CN115993584B

CN115993584B - 一种大俯仰角度雷达散射截面数据测量系统及其测量方法

Info

Publication number: CN115993584B
Application number: CN202310288506.6A
Authority: CN
Inventors: 胡伟东; 张凯旗; 赵鹏; 许志浩; 蒋环宇; 檀桢; 刘庆国; 丰志妍; 贾林海; 姜涵; 冯铭皓; 乔石
Original assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Current assignee: Beijing Institute of Technology BIT
Priority date: 2023-03-23
Filing date: 2023-03-23
Publication date: 2023-06-23
Anticipated expiration: 2043-03-23
Also published as: CN115993584A

Abstract

本发明公开了一种大俯仰角度雷达散射截面数据测量系统及其测量方法，该测量系统包括：机载测试机构，在不同俯仰角度下，对待测目标测试，并获得待测目标的测试数据；地面控制机构，对待测目标进行支撑和旋转；上位机，分别与机载测试机构、及地面控制机构通信连接，用于对机载测试机构发送测试指令，对地面控制机构进行旋转控制，并接收和处理机载测试机构回传的测试数据，获得待测目标的RCS数据。此发明降低了现有大俯仰角度RCS数据测量的复杂性，实现了0°~90°大俯仰角度的精准RCS数据测量，减少了设计成本、人力成本和经济成本，使得大俯仰角度RCS数据测量变得更加灵活。

Description

一种大俯仰角度雷达散射截面数据测量系统及其测量方法

技术领域

本发明涉及雷达电磁散射特性测量技术领域，具体涉及一种大俯仰角度雷达散射截面数据测量系统及其测量方法。

背景技术

雷达探测已经成为现代社会不可缺少的探测手段，在军事、航海、气象、搜救等诸多领域有着广阔的应用。表征目标在雷达照射下回波强度的物理量为雷达散射截面（radarcross section，RCS）。针对RCS的测量一直以来都是目标电磁散射特性领域学者们研究的热点，如何有效评估目标雷达散射截面是近些年来重要的研究方向，尤其是在隐身设计与反隐身领域。

同时，以获取雷达散射截面（RCS）为主的雷达电磁散射特性测量技术对隐身技术发展具有重要的参考价值。近几年来，为了大面积观测地面目标，不管是军用方面还是民用方面都加大了对俯仰角度测量的需求。对于俯仰角度测量，尤其是大俯仰角度测量的需求越来越大。

目前，国内大俯仰角度RCS测量的场地和设施非常少，常用的大俯仰角度RCS测量一般有三种方式：高塔测量、塔吊测量和专用弧形导轨测量。

高塔测量是专门为特定测试场景布置，人为在测量目标周围建立高塔建筑，高塔的位置和高度都需要根据测量指标和测量目的来确定，通过改变测试雷达的放置高度来改变测量俯仰角度的大小，高塔测量角度一般不超过90°。

塔吊测量顾名思义就是利用塔吊进行测量，塔吊由底座、塔身和起重臂组成，将测量雷达置于起重臂上，通过升降、前伸起重臂来改变测量俯仰角度的大小。

专用弧形导轨测量是将测试雷达置于弧形导轨架上，通过伺服系统控制测试雷达在弧形导轨上移动来改变俯仰角度进行测量，典型应用是南口隐身测试场的多俯仰角度专用支架。

其中，高塔测量和弧形导轨测量分别需要建设测量所需的高塔和弧形导轨设施，会占用大量的时间成本、经济成本和人力成本。而塔吊测量属于高空作业，测量过程伴随有极大的安全隐患，并且需要专业的塔吊操作人员，费时费力。因此，探索一种简单方便、成本更低，并且满足测量精度的大俯仰角度RCS测量方法则显得尤为迫切。

