CN115184897B - 一种rcs近场多站阵列测量装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种RCS近场多站阵列测量装置和方法，测控系统控制多通道测量雷达中的发射机通过双极化发射天线阵列对近场距离内的目标进行柱面近场激励，目标散射的电磁波由放置于多角度的双极化接收天线阵列采集，进入多通道测量雷达的接收机，测控系统同时控制转台携带被测目标进行旋转运动，对目标的不同角度进行测量，数据处理系统处理目标和定标体的全角度多站散射数据，经近远场变换和成像反演后获得目标精确RCS电平和空间散射强度分布图像。本发明利用柱面近场激励结合多站阵列和多通道测量系统可在极小的测试场地内快速完成对大尺寸目标RCS的精确测量和成像诊断，大幅缓解目前测试方法在测试场地规模、测试精度和效率上的限制。

Description

一种RCS近场多站阵列测量装置和方法

技术领域

本发明属于雷达目标特性测试领域，更具体地，涉及一种RCS近场多站阵列测量装置和方法。

背景技术

实现精确、高效的雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）测试，是贯穿低散射目标设计、出场和后期维护整个过程的重要问题。近场测试系统适用于大尺寸目标RCS测量和高分辨率成像诊断，是继远场、紧缩场测量之后出现的一种新的测试技术。

伴随雷达作用距离和探测能力的不断增强，对雷达散射特性的测试要求也愈发严苛，受限于被测目标的电尺寸，高精度目标特性测试面对重重困难。目前的目标特性测试系统多不具备对大尺寸目标的高精度目标特性测试能力。现有的外场或远场需要将目标放置于远场距离进行测试，易受外界电磁干扰，且需要金属支架固定于目标下，造成对目标特性的扰动，测量精度无法满足需求。室内紧缩场虽然可以实现全频段的精确测量，但需要更大尺寸的高精度反射面，尤其对于大尺寸目标，测试成本极高。室外近场可以在近距离对目标进行散射测量，但由于受到室外电磁干扰和场地杂波的影响，目前的RCS测试精度较低。室内近场可采用单天线测量的技术形式，此类测试场由于无法产生所需的远场条件，面临类似的精度问题。采用高精度柱面反射面的室内近场可产生波前为柱面的电磁波，虽然反射面尺寸有所降低，但仍需要较大尺寸的高精度反射面，测试成本较高，并且由于柱面场在一个维度上仍不满足远场条件，对复杂目标的测试精度有一定的影响。

发明内容

为了解决上述技术问题，本发明提供一种RCS近场多站阵列测量装置和方法，其通过双极化发射和接收阵列天线和多通道测量雷达，产生柱面波前的电磁波激励和多站接收孔径，有效降低地面和屋顶等环境杂波的影响，并且大幅提高对复杂目标的近场测试精度，提供了一种可在近距离对大尺寸目标RCS进行精确且高效测量的装置和方法。

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种RCS近场多站阵列测量装置，包括多站阵列天线、多通道测量雷达、转台、测控系统、数据处理系统和定标系统；所述多站阵列天线包含发射天线阵列、接收天线阵列、发射分配网络和接收分配网络；所述多通道测量雷达包括发射机和接收机；所述测控系统用于控制多通道测量雷达中的发射机产生微波频段电信号，利用发射分配网络将信号传输至发射天线阵列；双极化的所述发射天线阵列用于将导行波转化为自由空间传播的柱面近场激励，对近场距离内的目标进行照射；双极化的所述接收天线阵列用于采集目标多角度散射的电磁波，所述电磁波通过接收分配网络进入多通道测量雷达的接收机；所述测控系统用于控制转台携带被测目标进行旋转运动，或控制携带RCS近场多站阵列测量装置的行走车围绕目标旋转，对目标的不同角度进行散射测量；所述定标系统用于将标准定标体放置于测试静区内进行和目标相同的散射测试，以实现对目标测试结果的定标处理；所述数据处理系统用于处理目标和定标体的全角度多站散射数据。

进一步地，所述发射天线阵列和接收天线阵列中包括双极化天线单元，其采用微波频段的双极化四脊喇叭天线或双极化Vivaldi天线或双极化贴片天线；所述发射天线阵列和接收天线阵列分别由等间距或不等间距的多个双极化天线单元组成，在测试频率形成一个大于目标尺寸的柱面近场测试静区；所述发射天线阵列和接收天线阵列平行排列，在阵列方向上天线相互交错排布；所述发射天线阵列和接收天线阵列包括多套，针对不同频段测试。

