CN109884606A - 基于单天线雷达散射截面rcs测量装置及性能分析方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于单天线雷达散射截面RCS测量装置及性能分析方法，该装置包括矢量络分析仪，收发天线，天线支架和定标体；所述收发天线包括环形器，喇叭天线和射频电缆，所述环形器由水平输入端口、垂直端口和水平输出端口组成，该水平输入端口输入的微波信号沿着垂直端口输出，垂直端口输入的微波信号从水平输出端口输出，用于实现收发天线的收发信号分离；该方法的步骤为：设置输入信号P_o；通过输入信号P_o获得环形器泄露信号P_H和馈源端口处反射信号P_Γ；本发明可应用于低散射环境下内对目标雷达散射截面的测量，解决了双天线雷达散射截面测量装置的直波泄露问题，提高了雷达散射截面RCS测量装置的测量精度。

Description

基于单天线雷达散射截面RCS测量装置及性能分析方法

技术领域

本发明属于微波技术领域，具体涉及微波测量技术领域中的一种基于单天线的雷达散射截面RCS(Radar Cross Section)测量装置及其性能分析方法，可用于低散射环境下目标的雷达散射截面测量。

背景技术

随着电子现代电子科技技术的迅猛发展，微波测量面临的工作日渐复杂，其中对于目标雷达散射截面的测量是微波测量领域的重要步骤。目标的雷达散射截面是一个假想的面积，通过描述当目标被雷达照射时反射回雷达的波的幅度，用来对目标进行电磁特性分析，对目标雷达散射截面的测量，不仅可以获得对目标基本散射现象的了解，检验理论分析的结果，而且可以获得大量的目标特征数据，建立目标特征数据库。

雷达散射截面测量装置的研究在国防、宇航、航空、气象和航海等方面具有很重要的意义。在军事应用方面，可用于设计隐身运动平台(如：隐身飞机、军舰、导弹、和汽车等)；在民用方面，可用于对森林、矿山、海洋等目标特征识别；微波近感探测，识别地下目标；研究人体和生物的微波散射特征，进行微波诊断和治疗。目前，针对雷达散射截面测量系统中，该收发天线在使用双天线的过程中还存在直波泄露导致测量精度下降，收发天线所占有体积大，使得空间利用率低的问题。

例如，西安电子科技大学谢楷等人在其申请的名称为“等离子体包覆材料的雷达散射特性测量装置及方法”(201210257142.7，申请公布号CN 102809577 A)申请的专利文献中，包括：大面积匀非磁化等离子体产生单元、雷达散射截面测量机构、微波暗室、支撑导轨、支撑滑块、被测材料板、吸波材料，大面积均匀非磁化等离子体产生单元、雷达散射截面测量机构固定在微波暗室内，大面积均匀非磁化等离子体产生单元由吸波材料包围在一个空间内，吸波材料有一个窗口，使大面积均匀非磁化等离子体产生单元的被测材料板直面雷达散射截面测量机构；但是，被测材料板不能够完全沉浸于均匀大面积等离子体内部，不容易均匀大面积被离子体表面覆盖，导致被测材料的测量不准确。

例如，山西大学卢茂春等人在其申请的名称为“太赫兹雷达散射截面测试系统及雷达散射截面提取方法”(201811066798.4，申请公布号CN109283525 A)申请的专利文献中，公开了一种太赫兹雷达散射截面系统及一种雷达散射截面提取方法；该雷达散射截面测量系统中的收发天线使用双天线结构，包括0.22THz频率步进雷达系统、二维高精度电控转台、步进电机控制器组成；所述0.22THz频率步进雷达系统，包括频率综合器、射频前端、数字中频模块、喇叭天线、信号采集处理板、上位机控制单元图像显示单元。该双天线结构存在直波泄露的问题，导致对测量精度产生影响。

发明内容

本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于单天线的雷达散射截面RCS测量装置及其性能分析方法，用以解决双天线信号直波泄漏，而导致测量装置测量精度过低的技术问题。