发明内容

本发明的目的是提供一种大俯仰角度雷达散射截面数据测量系统及其测量方法。此测量系统及其测量方法旨在降低现有大俯仰角度RCS数据测量的复杂性，实现0°~90°大俯仰角度的精准RCS数据测量，减少设计成本、人力成本和经济成本，使得大俯仰角度RCS数据测量变得更加灵活。

为达到上述目的，本发明提供了一种大俯仰角度雷达散射截面数据的测量系统，包括：

机载测试机构，用于在不同俯仰角度下，对待测目标发射电磁波并接收其回波，以获得待测目标的测试数据；

地面控制机构，用于对地面上的待测目标进行支撑和旋转；

上位机，分别与机载测试机构、及地面控制机构通信连接，用于对机载测试机构发送测试指令，对地面控制机构进行旋转控制，并接收和处理机载测试机构回传的测试数据，获得待测目标的雷达散射截面（RCS）数据。

本方案的一种实施方式，其中，该机载测试机构包括：

机载本体；

测试装置，设置于该机载本体上，用于接收到上位机的测试指令后，对该待测目标发射电磁波并接收其回波，并将测试数据传输至上位机；

机载接收装置，安装于该测试装置前端，用于测试该待测目标时增大该机载接收装置的俯仰角度范围；

云台，设置于该测试装置上，用于稳定和支撑该测试装置、和机载接收装置，且分别与测试装置、及机载接收装置通信连接，用于结合该机载接收装置接收到的测试指令，对该机载接收装置的俯仰角度进行调节；

激光笔，设置于该云台上，且分别与测试装置、机载发射装置、及云台通信连接，用于定位和对准该待测目标。

本方案的一种实施方式，其中，该机载本体为无人机，且包括：无人机机翼、无人机机身、无人机支架。

本方案的一种实施方式，其中，该测试装置为测试雷达。

本方案的一种实施方式，其中，该机载接收装置为喇叭天线。

本方案的一种实施方式，其中，该云台内部还设置有GPS定位机构，用于定位该机载测试机构的实时方位。

本方案的一种实施方式，其中，地面控制机构还包括：

地面转台，设置于地面上，以小步进间隔或连续的360°旋转；

低散射支架，设置于该地面转台上，且用于支撑该待测目标；该低散射支架与地面转台相结合，以保证该待测目标与地面平行。

本发明提供了一种大俯仰角度雷达散射截面数据的测量系统，包括：

S1，结合测试波段，选定机载接收装置，并将选定的机载接收装置安装于测试装置的前端；

S2，测量该待测目标的最大尺寸，并结合选定的机载接收装置，计算出该机载测试机构测量待测目标的最小测试距离；

S3，结合待测目标的位置和上述最小测试距离，调整和定位上述大俯仰角度机载RCS测量系统；

S4，结合待测的大俯仰角度范围和该最小测试距离，确定测试的弧形导轨，并调整和定位该机载测试机构悬停在初始测试位置；

S5，启动地面转台，该测试装置对旋转的待测目标进行测试，并将测试数据传输至上位机进行数据处理，获得该待测目标在该俯仰角度下的RCS数据；

S6，调整该机载测试机构沿着该弧形导轨，从初始测试位置移动至不同的测试位置，在不同测试位置下，分别重复上述S4-S5，获得待测目标在不同俯仰角度下的雷达散射截面数据。

