维普资讯 http://www.cqvip.com 第２９卷第２期 国 防 科 技 大 学 学 报 ＪＯＵＲＮＡＬＯＦＮＡＴＩＯＮＡＬ ＵＮＩＶＥＲＳＩＴＹＯＦＤＥＦＥＮＳＥＴＥＣＨＮＯＩＤＧＹ Ｖｏ１．２９ Ｎｏ．２ ２００７ 文章编号：１００１—２４８６（２００ｒ７）０２一Ｏ０９４—０３ 时域超宽带紧缩场雷达目标特性测量系统研究与开发 刘继斌，毛钧杰，李高升，刘培国 （国防科技大学电子科学与工程学院，湖南长沙４１００７３） 摘要：介绍时域超宽带雷达目标特性测量系统的工作原理及测量软件的开发过程。首次将数字取样示 波器应用于紧缩场，研究测量原理，给出系统结构及测量流程图，开发超宽带紧缩场暗室雷达目标特性测量系 统，包括雷达散射截面测量、极化散射矩阵测量和微波成像等模块。最后给出该系统测量获得的部分数据。 关键词：紧缩场；时域测量；雷达目标特性 中图分类号：ＴＮ９５ 文献标识码：Ｂ Ｓｔｕｄｙ ａｎｄ Ｄｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔ ｏｆ ＵＷＢ Ｃｏｍｐａｃｔ Ｒａｎｇｅ Ｍｅａｓｕｒｉｎｇ Ｓｙｓｔｅｍ ｆｏｒ Ｒａｄａｒ Ｔａｒｇｅｔ ｏｆ Ｔｉｍｅ Ｄｏｍａｉｎ ＬＩＵ Ｊｉ—ｂｉｎ，ＭＡＯ Ｊｕｎ－ｊｉｅ，ＬＩ Ｇａｏ－ｓｈｅｎｇ，Ｌ１Ｕ Ｐｅｉ—ｇｕｏ （Ｃｏｌｌｅｇｅ ｏｆ Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ，Ｎａｔｉｏｎａｌ Ｕｎｉｖ．ｏｆ Ｄｅｆｅｎｓｅ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，ｃＩｌａｎｇｓｈ日４１００７３，Ｃｈｉｎａ） Ａｂｓｔｒａｃｔ：ｏｐｅ￣ｎｇ ｐｒｉｎｃｉｐｌｅ ａｎｄ ｄｅｖｅｌｏｐｉｎｇ ｐｒｏｃｅｄｕｒｅｓ ｏｆ ａ ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆｒａｄａｒ ｔａｒｇｅｔ ａｒｅ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ．Ｄｉｇ眦 ｓａｍ０１ｉｎｇＯｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅｉｓ ｕｓｅｄｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｉｎｃｏｍｐａｃｔ Ｆｄｌｌｇｅｆｏｒｔｈｅｆｉｒｓｔｔｉｍｅ．Ｔｈｅｔｈｅｏｒｙｏｆｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔＷａｓ ｓｔｕｄｉｅｄａｎｄ ｈｅ ｓｔｔｒｕｃｔｕｒｅｏｆｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍａｎｄｆｌｏｗｄｉａｇｒａｍｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｗｅｒｅ ｇｉｖｅｎ．