为了实现上述目的，本发明的目的是这样实现的：

基于单天线雷达散射截面RCS的测量装置，包括矢量络分析仪，收发天线，天线支架和定标体；

所述矢量网络分析仪，包括信号发射端口和信号测量端口，用于实现微波信号的发射和接收；

所述天线支架包括导轨，导轨滑块和三脚架，所述导轨和导轨滑块实现收发天线的移动，三角架用于天线支架的支撑；

所述定标体为RCS测量装置用于标定的金属球；其特征在于，所述收发天线包括环形器，喇叭天线和射频电缆，所述环形器由水平输入端口、垂直端口和水平输出端口组成，该水平输入端口输入的微波信号沿着垂直端口输出，垂直端口输入的微波信号从水平输出端口输出，所述微波信号为步进频连续波信号；所述喇叭天线设有馈源端口，所述馈源端口通过射频电缆与环形器的垂直端口相连接，所述水平输入端口通过射频电缆与矢量网络分析仪的信号发射端口相连接，水平输出端口通过射频电缆与矢量网络分析仪的信号接收端口相连接，实现收发天线的收发信号分离。

所述步进频连续波信号，用于获取在12GHz-18GHz频段下的目标回波幅值和相位信息。

所述环形器采用了铁氧体旋磁材料，该铁氧体旋磁材料在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性。

所述天线支架中，导轨和导轨滑块使用非金属材料。

基于单天线的雷达散射截面RCS实现过程的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将矢量网络分析仪与收发天线组合；

(1a)将收发天线置于天线支架的工作面上；

(1b)使用标准校准件对矢量网络分析仪进行校准，并将矢网与收发天线相连接；

(1c)设置输入信号P_o；

(1d)通过输入信号P_o获得环形器泄露信号P_H和馈源端口处反射信号P_Γ。

(2)对环形器泄露信号P_H和馈源端口处反射信号P_Γ建模分析；

(2a)将输入信号P_o从环形器水平输入端口泄露到水平输出端口，获得环形器泄露信号P_H；

(2b)将输入信号P_o从环形器水平输入端口传输到环形器垂直端口，获得馈源端口的入射信号P_C；

(2c)将馈源端口处的入射信号P_C在馈源端口处反射，获得馈源端口处反射信号P_Γ。

步骤(2a)中所述的环形器泄露信号功率为P_H,其中，I_C为环形器隔离度，L_C为环形器损耗，L₁,L₃为射频电缆损耗。

步骤(2b)中所述的馈源端口的入射信号为P_C，其中，L₂为射频电缆损耗。

步骤(2c)中所述的馈源端口处反射信号为P_Γ，其中，Γ为喇叭天线的反射系数。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、本发明采用的收发天线包括环行器，标准喇叭天线和射频电缆，所述环行器由水平输入端口、垂直端口和水平输出端口组成，该水平输入端口输入的微波信号沿着垂直端口输出，垂直端口输入的微波信号从水平输出端口输出，采用了铁氧体旋磁材料，该铁氧体旋磁材料在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下，具有单向传输电磁波的能力，使得环形器能够实现收发信号的分离，并利用环形器和单个喇叭天线实现信号的收发，因此，解决了双天线的直波泄露问题，提高了雷达散射截面RCS测量装置的测量精度。

2、本发明采用的收发天线包括环形器，标准喇叭天线和射频电缆，所述环形器由水平输入端口、垂直端口和水平输出端口组成，使得环形器的垂直端口和馈源端口相连接，在成像测量时能够有效利用喇叭天线主瓣孔径，提高了被测目标的成像分辨率。

3本发明所采用的基于单天线的雷达散射截面RCS实现过程的分析方法，利用射频电路理论，对入射信号P_o在收发天线中的传输方式进行数值分析，在给定环形器隔离度I_C，环形器损耗L_C，射频电缆损耗L₁,L₂,L₃和天线反射系数Γ的条件下，能够定量的分析环形器泄露信号P_H和馈源端口处反射信号P_Γ。

