0 引 言
隨著雷達(dá)理論和技術(shù)的迅速發(fā)展，靶場測(cè)量不僅希望取得雷達(dá)目標(biāo)的位置和軌道信息，還期望獲得目標(biāo)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(biāo)在哪里，還要知道是什么樣的目標(biāo)。而現(xiàn)代戰(zhàn)爭隱身與突防的戰(zhàn)場需求，使得各類雷達(dá)目標(biāo)的體積與它的雷達(dá)散射截面值幾乎沒有關(guān)系。靶場測(cè)控應(yīng)該與雷達(dá)目標(biāo)戰(zhàn)技參數(shù)相匹配，雷達(dá)測(cè)量研究也應(yīng)該與雷達(dá)目標(biāo)同步發(fā)展，因此，目標(biāo)特性測(cè)量是現(xiàn)代靶場測(cè)控技術(shù)的一個(gè)發(fā)展方向。
作為我國海上靶場高精度測(cè)控網(wǎng)的主干設(shè)備，大功率脈沖測(cè)量雷達(dá)能夠完成導(dǎo)彈、衛(wèi)星和飛船的測(cè)量任務(wù)，實(shí)時(shí)提供目標(biāo)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(dá)，對(duì)RCS接收通道進(jìn)行了設(shè)計(jì)研究，對(duì)關(guān)鍵技術(shù)和可行性進(jìn)行了分析論證。
1 問題的提出
現(xiàn)有的脈沖跟蹤測(cè)量雷達(dá)是將被跟蹤目標(biāo)視為一散射點(diǎn)進(jìn)行研制的，對(duì)導(dǎo)彈的目標(biāo)特性，如雷達(dá)反射截面(RCS)、運(yùn)動(dòng)姿態(tài)不予關(guān)心。本文就是在原測(cè)量雷達(dá)的基礎(chǔ)上，通過增加目標(biāo)特性測(cè)量支路，對(duì)目標(biāo)的電磁散射特性，特別是對(duì)被跟蹤目標(biāo)的RCS進(jìn)行測(cè)量，并可以對(duì)出水尾流和等離子鞘套等物理現(xiàn)象進(jìn)行觀測(cè)。
雷達(dá)目標(biāo)特征信號(hào)隱含于雷達(dá)回波(復(fù)數(shù)值)之中，通過對(duì)雷達(dá)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(dá)散射截面(RCS)及其統(tǒng)計(jì)特征參數(shù)等一系列表征目標(biāo)固有特征的信號(hào)。因目標(biāo)飛行姿態(tài)的不確定性與RCS的測(cè)量需求，它的接收系統(tǒng)有別于一般脈沖測(cè)量雷達(dá)接收機(jī)，目標(biāo)特性測(cè)量支路要求具有大動(dòng)態(tài)范圍寬帶信號(hào)的接收機(jī)，由中頻采樣技術(shù)對(duì)單載頻脈沖信號(hào)進(jìn)行采樣生成數(shù)字I／Q，實(shí)時(shí)送計(jì)算機(jī)錄取，經(jīng)處理，解出雷達(dá)RCS值及目標(biāo)固有特征參數(shù)。這種寬帶接收機(jī)使得通帶內(nèi)線性失真，帶內(nèi)信號(hào)幅度、相位波動(dòng)，帶內(nèi)雜散信號(hào)增多。同時(shí)寬帶信號(hào)也會(huì)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(jì)算機(jī)高速讀取數(shù)據(jù)困難等一系列問題。
2 目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(RCS)
目標(biāo)的雷達(dá)散射截面(Radar Cross Section，RCS)是表征雷達(dá)目標(biāo)對(duì)于照射電磁波散射能力的一個(gè)物理量，定義為單位立體角內(nèi)目標(biāo)朝接收方向散射的功率與從給定方向入射于該目標(biāo)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(diǎn)：一種是基于電磁散射理論的觀點(diǎn)；另一種是基于雷達(dá)測(cè)量的觀點(diǎn)?；陔姶派⑸淅碚摰挠^點(diǎn)得到的遠(yuǎn)場RCS的表達(dá)式為：
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式中：Ei，Hi和Es，Hs分別為人射場強(qiáng)和散射場強(qiáng)，“*”號(hào)表示復(fù)共軛。
基于雷達(dá)測(cè)量的觀點(diǎn)由雷達(dá)方程推導(dǎo)出來的遠(yuǎn)場RCS的表達(dá)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(jì)算，式(2)適用于用相對(duì)標(biāo)定法來測(cè)量目標(biāo)RCS。
從式(1)可以看出，目標(biāo)的散射截面是用目標(biāo)散射電磁波的能力來描述的，是目標(biāo)對(duì)雷達(dá)入射能量進(jìn)行散射能力的測(cè)量。其大小主要取決于目標(biāo)的參數(shù)(如目標(biāo)的形狀、尺寸及表面電器性能)和雷達(dá)參數(shù)(如一次場的極化形式、波長等)以及目標(biāo)的視角。
3 基于脈沖雷達(dá)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(jì)算機(jī)分系統(tǒng)。計(jì)算機(jī)錄取數(shù)據(jù)并事后完成目標(biāo)RCS的計(jì)算。接收分系統(tǒng)由雷達(dá)接收機(jī)的顯示支路引入反射信號(hào)功分兩路，一路仍為顯示支路，另一路由RCS接收通道對(duì)雷達(dá)跟蹤的反射回波信號(hào)對(duì)其中頻放大，瞬時(shí)AGC控制，檢波、視放等幅度處理，按PRF為一幀實(shí)時(shí)錄取(見圖1)。在雷達(dá)轉(zhuǎn)入跟蹤工作狀態(tài)后，RCS支路的主目標(biāo)測(cè)量波門自動(dòng)調(diào)整(0．8μs)脈沖的時(shí)延，始終套住目標(biāo)反射信號(hào)。高速A／D變換共有三路信號(hào)(和、方位差、俯仰差)，與接口來的時(shí)序同步存儲(chǔ)，乒乓結(jié)構(gòu)讀取數(shù)據(jù)、存儲(chǔ)并解算。