本方案的一种实施方式，其中，上述S1具体包括：

S101，确定测试波段和测试的中心频率，并结合该中心频率计算出该测试波段下的波束宽度，结合该波束宽度选定机载接收装置；

S102，将选定的满足波束宽度的机载接收装置安装在该测试装置的前端。

本方案的一种实施方式，其中，上述S3具体包括：

结合待测目标的位置和上述最小测试距离，在待测目标下方依序设置低散射支架、和地面转台，并使得该待测目标的中心线与地面转台的中心线重合，且待测目标与地面保持水平。

本方案的一种实施方式，其中，上述S4具体包括：

S401，结合待测的大俯仰角度范围和该最小测试距离，确定该机载测试机构的运动轨迹，并将该运动轨迹定义为该机载测试机构在后续测试阶段的弧形导轨；

S402，精确定位该机载测试机构的位置，使得该机载测试机构悬停于初始测试位置；

S403，上位机发出测试指令，该机载测试机构中的云台接收到该测试指令后，对机载接收装置的俯仰角度进行调整，并定位和对准该待测目标。

本方案的一种实施方式，其中，定位和对准该待测目标还包括：

S4031：通过控制激光笔扫描定位该待测目标；

S4032：调整该待测目标的中心与机载接收装置的中心位于同一直线上，以完成该待测目标的对准。

本方案的一种实施方式，其中，待测目标的周围铺设有吸波材料。

相对于现有技术，本发明至少具有以下有益效果之一：

1. 本发明提供的大俯仰角度RCS数据的测量系统，通过无人机搭载的测试雷达能够测量得到地面目标的回波信息，同时通过云台与测试雷达的配合，使得定位对准待测目标更加精确，进而使得测量结果更加准确，提高了测量的准确度。

2. 本发明提供的大俯仰角度RCS数据的测量系统，极大地降低了大俯角测量的复杂程度，能够实现0°~90°大程度的俯仰角度的精准RCS数据测量，在一定程度上减少了设计成本、人力成本和经济成本，使得大俯仰角度RCS数据测量变得更加灵活。

附图说明

图1为本发明提供的该大俯仰角度RCS数据的测量系统结构示意图；

图2为本发明提供的该机载测试机构的结构示意图；

图3为本发明提供的该测试雷达的结构示意图；

图4为本发明提供的该大俯仰角度RCS数据的测量方法的流程图。

具体实施方式

以下结合附图通过具体实施例对本发明作进一步的描述，这些实施例仅用于说明本发明，并不是对本发明保护范围的限制。

实施例

本发明是一种大俯仰角度雷达散射截面（RCS）数据的测量系统，用于对地面上的待测目标M进行大俯仰角度RCS数据的测量，其中，在本实施例1中，该地面上的待测目标M可以为标准定标体，也可以为实际测试的目标。

如图1所示，该大俯仰角度雷达散射截面（RCS）数据的测量系统具体包括：

机载测试机构1，用于在不同俯仰角度下，对地面上的待测目标M发射电磁波并接收其回波，以获得待测目标M的测试数据；

地面控制机构2，用于对地面上的待测目标M进行支撑和旋转；

上位机3，分别与机载测试机构1、及地面控制机构2通信连接，用于对机载测试机构1发送测试指令，对地面控制机构2进行旋转控制，并接收和处理机载测试机构1回传的测试数据，获得待测目标M的RCS数据。

其中，如图2所示，机载测试机构1还包括：

机载本体；在本实施例中，该机载本体为无人机，且包括：无人机机翼1011、无人机机身1012、无人机支架1013。

测试装置102，设置于该机载本体101上，用于接收到上位机3的测试指令后，对该待测目标M发射电磁波并接收其回波，并将测试数据传输至上位机3；在本实施例1中，该测试装置102为测试雷达，可以采用线性调频连续波雷达，也可以采用频率步进连续波雷达。

机载接收装置103，安装于该测试装置102前端，用于根据测试所需的频段，选定合适的机载接收装置103，以测试该待测目标M时增大该机载接收装置103的俯仰角度范围；在本实施例1中，该机载接收装置103为喇叭天线。

云台104，设置于该测试装置102上，用于稳定和支撑该测试装置102、和机载接收装置103且分别与测试装置102、及机载接收装置103通信连接，用于结合该机载接收装置103接收到的测试指令，对该机载接收装置103的俯仰角度进行调节，有效的增大了对地面上待测目标M的大俯仰角度RCS数据测量；通过该云台104来调节该机载接收装置103的俯仰角度，能够保证后续发射的波束中心对准待测目标M的中心，只有实现精确对准，才能得到目标准确M的回波信息。

