雷达反射体的设计与实现
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作者:乔轶
摘要：本文阐述了如何真实地模拟构造测试点的电磁散射特征。文中首先构建了扩展底面角反射体的海上目标，并针对实际需求将定向侧推装置安装于测试体上实现推动测试体围绕锚泊点转动的目的，同时利用GPS装置对测试体位置以及航向姿态数据进行实时记录，并给出了RCS实际测试数据与理论计算的结果对比。
关键词：扩展底面;RCS;定向侧推;体目标;三角形角反射体
中图分类号：TP311 文献标识码：A
文章编号：1009-3044（2020）28-0233-02
Abstract： In this paper described how to simulate the electromagnetic scattering characteristics of the test points. First the sea target with extended bottom reflector is constructed according to the actual demanded ，the directional pusher is installed on the testing body which be used to push the test body rotating around the anchor point， then using GPS device to record the test body’s position and heading attitude data. Finally giving the comparison of the RCS test and theoretical calculation.
Key words：extended ground plate;RCS;heading control; volume distributive target;triangular trihedral reflector
1 引言
水面目标为海上高速飞行实验提供船体雷达散射分布特性模拟，目前实现方法为在测试体的各个位置以及高度安装各类角反射体达到实现对目标物方位0°～360°、俯仰-15°～30°范围内RCS分布特性模拟[1-3]。本文中是根据安装种类及数目不同的角反射体，实现各个波段以及各个RCS散布特性的目标点的模拟[4]。利用RCS主动增强技术，提升对高速运行轨迹下的模拟逼真度，并通过海上动态实验，将结果和理论设计值进行了对比[5，6]。
2 系统模拟器组合设计
当前，比较通用的反射器种类有三边形、正方形、八联装三边形、八联装正方形以及圆角形等反射器[7，8]。每种角反射器都有各自的优缺点，在实际使用中根据实际需求选择合适的角反射体。本系统中采用的是三边形角反射体[9]。
正规的三边形角反射体，在方位角度为[θ =π/4]，俯仰角度为[φ =arctan12]时，它的[RCS ]的最大值是：
但是，它在实际使用中存在一些问题。RCS的计算是在理想情况下，没有涉及实际环境中存在的各种客观条件的影响。如当视界角与角反射面趋于平行时，RCS会骤然降低，当加装角反射体时前倾，RCS最大值在负俯仰角方向，此时需要考虑地面旁瓣，RCS值得准确性也会下降。基于此，本系统采用扩展角反射体的底面积方法，保证在低俯仰角条件下，RCS值仍可增强，同时阻止地面旁瓣得产生。实验证实在低俯仰角度情况下，增大底面的角反射体，能显著增强目标的RCS值。
在实际工作中，因各种条件制约，只允许搭建有限扩展底面的角反射体。依据几何光学知识得到，一定面积底面的角反射体在特定俯仰角度范畴内和无限底面的角反射体的RCS是相同的。例如一个边长是a、底边长是b的扩展底面角反射体，若俯仰角度大小满足[φ≥atanab]，既可使用无限底面角反射体 RCS 公式算出RCS 值。所以，在实际工作中，只要依据具体要求建造合适尺寸的扩展底面角反射体既可。具体操作是要依据目标RCS数学模型，使用标准设计软件设计出反射器组装方案，再依据反射器组装方案，将各个型号、种类的模拟器安装于架构架上。其中模拟器的拼装口使用模块化设计，有利于组合安装、拆卸、使用。
3 基于某系统的水上RCS测试法
海上RCS测量时，对目标对象的测试为各个方向上的RCS分布特性，既需要获取360°内的分布特性。由于系统自身没有航行能力，不能凭借自身动力在指定区域进行圆周运动而完成RCS测试工作[10]。
对此采用的方法有以下两种：一是待目标对象锚泊后，任由它在水面漂动并开始实验，此方法存在耗时长的特点，而且很难得到360°范围内的RCS散布特征;二是对测试体使用拖曳系统做圆周运动的方法，而此种方法存在实验过程中拖船与目标体之间出现遮挡以及混合效应，影响了测试结果的精确度。
为了避免系统RCS散布特征测试法的缺陷，本文采用在系统尾部安装定向侧推装置。即在系统锚泊后通过定向侧推装置，驱动测试体实现360°的旋转，完成各个方向的RCS散布特征测试。
测试体运动时，以锚地为中心进行圆周运动，定向侧推技术主要用来对测试体的航行方向进行不断修正。该装置安装于测试体尾部，主要有三部分组成。其中船外机自动控制部分主要用于在测试体动力定向中提供侧推力，帮助测试体克服海风阻力、海流阻力从而推动其运动;机械系统主要用来驱动船外机，当船外机运动至某一指定位置时，机械系统中的直流电机停止运作，此刻，船外机在该时刻也停止运动，并开始定向侧推过程。与此同时，系统中的绝对式编码器将船外机需要转动的角度值回馈于控制系统，主控器收到指令后，通过电机驱动器控制直流电机的运行并實时上传转向机的位置，最终实现转向定位功能;GPS位置航向测量部分主要用来提供航向基准，同时也为RCS事后处理提供基准。 依据定标电压的理论值以及定标体理想值和测试目标的实际测量回波电压，依据（3）式得到RCS的数值。实验中，操作手通过控制测试体上的定向侧推，对测试体实现360°旋转运动，通常情况下2～3周就可以实现一组RCS散布特征的实验。
4 试验测试及结果分析
下面是对系统进行海上实验的过程及分析。其中[θ]是系统照射天线3dB宽度，测试体头部偏离中心波束的角度大小是[α]，天线至系统中心的水平距离是R1，3dB波束在系统中央方位的水平拓展线度是R2。实验中，系统建在垂直高度约为110m山头。系统抛锚后，测试体通过定向侧推完成360°旋转。实验中，通过特定气球吊挂定标球的方法进行校定。
在俯仰角为[2.5°]时对系统进行了RCS测试。图2为同样条件下平滑以后的设计数据和实际测试数据对比图。从图中能够看到，系统的RCS的测量结果和计算结果在量级以及变化走势上基本趋于一致。
5 结论
由于工作环境特殊性，系统采用扩展底面角反射体能够提高角反射体的RCS性能，大大提高模擬逼真度。系统同时采用定向侧推装置推动测试体转动，实现了系统在海上的RCS分布特性测量，具有精度高、对测试地要求低等优点，并通过多次实际测试验证了其可靠性和准确性。
参考文献：
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[3] 陈健，王永明，赵革，等.舰船目标特性研究综述[J].舰船电子工程，2008，28（5）：17-21.
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[7]王文斌.海军装备试验靶标技术[M].北京：国防工业出版社，2007：3-26.
[8]Knott，Eugene F. Shaeffer，Radar CrossSection[M].2nd Edition，Raleigh，NC：Scitech Publishing，2004：42-183.
[9]Kai Lai Chun.A Course in Probability Theory[M].3nd Edition， New York：Academic Press，2001：150-204.
[10]王冬东.浮体艏向调整系统的设计与实现[D].哈尔滨：哈尔滨工程大学，2010：8-25.
【通联编辑：梁书】
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