現(xiàn)代裝備，如各種飛機(jī)、軍艦等，為減小敵方雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率，采用了不同程度的隱身措施。在裝備表面涂覆雷達(dá)吸波涂料RAC(Radar Absorbing Coating)來(lái)減小雷達(dá)散射截面已成為一種重要的方法。通常表征吸波涂料隱身特性的基本參量是其對(duì)電磁波的反射率，表達(dá)式為：
   
式中V_反 是涂料的反射電壓，V_入 是涂料上的入射電壓，P反 是涂料的反射功率，P_入 是涂料的入射功率。上式也可以理解為在給定的波長(zhǎng)和極化的條件下，電磁波從同一方向、以同一功率密度入射到雷達(dá)吸波涂料平面和良導(dǎo)體平面，雷達(dá)吸波涂料平面與同尺寸良導(dǎo)體平面兩者鏡面方向反射功率之比。
    常用的傳統(tǒng)方法[1]主要有遠(yuǎn)場(chǎng)RCS測(cè)試法、弓形測(cè)試法、樣板空間平移測(cè)試法等。這些方法均要求在微波暗室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試，并且無(wú)法對(duì)已經(jīng)涂覆于機(jī)體表面的材料進(jìn)行測(cè)試。近年來(lái)，一些便攜式反射率測(cè)試儀相繼被研制出來(lái)[2]，均采用檢波方案，存在測(cè)量精度不高、動(dòng)態(tài)范圍小的缺點(diǎn)。本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于掃頻RCS測(cè)量原理的便攜式吸波涂料反射率測(cè)試設(shè)備。與傳統(tǒng)方法相比，本設(shè)備簡(jiǎn)單、測(cè)試靈活；與其他的便攜式方法相比，具有精度更高、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn)。
1 掃頻測(cè)量原理
    掃頻RCS系統(tǒng)也稱線性調(diào)頻系統(tǒng)，其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示。其中fi是發(fā)射頻率，f_r是回波頻率，f₀是中頻信號(hào)頻率，τ是延遲時(shí)間，B是掃頻信號(hào)帶寬，T是掃頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間，c是光速，R是目標(biāo)到混頻器信號(hào)端口的距離。

    根據(jù)掃頻RCS系統(tǒng)原理[3]，混頻器輸出的中頻信號(hào)中包含有與目標(biāo)距離成線性關(guān)系的頻率分量：
   
    由式(3)可以看出：
    (1)其頻率f0正比于發(fā)射帶寬B及延遲時(shí)間τ，反比于掃頻時(shí)間T，即f₀=Bτ/T。假如目標(biāo)區(qū)有多個(gè)反射回波源，中頻信號(hào)應(yīng)包含所有反射信號(hào)的矢量和。
   