附图说明

图1为本发明的整体结构示意图

图2为本发明收发天线结构的示意图

图3为本发明矢量网络分析仪与收发天线的接线图

图4为单天线的雷达散射截面RCS实现过程的分析方法流程图

图5为本发明12GHz-18GHz下目标雷达散射截面RCS分布图

图6为本发明的测量装置信号传输模型图

图7为本发明测量装置的时域灵敏度仿真结果图

图8为本发明测量装置的时域灵敏度实测结果图

具体实施方式

以下结合附图，对本发明的技术方案作进一步详细说明

参照图1、图2、图3和图4

基于单天线雷达散射截面RCS的测量装置，包括矢量络分析仪1，收发天线2，天线支架3和定标体4；

所述矢量网络分析仪1，包括信号发射端口1.1和信号测量端口1.2，用于实现微波信号的发射和接收；

所述天线支架3包括导轨3.1，导轨滑块3.2和三脚架3.3，所述导轨和导轨滑块实现收发天线2的移动，三角架用于天线支架3的支撑；

所述定标体4为RCS测量装置用于标定的金属球；其特征在于，所述收发天线2包括环形器2.1，喇叭天线2.2和射频电缆2.3，所述环形器2.1由水平输入端口2.1.1、垂直端口2.1.2和水平输出端口2.1.3组成，该水平输入端口2.1.1输入的微波信号沿着垂直端口2.1.2输出，垂直端口2.1.2输入的微波信号从水平输出端口2.1.3输出，所述微波信号为步进频连续波信号；所述喇叭天线2.2设有馈源端口2.2.1，所述馈源端口2.2.1通过射频电缆2.3与环形器2.1的垂直端口2.1.2相连接，所述水平输入端口2.1.1通过射频电缆2.3与矢量网络分析仪1的信号发射端口1.1相连接，水平输出端口2.1.3通过射频电缆2.3与矢量网络分析仪1的信号接收端口1.2相连接，实现收发天线2的收发信号分离。

本发明中的环形器2.1包括水平输入端口2.1.1、垂直端口2.1.2和水平输出端口2.1.3，环形器采用了铁氧体旋磁材料，该铁氧体旋磁材料在外加高频波场与恒定直流磁场共同作用下，产生旋磁特性；基于此特性，该铁氧体材料中传播的电磁波产生极化的旋转(法拉第效应)，以及电磁波的吸收(铁磁共振)，使得环形器2.1具有单向传输电磁波的能力，该环形器2.1的单向传输电磁波的能力与其隔离度有关，隔离度的大小反映环形器2.1对反向电磁波的阻碍作用，隔离度越大，对反向电磁波的阻碍作用越强，环形器2.1能够用于实现收发信号的分离。

所述步进频连续波信号，用于获取在12GHz-18GHz频段下的目标回波幅值和相位信息。

参照图5和图6

图5所表示金属球体在12GHz-18GHz下的RCS值变化情况，其中，横坐标表示为频率，纵坐标表示为RCS幅度值的变化，由图5可知，随着频率的增加，目标雷达散射截面RCS幅度值趋于稳定。本发明中的步进频连续波信号，是由矢量网络分析仪1中的信号源频率随时间步进变化而产生的，用于在一个频段内瞬间对目标雷达散射截面RCS的测量，是实现宽带扫频测量的基础。

所述环形器2.1采用铁氧体旋磁材料，该铁氧体旋磁材料在外加高频波场与恒定直流磁场的作用下，产生旋磁特性。

所述天线支架3中，导轨3.1和导轨滑块3.2使用非金属材料。该非金属材料可以是聚氨酯泡沫。

本发明中的图6表示信号在测量装置中的传输路径，该测量装置输入信号为P_o，当矢量网络分析仪1工作时，会产生泄漏信号，该泄漏信号进入矢量网络分析仪测量接收机内，泄露信号有两种传输路径：第一种泄露路径当发射信号经过环形器2.1，到馈源端口2.2.1时，由于馈源端口2.2.1的阻抗不匹配，造成部分入射信号反射到矢量网络分析仪的测量接收机，得到馈源端口2.2.1处的反射信号P_Γ。第二种泄露路径是由于环形器2.1的隔离度有限，当输入信号P_o经过环形器2.1时，输入信号P_o从环形器端口2.1.1泄露到端口2.1.3，得到环形器2.1处泄露信号P_H。由分析可知，泄露主要原因是环形器隔离度有限和天线反射。因此，为了解决泄露问题，进一步提高环形器的隔离度或者改进馈源端口2.2.1的阻抗匹配。

基于单天线的雷达散射截面RCS实现过程的分析方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)将矢量网络分析仪1与收发天线2组合；