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3．2 動(dòng)態(tài)范圍的設(shè)計(jì)
對(duì)目標(biāo)特性信號(hào)進(jìn)行分析的前提是保證包含在回波信號(hào)內(nèi)的特性信息的精確性。而實(shí)際上，運(yùn)動(dòng)中的目標(biāo)由于運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的急劇變化和雷達(dá)的觀察角的變化(過捷徑)，以及目標(biāo)等離子鞘套的影響，回波信號(hào)的幅度會(huì)急劇變化。雷達(dá)接收機(jī)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(cè)量的要求。因此，基于現(xiàn)有的脈沖雷達(dá)解決的辦法有兩種，其一是常規(guī)AGC+大動(dòng)態(tài)范圍AD(在接收機(jī)不飽和前提下)；其二是瞬時(shí)AGC技術(shù)(IAGC)。
第一種方案要求AD有大動(dòng)態(tài)范圍和低的接收機(jī)后級(jí)噪聲，當(dāng)測(cè)量回波快速起伏變化時(shí)，AGC無法做出瞬時(shí)響應(yīng)，只有讓AD變換器具有64 dB動(dòng)態(tài)范圍，并且控制AGC是RCS接收機(jī)輸出工作在AGC的合理小信號(hào)位上(相當(dāng)于+24 dB的富裕量)，假如信號(hào)起伏在平均AGC上忽然下降到20 dB，常規(guī)AGC由于延時(shí)作用幾乎沒有變化，AGC無法反應(yīng)，只有在平均AGC之上的大信號(hào)起伏才能正確反應(yīng)，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(shí)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(dòng)態(tài)特性，故瞬時(shí)AGC具有很寬的帶寬，RCS測(cè)量系統(tǒng)采用瞬時(shí)AGC技術(shù)。在前中設(shè)有一級(jí)16 dB的數(shù)控衰減器，另外的63．5 dB控制由IAGC環(huán)路來實(shí)現(xiàn)。主要的指標(biāo)參數(shù)要求如下：
IAGC：最大可控范圍64 dB；步進(jìn)0～5 dB；建立時(shí)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(shí)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(cè)量系統(tǒng)要求接收系統(tǒng)的每一個(gè)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(duì)于雷達(dá)來說，接收機(jī)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(cè)量支路的線性取決于延時(shí)線的延時(shí)精度和數(shù)控衰減器的控制精度和速度，使信號(hào)在數(shù)控衰減器控制完成后到達(dá)衰減器。數(shù)控衰減器每一級(jí)的衰減量可分別精確標(biāo)定，故整個(gè)支路的線性度可達(dá)到指標(biāo)要求。另外，在實(shí)際中系統(tǒng)的非線性還可通過標(biāo)定進(jìn)行補(bǔ)償修正。
3．4 數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與錄取
RCS目標(biāo)特性測(cè)量系統(tǒng)采用直接磁盤存儲(chǔ)技術(shù)，計(jì)算機(jī)對(duì)目標(biāo)特性數(shù)據(jù)(三路目標(biāo)回波信息、AGC電壓以及時(shí)統(tǒng)數(shù)據(jù))的存儲(chǔ)與數(shù)據(jù)錄取采用直接SCSI硬盤記錄的方法來實(shí)現(xiàn)，滿足對(duì)數(shù)據(jù)長時(shí)間穩(wěn)定、可靠、實(shí)時(shí)、高速的要求，F(xiàn)IFO乒乓存儲(chǔ)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(jì)算機(jī)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(biāo)準(zhǔn)文件數(shù)據(jù)。SCSI接口板采用雙512 KB SRAM做為緩存，工作時(shí)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(dá)的跟蹤測(cè)量性能基礎(chǔ)上，由原跟蹤測(cè)量雷達(dá)來完成其原有的跟蹤功能，僅在接收機(jī)上增加目標(biāo)特性(RCS)測(cè)量通道在理論和工程上都是可行的。目標(biāo)特性測(cè)量是現(xiàn)代靶場的一個(gè)重要發(fā)展方向，通過在脈沖雷達(dá)上加裝RCS接收通道進(jìn)而能實(shí)時(shí)獲取目標(biāo)RCS值的時(shí)間序列流，與相應(yīng)的軌道參數(shù)數(shù)據(jù)一起進(jìn)行數(shù)據(jù)融合分析，提取目標(biāo)的表面材料的電磁特征等物理量，并能分析目標(biāo)繞質(zhì)心運(yùn)動(dòng)等參數(shù)，與數(shù)據(jù)庫中積累的已有探測(cè)目標(biāo)的數(shù)據(jù)比對(duì)，進(jìn)而完成所探測(cè)目標(biāo)的分類和識(shí)別，并豐富雷達(dá)測(cè)量數(shù)據(jù)庫，無論對(duì)被試品鑒定還是對(duì)測(cè)控設(shè)備挖潛研究都有重要意義。