    (2)基于頻率與f0目標(biāo)的距離R呈fc=2BR/cT的正比關(guān)系，對(duì)頻率的分辨率也是對(duì)距離的分辨率。其幅度(或信號(hào)包絡(luò))E₀(t)反映了目標(biāo)在t時(shí)刻對(duì)雷達(dá)波的反射強(qiáng)度；由掃頻測(cè)量體制中微波掃頻頻率f_i[f₀-B/2，f₀+B/2]與信號(hào)持續(xù)時(shí)間t[0，T]的相關(guān)性可知,信號(hào)幅度隨時(shí)間的變化規(guī)律E₀(t)也是其隨發(fā)射頻率的關(guān)系曲線E₀(f_i)。根據(jù)定義：若對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢波取出包絡(luò)E₀(fi)，再對(duì)包絡(luò)取模平方，即是反射率與發(fā)射頻率的關(guān)系曲線。
    獲取目標(biāo)反射率隨掃頻頻率變化的曲線圖的過(guò)程簡(jiǎn)述如下：
    (1)首先對(duì)采樣數(shù)據(jù)作背景對(duì)消處理，然后做N點(diǎn)FFT處理實(shí)現(xiàn)距離向（或稱頻率）分辨；這里N為序列字長(zhǎng)。然后采用硬件或軟件門將一維成像非目標(biāo)區(qū)內(nèi)的雜散噪聲信號(hào)頻率進(jìn)一步濾除，從而只保留目標(biāo)區(qū)頻帶內(nèi)的數(shù)據(jù)。
    (2)對(duì)保留數(shù)據(jù)作IFFF，得到目標(biāo)區(qū)相應(yīng)的時(shí)域波形，記為S_i(t)，由于線性掃頻體制中時(shí)域回波信號(hào)亦是掃頻發(fā)射頻率的函數(shù)，所以S_i(t)可以用S_i(fi)表示。
    (3)對(duì)電壓信號(hào)S_i(fi)取平方，得到回波信號(hào)的瞬時(shí)功率P(t)或P(fi)的波形，其包絡(luò)就是目標(biāo)RCS隨頻率的幅度分布。
    (4)為獲得P(fi)包絡(luò)，再一次FFT得到P(fi)的功率譜分布，該譜中低頻區(qū)的譜線代表包絡(luò)，高頻譜是載波fc。
    (5)用數(shù)字濾波將低頻區(qū)的包絡(luò)譜濾出。再對(duì)包絡(luò)譜作IFFT便可恢復(fù)反射功率的包絡(luò)波形，也即RCS和掃頻發(fā)射頻率的關(guān)系曲線。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析和實(shí)現(xiàn)過(guò)程
    本測(cè)試儀用于對(duì)平板型吸波涂料進(jìn)行快速性能檢測(cè)。頻率特性采用分波段控制，可覆蓋2 GHz～18 GHz范圍。對(duì)反射率測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大于40 dB。圖3給出了本系統(tǒng)的框圖。

    測(cè)量?jī)x由嵌入式工控計(jì)算機(jī)、USB采集和控制模塊、微波系統(tǒng)、延時(shí)電纜、各波段測(cè)試探頭、定標(biāo)校準(zhǔn)件組成。工控機(jī)內(nèi)裝計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng)，有上位機(jī)軟件，完成系統(tǒng)控制、數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存、結(jié)果顯示等操作。USB采集模塊由A/D芯片、USB芯片CY7C68013組成，完成從放大器采集數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)通過(guò)USB總線傳送到電腦的功能。
    中頻信號(hào)由放大器經(jīng)過(guò)USB芯片采集后傳輸?shù)角度胧焦た貦C(jī)，在計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理。其關(guān)鍵和難點(diǎn)是USB芯片的固件和驅(qū)動(dòng)程序的編寫。當(dāng)芯片上電時(shí)，首先由缺省USB設(shè)備進(jìn)行枚舉。此款USB芯片具有軟配置的特點(diǎn)。枚舉完成以后，就可以通過(guò)USB的連接線將固件代碼下載到芯片的RAM內(nèi)。之后8051就會(huì)脫離復(fù)位并開(kāi)始運(yùn)行這些代碼，并且再一次進(jìn)行枚舉，這個(gè)過(guò)程叫做重枚舉。
    CYPRESS公司為用戶提供了固件程序框架和固件函數(shù)庫(kù)，根據(jù)外設(shè)功能的具體要求，在相應(yīng)的函數(shù)中填寫函數(shù)體，就可以完成自定義功能。固件函數(shù)框架包含初始化、處理標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備請(qǐng)求以及USB掛起時(shí)的電源管理等。框架完成了一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)循環(huán)，其任務(wù)調(diào)度的步驟如下：
    (1)調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll()。這部分程序由開(kāi)發(fā)者填寫，以實(shí)現(xiàn)USB外設(shè)的主要功能。
    (2)判斷是否有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求等待處理。如果有，則分析該請(qǐng)求并響應(yīng)。
    (3)判斷USB內(nèi)核是否收到USB掛起信號(hào)。如果收到，則調(diào)用用戶函數(shù)TD_Suspend()。從該函數(shù)成功返回以后（返回值為TRUE），再檢測(cè)是否發(fā)生USB喚醒事件。如果未檢測(cè)到，則處理器進(jìn)入掛起方式；如果檢測(cè)到，則調(diào)用用戶函數(shù)TD_Resume()，程序繼續(xù)運(yùn)行。如果從TD_Suspend函數(shù)返回FALSE，則程序繼續(xù)運(yùn)行。流程圖如圖4。

