1.2.3 雷达系统辐射式仿真中的关键技术

根据仿真系统的基本结构和实现原理，在雷达系统辐射式仿真方面，涉及的关键技术主要包括微波暗室设计、近距离试验方法、目标模拟技术与目标测量方法等。

1.2.3.1 微波暗室设计

微波暗室的发展与吸波材料的发展息息相关。1936年，出现了第一个关于吸波材料的专利。第二次世界大战加速了吸波材料的发展，美、德两国率先开展了有关吸波材料的项目研究，早期的吸波材料有刚性塑料与电阻片的组合、铁氧体、电阻布、泡沫等，对电磁波的吸收衰减为-20dB。第二次世界大战期间，麻省理工学院辐射实验室的Neher把吸波材料涂在锥形结构的内表面，发现从中发射的信号水平远低于正常的锥形结构。20世纪50年代，第一批微波暗室在一些政府和商业机构的努力下建成，其中一个就是美国海军研究室的微波暗室。此时，吸波材料的高频段吸收衰减可以达到-40dB。20世纪60年代，新研制的吸波材料对于高频波段的吸收衰减可以达到-60dB。

为了进一步提高微波暗室的性能，暗室的形状设计也取得了新进展，出现了锥形暗室、半圆形暗室、纵向隔板形暗室和横向隔板形暗室。文献[7]指出，20世纪60年代，B.F.Goodrich公司在加利福尼亚州建造了一个锥形暗室，如图1.6所示。图1.6（b）给出了常规暗室与锥形暗室的对比，常规暗室中墙面、地面等都会反射电磁波信号，从而造成暗室中的多径效应，而锥形暗室则能够有效抑制墙面和地板等的反射信号，这种暗室结构在当时是一种创举。

20世纪90年代，美国得克萨斯大学建造了半圆形暗室，同时期建造半圆形暗室的还有休斯敦高级研究中心、意大利欧洲联合研究中心和马来西亚大学。不过，大部分暗室的形状以通用性最好的矩形暗室为主，其他形状的暗室为辅。

虽然微波暗室造价昂贵，但是在暗室开展试验可以大幅提高测量精度、缩短试验时间，从而使得各国大力建造微波暗室。从数量上来看，美国已建立了400多个微波暗室，日本已建立了几十个微波暗室，一些欧洲国家如英国、德国、俄罗斯等也已建立了不少暗室。其中，美国加利福尼亚州火箭导弹空间中心的微波暗室静区能够达到-60～-70dB，且测量频率范围较宽。文献[13]和文献[14]指出，美国贝尼菲尔德试验场（BAF）是目前公开的世界上最大的微波暗室，其尺寸达到了长80.5m、宽76.2m、高21.3m，如图1.7（a）所示。美国林肯实验室构建了近场测量暗室、微毫米波暗室、系统测量暗室、锥形暗室等一批功能丰富的微波暗室，如图1.7（b）所示。

从微波暗室用途上来看，不同的微波暗室被设计用于完成各种各样的测量任务，测量对象主要包括航天器、天线和电子系统等，测量内容主要有天线增益、指向性、波束宽度、极化、阻抗、辐射图、雷达横截面、电磁兼容性和磁化率等。例如，德国柏林压缩机测试中心的航空发动机测试暗室专门用于航空测试，马来西亚的半球形暗室用于测量雷达横截面积，西班牙国家技术发展中心的超宽频带微波暗室用于大型望远镜和天线测试。

微波暗室在保密性、试验成本、试验周期和可重复性方面有巨大的优势，从而大量以电子战为目的的微波暗室陆续建成。1983年，美国海军航空系统司令部、综合作战空间模拟和测试部门联合建造了飞行器测试暗室。1989年，爱德华空军基地建立了美国空军测试中心。1998年，英国BAE系统公司在沃顿建立了电子战测试暗室。2008年，意大利在都灵机场建立了微波暗室。

国内的微波暗室起步于20世纪60年代，早期只有少量的几个微波暗室，且静区性能较差，只能适用于天线单元和喇叭天线的测试。随着雷达技术的发展，对雷达天线性能提出了更高的要求，常规雷达天线副瓣要达到-40dB，机载预警雷达天线的副瓣则要达到-50dB。外场试验很难满足测试精度的要求，迫切需要高性能的微波暗室，这就需要高性能的吸波材料和优良的暗室设计方法。