在本实施例1中，该云台104内部还设置有GPS定位机构，用于定位该机载测试机构1的实时方位。

激光笔105，设置于该云台104上，且分别与测试装置102、机载发射装置103、及云台104通信连接，用于在该测试装置102的扫脚范围内扫描、定位该待测目标M，并调整该机载接收装置103的中心与该待测目标M的中心位于同一直线上，从而实现该待测目标M的对准。

如图1所示，在本实施例1中，地面控制机构2还包括：

地面转台201，设置于地面上，以小步进间隔或连续的360°旋转；

低散射支架202，设置于该地面转台201上，且用于支撑该待测目标M；该低散射支架202与地面转台201相结合，以保证该待测目标M与地面平行。

在本实施例1中，该测试装置102为测试雷达，在本实施例1中，该测试雷达为FMCW雷达，具体结构如附图3所示，本测试雷达102的结构为现有技术，在此不做赘述。

实施例

本发明还提供了一种大俯仰角度雷达散射截面（RCS）数据的测量方法，如图4所示，该测量方法具体包括以下步骤：

S1，结合测试波段，选定机载接收装置103，并将选定的机载接收装置103安装于测试装置102的前端；在本实施例2中，该机载接收装置103为喇叭天线，该测试装置102为测试雷达。

上述步骤S1具体包括以下步骤：

S101，确定测试波段和测试的中心频率f，并结合该中心频率f计算出该测试波段下的波束宽度

，结合该波束宽度/>

选定机载接收装置103；具体的，该波束宽度/>

满足：

其中，

为天线波长，/>

为天线口径的最大尺寸，c为光速；

在本实施例2中，选定的测试波段为X波段，相应选定的中心频率f为10GHz，则计算出的该测试波段下的波束宽度

为34°，则结合该波束宽度/>

= 34°，选定出满足该波束宽度

的喇叭天线103。

S102，将选定的满足波束宽度的喇叭天线103安装在该机载测试机构1的测试雷达102的前端。

S2，测量该待测目标M的最大尺寸D，并结合该喇叭天线103的波束宽度，计算出该机载测试机构1测量待测目标M的最小测试距离S，且最小测试距离S满足：

；

。

在本实施例2中，测量出该待测目标M的最大尺寸D为1m，且该波束宽度

= 34°，则该机载测试机构1测量待测目标M的最小测试距离S=2m。

S3，结合待测目标M的位置和该机载测试机构1测量待测目标M的最小测试距离S，调整和定位上述实施例1提供的一种大俯仰角度机载RCS测量系统；

在本实施例2中，结合待测目标M的位置和最小测试距离S，在待测目标M下方依序设置低散射支架202、和地面转台201，并使得该待测目标M的中心线与地面转台201的中心线重合，且待测目标M与地面保持水平。

S4，结合待测的大俯仰角度范围和该机载测试机构1测量待测目标M的最小测试距离，确定测试的弧形导轨，并调整和定位该机载测试机构1悬停在初始测试位置。

具体地，确定弧形导轨，并调整和定位该机载测试机构1具体包括以下步骤：

S401，结合待测的大俯仰角度范围和该机载测试机构1测量待测目标M的最小测试距离，计算出该机载测试机构1距离待测目标M的水平距离、和垂直距离，确定该机载测试机构1的运动轨迹，并将该运动轨迹定义为该机载测试机构1在后续测试阶段的弧形导轨。

S402，该机载测试机构1中的云台104内部设置有GPS定位机构，通过GPS定位机构精确定位该机载测试机构1的位置，使得该机载测试机构1悬停于初始测试位置；

S403，上位机发出测试指令，该机载测试机构1中的云台104接收到该测试指令后，对喇叭天线103的俯仰角度进行调整，并定位和对准该待测目标M。具体的，定位和对准该待测目标M还包括以下步骤：