    這個(gè)框架包含以下函數(shù)掛鉤：void TD_Init(void)；void TD_Poll(void)；BOOL TD_Suspend(void)；void TD_
Resume(void)。
    以上為任務(wù)分配器，分別在框架初始化、設(shè)備工作期間、框架進(jìn)入掛起狀態(tài)之前、被外部的喚醒事件喚醒且恢復(fù)處理之后調(diào)用。此外還有9個(gè)設(shè)備請(qǐng)求函數(shù)和8個(gè)USB中斷函數(shù)需要用戶自己設(shè)置。
    驅(qū)動(dòng)程序采用的是CYPRESS提供的通用驅(qū)動(dòng)程序，這是一個(gè)可以使用應(yīng)用程序通過(guò)I/O控制來(lái)訪問(wèn)的通用驅(qū)動(dòng)程序。用戶使用Win32函數(shù)DeviceIoControl()來(lái)提交I/O控制碼，并且為CreateFile()函數(shù)返回的設(shè)備句柄設(shè)置I/O緩沖區(qū)。DeviceIoControl()的函數(shù)原型為：
BOOL DeviceIoControl(){
    HANDLE            hDevice，                 //設(shè)備句柄
    DWORD            dwIoControlCode，    //I/O操作控制代碼
    LPVOID            lpInBuffer，                 //輸入緩沖區(qū)指針
    DWORD            nInBufferSize，          //輸入緩沖區(qū)大小
    LPVOID            lpOutBufferSize，       //輸出緩沖區(qū)指針
    DWORD            nOutBufferSize，        //輸出緩沖區(qū)大小
    LPDWORD        lpBytesReturned，       //實(shí)際返回的字節(jié)數(shù)
    LPOVRLAPPER     lpOverLapper，        //用于異步操作的重疊指針
}；
    IOCTL和相應(yīng)的輸入、輸出結(jié)構(gòu)在開(kāi)發(fā)軟件包的ezusbsys.h中作出了定義。WindowsDDK提供的USB100.H提供了標(biāo)準(zhǔn)的USB的I/O結(jié)構(gòu)。
    本測(cè)試儀的工控計(jì)算機(jī)內(nèi)部應(yīng)用軟件使用了Visual C++，具有以下主要功能：設(shè)置掃頻源的工作模式與掃頻參數(shù)；設(shè)置控制/中頻單元的工作參數(shù)；保存回波的采樣數(shù)據(jù)；計(jì)算RCS，并分別得到目標(biāo)RCS關(guān)于時(shí)間及頻率變化的曲線；RCS數(shù)據(jù)保存與打印輸出。
      在軟件編寫的過(guò)程中，曲線繪制利用了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部開(kāi)發(fā)的繪制一維曲線類CCurve。該類可實(shí)現(xiàn)以下功能：根據(jù)數(shù)據(jù)繪制一維曲線，放大、縮小曲線，標(biāo)注曲線關(guān)鍵點(diǎn)，移動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)的位置，更改曲線坐標(biāo)范圍，計(jì)算曲線選定范圍內(nèi)的均值。
      為了便于程序維護(hù)，掃頻測(cè)量條件下目標(biāo)RCS計(jì)算所需的函數(shù)均被封裝在名為CDataProcess的數(shù)據(jù)處理類中。CDataProcess類的成員變量包括待處理數(shù)據(jù)的指針、定標(biāo)數(shù)據(jù)的指針以及處理過(guò)程中必需的參數(shù)信息。用戶可通過(guò)調(diào)用該類的成員函數(shù)進(jìn)行RCS的計(jì)算。
      USB芯片內(nèi)部集成有8051內(nèi)核，控制16 bit D/A輸出鋸齒波掃描電壓，該電壓經(jīng)過(guò)低通濾波器平滑,作為恒溫VCO的掃頻控制電壓。掃頻信號(hào)經(jīng)過(guò)定向耦合器主路作為混頻器的本振信號(hào)，耦合器支路輸出信號(hào)經(jīng)微波放大器達(dá)到18 dBm左右的功率值，該信號(hào)經(jīng)環(huán)形器、4 m同軸電纜到達(dá)測(cè)試探頭。探頭的反射波經(jīng)環(huán)形器的另一端口到達(dá)混頻器的信號(hào)端口。
    雖然發(fā)射信號(hào)通過(guò)環(huán)形器對(duì)混頻器信號(hào)口的直漏功率比目標(biāo)最大回波功率大10 dB左右，但由于4 m延時(shí)電纜相當(dāng)于自由空間5 m，故兩者頻率相差較大，通過(guò)帶通濾波并放大后，可保證計(jì)算機(jī)采集到比較理想的目標(biāo)回波。為限制泄漏信號(hào)過(guò)大而使混頻器飽和，在混頻器信號(hào)口加一個(gè)衰減器，控制泄漏信號(hào)電平小于0 dBm。當(dāng)然衰減器的引入使混頻器動(dòng)態(tài)范圍減少了10 dB左右，但還可保證混頻器至少有40 dB以上的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。而其他的便攜式測(cè)量方案采用檢波方法，最大動(dòng)態(tài)范圍也很難做到40 dB。這是采用掃頻系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論
    在掃頻測(cè)量體系中，誤差的來(lái)源主要是混頻器的線性度不夠，為了使測(cè)量更加準(zhǔn)確，測(cè)量系統(tǒng)先對(duì)短路終端進(jìn)行掃頻測(cè)量及信號(hào)采集，將對(duì)短路板的采樣信號(hào)作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)存起來(lái)。然后在同樣條件下對(duì)被測(cè)目標(biāo)體進(jìn)行掃頻測(cè)量，對(duì)2組數(shù)據(jù)進(jìn)行上述信號(hào)處理，然后將2組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相減，即是目標(biāo)反射率隨頻率變化的數(shù)據(jù)。
    對(duì)某吸波涂料樣板進(jìn)行測(cè)試，將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與廠家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比，見(jiàn)表1。

