1.2.3 雷達系統輻射式仿真中的關鍵技術

根據仿真系統的基本結構和實現原理，在雷達系統輻射式仿真方面，涉及的關鍵技術主要包括微波暗室設計、近距離試驗方法、目標模擬技術與目標測量方法等。

1.2.3.1 微波暗室設計

微波暗室的發展與吸波材料的發展息息相關。1936年，出現了第一個關于吸波材料的專利。第二次世界大戰加速了吸波材料的發展，美、德兩國率先開展了有關吸波材料的項目研究，早期的吸波材料有剛性塑料與電阻片的組合、鐵氧體、電阻布、泡沫等，對電磁波的吸收衰減為-20dB。第二次世界大戰期間，麻省理工學院輻射實驗室的Neher把吸波材料涂在錐形結構的內表面，發現從中發射的信號水平遠低于正常的錐形結構。20世紀50年代，第一批微波暗室在一些政府和商業機構的努力下建成，其中一個就是美國海軍研究室的微波暗室。此時，吸波材料的高頻段吸收衰減可以達到-40dB。20世紀60年代，新研制的吸波材料對于高頻波段的吸收衰減可以達到-60dB。

為了進一步提高微波暗室的性能，暗室的形狀設計也取得了新進展，出現了錐形暗室、半圓形暗室、縱向隔板形暗室和橫向隔板形暗室。文獻[7]指出，20世紀60年代，B.F.Goodrich公司在加利福尼亞州建造了一個錐形暗室，如圖1.6所示。圖1.6（b）給出了常規暗室與錐形暗室的對比，常規暗室中墻面、地面等都會反射電磁波信號，從而造成暗室中的多徑效應，而錐形暗室則能夠有效抑制墻面和地板等的反射信號，這種暗室結構在當時是一種創舉。

20世紀90年代，美國得克薩斯大學建造了半圓形暗室，同時期建造半圓形暗室的還有休斯敦高級研究中心、意大利歐洲聯合研究中心和馬來西亞大學。不過，大部分暗室的形狀以通用性最好的矩形暗室為主，其他形狀的暗室為輔。

雖然微波暗室造價昂貴，但是在暗室開展試驗可以大幅提高測量精度、縮短試驗時間，從而使得各國大力建造微波暗室。從數量上來看，美國已建立了400多個微波暗室，日本已建立了幾十個微波暗室，一些歐洲國家如英國、德國、俄羅斯等也已建立了不少暗室。其中，美國加利福尼亞州火箭導彈空間中心的微波暗室靜區能夠達到-60～-70dB，且測量頻率范圍較寬。文獻[13]和文獻[14]指出，美國貝尼菲爾德試驗場（BAF）是目前公開的世界上最大的微波暗室，其尺寸達到了長80.5m、寬76.2m、高21.3m，如圖1.7（a）所示。美國林肯實驗室構建了近場測量暗室、微毫米波暗室、系統測量暗室、錐形暗室等一批功能豐富的微波暗室，如圖1.7（b）所示。

從微波暗室用途上來看，不同的微波暗室被設計用于完成各種各樣的測量任務，測量對象主要包括航天器、天線和電子系統等，測量內容主要有天線增益、指向性、波束寬度、極化、阻抗、輻射圖、雷達橫截面、電磁兼容性和磁化率等。例如，德國柏林壓縮機測試中心的航空發動機測試暗室專門用于航空測試，馬來西亞的半球形暗室用于測量雷達橫截面積，西班牙國家技術發展中心的超寬頻帶微波暗室用于大型望遠鏡和天線測試。

微波暗室在保密性、試驗成本、試驗周期和可重復性方面有巨大的優勢，從而大量以電子戰為目的的微波暗室陸續建成。1983年，美國海軍航空系統司令部、綜合作戰空間模擬和測試部門聯合建造了飛行器測試暗室。1989年，愛德華空軍基地建立了美國空軍測試中心。1998年，英國BAE系統公司在沃頓建立了電子戰測試暗室。2008年，意大利在都靈機場建立了微波暗室。

國內的微波暗室起步于20世紀60年代，早期只有少量的幾個微波暗室，且靜區性能較差，只能適用于天線單元和喇叭天線的測試。隨著雷達技術的發展，對雷達天線性能提出了更高的要求，常規雷達天線副瓣要達到-40dB，機載預警雷達天線的副瓣則要達到-50dB。外場試驗很難滿足測試精度的要求，迫切需要高性能的微波暗室，這就需要高性能的吸波材料和優良的暗室設計方法。