20世纪80年代，大连中山化工有限公司、中国科学院紫金山天文台等单位相继研制出高性能的吸波材料。21世纪以来，随着国力的增强，掀起了民用和军用微波暗室的建设高潮。在暗室结构形状方面，当前国内采用的大多是矩形、锥形及少数其他形状。在吸波材料方面，微波暗室基本上采用的是尖劈形、角锥形、橡胶圆锥形吸波材料，部分微波暗室使用硬形或是软形平板吸波材料。在暗室系统方面，国内不少单位建成了高性能微波暗室，如南京14所构建的26m×18m×16m的大型微波暗室，内部铺设500mm和800mm高的角锥形聚氨酯吸波材料，并配备平面近场和压缩场两套测试设备；西安电子科技大学建设完成了专用于低副瓣天线测量的小型微波暗室；电子科技大学建造完成了一座国内一流的集天线测试、电磁兼容测试为一体的功能齐全的大型微波暗室。此外，中国航天科工集团公司第二研究院、北京航空航天大学、南京航空航天大学、国防科技大学等单位都建设了各具功能的微波暗室。

1.2.3.2 近距离试验方法

天线测量及雷达系统性能测量应当在远场区进行，一般远场条件需要测试距离大于R₀=2D2/λ，其中D为天线口径，λ为波长。对于X波段而言，当天线口径为1.5m时，要求试验距离大于150m，这样的尺寸对微波暗室的设计和成本而言，是难以实现的。工程中通常采用紧缩场技术解决远场条件测试的问题。

紧缩场技术通过对被测量天线的波前进行修正，达到在较近距离满足远场测量条件，从而降低天线测试中对试验距离的要求。实现紧缩场的方法有多种形式，目前主要包括金属抛物反射面紧缩场、全息紧缩场、介质透镜紧缩场等。紧缩场技术优缺点对比如表1.1所示。

金属抛物反射面通过将电磁波反射成平面波的方式实现近距离试验，文献[5]和文献[12]给出了微波暗室中的金属抛物反射面实物图，如图1.8所示。该技术比较成熟，静区特性好且工作频带较宽，因此国内研究机构、高校广泛采用该技术实现目标电磁特征测量。

在高频段测试环境下，高精度的加工要求和高昂的制作成本使得金属抛物反射面紧缩场难以满足试验需求。而全息紧缩场有较高的加工误差容忍度，因而在高频段内得到广泛使用。全息紧缩场是将光学中全息的概念和方法引入微波领域，通过计算生成的全息图来替代传统的精密反射面，将球面波转换为平面波。国外对全息紧缩场的研究起步较早，最先由芬兰科学家提出，文献[14]给出了Raisanen教授团队建立的322GHz全息紧缩场测试系统，如图1.9所示。芬兰的Ala-Laurinaho等在2005年实现了工作频率高达650GHz的紧缩场天线测量系统。全息紧缩场的研究在国内起步较晚，但也在近几年迅速发展，其中北京航空航天大学的李志平教授、中国电子科技集团有限公司张领飞研究员、上海航天技术研究所的戴飞研究员等都对全息紧缩场的研究做出了突出贡献。

在微波暗室中，常采用三元组构成的大型阵列模拟目标运动时的回波。由于阵列模拟的目标与被试天线间存在相对运动的态势关系，因此难以采用金属抛物反射面实现平行波模拟。解决方法就是将目标模拟阵列发射的信号通过介质透镜变为平行波，从而完成近场测试，即介质透镜紧缩场模拟方法。

1.2.3.3 目标模拟技术

在微波暗室中开展射频辐射式仿真试验，逼真地目标模拟是关键一环。目前，用于微波暗室中的目标模拟方法主要有阵列式射频目标模拟、目标缩比模型、真实目标等。

1.阵列式射频目标模拟

导引头性能关乎导弹能否精确命中目标，而导弹是不可重复使用且价格高昂的武器，如果对其导引头的测试仅依靠实弹打靶，无疑会带来巨额的成本。二十世纪六七十年代，半实物仿真手段开始被用于导引头的测试。逼真地模拟导引头跟踪目标的特性和周围的电磁环境是核心。在实验室内以射频辐射的方式逼真地复现被试雷达在真实作战环境下所面临的雷达目标环境，需要复现目标的空间属性（距离、角度）和目标的射频信号特征（幅度、相位、频率、角闪烁、极化等）。射频目标模拟方法主要分为以下三类。

