CN109917344A - 一种紧缩场内角反射器rcs单天线测量系统及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种紧缩场内角反射器RCS单天线测量系统及测量方法。测量系统包括信号发射和接收装置、脉冲调制装置、信号处理装置、收发开关、环形器和馈源天线；信号发射和接收装置用以发射检测信号和处理回波信号；脉冲调制装置用以对检测信号和回波信号进行脉冲调制处理，实现在单天线测试时对同一链路的分时使用；信号处理装置用以对脉冲调制处理后的检测信号和回波信号进行处理；收发开关用以实现在单天线测试时的分时收发和多极化测试；环形器用以对单天线的发射链路和接收链路进行隔离；馈源天线用以发射信号和接收信号。该测量装置和测量方法可以提高角反射器RCS测量的准确性，完成对角反射器多极化、宽频段、高效率的测试。

Description

一种紧缩场内角反射器RCS单天线测量系统及测量方法

技术领域

本发明涉及RCS测量技术领域，尤其涉及一种紧缩场内角反射器 RCS单天线测量系统及测量方法。

背景技术

雷达散射截面(Radar Cross Section，RCS)是指基于目标散射具有各向同性的假设，目标在雷达波照射下所产生回波强度的一种物理量，它作为一个重要的指标越来越受到人们的重视，RCS的测量方法也随着技术的发展而愈发准确、可靠、高效。

RCS的测量方法按受场地条件可以分为室内测量和室外测量两个方向。其中室内测量往往受限于空间而需要利用紧缩场达到RCS测试所需的远场条件。在RCS的实际测量系统中，常常采用准单站测试来规避RCS测试过程中的一些问题，从而提高测试效率。然而对于角反射器等对角度极为敏感的目标而言，准单站的条件难以满足其对测试的要求。

发明内容

本发明的目的在于提供一种用于测量角反射器RCS的测量系统及测量方法，提高角反射器RCS测量的准确性，完成对角反射器多极化、宽频段、高效率的测试。

为了实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种紧缩场内角反射器RCS测量系统，包括信号发射和接收装置、脉冲调制装置、信号处理装置、收发开关、环形器和馈源天线；

所述信号发射和接收装置用以发射检测信号、接收回波信号和处理回波信号；

所述脉冲调制装置用以对检测信号和回波信号进行脉冲调制处理，实现在单天线测试时对同一链路的分时使用；

所述信号处理装置用以对脉冲调制处理后的检测信号和回波信号进行处理；

所述收发开关用以实现在单天线测试时的分时收发和多极化测试；

所述环形器用以对单天线的发射链路和接收链路进行隔离；

所述馈源天线用以发射信号和接收信号。

优选地，所述脉冲调制装置包括脉冲源、发射调制器和接收调制器；

所述脉冲源用以产生调制所需的脉冲信号并将脉冲信号输送给发射调制器和接收调制器；

所述发射调制器用以对检测信号进行调制处理；

所述接收调制器用以对回波信号进行调制处理。

优选地，所述脉冲调制装置的脉冲源周期为电磁波从所述信号发射和接收装置发出并达到测试暗室后墙的时间；

接收脉冲与发射脉冲周期相同，脉冲宽度相同，时间延迟不同，当发射脉冲位于高电平时，链路处于发射状态；当接收脉冲位于高电位时，链路处于接收状态。

优选地，所述收发开关为机械开关或高速开关；优选采用高速开关，所述高速开关利用收发脉冲进行控制，实现实现高电平闭合、低电平打开。

优选地，所述信号处理装置包括功率放大器和低噪声放大器；

所述功率放大器用以将脉冲调制处理后的检测信号功率放大至满足发射要求的水平；

所述低噪声放大器用以将脉冲调制处理后的回波信号进行放大而不引入额外的噪声。

优选地，所述信号发射和接收装置为矢量网格分析仪。

优选地，所述馈源天线为双极化天线。

一种紧缩场内角反射器RCS测量方法，采用相对标定法进行测量，优选地，采用标准角发射器作为标准体。

优选地，采用本发明提供的所述的测量系统进行测量。

优选地，所述测量方法包括如下步骤：

(1)设置测试参数的步骤：所述测试参数包括频率范围、频率间隔、极化和旋转角度；

(2)测量定标体的回波信号并储存的步骤；

(3)测量目标的回波信号并储存的步骤；

(4)计算的步骤：所述计算公式为：

有益效果

本发明的上述技术方案具有如下优点：

本发明提供的紧缩场内角反射器RCS测量系统引入环形器与收发开关，在物理层面上实现接收、发射链路在单天线测试时的隔离；利用脉冲信号对发射、接收信号进行调制，实现二者在同一周期下分时共用同一物理链路。