S4031：通过控制激光笔105扫描定位该待测目标M；

S4032：调整该待测目标M的中心与喇叭天线103的中心位于同一直线上，以完成该待测目标M的对准。

S5，启动地面转台201，待测目标M在地面转台201的带动下进行转动，该机载测试机构1中的测试雷达102对旋转的待测目标M进行测试，并将测试数据无线传输至上位机3进行数据处理，获得该待测目标M在该俯仰角度下的RCS数据；

具体的，该测试雷达103对旋转的待测目标M进行测试包括以下步骤：

S501，测试雷达103发射测试信号，传输至待测目标M；

S502，待测目标M对测试信号进行散射，测试雷达103经过第一延时时长τ后开始采集待测目标M的回波信号，再经过第二延时时长t’后，对回波信号进行数据采样，从而获得待测频点f ₁的测试数据，且待测频点f ₁满足：

f ₁ =f ₀ +kt’

其中，k为调频斜率，f ₀为起始频点；

S503，结合待测频点和待测目标M的目标位置R ₀，可以计算出测试雷达103的采样时刻

，且满足：

S504，将当前采样时刻采样获得的测试数据作为当前待测频点下的频率响应，并将当前待测频点下的测试数据传输至上位机3。

S6，调整该机载测试机构1沿着该弧形导轨，从初始测试位置移动至不同的测试位置，在不同测试位置下，分别重复上述S4-S5，获得待测目标M在不同俯仰角度下的RCS数据。

在本实施例2中，为了保证整个大俯仰角度RCS数据测试的准确性，降低目标周围杂波影响，还可以在待测目标M的周围铺设吸波材料。

本发明的工作原理：

结合测试波段，选定机载接收装置，并将选定的机载接收装置安装于测试装置的前端；测量该待测目标的最大尺寸，并结合选定的机载接收装置，计算出该机载测试机构测量待测目标的最小测试距离；结合待测目标的位置和上述最小测试距离，调整和定位上述大俯仰角度机载RCS测量系统；结合待测的大俯仰角度范围和该最小测试距离，确定测试的弧形导轨，并调整和定位该机载测试机构悬停在初始测试位置；启动地面转台，该测试装置对旋转的待测目标进行测试，并将测试数据传输至上位机进行数据处理，获得该待测目标在该俯仰角度下的RCS数据；调整该机载测试机构沿着该弧形导轨，从初始测试位置移动至不同的测试位置，在不同测试位置下，分别重复上述一定俯仰角度下RCS数据的测试，获得待测目标在不同俯仰角度下的RCS数据。

综上所述，本发明一种大俯仰角度雷达散射截面数据测量系统及其测量方法，降低了现有大俯仰角度RCS数据测量的复杂性，实现了0°~90°大俯仰角度的精准RCS数据测量，减少了设计成本、人力成本和经济成本，使得大俯仰角度RCS数据测量变得更加灵活。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。

Claims

1.一种大俯仰角度雷达散射截面RCS数据的测量方法，其特征在于，该测量方法是基于大俯仰角度雷达散射截面RCS数据的测量系统实现的，

所述测量系统包括：

地面控制机构，用于对所述待测目标进行支撑和旋转；

上位机，分别与所述机载测试机构、及所述地面控制机构通讯连接，用于对所述机载测试机构发送测试指令，对所述地面控制机构进行旋转控制，并接收和处理所述机载测试机构回传的测试数据，获得待测目标的RCS数据；

所述机载测试机构包括：

机载本体；

测试装置，设置于所述机载本体上，用于接收到所述测试指令后，对所述待测目标发射电磁波并接收其回波，并将所述测试数据传输至所述上位机；

机载接收装置，安装于所述测试装置前端，用于测试所述待测目标时增大所述机载接收装置的俯仰角度范围；

云台，设置于所述测试装置上，用于稳定和支撑所述测试装置、和所述机载接收装置，且分别与所述测试装置、及所述机载接收装置通讯连接，用于结合所述测试指令，对所述机载接收装置的俯仰角度进行调节；