进一步地，所述发射分配网络和接收分配网络包含多级射频开关，通过切换将多通道测量雷达的发射和接收信号连接至对应的双极化天线单元上；或者所述发射分配网络和接收分配网络由每个天线之后的幅度/相位控制器、功分器和合路器组成，通过在不同频率引入所需的幅度和相位来实现多站阵列天线的发射场和接收场。

进一步地，所述发射机由VCO或DDS作为射频源直接产生微波频段激励，或由低频信号经混频器或倍频器抬高至微波频段激励，信号为步进跳频或线性调频体制，产生的信号经功率放大器放大后输出；射频源的输出端口带有开关控制，其通断由所述测控系统控制，实现连续波和脉冲模式间的切换；所述接收机接收到的信号由低噪声放大器放大后输入一级或两级混频器完成下变频，将接收到的射频信号下变频到10MHz附近的中频信号；所述中频信号经低通或带通滤波器进行频率选择后进入模数转换器，数字信号由中频数据处理板进行实时信号解调和压缩后输出并存储。

进一步地，所述转台为单轴机械转台，在所述测控系统的控制下携带被测目标绕中心以所需的速度旋转，或选择至所需的测试角度；所述行走车为AGV车，装备有电磁或光学自动导航装置，在所述测控系统的控制下携带整套RCS近场多站阵列测量装置沿规定的导航路径围绕被测目标行驶，完成对被测目标多角度散射特性的测试。

进一步地，所述测控系统包括主控计算机、时序控制器和测量通讯模块，其中所述时序控制器为采用FPGA为核心器件的数字板卡，通过发射时序控制信号。

进一步地，所述数据处理系统为数据处理电脑或专用服务器，负责综合处理所采集的目标散射信号，完成数据预处理、定标、近远场变换和成像反演的计算工作。

进一步地，所述定标系统由行走车、定标支架和定标体组成；所述行走车为自动行走车或者导轨车；所述定标支架具有低散射特性，采用泡沫支架或低散射金属支架；所述定标体放置于位于行走车上的定标支架上，所述行走车带载定标体到达指定位置进行定标测量。

本发明还提供根据所述的一种RCS近场多站阵列测量装置的测量方法，其通过测控系统控制多通道测量雷达中的发射机产生微波频段电信号，利用发射分配网络将信号传输至发射天线阵列，双极化的发射天线阵列将导行波转化为自由空间传播的电磁波，对近场距离内的目标进行照射，目标散射的电磁波由双极化的接收天线阵列采集，继而通过接收分配网络进入多通道测量雷达的接收机；所述测控系统同时控制转台携带被测目标进行旋转运动，或控制携带RCS近场多站阵列测量装置的行走车围绕目标运动，对目标的不同角度进行散射测量；所述定标系统将标准定标体放置于测试静区内进行和目标相同的散射测试，以实现对目标测试结果的定标处理；目标和标准定标体的全角度多站散射数据最终由所述数据处理系统进行处理，将采集的近场散射信息转换为远场RCS电平和目标的空间散射强度分布图像。

有益效果：

（1）本发明使用双极化天线阵列，将近场球面波转换为柱面波，有效的降低了环境杂波对测试精度的影响。

（2）本发明中通过采用多站阵列，采集完整的目标近场散射信息，结合近远场变换，实现远场特性的近场多站精确测量，相比传统的单站近场测量方法，大幅提高了近场测量的精度。

（3）本发明中通过阵列近距离波束合成，结合近远场变换，将竖直方向的物理远场条件与水平方向的数学近场条件相结合，实现远场特性的近场测量，可以得到准确的RCS测量结果，提高了系统测量RCS的精度和效率。

（4）本发明使用多通道雷达系统与双极化阵列天线相结合，避免了大尺寸金属反射面的高额成本，避免了反射面加工精度和随温度、地基沉降等因素可能带来的静区指标损失，可以实现大尺寸目标在近场条件下的RCS精确测量。

（5）本发明在设计上结构简单，容易实现，克服了反射面型面精度不佳、精度随温度和低级沉降漂移等问题，以阵列、雷达模块化的设计制作系统，方便后期进行测试静区尺寸的扩展和维护。