(1a)将收发天线2置于天线支架3的工作面上；

(1b)使用标准校准件对矢量网络分析仪1进行校准，并将矢网1与收发天线2相连接；

(1c)设置输入信号P_o；

(1d)通过输入信号P_o获得环形器泄露信号P_H和馈源端口2.2.1处反射信号P_Γ。

本发明步骤将矢量网络分析仪1与收发天线2组合使用基于对矢量网络分析仪1自身的工作方式与RCS测量原理分析，将矢量网络分析仪1作为宽带扫频测量RCS测量装置的发射机和接收机；

(2)对环形器泄露信号P_H和馈源端口2.2.1处反射信号P_Γ建模分析

(2a)将输入信号P_o从环形器水平输入端口2.1.1泄露到水平输出端口2.1.3，获得环形器泄露信号P_H；

(2b)将输入信号P_o从环形器水平输入端口2.1.1传输到环形器垂直端口2.1.2，获得馈源端口2.2.1的入射信号P_C；

(2c)将馈源端口2.2.1处的入射信号P_C在馈源端口2.2.1处反射，获得馈源端口2.2.1处反射信号P_Γ。

本发明步骤对环形器2.1泄露信号P_H和馈源端口H4处反射信号P_Γ建模分析，环形器2.1泄露信号P_H产生的原因是环形器2.1隔离度有限，馈源端口H4处反射信号P_Γ的原因是喇叭天线2.2端口与射频电缆2.3端口阻抗失配引起的失配反射。

步骤(2a)中所述的环形器2.1泄露信号功率为P_H,其中，I_C为环形器2.1隔离度，L_C为环形器2.1损耗，L₁,L₃为射频电缆2.3损耗。

步骤2b中所述的馈源端口2.2.1的入射信号为P_C，其中，L₂为射频电缆2.3损耗。

步骤(2c)中所述的馈源端口2.2.1处反射信号为P_Γ，其中，Γ为喇叭天线2.2的反射系数。

参照图7和图8

图7中的横坐标表示距离信息，纵坐标表示灵敏度信息。将环形器2.1泄露信号P_H和馈源端口2.2.1处反射信号P_Γ当传输路径上的两个目标，距离分别为R₁和R₂。电磁波的延迟时间分别为τ₁＝2R₁/c，τ₂＝2R₂/c。于是，接收信号为：

S_R＝A₁cos(ωt-4πfR₁/c)+A₂cos(ωt-4πfR₂/c)

对于一定带宽上的接收信号：

S_R(i)＝A₁cos(ωt-4πf(i)R₁/c)+A₂cos(ωt-4πf(i)R₂/c)

将上式表示成指数形式：

S_R(i)＝A₁exp(φ₀-j4πf(i)R₁/c)+A₂exp(φ₀-j4πf(i)R₂/c)

矢量网络分析仪的测量接收机可以得到信号的振幅A_R(i)和相位φ_R(i)分别为

A_R(i)＝abs(S_R(i))

φ_R(i)＝angle(S_R(i))

则矢量网络分析仪的测量接收机接收到的信号可表示为A_R(i)·exp(jφ_R(i))，对该信号作逆傅里叶变换，可以得到信号在时域上的信息

为了定量地分析阻抗不匹配及环形器2.1泄露对接收机的影响，通过实际测量得到喇叭天线2.2驻波比ρ＝1.2:1，反射系数为射频电缆2.3插损L₁＝L₂＝L₃＝2.2dB，环形器2.1插损L_c＝0.22dB。环形器2.1隔离度I_c＝22.9dB，令输入信号P_o的发射频率为12GHz-18GHz，发射功率为0dBm。根据以上参数可以计算得到环形器2.1泄漏信号和馈源端口2.2.1反射信号P_Γ，即：

图8中的横坐标表示距离信息，纵坐标表示灵敏度信息。在R＝0m，和R＝1.443m处为环形器2.1泄露和馈源端口2.2.1处的反射，能够看出信号泄露对于矢量网络分析仪的测量接收机灵敏度的理论影响和实验值吻合度高。其中，信号传输时多径效应对矢量网络分析仪的测量接收机灵敏度有影响。

Claims (8)