① 机械式射频目标模拟。该方法通过机械运动，使射频辐射源相对于天线进行空间角度运动。它的优点是简单，而缺点则是不能复现目标的角闪烁。对于多目标、复杂目标和复杂背景的仿真，实现起来更加困难。

② 三元组阵列式射频目标模拟。该方法将若干个射频辐射单元按照一定的规律排列成一个阵列，得到的目标信号是以阵列上相邻的三个单元辐射的合成信号。三个单元通常按等边三角形排列，构成一个子阵列，称为三元组，如图1.10（a）所示。通过控制各个单元辐射信号的相位和幅度变化，可改变转台附近合成的辐射中心，从而实现目标运动状态的模拟。该方法的主要优点是便于模拟目标的角闪烁，且易于实现多复杂目标及多目标回波信号的模拟。

③ 机电混合式射频目标模拟。该方法是一种阵列式和机械式相结合的折中方案，通过采用小型阵列，大大减少阵列的单元数，同时满足大视场角的要求。机电混合式射频目标模拟的性能介于阵列式和机械式之间，它可以模拟目标的角闪烁，也可以在小角度范围内模拟多目标。由于模拟目标的位置精度、速度和加速度特性，均与伺服系统性能密切相关，因此机电混合式射频目标模拟对伺服系统的要求很高。对于复杂目标及复杂背景的仿真能力，机电混合式射频目标模拟远不如三元组阵列式射频目标模拟。

随着武器装备系统、电磁环境的日益复杂，对目标模拟的精确度提出了越来越高的要求。尽管三元组阵列式射频目标模拟方法复杂，设备量大，成本高，但仍然是当前世界各国广泛采用的射频目标模拟方法。文献[31]中，三元组阵列天线布局示意图如图1.10（b）所示，由三元组构成的目标模拟阵列天线通过射频开关矩阵的控制，使目标模拟信号由一个三元组转移到另一个三元组，从而实现目标位置的粗位控制。三元组内三个单元的辐射信号，分别通过程控衰减器及移相器，来改变它们之间的相对幅度及相位，从而控制目标模拟信号在三元组内的精确位置。在三元组阵列目标模拟方面，20世纪70年代初期，美国波音公司提出的“幅度中心公式”方案一直被沿用。在此基础上，国内专家学者为实现三元组天线阵列的精确控制，开展了大量研究。

1991年，北京电子工程总体研究所的陈训达研究了战术导弹的射频仿真技术，并在2001年提出射频仿真中的双近场效应的概念，指出天线测量意义上的近场与三元组信号合成意义上的近场不同。2007年，樊红社分析了影响射频仿真系统中目标位置精度的几个重要因素，并给出了修正方法。2008年，郝晓军从电磁场理论中能量流的概念出发，充分考虑三元组天线辐射单元相位等效辐射中心的影响，提出了三元组天线阵列的控制方案。该方案可以省去每个辐射单元后面的移相器，大大降低了建设造价。2008年，宋涛分析了射频仿真系统中目标阵列的误差，包括三元组原理误差分析、三轴转台误差分析和近场效应误差分析。2012年，高红友等给出了射频仿真系统中三元组天线单元张角计算方法。2015年，杨苏松研究了复杂射频目标仿真中的矢量控制方法，重新推导了三元组定位公式，对波音公司的重心公式进行了改进，使三元组阵元馈电幅度和相位进行同时控制，从而实现等效合成目标的控制。2016年，付璐研究了射频仿真阵列的近场效应修正方法，通过改变天线的输入功率对近场效应进行修正，不仅使得近场效应校正得到解决，而且可以降低升级硬件设备的投资成本。2018年，唐波研究了耦合效应对三元组射频仿真的影响。

2.目标缩比模型

在辐射式仿真中，除了采用阵列天线辐射信号实现目标在不同状态下的回波模拟，往往还需要对目标的电磁散射特性进行认知，从而为目标识别与反识别提供基础。一方面，阵列目标模拟技术通常只能实现目标距离、位置、径向速度和二维角运动等特性的模拟，而目标实际电磁散射特性，尤其是运动带来的散射特性变化难以通过阵列目标模拟技术真实复现，且大型目标散射特性的测量需要极昂贵的费用；另一方面，由于微波暗室尺寸有限，一些大型装备，如飞机、舰船、实物一般无法直接在微波暗室进行测量，于是人们很自然地提出了缩比模型测量的概念。随着微波暗室高精度测量需求的增加，人们对缩比模型的研究更加丰富。