本发明由阵列综合产生柱面波激励，可大幅降低地面和环境杂波的影响，同时采用多站接收阵列进行完整的多角度散射信息采集，可实现现有测试方法无法达到的大尺寸目标RCS近场测试精度和效率。本发明使用双极化发射和接收天线阵列，对目标在近场距离范围内进行微波激励，并采集完整的目标极化散射信息，包括水平发射水平接收（HH）和垂直发射垂直接收（VV），也可进一步包括交叉极化测试，例如水平发射垂直接收（HV），和垂直发射水平接收（VH）。也就是说，本发明利用双极化多站天线阵列，在被测目标的近场距离内，对其进行准确RCS测试的装置和方法，可以实现在较小的测试场内对大尺寸目标的散射特性进行精准测量和成像诊断，大幅缓解目前测试方法在测试场地规模上的要求，提高测试精度和效率。

附图说明

图1为本发明的RCS近场多站阵列测量装置的总体结构图。

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仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明的RCS近场多站阵列测量装置和方法，提出了一种可大幅提高目标RCS近场测试精度和准确性，降低对测试场规模和测试距离要求的限制，同时快速完成检测数据采集流程的RCS测试解决方案。本发明通过测控系统控制多通道测量雷达中的发射机产生微波频段电信号，利用发射分配网络将信号传输至发射天线阵列，双极化发射天线阵列将导行波转化为自由空间传播的柱面近场激励，对近场距离内的目标进行照射，目标向多角度散射的电磁波由双极化的接收天线阵列采集，继而通过接收分配网络进入多通道测量雷达的接收机。测控系统同时控制转台携带被测目标进行旋转运动，对目标的不同角度进行散射测量。定标系统负责将标准定标体放置于测试静区内进行和目标相同的散射测试，以实现对目标测试结果的定标处理。目标和定标体的全角度多站散射数据最终由数据处理系统进行处理，将采集的近场散射信息转换为远场RCS电平分布和目标的空间散射强度分布图像。

所述阵列天线由单个或多个双极化天线阵列和分配网络组成，双极化天线实现不同极化状态电磁波的发射和接收，反射、接收分配网络将发射和接收信号从测量雷达导入阵列中不同的天线中。

所述双极化天线可为微波频段的双极化四脊喇叭天线、双极化Vivaldi天线、双极化偶极子或其它双极化天线。

双极化的发射天线阵列和双极化的接收天线阵列分别由等间距或不等间距的多个双极化天线单元组成，在测试频率形成一个大于目标尺寸的柱面近场测试静区；所述发射天线阵列和接收天线阵列平行排列，在阵列方向上天线相互交错排布。

所述多通道测量雷达根据划分的测试频段对应有多个测试雷达，每个频段的测试雷达均含有独立的发射、接收等组件。每部雷达由多个信号源、发射机、接收机、测试信号监测设备、数据采集单元等构成。

所述转台为单轴机械转台，可携带被测目标绕中心以所需的速度旋转。

所述测控系统控制阵列天线的校准、定标、测量雷达等分系统，并与转台和测试软件相结合，测试人员通过软件控制整个系统工作。测控系统包括主控计算机、时序控制器、测量通讯模块等。

所述数据处理系统为数据处理服务器，负责综合处理所采集的目标散射信息，完成近远场变换和成像数据处理。

所述定标系统由自动行走车或者导轨车、定标支架和定标体组成。定标支架具有低散射特性，可采用泡沫支架或低散射金属支架。定标体放置于位于自动行走车或者导轨车上的定标支架上，自动行走车或者导轨车带载定标体到达指定位置进行定标测量。

如图1中所示的实施例中，本发明的RCS近场多站阵列测量装置由多站阵列天线100、多通道测量雷达200、转台300、测控系统400、数据处理系统500、定标系统600等组成。

其中，多站阵列天线100包含发射天线阵列101、接收天线阵列102、发射分配网络111和接收分配网络112。所述多通道测量雷达200包括发射机201和接收机202。所述测控系统400控制多通道测量雷达200中的发射机201产生微波频段电信号，利用发射分配网络111将信号传输至发射天线阵列101。双极化的发射天线阵列101将导行波转化为自由空间传播的柱面近场激励，对近场距离内的目标进行照射，目标散射的电磁波由双极化的接收天线阵列102采集，继而通过接收分配网络112进入多通道测量雷达200的接收机202。所述测控系统400同时控制转台300携带被测目标进行旋转运动，对目标的不同角度进行散射测量。所述定标系统600负责将标准定标体放置于测试静区内进行和目标相同的散射测试，以实现对目标测试结果的定标处理。目标和定标体的全角度散射数据最终由所述数据处理系统500进行处理，将采集的近场散射信息转换为远场RCS电平分布，和目标的空间散射强度分布图像。