1.一种基于单天线的雷达散射截面RCS测量装置，包括矢量络分析仪(1)，收发天线(2)，天线支架(3)和定标体(4)；

所述矢量网络分析仪(1)，包括信号发射端口(1.1)和信号测量端口(1.2)，用于实现微波信号的发射和接收；

所述天线支架(3)包括导轨(3.1)，导轨滑块(3.2)和三脚架(3.3)，所述导轨和导轨滑块实现收发天线(2)的移动，三角架用于天线支架(3)的支撑；

所述定标体(4)为RCS测量装置用于标定的金属球；其特征在于，所述收发天线(2)包括环形器(2.1)，喇叭天线(2.2)和射频电缆(2.3)，所述环形器(2.1)由水平输入端口(2.1.1)、垂直端口(2.1.2)和水平输出端口(2.1.3)组成，该水平输入端口(2.1.1)输入的微波信号沿着垂直端口(2.1.2)输出，垂直端口(2.1.2)输入的微波信号从水平输出端口(2.1.3)输出，所述微波信号为步进频连续波信号；所述喇叭天线(2.2)设有馈源端口(2.2.1)，所述馈源端口(2.2.1)通过射频电缆(2.3)与环形器(2.1)的垂直端口(2.1.2)相连接，所述水平输入端口(2.1.1)通过射频电缆(2.3)与矢量网络分析仪(1)的信号发射端口(1.1)相连接，水平输出端口(2.1.3)通过射频电缆(2.3)与矢量网络分析仪(1)的信号接收端口(1.2)相连接，实现收发天线(2)的收发信号分离。

2.根据权利要求1中所述的一种基于天线的雷达散射截面RCS测量装置,其特征在于，所述步进频连续波信号，用于获取在12GHz-18GHz频段下的目标回波幅值和相位信息。

3.根据权利要求1中所述的一种基于单天线的雷达散射截面RCS测量装置，其特征在于，所述环形器(2.1)采用铁氧体旋磁材料，该铁氧体旋磁材料在外加高频波场与恒定直流磁场的作用下，产生旋磁特性。

4.根据权利要求1中所述的一种基于单天线的雷达散射截面RCS测量装置，其特征在于，所述天线支架(3)中，导轨和导轨滑块使用非金属材料。

5.一种基于单天线的雷达散射截面RCS实现过程的分析方法，包括如下步骤：

(1)将矢量网络分析仪(1)与收发天线(2)组合；

(1a)将收发天线(2)置于天线支架(3)的工作面上；

(1b)使用标准校准件对矢量网络分析仪(1)进行校准，并将矢网(1)与收发天线(2)相连接；

(1c)设置输入信号P_o；

(1d)通过输入信号P_o获得环形器泄露信号P_H和馈源端口(2.2.1)处反射信号P_Γ。

(2)对环形器泄露信号P_H和馈源端口(2.2.1)处反射信号P_Γ建模分析

(2a)将输入信号P_o从环形器水平输入端口(2.1.1)泄露到水平输出端口(2.1.3)，获得环形器泄露信号P_H；

(2b)将输入信号P_o从环形器水平输入端口(2.1.1)传输到环形器垂直端口(2.1.2)，获得馈源端口(2.2.1)的入射信号P_C；

(2c)将馈源端口(2.2.1)处的入射信号P_C在馈源端口(2.2.1)处反射，获得馈源端口(2.2.1)处反射信号P_Γ。

6.根据权利要求5中所述的一种基于单天线的雷达散射截面RCS实现过程的分析方法，其特征在于，步骤(2a)中所述的环形器2.1泄露信号功率为P_H,其中，I_C为环形器(2.1)隔离度，L_C为环形器(2.1)损耗，L₁,L₃为射频电缆(2.3)损耗。

7.根据权利要求5中所述的一种基于天线的雷达散射截面RCS实现过程的分析方法，其特征在于，步骤(2b)中所述的馈源端口(2.2.1)的入射信号为P_C，其中，L₂为射频电缆(2.3)损耗。

8.根据权利要求5中所述的一种基于单天线的雷达散射截面RCS实现过程的分析方法，其特征在于，步骤(2c)中所述的馈源端口(2.2.1)处反射信号为P_Γ，其中，Γ为喇叭天线(2.2)的反射系数。