ＰＩＤ罢 ｆｏｒｃｏｎｔｒｏｌｌｉｎｇｏｆｔｈｅ ｏｓｃｉｌｌｏｓｃｏｐｅａｎｄｔｕｒｎｔａｂｌｅａｓｗｅｌｌ ｓ ｄａｔａａ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ ｗｅｒｅ ｄｅｖｅｌｏｐｅｄ，ｂａｓｅｄ ｏｎ ｗｈｉｃｈ ａｎ ｅｎｔｉｒｅ ｍｅａｓ ｎｇ ｓｙｓｔｅｍ ｏｆＵＷＢ ｃｏｍｐａｃｔ ｒａｎｇｅ ｉｓ ａｃｈｉｅｖｅｄ．Ｆｉｎａｌｌｙ，ＳＯｍｅ ｄａｔａ ｍｅａｓｕｒｅｄ ａｎｄ ｐｒｏｃｅｓｓｅｄ ｂｙ ｔｈｅ ｓｙｓｔｅｍ ａｒｅ ｐｒｅｓｅｎｔｄ．ｅ Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐａｃｔ ｒａｎｇｅ；ｔｉｍｅ ｄｏｍａｉｎ ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ；ｒａｄａｒ ｔａｒｇｅｔ ｃｈａｒａｃｔｅｒ 雷达目标特性测量在目标特性研究领域具有重要意义，是雷达探测、目标识别和电子战技术的重要 研究手段，精确的测量数据对于深入研究目标散射机理、建立目标数据库以及ＲＣＳ减缩等均具有重要 意义 。实测的目标参数通常是目标处于测试雷达的远场条件下获得的，紧缩场测量系统借助大型 抛物面或介质透镜产生平面波，利用金属网屏蔽空间杂波，是理想的电磁测试环境 引。在研究时域超 宽带紧缩场测量机理的基础上，完成了实际系统开发与建设，获得了大量实验数据。 １时域紧缩场目标特性测量原理 １．１目标ＲＣＳ测量原理 ＲＣＳ是衡量目标二次辐射特性的一个参数。脉冲与散射特性的测量是在与导体球的特性比较之后 进行的。球的散射特性可以推导出精确的理论值，用球可以补偿接收与发射信道所引起的信号变形，这 个过程就是校准。通过校准，可确定系统的频率特性。 （ｊｃｕ）＝ Ｓｏ（ ｊ￣ｏ） （１） 这里，Ｓ （ｊｃｕ）是半径为 的球的测量频谱， （ｊｃｕ）是半径为Ｒ 的导体球的理论频率响应。任意目标 在方位角 下的频率特性按下式求出： Ｋ（ Ｊ＝ （２） 收稿日期－＇２００６—０８—２６ 基金项目：国家部委基金资助项目（９１４０Ａ２１０２Ｏ５ｏ６ＫＧ０１７４） 作者简介：刘继斌（１ ），男，副教授，博士生。 维普资讯 http://www.cqvip.com 刘继斌，等：时域超宽带紧缩场雷达目标特性测量系统研究与开发 ９５ 其中，ｓ （ ，ｊ ）是与 相关的待测目标的频谱。 （ ，ｊ ）必须通过一个带宽为［ ，厂＾］的滤波器，因为 在通带［ ，厂＾］外的信噪比很低，将引入不能容忍的误差。 由此，可计算出目标的幅频特性和相频特性，即 （ ，ｊ ）的模和幅角。ＲＣＳ由下式确定： ｄ （ ， ）＝ｌ （ ，ｊ ）ｌ （３） 将目标频率特性的测量和计算结果在全部角度上推广，可获得散射特性的幅度和相位方向图，进一步处 理可得到极化散射矩阵数据。 １．２导体球的理论频率响应 导体球受沿ｚ向传播的平面波照射，将入射场作为对ｒ的ＴＭ和，ＩＥ分量之和，通过波方程变换，应 用磁矢量位及球面贝塞尔函数等公式，可得 Ｅ 一ｊＥｏｃｏｓ∑口 ｎ（ｎ＋１） （ Ｐ （ｃ。ｓ ） 丽（４） 同样可求得 和 。