20世紀80年代，大連中山化工有限公司、中國科學院紫金山天文臺等單位相繼研制出高性能的吸波材料。21世紀以來，隨著國力的增強，掀起了民用和軍用微波暗室的建設高潮。在暗室結構形狀方面，當前國內采用的大多是矩形、錐形及少數其他形狀。在吸波材料方面，微波暗室基本上采用的是尖劈形、角錐形、橡膠圓錐形吸波材料，部分微波暗室使用硬形或是軟形平板吸波材料。在暗室系統方面，國內不少單位建成了高性能微波暗室，如南京14所構建的26m×18m×16m的大型微波暗室，內部鋪設500mm和800mm高的角錐形聚氨酯吸波材料，并配備平面近場和壓縮場兩套測試設備；西安電子科技大學建設完成了專用于低副瓣天線測量的小型微波暗室；電子科技大學建造完成了一座國內一流的集天線測試、電磁兼容測試為一體的功能齊全的大型微波暗室。此外，中國航天科工集團公司第二研究院、北京航空航天大學、南京航空航天大學、國防科技大學等單位都建設了各具功能的微波暗室。

1.2.3.2 近距離試驗方法

天線測量及雷達系統性能測量應當在遠場區進行，一般遠場條件需要測試距離大于R₀=2D2/λ，其中D為天線口徑，λ為波長。對于X波段而言，當天線口徑為1.5m時，要求試驗距離大于150m，這樣的尺寸對微波暗室的設計和成本而言，是難以實現的。工程中通常采用緊縮場技術解決遠場條件測試的問題。

緊縮場技術通過對被測量天線的波前進行修正，達到在較近距離滿足遠場測量條件，從而降低天線測試中對試驗距離的要求。實現緊縮場的方法有多種形式，目前主要包括金屬拋物反射面緊縮場、全息緊縮場、介質透鏡緊縮場等。緊縮場技術優缺點對比如表1.1所示。

金屬拋物反射面通過將電磁波反射成平面波的方式實現近距離試驗，文獻[5]和文獻[12]給出了微波暗室中的金屬拋物反射面實物圖，如圖1.8所示。該技術比較成熟，靜區特性好且工作頻帶較寬，因此國內研究機構、高校廣泛采用該技術實現目標電磁特征測量。

在高頻段測試環境下，高精度的加工要求和高昂的制作成本使得金屬拋物反射面緊縮場難以滿足試驗需求。而全息緊縮場有較高的加工誤差容忍度，因而在高頻段內得到廣泛使用。全息緊縮場是將光學中全息的概念和方法引入微波領域，通過計算生成的全息圖來替代傳統的精密反射面，將球面波轉換為平面波。國外對全息緊縮場的研究起步較早，最先由芬蘭科學家提出，文獻[14]給出了Raisanen教授團隊建立的322GHz全息緊縮場測試系統，如圖1.9所示。芬蘭的Ala-Laurinaho等在2005年實現了工作頻率高達650GHz的緊縮場天線測量系統。全息緊縮場的研究在國內起步較晚，但也在近幾年迅速發展，其中北京航空航天大學的李志平教授、中國電子科技集團有限公司張領飛研究員、上海航天技術研究所的戴飛研究員等都對全息緊縮場的研究做出了突出貢獻。

在微波暗室中，常采用三元組構成的大型陣列模擬目標運動時的回波。由于陣列模擬的目標與被試天線間存在相對運動的態勢關系，因此難以采用金屬拋物反射面實現平行波模擬。解決方法就是將目標模擬陣列發射的信號通過介質透鏡變為平行波，從而完成近場測試，即介質透鏡緊縮場模擬方法。

1.2.3.3 目標模擬技術

在微波暗室中開展射頻輻射式仿真試驗，逼真地目標模擬是關鍵一環。目前，用于微波暗室中的目標模擬方法主要有陣列式射頻目標模擬、目標縮比模型、真實目標等。

1.陣列式射頻目標模擬

導引頭性能關乎導彈能否精確命中目標，而導彈是不可重復使用且價格高昂的武器，如果對其導引頭的測試僅依靠實彈打靶，無疑會帶來巨額的成本。二十世紀六七十年代，半實物仿真手段開始被用于導引頭的測試。逼真地模擬導引頭跟蹤目標的特性和周圍的電磁環境是核心。在實驗室內以射頻輻射的方式逼真地復現被試雷達在真實作戰環境下所面臨的雷達目標環境，需要復現目標的空間屬性（距離、角度）和目標的射頻信號特征（幅度、相位、頻率、角閃爍、極化等）。射頻目標模擬方法主要分為以下三類。