本发明提供的测量方法结合实际测量目标RCS量级，以及系统的动态范围，调整相应的标准体用于相对标定法的RCS测试。

总之，本发明通过对RCS测试系统与方法进行优化调整，采用单天线方式对角反射器类目标进行测试，实现了高精度、多极化、宽频带的测试目标，在实际应用中提高了该类目标的RCS测试准确性。

附图说明

图1是本发明提供的紧缩场内角反射器RCS测量系统的结构示意图；

图2是脉冲时序控制图；

图3是环形器工作原理示意图；

图4是采用本发明提供的所述测量系统测量1m金属三面角角反射器的RCS结果图。

图1中：

1：信号发射和接收装置；

2：脉冲调制装置；21：脉冲源；22：发射调制器；23：接收调制器；

3：信号处理装置；31：功率放大器；32：低噪声放大器；

4：收发开关；

5：环形器；

6：馈源天线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

传统室内紧缩场的RCS测量系统以双天线的准单站测试为主，即有两个天线分别完成发射和接收的功能，链路包括独立的发射链路和接收链路。这样的测量系统会引入一定的双站角，在一般目标的RCS 测试过程中，这种程度的双站角对测试结果影响很小。但是对于角反射器等对于角度极为敏感的目标，这种的双站角会造成RCS测量值偏低。此外由于角反射器的散射量值过高，而传统测量系统的动态范围以及各元器件所能承受的能量有限，因此传统测量系统难以精准完成角反射器类目标的RCS测试任务。

针对这一问题，发明人对角反射器类目标的电磁散射特性进行研究，针对其散射特点设计出了适用的角反射器RCS测量系统和测量方法。

具体地，本发明在第一方面提供了一种紧缩场内角反射器RCS单天线测量系统，参考图1，所述RCS测量系统包括信号发射和接收装置1、脉冲调制装置2、信号处理装置3、收发开关4、环形器5和馈源天线6。其中：

所述信号发射和接收装置1用以发射检测信号和处理回波信号，可采用矢量网络分析仪。当采用矢量网络分析仪作为信号发射和接收装置1时，它可以产生检测信号、处理回波信号并输出测试结果。

所述脉冲调制装置2用以对检测信号和回波信号进行脉冲调制处理，实现在单天线测试时对同一链路的分时使用。具体来说，本发明所用的脉冲调制装置2优选包括脉冲源21、发射调制器22和接收调制器23。所述脉冲源21用以产生调制所需的脉冲信号并将脉冲信号输送给发射调制器22和接收调制器23。所述发射调制器22用以对检测信号进行调制处理。检测信号经所述发射调制器22调制处理后被传输至下一装置(在本发明提供的技术方案中，该装置为后面提到的功率放大器31)。所述接收调制器23用以对回波信号进行调制处理。回波信号经所述接收调制器23调制处理后被传输至下一装置(在本发明提供的技术方案中，该装置为后面提到的低噪声放大器32)。

由于采用单天线测试，接收和发射会共用一段物理线路，即便使用环形器对功率进行分配，发射链路对接收信号的直接耦合仍然很大。因此为了进一步削弱单天线测试时收发链路之间的耦合干扰，本发明利用脉冲信号将同一周期内的线路使用权分别分配给发射、接收链路。实现方法首先将脉冲源21发出的脉冲信号形成如图2的发射脉冲和接收脉冲，可以看到发射脉冲与接收脉冲在同一周期T内分别占用0～t₁、 t₂～T。接着利用发射调制器22和接收调制器23对发射、接收信号进行调制处理，分别乘上对应的脉冲信号。这样发射链路和接收链路的工作时段就被分隔开，有效地降低发射信号对接收链路的泄漏干扰。可以看出，本发明提供的所述脉冲调制装置2可以控制信号的通断，完成对发射信号、接收信号的控制，进而完成对同一链路的分时使用。具体地，脉冲源周期与测试暗室大小和测试系统链路长度有关，其周期为电磁波从所述信号发射和接收装置1(例如矢量网络分析仪)发出并达到测试暗室后墙的时间。由于调制器采用高电平触发，因此如附图2所示，接收脉冲与发射脉冲周期相同，脉冲宽度相同(宽度要覆盖目标区域)，但时间延迟不同。当发射脉冲位于高电平，此时整个链路处于发射状态，环形器5中的能量主要由发射机到馈源；当接收脉冲位于高电位，链路处于接收状态，环形器5中的能量主要由馈源到接收机。

所述信号处理装置3用以对脉冲调制处理后的检测信号和回波信号进行处理。可选地，所述信号处理装置3包括功率放大器31和低噪声放大器32。所述功率放大器31用以将脉冲调制处理后的检测信号功率放大至满足发射要求的水平；所述低噪声放大器32用以将脉冲调制处理后的回波信号进行放大而不引入额外的噪声。

