根支杆的高度差，在不同的横滚角β下进行测量，综合使用两种测量结果，用以扩展散射测试两支一吊系统的可测范围，相比于一般的工作模式，可测范围可以从64％提升到90％。在支架系统机械设计方面，优化工作模式仅需要在一般工作模式的基础上增加支杆横向间距的微调自由度，这种改变所增加的成本有限，支杆的受力基本没有改变，系统可靠性和安全性不会受到影响。

Claims

1.一种散射测试支吊系统可测范围扩展方法，在两支一吊支撑系统中，一维转台在俯仰转动机构下面，转台台面与地面平行，转台旋转轴与地面垂直；两根支杆固定在转台上，并且与转台台面垂直，两个支杆与飞机实现机械连接；固定在屋顶的吊绳与飞机背部连接，吊绳与转台轴线重合，两个支杆和一个吊绳将飞机固定在空中，其特征在于：调整吊绳的长度改变飞机的俯仰角α，调整支杆的高度差改变飞机的横滚角β，转台旋转带动飞机实现转台方位角φ1变化进行目标的RCS散射截面的大圆扫描；

首先设定横滚角β为0°，改变俯仰角α，转台旋转带动飞机实现转台方位角φ1变化，进行RCS测量；再设定俯仰角α为0°，改变横滚角β，转台旋转带动飞机实现转台方位角φ1变化，进行RCS测量；最后，综合使用两种条件下的测量结果。

2.根据权利要求1所述的一种散射测试支吊系统可测范围扩展方法，其特征在于：当电磁波射线与转台旋转轴z垂直时，给定飞机的俯仰角α和横滚角β后，转台旋转带动飞机实现转台方位角φ1变化，实现大圆扫描。

3.一种散射测试支吊系统可测范围扩展系统，该扩展系统用于实施如权利要求1所述的一种散射测试支吊系统可测范围扩展方法，一般工作模式中，两根支杆具有相同的高度，通过吊绳伸缩改变目标的俯仰角α，此时目标的横滚角β＝0，改变俯仰角α，转台旋转带动飞机实现转台方位角φ1变化，进行RCS测量；该可测范围扩展系统提出了一种优化工作模式，在支架系统机械设计方面，所述优化工作模式需要在一般工作模式的基础上增加支杆横向间距的微调自由度。