① 機械式射頻目標模擬。該方法通過機械運動，使射頻輻射源相對于天線進行空間角度運動。它的優點是簡單，而缺點則是不能復現目標的角閃爍。對于多目標、復雜目標和復雜背景的仿真，實現起來更加困難。

② 三元組陣列式射頻目標模擬。該方法將若干個射頻輻射單元按照一定的規律排列成一個陣列，得到的目標信號是以陣列上相鄰的三個單元輻射的合成信號。三個單元通常按等邊三角形排列，構成一個子陣列，稱為三元組，如圖1.10（a）所示。通過控制各個單元輻射信號的相位和幅度變化，可改變轉臺附近合成的輻射中心，從而實現目標運動狀態的模擬。該方法的主要優點是便于模擬目標的角閃爍，且易于實現多復雜目標及多目標回波信號的模擬。

③ 機電混合式射頻目標模擬。該方法是一種陣列式和機械式相結合的折中方案，通過采用小型陣列，大大減少陣列的單元數，同時滿足大視場角的要求。機電混合式射頻目標模擬的性能介于陣列式和機械式之間，它可以模擬目標的角閃爍，也可以在小角度范圍內模擬多目標。由于模擬目標的位置精度、速度和加速度特性，均與伺服系統性能密切相關，因此機電混合式射頻目標模擬對伺服系統的要求很高。對于復雜目標及復雜背景的仿真能力，機電混合式射頻目標模擬遠不如三元組陣列式射頻目標模擬。

隨著武器裝備系統、電磁環境的日益復雜，對目標模擬的精確度提出了越來越高的要求。盡管三元組陣列式射頻目標模擬方法復雜，設備量大，成本高，但仍然是當前世界各國廣泛采用的射頻目標模擬方法。文獻[31]中，三元組陣列天線布局示意圖如圖1.10（b）所示，由三元組構成的目標模擬陣列天線通過射頻開關矩陣的控制，使目標模擬信號由一個三元組轉移到另一個三元組，從而實現目標位置的粗位控制。三元組內三個單元的輻射信號，分別通過程控衰減器及移相器，來改變它們之間的相對幅度及相位，從而控制目標模擬信號在三元組內的精確位置。在三元組陣列目標模擬方面，20世紀70年代初期，美國波音公司提出的“幅度中心公式”方案一直被沿用。在此基礎上，國內專家學者為實現三元組天線陣列的精確控制，開展了大量研究。

1991年，北京電子工程總體研究所的陳訓達研究了戰術導彈的射頻仿真技術，并在2001年提出射頻仿真中的雙近場效應的概念，指出天線測量意義上的近場與三元組信號合成意義上的近場不同。2007年，樊紅社分析了影響射頻仿真系統中目標位置精度的幾個重要因素，并給出了修正方法。2008年，郝曉軍從電磁場理論中能量流的概念出發，充分考慮三元組天線輻射單元相位等效輻射中心的影響，提出了三元組天線陣列的控制方案。該方案可以省去每個輻射單元后面的移相器，大大降低了建設造價。2008年，宋濤分析了射頻仿真系統中目標陣列的誤差，包括三元組原理誤差分析、三軸轉臺誤差分析和近場效應誤差分析。2012年，高紅友等給出了射頻仿真系統中三元組天線單元張角計算方法。2015年，楊蘇松研究了復雜射頻目標仿真中的矢量控制方法，重新推導了三元組定位公式，對波音公司的重心公式進行了改進，使三元組陣元饋電幅度和相位進行同時控制，從而實現等效合成目標的控制。2016年，付璐研究了射頻仿真陣列的近場效應修正方法，通過改變天線的輸入功率對近場效應進行修正，不僅使得近場效應校正得到解決，而且可以降低升級硬件設備的投資成本。2018年，唐波研究了耦合效應對三元組射頻仿真的影響。

2.目標縮比模型

在輻射式仿真中，除了采用陣列天線輻射信號實現目標在不同狀態下的回波模擬，往往還需要對目標的電磁散射特性進行認知，從而為目標識別與反識別提供基礎。一方面，陣列目標模擬技術通常只能實現目標距離、位置、徑向速度和二維角運動等特性的模擬，而目標實際電磁散射特性，尤其是運動帶來的散射特性變化難以通過陣列目標模擬技術真實復現，且大型目標散射特性的測量需要極昂貴的費用；另一方面，由于微波暗室尺寸有限，一些大型裝備，如飛機、艦船、實物一般無法直接在微波暗室進行測量，于是人們很自然地提出了縮比模型測量的概念。隨著微波暗室高精度測量需求的增加，人們對縮比模型的研究更加豐富。