    由表1數(shù)據(jù)可以看出，在反射率比較小時(shí)，實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相差較大，在反射率比較大時(shí)，誤差較小，處于要求的誤差范圍內(nèi)，能夠反映吸波涂料的吸波性能。
    本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的測(cè)量方法以及以往的便攜式測(cè)量方法相比，具有以下優(yōu)勢(shì)：
    (1)使用恒溫VCO作為信號(hào)源，掃頻速度快，使用D/A建立掃頻電壓可任意控制掃頻時(shí)間。
    (2)掃頻方法可縮短電纜距離，回波信號(hào)頻率高，便于濾波處理。
    (3)信號(hào)處理方法使用成熟的RCS信號(hào)處理方法。
    (4)動(dòng)態(tài)范圍大，可以做到大于40 dB。
參考文獻(xiàn)
[1] 呂嬰.雷達(dá)吸波材料吸收性能檢測(cè).航空非金屬材料學(xué)術(shù)研討會(huì)[C].山西：1991.
[2] 梁沂.便攜式吸波涂料吸波性能測(cè)試系統(tǒng)的研究[J].微波學(xué)報(bào)，2005，21(4)：60-62.
[3] 薛明華，王振榮.掃頻RCS測(cè)試系統(tǒng)原理及應(yīng)用[J].航空電子技術(shù)，1996(4)：20-25.