目标缩比模型是通过麦克斯韦方程组，在速度和阻抗不变条件下导出的。在满足此条件的前提下，模型的几何形状与被测的实际目标完全相似，只是它的尺寸均按同一比例缩小，同时波长也按相同比例缩小，以保证目标的电尺寸不变。这时就可以认为缩比模型与实际目标在工作波长下有相同的电参数和特性，测量或预估计算缩比模型的特性就可得到实际目标的特性。

国内外许多学者针对或者利用缩比模型进行了大量的研究，并取得了丰富的研究成果。国外学者在微波暗室中针对飞机、火箭等目标的缩比模型开展了散射特性测量。1984年，美国俄亥俄大学在微波暗室内采用辐射式仿真的方法，将目标模型置于转台上，通过射频辐射的方法完成了目标截面积的测量，文献[32]给出了实现流程与仿真场景，如图1.11所示。

文献[33]给出了日本的Hiroshi Okada在微波暗室中对火箭目标缩比模型的RCS特性进行的分析，并发现RCS测量数据和理论数据吻合较好，如图1.12所示。

巴西的G.G.Peixoto等针对飞机目标的缩比模型，分析了8GHz、10GHz和12GHz的RCS特性。文献[35]给出了罗马尼亚的Leontin TU在微波暗室中对IAR 99攻击机的缩比模型进行的散射特性测量，分析了不同入射角下的RCS特性，如图1.13所示。

1999年，李彩萍利用铝柱模拟目标缩比模型，在微波暗室开展ISAR试验，得到了目标的高质量成像结果。2003年，夏应清分析了目标缩比模型应该满足的条件，同时指出缩比模型可适用于近场和远场。2006年，陈晓洁研究了用缩比模型去得到电大目标雷达散射截面的方法。2011年，陈伯孝介绍了隐身目标缩比模型的RCS测试方法，并给出了实测数据处理结果，分析了其RCS特性。2013年，葛亦斌在微波暗室利用极化雷达对坦克缩比模型进行了成像，分析了不同入射角度下的目标成像结果，文献[37]给出了坦克模型成像结果，如图1.14所示。

3.真实目标

因为受成本、尺寸限制等，微波暗室中用真实目标开展试验的情况并不常见。当然也存在一些小型目标可以采用其真实目标进行试验，如真实无人机在微波暗室测量。另外，有一些大型微波暗室具备对真实装备进行试验的能力。例如，英国BAE系统公司建立的许多用于电子战测试的微波暗室，就可以直接对直升机、战斗机进行测试。文献[13]和文献[14]中，美国贝尼菲尔德试验场（BAF）有利于开展实物目标测量试验，如图1.15所示。

总体而言，在目标模拟技术方面，阵列式射频目标仿真器、目标缩比模型和真实目标之间的对比，如表1.2所示。

1.2.3.4 目标测量方法

现有的目标特性测量方法主要分为静态测量和动态测量。静态测量实施条件相对简单，但是无法对目标运动状态进行完整的数据记录，只能通过插值的方式来获取未实际测得的数据。动态测量能够更加准确直观地记录目标运动过程中的散射特性，但是也对目标各种姿态的模拟、数据记录能力等提出了更高的要求。

1.静态测量

在辐射式仿真中，静态测量通常将目标置于转台上，通过转台旋转对每个方位角下的目标发射扫频或冲激脉冲等宽带信号，以完成目标散射特性的测量。但是，静态测量无法完整反映目标的运动特性，难以逼真地再现实际场景中目标RCS的动态信息。尤其对于实现高精度方位下的目标特性测量，需要设定较小的转台方位角间隔。例如，对于0°～180°的方位角进行测量，若方位角间隔为0.2°，则需要900个角度的测量。当扫频带宽为2GHz，扫频间隔为5MHz时，每个角度需要进行400个频点的扫描，若方位角间隔进一步减小，则会大大增加试验的工作量和数据处理的难度。