目標縮比模型是通過麥克斯韋方程組，在速度和阻抗不變條件下導出的。在滿足此條件的前提下，模型的幾何形狀與被測的實際目標完全相似，只是它的尺寸均按同一比例縮小，同時波長也按相同比例縮小，以保證目標的電尺寸不變。這時就可以認為縮比模型與實際目標在工作波長下有相同的電參數和特性，測量或預估計算縮比模型的特性就可得到實際目標的特性。

國內外許多學者針對或者利用縮比模型進行了大量的研究，并取得了豐富的研究成果。國外學者在微波暗室中針對飛機、火箭等目標的縮比模型開展了散射特性測量。1984年，美國俄亥俄大學在微波暗室內采用輻射式仿真的方法，將目標模型置于轉臺上，通過射頻輻射的方法完成了目標截面積的測量，文獻[32]給出了實現流程與仿真場景，如圖1.11所示。

文獻[33]給出了日本的Hiroshi Okada在微波暗室中對火箭目標縮比模型的RCS特性進行的分析，并發現RCS測量數據和理論數據吻合較好，如圖1.12所示。

巴西的G.G.Peixoto等針對飛機目標的縮比模型，分析了8GHz、10GHz和12GHz的RCS特性。文獻[35]給出了羅馬尼亞的Leontin TU在微波暗室中對IAR 99攻擊機的縮比模型進行的散射特性測量，分析了不同入射角下的RCS特性，如圖1.13所示。

1999年，李彩萍利用鋁柱模擬目標縮比模型，在微波暗室開展ISAR試驗，得到了目標的高質量成像結果。2003年，夏應清分析了目標縮比模型應該滿足的條件，同時指出縮比模型可適用于近場和遠場。2006年，陳曉潔研究了用縮比模型去得到電大目標雷達散射截面的方法。2011年，陳伯孝介紹了隱身目標縮比模型的RCS測試方法，并給出了實測數據處理結果，分析了其RCS特性。2013年，葛亦斌在微波暗室利用極化雷達對坦克縮比模型進行了成像，分析了不同入射角度下的目標成像結果，文獻[37]給出了坦克模型成像結果，如圖1.14所示。

3.真實目標

因為受成本、尺寸限制等，微波暗室中用真實目標開展試驗的情況并不常見。當然也存在一些小型目標可以采用其真實目標進行試驗，如真實無人機在微波暗室測量。另外，有一些大型微波暗室具備對真實裝備進行試驗的能力。例如，英國BAE系統公司建立的許多用于電子戰測試的微波暗室，就可以直接對直升機、戰斗機進行測試。文獻[13]和文獻[14]中，美國貝尼菲爾德試驗場（BAF）有利于開展實物目標測量試驗，如圖1.15所示。

總體而言，在目標模擬技術方面，陣列式射頻目標仿真器、目標縮比模型和真實目標之間的對比，如表1.2所示。

1.2.3.4 目標測量方法

現有的目標特性測量方法主要分為靜態測量和動態測量。靜態測量實施條件相對簡單，但是無法對目標運動狀態進行完整的數據記錄，只能通過插值的方式來獲取未實際測得的數據。動態測量能夠更加準確直觀地記錄目標運動過程中的散射特性，但是也對目標各種姿態的模擬、數據記錄能力等提出了更高的要求。

1.靜態測量

在輻射式仿真中，靜態測量通常將目標置于轉臺上，通過轉臺旋轉對每個方位角下的目標發射掃頻或沖激脈沖等寬帶信號，以完成目標散射特性的測量。但是，靜態測量無法完整反映目標的運動特性，難以逼真地再現實際場景中目標RCS的動態信息。尤其對于實現高精度方位下的目標特性測量，需要設定較小的轉臺方位角間隔。例如，對于0°～180°的方位角進行測量，若方位角間隔為0.2°，則需要900個角度的測量。當掃頻帶寬為2GHz，掃頻間隔為5MHz時，每個角度需要進行400個頻點的掃描，若方位角間隔進一步減小，則會大大增加試驗的工作量和數據處理的難度。