激光笔，设置于所述云台上，且分别与所述测试装置、机载发射装置、及所述云台通讯连接，用于定位和对准所述待测目标；

所述云台内部还设置有GPS定位机构，用于定位所述机载测试机构的实时方位；

所述测试装置为测试雷达；

所述机载接收装置为喇叭天线；

所述机载本体为无人机；

所述测量方法包括：

S1，结合测试波段，选定机载接收装置，并将选定的所述机载接收装置安装于测试装置的前端；

S2，测量该待测目标的最大尺寸，并结合所述机载接收装置，计算出机载测试机构测量待测目标的最小测试距离；

S3，结合所述待测目标的位置和所述最小测试距离，调整和定位所述大俯仰角度雷达散射截面RCS测量系统；

S4，结合待测的大俯仰角度范围和所述最小测试距离，确定测试的弧形导轨，并调整和定位所述机载测试机构悬停在初始测试位置；

S5，启动地面转台，所述测试装置对所述待测目标进行测试，并将测试数据传输至上位机进行数据处理，获得所述待测目标在该俯仰角度下的RCS数据；

S6，调整所述机载测试机构沿着所述弧形导轨，从所述初始测试位置移动至不同的测试位置，在所述不同测试位置下，分别重复上述S4-S5，获得所述待测目标在不同俯仰角度下的RCS数据；

所述S4具体包括：

S401，结合待测的大俯仰角度范围和所述最小测试距离，确定所述机载测试机构的弧形导轨；

S402，精确定位所述机载测试机构的位置，使得所述机载测试机构悬停于所述初始测试位置；

S403，所述机载测试机构接收到所述上位机发出的所述测试指令，对所述机载接收装置的俯仰角度进行调整，并定位和对准所述待测目标；

所述定位和对准所述待测目标具体包括：

S4031：通过控制激光笔扫描定位所述待测目标；

S4032：调整所述待测目标的中心与所述载接收装置的中心位于同一直线上，以完成所述待测目标的对准；

测试雷达对旋转的待测目标进行测试包括以下步骤：

S501，测试雷达发射测试信号，传输至待测目标；

S502，待测目标对测试信号进行散射，测试雷达经过第一延时时长τ后开始采集待测目标的回波信号，再经过第二延时时长t’后，对回波信号进行数据采样，从而获得待测频点f ₁的测试数据，且待测频点f ₁满足：

f ₁ =f ₀ +kt’

其中，k为调频斜率，f ₀为起始频点；

S503，结合待测频点和待测目标的目标位置R ₀，可以计算出测试雷达的采样时刻

，且满足：

；

其中，c为光速；

S504，将当前采样时刻采样获得的测试数据作为当前待测频点下的频率响应，并将当前待测频点下的测试数据传输至上位机。

2.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述地面控制机构还包括：

低散射支架，设置于所述地面转台上，且用于支撑所述待测目标，且与所述地面转台相结合，以保证所述待测目标与地面平行。

3.如权利要求1所述的测量方法，其特征在于，所述S1具体包括：

S101，确定所述测试波段和测试的中心频率，并结合所述中心频率计算出所述测试波段下的波束宽度，结合所述波束宽度选定所述机载接收装置；

S102，将选定的满足所述波束宽度的所述机载接收装置安装在所述测试装置的前端。

4.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述S3具体包括：

结合所述待测目标的位置和所述最小测试距离，在所述待测目标下方依序设置低散射支架、和地面转台，并使得所述待测目标的中心线与所述地面转台的中心线重合，且所述待测目标与地面保持水平。

5.如权利要求3所述的测量方法，其特征在于，所述待测目标的周围铺设有吸波材料。