对于运动目标开展静态测量后，可以进行静态数据的动态化处理。首先，选择测量数据的带宽范围，如果原始雷达发射波形的带宽范围是[f₁，f₂]，则静态测量数据频率范围必须包含的带宽区间是[pf₁，pf₂]，p为几何缩比因子。其次，结合目标的运动姿态模型，计算静态条件下目标相对于雷达视线的方位角等信息，再利用已经测量得到的静态RCS数据进行高精度插值，从而得到任意角度下的目标散射数据。在文献[38]中，国防科技大学施龙飞等采用插值方法，得到了开缝锥球HH通道幅度及相位随目标姿态变化的曲线（见图1.16），以及插值结果，从中可以看出利用插值方法估计任意姿态下散射数据的方法是可行的。

利用静态数据结合目标运动特性进行插值的方法，需要构建精确的目标运动模型。若目标具有分离、机动等复杂运动特性或包含特殊的结构特征，则该方法的精确度将会下降，运算复杂度也难以量化，从而导致回波数据量变大、数据处理难度增加。

2.动态测量

动态测量一般通过构建运动目标模型，并通过目标连续运动测量得到回波数据，进而开展目标特性分析。要实现目标动态测量的模拟，需要解决两大问题：一是要模拟目标的连续进动，二是要模拟雷达的连续测量过程。

在文献[12]中，国防科技大学的刘进等根据弹道中段目标的运动学原理和结构特性，研制了进动目标模型，使其可以连续模拟弹道中段目标的进动，并构建紧凑场微波暗室动态测量系统，从而完成进动目标全极化宽带条件下的微波暗室动态测量试验，如图1.17所示。图1.17（a）所示为分立部件图，包括弹头模型、自旋电动机、锥旋电动机、旋转联轴器和控制机柜等。图1.17（b）为组合得到的进动目标模型图。

在暗室测量中，网络分析仪作为发射信号源和回波信号接收处理器，用以模拟雷达的功能，是测量系统的关键组成部分。在目标微波暗室静态测量中，网络分析仪对特定姿态下目标的所有回波进行平均处理，只进行一次数据记录。而该试验系统要求网络分析仪模拟雷达的探测功能，在目标进行进动时连续地记录每一次回波。进动目标模型中的网络分析仪采用Agilent 8362B，其频率覆盖范围为10MHz～20GHz，在频率扫描范围为9GHz～10GHz，扫频间隔为5MHz时，数据录取的频率约为68Hz，也即相当于脉冲重复频率（Pulse Repetition Frequency，PRF）约为68Hz。

在文献[58]中，北京航空航天大学的叶桃杉等根据弹道中段锥体目标进动特性设计了进动锥体目标动态测试试验，进动锥体目标试验装置如图1.18（a）所示。该装置由锥体模型、锥旋电动机、自旋电动机、电压转换器、锥/自旋电动机调速仪、导电滑环、吸波材料及支架构成，可以动态、独立地模拟锥旋和自旋两种运动。除了锥旋和自旋，图1.18（b）还显示了该装置的另外3处自由度。第1处可以通过更换不同长度的转轴改变锥体目标的位置，第2处可以通过沿连杆方向的位移改变锥体目标的位置，第3处的旋转可以改变进动角。因此，该装置可以控制锥旋和自旋角速率、进动角，以及自旋轴与锥旋轴的交点。试验装置的支架是木质的，散射较低，为了避免电动机及部分金属部件自身散射对测试的影响，试验时用吸波材料将自旋电动机包裹起来，并用吸波材料将导电滑环及锥旋电动机遮挡起来。

在进动锥体目标动态测试系统中，测量仪器采用Aglient网络分析仪8363X系列，在用频率扫描范围为9GHz～11GHz的步进频信号测量目标时，由于受硬件性能限制，即便调整中频带宽高至1.5kHz，脉冲重复频率也约为68Hz。

上述试验系统与测量结果，在动态目标特性测量的研究中具有重要意义。利用图1.17中的进动目标测量试验系统，通过分析目标的微多普勒特征，刘进等发现并研究了滑动型散射中心的特性。由此可见，动态测量对于研究和发现目标特性具有重要意义。然而，由于受设备和测量体制的约束，68Hz的等效脉冲重复频率还难以满足利用距离瞬时多普勒算法获取目标二维图像的要求。因此，通过动态测量方法，实现目标分离、目标高动态特性的测量，仍有待深入研究。