结合边界条件，得球表面电流 、Ｌ，利用渐进公式得远区场， 日：鲁ｅ－ＪｔｒＣＯＳ｛５ ［６ｎｓｉｎ ｃｏｓ ｃ 日： ｅ－Ｊ￣＂ｓｉｎ｛５ ［６ｎ Ｐ ￣＇（ｃ ｏｓＯ）＿ｃｎｓｉｎＯＰｒ（ｃｏｓ 对于后向散射场，结合球面贝塞尔函数的Ｗｒｏｎｓｋｉａｎ公式，可得 ］ （５） （６） ｌ耋 １．３紧缩场微波成像算法 ｌ 根据测量时记录的时域波形，可获得目标的二维微波像。其思路是：首先得到某固定辐射点在各角 度下的辐射功率，将这些功率相加即可得到该辐射点的总辐射强度。成像区域内的每个分辨单元视为 一个辐射点，求出该区域内所有辐射点的辐射功率强度，对其归一化后逐个描点，即得成像区域的灰度 成像区域大小取决于时窗。设时窗长度 ＝１０ｔ ／１０９（Ｓ），光速为Ｃ，则成像区域为边长Ｄ＝ Ｃ／２ 图。 的正方形区域。若采样点数为Ⅳ，则分辨率为Ｎ×Ｎ，最小分辨单元ｄ＝ Ｃ／（２Ｎ）。 ２系统结构及测量流程 时域超宽带紧缩场雷达目标特性测量系统的主要设备包括窄脉冲源（发射机）、收发天线（一对）、准 直仪反射器、转动系统、超宽带放大器、数字取样示波器（接收机）以及主控计算机等，其连接方式和测量 流程分别如图１、图２所示。 ３测量系统软件开发 ３．１基于ＲＳ一２３２的转台控制程序 系统的转动部分包括转台、步进电机、角度传感器、转动控制箱等。转动控制箱通过串口（ＫＳ一２３２） 与计算机通信。转动的角度范围、起始角度和步进值以及速度和加速度由用户设定。光电码盘角度传 感器实时反馈转台角度，最小角度步进０．０１８。。 ３．２基于ＧＰＩＢ的数字取样示波器控制 考虑到商品化示波器的可靠性和高精度，我们以Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ公司的ＴＤＳＳ０００Ｂ数字取样示波器为基础 构建采样变换部分。测量中选用的是两个８０ＥＯ１电取样模块，其上升时间为７ｐｓ，动态范围为ｌＶ。 应用虚拟仪器思想，计算机通过ＧＰＩＢ通用接口总线与示波器实现远程互连 】。采用ＶＩＳＡ标准编 写驱动软件，具体控制方式需查阅示波器的指令集 ７】。 维普资讯 http://www.cqvip.com 国防科技大学学报 ２０ｏ７年第２期 图Ｉ雷达目标特性测量系统结构图 Ｆｉｇ．Ｉ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ ０ｆ ｍｄａｒｔａｒｇｅｔ￣ｍ－ｉｎＩ ｓｙｓｔｅｍ 图２雷达目标特性测量流程图 Ｆｉｇ．２ Ｆｌｏｗ ｆｏｒ ｍｅａｓｕｒｉｎｇ ｏｆ ｒａｄａｒ￣ｒｇｅｔ８ ３．３测量系统算法设计 目标特性算法中首先要获得导体球的理论频率响应，然后进行时域信号ＦＦＩ＇，并选取所关心的频点 和角度进一步处理。信号首先通过Ｂｕｔｔｅｒｗｏｒｔｈ滤波器，提高信噪比。随后，所有信号分别减去前五个采 样值的均值，去除直流漂移带来的影响。然后加窗，使信号尾部平滑，减少吉布斯现象带来的频谱泄漏。 本测量系统为时域测量，使用２５ｐｓ的极窄脉冲信号源，测量频率范围为５０ＭＨｚ～４０ＧＨｚ。 ４部分测量结果 图３给出了某缩比目标模型（１：１３）的ＲＣＳ测量曲线。图４是边长为３０ｃｍ的金属二面角（面板较 厚）的ＲＣＳ曲线。图５是半径为１１．９ｃｍ的金属球的成像结果，其中白色圆环是信号最强的部分，反映了 球的直径。三组测量结果均与理论预估值吻合较好。 ，Ⅻ 赫 ｝ ！ 黼 ・’’１ ９蕊熊 ｉｉｉ￥ｉＩ￣！ｉ 黼 ！ｉｉ ｉｉｉｉｉ￣篓一 ＿ ＿ Ｉ － ＿ 鍪 ２ ｌ 臻 ｉｉｉｉｉｉｉ￣ Ｈ 羹Ｉ！ｌ 强 ’Ｉ ■ Ｉ ■ 一 … ・ 一薯 勇黑 ■ 篮 ｊ∞ 篷盛盛 赫 ！ Ｉ ｌ； ＿瞄懒１ 黼 ｝ 目 目卿＿ ｛确■ ｌＩ Ｉ ｛ ｌ《｛豳 －■ ｌ＿ 图３缩比目标模型ＲＣＳ幅度曲线 Ｆｉｇ．３ ＲＣＳ ｃｕｒｖｅ ｏｆ ａ ｍｏｄｅｌ ｏｆ ｃｅｒｔａｉｎ ｔａｒｇｅｔ 图４金属二面角ＲＣＳ曲线（３ＧＨｚ） Ｆｉｇ．４ ＲＣＳ ｃｕ．ｒ￣ｅ ｏｆｍｅｔａｌ ｄｉｈｅｄｒａｌ ａｎｇｌｅ（３ＧＨｚ） ５结论 本文分析了雷达目标特性测量原理与流程，介绍了测量系统软件的开发过程，给出了系统结构框图 及测量流程图，编写了示波器控制、转动控制及测量数据处理程序。在综合考虑时间同步、数据传递、事 件次序、终止条件判断等因素后，将各子程序融合得到完整的测量系统。最后给出了测量的部分结果。 该系统可以完成雷达散射截面的测量与绘制功能，并可给出散射相位及极化散射矩阵数据，同时可实现 雷达目标的微波成像功能。用户界面友好，结果显示直观准确，应用中取得了良好的效果。 （下转第１００页） 维普资讯 http://www.cqvip.com １００ 国防科技大学学报 ２００７年第２期 由图２可以看出，ＳＲ—ＵＫＦ比ＥＫＦ具有更高数量级的运算精度。ＳＲＵＫＦ收敛速度快、状态估计精度 高，大约３０ｓ就可以收敛到位置估计精度２０～３０ｍ，速度估计精度在ｌｒｒｇｓ以下。而ＥＫＦ性能较差，位置 估计精度始终在４００ｍ以上，速度估计精度始终为４ｍ／ｓ以上。 ４结束语 本文建立了天基红外低轨星座对自由段目标的观测模型，提出了基于平方根ＵＫＦ非线性滤波的天 基红外低轨星座对自由段目标的估计方法。该方法无须计算Ｊａｃｏｂｉａｎ矩阵，具有良好的数值稳定性，估 计精度较高，能够有效进行天基红外低轨星座中自由段目标的跟踪。 本文使用平方根ＵＫＦ算法进行了天基红外低轨星座中自由段目标的跟踪，更新型的非线性估计算 法对自由段目标的跟踪有待进一步研究。 参 考文献： ［１］ Ｍｏｒｇａｎ Ｂ Ｌ．ＥｘｐｌｏｒａｔｏｒｙＭｏｄｅｌＡｎａｌｙｓｉｓ ０ｆｔｈｅ Ｓｐａｃｅ ＢａｓｅｄＩｎｆｒａｒｅｄ Ｓｙｓｔｅｍ（ＳＢＩＲＳ）ＬｏｗＧｌｏｂａｌ ＳｃｈｅｄｕｌｅｒＰｒｏｂｌｅｍ［Ｊ］．ＡＤＡ３０９０２７，Ｄｅｅ．１９９９ ［２］ Ｒａｙｔｈｅｏｎ ＳＴＳＳ Ｂｌｏｃｋ ０６ Ｓｅｎｓｏｒ Ｐａｙｌｏａｄ［ＥＢ／ＯＬＪ．ｗｗｗ．ｒａｙｔｈｅｏｎｍｉｓｓｉｌｅｄｅｆｅｎｓｅ．ｃｏｒｎ，Ｒａｙｔｈｅｏｎ Ｃｏｍｐａｎｙ，２００３． ［３］ 刘永祥，黎湘，庄钊文．导弹防御系统中的雷达目标识别研究［Ｊ］．国防科技大学学报，２ＯＯ４，２６（４）：６—９． ［４］ Ｄａｍｎ ＦＥ．ＮｏｎｌｉｎｅａｒＦｉｌｔｅｒｓ：Ｂｅｙｏｎｄｔｈｅ Ｋａｌｍａｎ Ｆｉｌｔｅｒ［ＪＪ．ＩＥＥＥＡＥＳ ＳｓｙｔｅｍｓＭａｇａｚｉｎｅ，２００５，２０（８）：５７—６９． ［５］ Ｊｕｌｌｅｒ Ｓ Ｊ，Ｕｈｌｍａｎｎ Ｊ Ｋ．Ｕｎｓｃｅｎｔｅｄ Ｆｉｌｔｅｒｉｎｇ ａｎｄ Ｎｏｎｌｉｎｅａｒ Ｅｓｔｉｍ ∞［ｃ］／／Ｐ￣．