发射天线阵列101和接收天线阵列102中的双极化天线单元采用双极化四脊喇叭天线。发射天线阵列101和接收天线阵列102由竖直方向排列的21个线阵组成，位于中心的线阵为发射阵列，其余为接收阵列。每个线阵分别由间距0.15m的41个天线组成，在1GHz频率以下形成一个接近6m高的柱面场测试静区。发射天线阵列101和接收天线阵列102均平行排列，线阵间距0.25m，在阵列方向上天线相互交错排布。在本实施例中，为了实现对二维平面孔径的精细扫描，也可以将发射天线阵列101和接收天线阵列102放置在一个机械扫描机构上，在每一个目标旋转角度将发射天线阵列101和接收天线阵列102沿阵列方向进行平移扫描。

在本实施例中，发射分配网络111和接收分配网络112包含了多级射频开关，通过切换将多通道测量雷达200的发射和接收信号连接至对应的天线单元上。作为一种实施例，发射分配网络111和接收分配网络112也可由每个天线之后的幅度/相位控制器、功分器和合路器组成，通过在不同频率引入所需的幅度和相位来实现阵列天线的发射柱面波和接收柱面波。作为一种实施例，可采用通道数与发射天线单元和接收天线单元相同或接近的多通道测量雷达，直接连接雷达的每个发射与接收通道到每个发射与接收天线单元，从而省略发射和接收分配网络，实现更高的测试效率。

在本实施例中，多通道测量雷达200含有独立的发射机201和接收机202。发射机201由VCO或DDS作为射频源直接产生300MHz~1GHz的信号，信号可为步进跳频或线性调频体制，产生的信号经功率放大器放大后输出。射频源的输出端口带有开关控制，其通断可由测控系统400控制，实现连续波和脉冲模式间的切换。接收机202接收到的信号由低噪声放大器放大后输入一级或两级混频器完成下变频，将接收到的射频信号下变频到10MHz附近的中频信号。低噪声放大器也可为一级或两级，总放大增益大于20dB。中频信号经低通或带通滤波器进行频率选择后进入模数转换器（ADC），其有效采样位数在12bit以上，数字信号由中频数据处理板进行实时信号解调和压缩后输出并存储，中频数据处理板采用以FPGA为核心器件的数字板卡。

在本实施例中，转台300为单轴机械转台，可在测控系统400的控制下携带被测目标绕中心以所需的速度旋转，或选择至所需的测试角度。

在本实施例中，测控系统400包括主控计算机、时序控制器和测量通讯模块，其中时序控制模块为采用FPGA为核心器件的数字板卡，通过发射时序控制信号，控制阵列天线、定标、测量雷达等分系统，并与转台和测试软件相结合，测试人员通过软件控制整个系统工作。

在本实施例中，数据处理系统500为数据处理电脑或专用服务器，负责综合处理所采集的目标散射信号，完成数据预处理、定标、近远场变换和成像反演等计算工作。

在本实施例中，定标系统600由放置于小车上的低散射支架和标准定标体组成，其中作为定标支架的低散射支架为泡沫支架，标准定标体为金属圆柱体。在定标测量过程中，定标系统600负责将标准定标体放置于测试静区内进行和目标相同的散射测试，以实现对目标测试数据的量级标定。

在本实施例中，近远场变换采用基于散射中心的变换方法，成像算法采用滤波反投影算法。

以上所述仅是本发明的优选实施方式之一，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种RCS近场多站阵列测量装置，其特征在于：包括多站阵列天线、多通道测量雷达、转台、测控系统、数据处理系统和定标系统；所述多站阵列天线包含发射天线阵列、接收天线阵列、发射分配网络和接收分配网络；所述多通道测量雷达包括发射机和接收机；所述测控系统用于控制多通道测量雷达中的发射机产生微波频段电信号，利用发射分配网络将信号传输至发射天线阵列；双极化的所述发射天线阵列用于将导行波转化为自由空间传播的柱面近场激励，对近场距离内的目标进行照射；双极化的所述接收天线阵列用于采集目标多角度散射的电磁波，所述电磁波通过接收分配网络进入多通道测量雷达的接收机；所述测控系统用于控制转台携带被测目标进行旋转运动，或控制携带RCS近场多站阵列测量装置的行走车围绕目标旋转，对目标的不同角度进行散射测量；所述定标系统用于将标准定标体放置于测试静区内进行和目标相同的散射测试，以实现对目标测试结果的定标处理；所述数据处理系统用于处理目标和定标体的全角度多站散射数据。