所述收发开关4用以实现在单天线测试时的分时收发和多极化测试。所述收发开关4为机械开关或高速开关；优选采用高速开关，所述高速开关利用收发脉冲进行控制，实现实现高电平闭合、低电平打开，可以提高测试能力。

此外，现在测试常使用双极化天线以避免频繁的更换天线，这样一方面提高了测试效率，另一方面也提升了测试系统的稳定度。双极化馈源往往有两个馈电端口，因此在测试时需要反复更换测试极化的端口。而测量系统中的收发开关4不但可以切换收发链路，而且还能切换测试极化，从而进一步提高测试效率与系统性能，实现测试自动化。

所述环形器5用以对单天线的发射链路和接收链路进行隔离。环形器是一种功率分配器，为三端口器件，其效果为当信号由端口进入的信号只能从一个端口输出，而另一个端口产生的泄漏很小。参考图3，端口1与发射链路相连，端口2与天线相连，端口3与接收链路相连。环形器的使用可以使发射信号a(指检测信号)进入端口1后只从端口 2输出到天线，而接收信号b(指回波信号)从天线进入环形器后只传输到接收链路，不会泄漏到发射链路上。

所述馈源天线6用以发射信号和接收信号，发射信号指所述馈源天线6接收所述环形器5输送的检测信号并将接收到的检测信号发射给被测目标，接收信号是指所述馈源天线6接收被测目标的回波信号。

更为全面地，本发明提供的紧缩场内角反射器RCS测量系统包括：括信号发射和接收装置1、脉冲调制装置2、信号处理装置3、收发开关4、环形器5和馈源天线6。其中：

所述信号发射和接收装置1为矢量网络分析仪，用以发射检测信号和处理回波信号。矢量网络分析仪可以产生检测信号、处理回波信号并输出测试结果。

所述脉冲调制装置2用以对检测信号和回波信号进行脉冲调制处理，实现在单天线测试时对同一链路的分时使用。所述脉冲调制装置2 优选包括脉冲源21、发射调制器22和接收调制器23。所述脉冲源21 用以产生调制所需的脉冲信号并将脉冲信号输送给发射调制器22和接收调制器23。所述发射调制器22用以对检测信号进行调制处理。所述接收调制器23用以对回波信号进行调制处理。

所述信号处理装置3用以对脉冲调制处理后的检测信号和回波信号进行处理。所述信号处理装置3包括功率放大器31和低噪声放大器 32。所述功率放大器31用以将脉冲调制处理后的检测信号功率放大至满足发射要求的水平；所述低噪声放大器32用以将脉冲调制处理后的回波信号进行放大而不引入额外的噪声。

所述收发开关4用以实现在单天线测试时的分时收发和多极化测试。所述收发开关4为机械开关或高速开关；优选采用高速开关，所述高速开关利用收发脉冲进行控制，实现实现高电平闭合、低电平打开。

所述环形器5用以对单天线的发射链路和接收链路进行隔离。所述馈源天线6用以发射信号和接收信号，发射信号指所述馈源天线6 接收所述环形器5输送的检测信号并将接收到的检测信号发射给被测目标，接收信号是指所述馈源天线6接收被测目标的回波信号。

工作过程：矢量网络分析仪所发出的检测信号经由发射调制器调制、功率放大器放大，连接到收发开关的输入端口1，再经过环形器连接到馈源天线上，同时经功率放大器放大后，有一路参考信号连到矢量网络分析仪上。

接收链路上馈源天线将接收到的回波信号传输到环形器，经由环形器传输到收发开关的输入端口2，再传输至接收调制器进行调制，经调制处理后的信号传输至低噪声放大器上进行放大，之后接入矢量网络分析仪，与参考信号相比得到最终的接收信号。

综上所述，本发明提供的测试系统用单天线测量来消除准单站测试引入的双站角对角反射器测试时产生的影响；环形器与接收发射开关组合，在物理层面上实现接收、发射链路在单天线测试时的隔离；接着利用脉冲信号对发射、接收信号进行调制，实现二者在同一周期下分时共用同一物理链路。

本发明在第二方面提供了一种紧缩场内角反射器RCS单天线测量方法，该测量方法为相对标定法，由于角反射器类目标的拘束效果，使其RCS量值很高，因此在标定时采用的是边长1m的三角形金属三面角这一标准角发射器作为标准体，以此达到对高RCS的目标的准确标定。

RCS的定义可以由雷达方程推导出，雷达方程已给出：

上述公式中，A为天线有效口径(m²)，单站或准单站条件下发射天线和接收天线的有效口径相同；λ为雷达工作的波长(m)；r为收发天线到被测目标的距离(m)；σ为目标散射截面(m²)；P_r和P_t是接收、发射天线的功率。