ＩＥＥＥ，２ＯＯ４，９２（３）：４０１—４２２． ［６］ Ｖａｎ Ｚａｎｄｔ ＪＲ．Ｂｏｏｓｔ ＰｈａｓｅＴｒａｃｋｉｎｇ ｗｉ出ａｌｌ Ｕｎｓｃｅｎｔｅｄ Ｆｉｌｔｅｒ［Ｃ］ＨＰｒｃ．ｏｆｔｏｈｅ ＳＰＩＥ．２００２。４７２８：２６３—２７４． ｗｅＲ，ＷａｎＥ．Ｔｈｅ Ｓｑｕａｒｅ－ｒｏｏｔＵｎｓｃｅｎｔｅｄ ＫａｌｍａｎＦｉｌｔｅｒｆｏｒＳｔａｔｅ ａｎｄ ［７］ Ｍｅｒ［Ｃ］ＨＰｒｃ．ＩｏＥＥＥ ｌｎｔ．Ｃｏｒｄ．Ａｃｏｕｓｔｉｃｓ，Ｓｐｅｅｃｈ，ａｎｄ ｓｉ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｇ（ＩＣＡＳＳＰ），２００１，６：３４６１—３４６４．ｎ ［８］ Ｉｊ ｘ Ｒ，Ｊｉｌｋｏｖ Ｖ Ｐ．Ａ Ｓｕｒｖｅｙ ０ｆ Ｍａｎｅｕｖｅｒｉｇ ｎＴａｒｇｅｔ Ｔｒａｃｋｉｎｇ－Ｐａｒｔ ＩＩ：Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ Ｔａｒｇｅｔ Ｍｏｄｅｌｓ［Ｃ］／／Ｐｒｃ．０ｏｆｔｈｅ ＳＰＩＥ，２００１，４４７３：５５９—５８１ ［９］Ｄａｎｉｓ Ｎ Ｊ．Ｓｐａ￣ｂａｓｅｄ Ｔａｃｔｉｃａｌ Ｂａｌｌｉｓｔｉｃ Ｍｉｓｓｉｌｅ Ｉ．￣ｕｎｅｈ Ｐａｒａｍｅｔｅｒ Ｅｓｔｉｍａｔｉｏｎ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｍ．ＡＥＳ，１９９３，２９（２）：４１２—４２４． ［１０］谢恺．天基红外低轨星座对目标的定位与跟踪［Ｄ］．长沙：国防科技大学，２０Ｏ６． （上接第９６页） 图５金属球成像结果 Ｆｉｇ．５ Ｉｍａｇｉｎｇ ｒｅｓｕｌｔ ｏｆ ａ ｍｅｔａｌ ｂａｌｌ 参考文献： ［１］庄钊文，袁乃昌．雷达散射截面测量［Ｍ］．长沙：国防科技大学出版社，２ＯＯＯ． ［２］肖怀铁，郭修煌．基于ＵＳＢ接口的毫米波宽带ＲＣＳ自动测量［Ｊ］．国防科技大学学报，２ＯＯ６，２８０）． ［３］张士选，郑会利，等．天线／ＲＣＳ近场测量系统研究［Ｊ］．电波科学学报，１９９９，１４（１）． 【４ｊ Ｋｒｕｇ Ｆ，Ｒｕｓｓｅｔ Ｐ．Ｔｈｅ Ｔｉｍｅ－ｄｏｍａｉｎ Ｅｌｅｃｔｍｍａ￣ｅｔｉｅ Ｉｎｔｅｆｒｅｒｅｎｃｅ Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ Ｓｙｓｔｅｍ［Ｊ］．ＩＥＥＥ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ Ｏｉｌ Ｅｌｅｃｔｍｍａ￣ｅｔｉｅ ｏｍｐａＣｔｉｂｉｌｉｔｙ， ２Ｏ０３，４５（２）． ［５Ｊ Ｈａｒｒｉｇｔｎｏｎ Ｒ Ｆ．Ｔｉｍｅ－ｈａｒｍｏｎｉｃ口咖Ｈ哪 ｃ Ｆｉｄｄｓ［Ｍ］．Ｊｏｈｎ Ｗｉｌｅｙ＆Ｓｏｎｓ，２００１． Ｉｍｅｒ Ｇｕｉｄｅ［Ｚ］．２００２． ［６］ 张伟军，梁步阁，等．基于虚拟仪器技术的微波自动测量系统设计［Ｊ］．国防科技大学学报，２００５，２７（３）． ［７］Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ Ｉｎｃ．Ｔｅｋｔｒｏｎｉｘ ＣＳＭＴＤＳ ８０００Ｂ