0 引 言
隨著雷達理論和技術(shù)的迅速發(fā)展，靶場測量不僅希望取得雷達目標的位置和軌道信息，還期望獲得目標的形狀、體積、質(zhì)量以及表面電磁參數(shù)等更多特征，不但要知道目標在哪里，還要知道是什么樣的目標。而現(xiàn)代戰(zhàn)爭隱身與突防的戰(zhàn)場需求，使得各類雷達目標的體積與它的雷達散射截面值幾乎沒有關(guān)系。靶場測控應該與雷達目標戰(zhàn)技參數(shù)相匹配，雷達測量研究也應該與雷達目標同步發(fā)展，因此，目標特性測量是現(xiàn)代靶場測控技術(shù)的一個發(fā)展方向。
作為我國海上靶場高精度測控網(wǎng)的主干設(shè)備，大功率脈沖測量雷達能夠完成導彈、衛(wèi)星和飛船的測量任務，實時提供目標的距離、方位角、俯仰角等信息。本文基于靶場現(xiàn)有的脈沖雷達，對RCS接收通道進行了設(shè)計研究，對關(guān)鍵技術(shù)和可行性進行了分析論證。
1 問題的提出
現(xiàn)有的脈沖跟蹤測量雷達是將被跟蹤目標視為一散射點進行研制的，對導彈的目標特性，如雷達反射截面(RCS)、運動姿態(tài)不予關(guān)心。本文就是在原測量雷達的基礎(chǔ)上，通過增加目標特性測量支路，對目標的電磁散射特性，特別是對被跟蹤目標的RCS進行測量，并可以對出水尾流和等離子鞘套等物理現(xiàn)象進行觀測。
雷達目標特征信號隱含于雷達回波(復數(shù)值)之中，通過對雷達回波的幅度和相位信息的處理、分析、變換，可以得到諸如雷達散射截面(RCS)及其統(tǒng)計特征參數(shù)等一系列表征目標固有特征的信號。因目標飛行姿態(tài)的不確定性與RCS的測量需求，它的接收系統(tǒng)有別于一般脈沖測量雷達接收機，目標特性測量支路要求具有大動態(tài)范圍寬帶信號的接收機，由中頻采樣技術(shù)對單載頻脈沖信號進行采樣生成數(shù)字I／Q，實時送計算機錄取，經(jīng)處理，解出雷達RCS值及目標固有特征參數(shù)。這種寬帶接收機使得通帶內(nèi)線性失真，帶內(nèi)信號幅度、相位波動，帶內(nèi)雜散信號增多。同時寬帶信號也會帶來I／Q的誤差，以及使高速A／D采樣難度加大，出現(xiàn)中視頻處理和計算機高速讀取數(shù)據(jù)困難等一系列問題。
2 目標的雷達散射截面(RCS)
目標的雷達散射截面(Radar Cross Section，RCS)是表征雷達目標對于照射電磁波散射能力的一個物理量，定義為單位立體角內(nèi)目標朝接收方向散射的功率與從給定方向入射于該目標的平均波功率密度之比的4π倍，常用字母σ來表示。
RCS的定義有兩種觀點：一種是基于電磁散射理論的觀點；另一種是基于雷達測量的觀點。基于電磁散射理論的觀點得到的遠場RCS的表達式為：
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式中：Ei，Hi和Es，Hs分別為人射場強和散射場強，“*”號表示復共軛。
基于雷達測量的觀點由雷達方程推導出來的遠場RCS的表達式為：
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由式(1)和式(2)可知兩者是一致的，只是式(1)適用于理論計算，式(2)適用于用相對標定法來測量目標RCS。
從式(1)可以看出，目標的散射截面是用目標散射電磁波的能力來描述的，是目標對雷達入射能量進行散射能力的測量。其大小主要取決于目標的參數(shù)(如目標的形狀、尺寸及表面電器性能)和雷達參數(shù)(如一次場的極化形式、波長等)以及目標的視角。
3 基于脈沖雷達的RCS接收通道
3．1 組成與原理
RCS接收通道包括接收分系統(tǒng)和計算機分系統(tǒng)。計算機錄取數(shù)據(jù)并事后完成目標RCS的計算。接收分系統(tǒng)由雷達接收機的顯示支路引入反射信號功分兩路，一路仍為顯示支路，另一路由RCS接收通道對雷達跟蹤的反射回波信號對其中頻放大，瞬時AGC控制，檢波、視放等幅度處理，按PRF為一幀實時錄取(見圖1)。在雷達轉(zhuǎn)入跟蹤工作狀態(tài)后，RCS支路的主目標測量波門自動調(diào)整(0．8μs)脈沖的時延，始終套住目標反射信號。高速A／D變換共有三路信號(和、方位差、俯仰差)，與接口來的時序同步存儲，乒乓結(jié)構(gòu)讀取數(shù)據(jù)、存儲并解算。
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3．2 動態(tài)范圍的設(shè)計