由公式(1)可得出，RCS的表达式为：

相对标定法来测量目标的RCS时，将已知精确RCS值的定标体和待测目标轮流放置在同一距离上，当测量雷达的参数设置相同时，设测量定标体的接收功率与定标体的理论值分别为P_r、Pr₀，则目标的RCS 可以表示为：

相对标定法的优势在于不必对测试中的每一个量都一一测量，只要保证系统稳定分别测量标准体和被测目标就可以了。但是角反射器类目标的RCS量值通常很高，而测试系统的动态范围比较有限，一般的标准体在上述测量系统中难以到达较高的精度，本发明测量方法选用标准的角反射器作为标准体能有效克服上述问题，实现对高RCS的角反射器类目标进行标定。

具体来说，测量方法包括如下步骤：

(1)设置测试参数的步骤：所述测试参数包括频率范围、频率间隔、极化和旋转角度；

(2)测量定标体的回波信号并储存的步骤；

(3)测量目标的回波信号并储存的步骤；

(4)计算的步骤：所述计算公式为：

先设置参数：测试频率为9.7GHz，极化为HH。然后测量标准1m 金属三角形角反射器，随后测量目标。

本次测量目标为1m金属三面角角反射器(不是标准体)结果如图4所示。a为测量值、b为数值计算方法计算得到的值。二者峰值相差 0.5dB以内，说明该测量方法准确可靠。侧向的区别主要是由于角反射器加工厚度引起的。

最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种紧缩场内角反射器RCS单天线测量系统，其特征在于，包括信号发射和接收装置、脉冲调制装置、信号处理装置、收发开关、环形器和馈源天线；

所述信号发射和接收装置用以发射检测信号和处理回波信号；

所述脉冲调制装置用以对检测信号和回波信号进行脉冲调制处理，实现在单天线测试时对同一链路的分时使用；

所述信号处理装置用以对脉冲调制处理后的检测信号和回波信号进行处理；

所述收发开关用以实现在单天线测试时的分时收发和多极化测试；

所述环形器用以对单天线的发射链路和接收链路进行隔离；

所述馈源天线用以发射信号和接收信号。

2.根据权利要求1所述的紧缩场内角反射器RCS单天线测量系统，其特征在于，所述脉冲调制装置包括脉冲源、发射调制器和接收调制器；

所述脉冲源用以产生调制所需的脉冲信号并将脉冲信号输送给发射调制器和接收调制器；

所述发射调制器用以对检测信号进行调制处理；

所述接收调制器用以对回波信号进行调制处理。

3.根据权利要求2所述的紧缩场内角反射器RCS单天线测量系统，其特征在于，所述脉冲调制装置的脉冲源周期为电磁波从所述信号发射和接收装置发出并达到测试暗室后墙的时间；

接收脉冲与发射脉冲周期相同，脉冲宽度相同，时间延迟不同，当发射脉冲位于高电平时，链路处于发射状态；当接收脉冲位于高电位时，链路处于接收状态。

4.根据权利要求3所述的紧缩场内角反射器RCS单天线测量系统，其特征在于，所述收发开关为机械开关或高速开关；优选采用高速开关，所述高速开关利用收发脉冲进行控制，实现实现高电平闭合、低电平打开。

5.根据权利要求1至4任一项所述的紧缩场内角反射器RCS单天线测量系统，其特征在于，所述信号处理装置包括功率放大器和低噪声放大器；

所述功率放大器用以将脉冲调制处理后的检测信号功率放大至满足发射要求的水平；

所述低噪声放大器用以将脉冲调制处理后的回波信号进行放大而不引入额外的噪声。

6.根据权利要求1至5任一项所述的紧缩场内角反射器RCS单天线测量系统，其特征在于，所述信号发射和接收装置为矢量网格分析仪。

7.根据权利要求1至6任一项所述的紧缩场内角反射器RCS单天线测量系统，其特征在于，所述馈源天线为双极化天线。

8.一种紧缩场内角反射器RCS单天线测量方法，采用相对标定法进行测量，其特征在于，采用标准角发射器作为标准体。

9.根据权利要求8所述的紧缩场内角反射器RCS单天线测量方法，其特征在于，采用权利要求1至7任一项所述的测量系统进行测量。

10.根据权利要求9所述的紧缩场内角反射器RCS单天线测量方法，其特征在于，包括如下步骤：

(1)设置测试参数的步骤：所述测试参数包括频率范围、频率间隔、极化和旋转角度；

(2)测量定标体的回波信号并储存的步骤；

(3)测量目标的回波信号并储存的步骤；

(4)计算的步骤：所述计算公式为：