對于運動目標開展靜態測量后，可以進行靜態數據的動態化處理。首先，選擇測量數據的帶寬范圍，如果原始雷達發射波形的帶寬范圍是[f₁，f₂]，則靜態測量數據頻率范圍必須包含的帶寬區間是[pf₁，pf₂]，p為幾何縮比因子。其次，結合目標的運動姿態模型，計算靜態條件下目標相對于雷達視線的方位角等信息，再利用已經測量得到的靜態RCS數據進行高精度插值，從而得到任意角度下的目標散射數據。在文獻[38]中，國防科技大學施龍飛等采用插值方法，得到了開縫錐球HH通道幅度及相位隨目標姿態變化的曲線（見圖1.16），以及插值結果，從中可以看出利用插值方法估計任意姿態下散射數據的方法是可行的。

利用靜態數據結合目標運動特性進行插值的方法，需要構建精確的目標運動模型。若目標具有分離、機動等復雜運動特性或包含特殊的結構特征，則該方法的精確度將會下降，運算復雜度也難以量化，從而導致回波數據量變大、數據處理難度增加。

2.動態測量

動態測量一般通過構建運動目標模型，并通過目標連續運動測量得到回波數據，進而開展目標特性分析。要實現目標動態測量的模擬，需要解決兩大問題：一是要模擬目標的連續進動，二是要模擬雷達的連續測量過程。

在文獻[12]中，國防科技大學的劉進等根據彈道中段目標的運動學原理和結構特性，研制了進動目標模型，使其可以連續模擬彈道中段目標的進動，并構建緊湊場微波暗室動態測量系統，從而完成進動目標全極化寬帶條件下的微波暗室動態測量試驗，如圖1.17所示。圖1.17（a）所示為分立部件圖，包括彈頭模型、自旋電動機、錐旋電動機、旋轉聯軸器和控制機柜等。圖1.17（b）為組合得到的進動目標模型圖。

在暗室測量中，網絡分析儀作為發射信號源和回波信號接收處理器，用以模擬雷達的功能，是測量系統的關鍵組成部分。在目標微波暗室靜態測量中，網絡分析儀對特定姿態下目標的所有回波進行平均處理，只進行一次數據記錄。而該試驗系統要求網絡分析儀模擬雷達的探測功能，在目標進行進動時連續地記錄每一次回波。進動目標模型中的網絡分析儀采用Agilent 8362B，其頻率覆蓋范圍為10MHz～20GHz，在頻率掃描范圍為9GHz～10GHz，掃頻間隔為5MHz時，數據錄取的頻率約為68Hz，也即相當于脈沖重復頻率（Pulse Repetition Frequency，PRF）約為68Hz。

在文獻[58]中，北京航空航天大學的葉桃杉等根據彈道中段錐體目標進動特性設計了進動錐體目標動態測試試驗，進動錐體目標試驗裝置如圖1.18（a）所示。該裝置由錐體模型、錐旋電動機、自旋電動機、電壓轉換器、錐/自旋電動機調速儀、導電滑環、吸波材料及支架構成，可以動態、獨立地模擬錐旋和自旋兩種運動。除了錐旋和自旋，圖1.18（b）還顯示了該裝置的另外3處自由度。第1處可以通過更換不同長度的轉軸改變錐體目標的位置，第2處可以通過沿連桿方向的位移改變錐體目標的位置，第3處的旋轉可以改變進動角。因此，該裝置可以控制錐旋和自旋角速率、進動角，以及自旋軸與錐旋軸的交點。試驗裝置的支架是木質的，散射較低，為了避免電動機及部分金屬部件自身散射對測試的影響，試驗時用吸波材料將自旋電動機包裹起來，并用吸波材料將導電滑環及錐旋電動機遮擋起來。

在進動錐體目標動態測試系統中，測量儀器采用Aglient網絡分析儀8363X系列，在用頻率掃描范圍為9GHz～11GHz的步進頻信號測量目標時，由于受硬件性能限制，即便調整中頻帶寬高至1.5kHz，脈沖重復頻率也約為68Hz。

上述試驗系統與測量結果，在動態目標特性測量的研究中具有重要意義。利用圖1.17中的進動目標測量試驗系統，通過分析目標的微多普勒特征，劉進等發現并研究了滑動型散射中心的特性。由此可見，動態測量對于研究和發現目標特性具有重要意義。然而，由于受設備和測量體制的約束，68Hz的等效脈沖重復頻率還難以滿足利用距離瞬時多普勒算法獲取目標二維圖像的要求。因此，通過動態測量方法，實現目標分離、目標高動態特性的測量，仍有待深入研究。