對目標特性信號進行分析的前提是保證包含在回波信號內(nèi)的特性信息的精確性。而實際上，運動中的目標由于運動姿態(tài)的急劇變化和雷達的觀察角的變化(過捷徑)，以及目標等離子鞘套的影響，回波信號的幅度會急劇變化。雷達接收機采用常規(guī)AGC增益控制的方法受回路帶寬的制約難以滿足RCS測量的要求。因此，基于現(xiàn)有的脈沖雷達解決的辦法有兩種，其一是常規(guī)AGC+大動態(tài)范圍AD(在接收機不飽和前提下)；其二是瞬時AGC技術(shù)(IAGC)。
第一種方案要求AD有大動態(tài)范圍和低的接收機后級噪聲，當測量回波快速起伏變化時，AGC無法做出瞬時響應，只有讓AD變換器具有64 dB動態(tài)范圍，并且控制AGC是RCS接收機輸出工作在AGC的合理小信號位上(相當于+24 dB的富裕量)，假如信號起伏在平均AGC上忽然下降到20 dB，常規(guī)AGC由于延時作用幾乎沒有變化，AGC無法反應，只有在平均AGC之上的大信號起伏才能正確反應，故難以滿足79．5 dB范圍內(nèi)RCS快速變化64 dB的要求。第二種方案實際上是一種開環(huán)控制，AGC速度主要取決于數(shù)控衰減器電子開關(guān)的動態(tài)特性，故瞬時AGC具有很寬的帶寬，RCS測量系統(tǒng)采用瞬時AGC技術(shù)。在前中設(shè)有一級16 dB的數(shù)控衰減器，另外的63．5 dB控制由IAGC環(huán)路來實現(xiàn)。主要的指標參數(shù)要求如下：
IAGC：最大可控范圍64 dB；步進0～5 dB；建立時間小于1 μs。
延遲線：延遲3μs；誤差小于1 ns。
A／D變換速率：60 MHz；位數(shù)12 b。
3．3 接收系統(tǒng)的線性要求
任何實際系統(tǒng)都是非理想的，接收系統(tǒng)的線性度主要是指接收支路的線性度。RCS測量系統(tǒng)要求接收系統(tǒng)的每一個環(huán)節(jié)都是線性的。系統(tǒng)的非線性主要是由于器件工作在飽和區(qū)引起的，對于雷達來說，接收機的中視頻部分又起主要作用。采用IAGC后，AGC之后的電路能可靠地工作在器件的線性區(qū)，故RCS測量支路的線性取決于延時線的延時精度和數(shù)控衰減器的控制精度和速度，使信號在數(shù)控衰減器控制完成后到達衰減器。數(shù)控衰減器每一級的衰減量可分別精確標定，故整個支路的線性度可達到指標要求。另外，在實際中系統(tǒng)的非線性還可通過標定進行補償修正。
3．4 數(shù)據(jù)存儲與錄取
RCS目標特性測量系統(tǒng)采用直接磁盤存儲技術(shù)，計算機對目標特性數(shù)據(jù)(三路目標回波信息、AGC電壓以及時統(tǒng)數(shù)據(jù))的存儲與數(shù)據(jù)錄取采用直接SCSI硬盤記錄的方法來實現(xiàn)，滿足對數(shù)據(jù)長時間穩(wěn)定、可靠、實時、高速的要求，F(xiàn)IFO乒乓存儲速度大于20 MHz。方法是采用專門開發(fā)的高速SCSI接口板，數(shù)據(jù)流由采集電路直接送到SCSI硬盤，不經(jīng)過計算機系統(tǒng)總線，并且不以FAT或NTFS文件格式保存，僅以連續(xù)的磁盤扇區(qū)記錄的方式寫入硬盤。記錄完成后再由軟件轉(zhuǎn)換成標準文件數(shù)據(jù)。SCSI接口板采用雙512 KB SRAM做為緩存，工作時緩存分為兩頁，其中一頁錄取外部數(shù)據(jù)，另一頁向NCR35C400(SCSI控制器)寫數(shù)據(jù)，使用邏輯電路控制頁面切換。功能框圖如圖2所示。
4 結(jié) 語
依據(jù)以上分析論證，在不改變靶場現(xiàn)有脈沖雷達的跟蹤測量性能基礎(chǔ)上，由原跟蹤測量雷達來完成其原有的跟蹤功能，僅在接收機上增加目標特性(RCS)測量通道在理論和工程上都是可行的。目標特性測量是現(xiàn)代靶場的一個重要發(fā)展方向，通過在脈沖雷達上加裝RCS接收通道進而能實時獲取目標RCS值的時間序列流，與相應的軌道參數(shù)數(shù)據(jù)一起進行數(shù)據(jù)融合分析，提取目標的表面材料的電磁特征等物理量，并能分析目標繞質(zhì)心運動等參數(shù)，與數(shù)據(jù)庫中積累的已有探測目標的數(shù)據(jù)比對，進而完成所探測目標的分類和識別，并豐富雷達測量數(shù)據(jù)庫，無論對被試品鑒定還是對測控設(shè)備挖潛研究都有重要意義。