2.根据权利要求1所述的一种RCS近场多站阵列测量装置，其特征在于：所述发射天线阵列和接收天线阵列中包括双极化天线单元，其采用微波频段的双极化四脊喇叭天线或双极化Vivaldi天线或双极化贴片天线；所述发射天线阵列和接收天线阵列分别由等间距或不等间距的多个双极化天线单元组成，在测试频率形成一个大于目标尺寸的柱面近场测试静区；所述发射天线阵列和接收天线阵列平行排列，在阵列方向上天线相互交错排布；所述发射天线阵列和接收天线阵列包括多套，针对不同频段测试。

3.根据权利要求1所述的一种RCS近场多站阵列测量装置，其特征在于：所述发射分配网络和接收分配网络包含多级射频开关，通过切换将多通道测量雷达的发射和接收信号连接至对应的双极化天线单元上；或者所述发射分配网络和接收分配网络由每个天线之后的幅度/相位控制器、功分器和合路器组成，通过在不同频率引入所需的幅度和相位来实现多站阵列天线的发射场和接收场。

4.根据权利要求1所述的一种RCS近场多站阵列测量装置，其特征在于：所述发射机由VCO或DDS作为射频源直接产生微波频段激励，或由低频信号经混频器或倍频器抬高至微波频段激励，信号为步进跳频或线性调频体制，产生的信号经功率放大器放大后输出；射频源的输出端口带有开关控制，其通断由所述测控系统控制，实现连续波和脉冲模式间的切换；所述接收机接收到的信号由低噪声放大器放大后输入一级或两级混频器完成下变频，将接收到的射频信号下变频到10MHz附近的中频信号；所述中频信号经低通或带通滤波器进行频率选择后进入模数转换器，数字信号由中频数据处理板进行实时信号解调和压缩后输出并存储。

5.根据权利要求1所述的一种RCS近场多站阵列测量装置，其特征在于：所述转台为单轴机械转台，在所述测控系统的控制下携带被测目标绕中心以所需的速度旋转，或选择至所需的测试角度；所述行走车为AGV车，装备有电磁或光学自动导航装置，在所述测控系统的控制下携带整套RCS近场多站阵列测量装置沿规定的导航路径围绕被测目标行驶，完成对被测目标多角度散射特性的测试。

6.根据权利要求1所述的一种RCS近场多站阵列测量装置，其特征在于：所述测控系统包括主控计算机、时序控制器和测量通讯模块，其中所述时序控制器为采用FPGA为核心器件的数字板卡，发射时序控制信号。

7.根据权利要求1所述的一种RCS近场多站阵列测量装置，其特征在于：所述数据处理系统为数据处理电脑或专用服务器，负责综合处理所采集的目标散射信号，完成数据预处理、定标、近远场变换和成像反演的计算工作。

8.根据权利要求1所述的一种RCS近场多站阵列测量装置，其特征在于：所述定标系统由行走车、定标支架和定标体组成；所述行走车为自动行走车或者导轨车；所述定标支架具有低散射特性，采用泡沫支架或低散射金属支架；所述定标体放置于位于行走车上的定标支架上，所述行走车带载定标体到达指定位置进行定标测量。

9.根据权利要求1-8之一所述的一种RCS近场多站阵列测量装置的测量方法，其特征在于：通过测控系统控制多通道测量雷达中的发射机产生微波频段电信号，利用发射分配网络将信号传输至发射天线阵列，双极化的发射天线阵列将导行波转化为自由空间传播的柱面近场激励，对近场距离内的目标进行照射，目标向多角度散射的电磁波由双极化的接收天线阵列采集，继而通过接收分配网络进入多通道测量雷达的接收机；所述测控系统同时控制转台携带被测目标进行旋转运动，或控制携带RCS近场多站阵列测量装置的行走车围绕目标运动，对目标的不同角度进行散射测量；所述定标系统将标准定标体放置于测试静区内进行和目标相同的散射测试，以实现对目标测试结果的定标处理；目标和标准定标体的全角度多站散射数据最终由所述数据处理系统进行处理，将采集的近场散射信息转换为远场RCS电平和目标的空间散射强度分布图像。

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