基于微波倍頻源太赫茲頻段雷達散射截面測量（一）

吳洋, 白楊, 殷紅成, 張良聰    

摘要：在220～330 GHz頻段，采取自由空間場形式，采用掃頻連續波信號進行目標雷達散射截面(RCS)測量。系統由矢量網絡分析儀，毫米波混頻器，饋源及目標支撐系統組成。多種散射測量技術將通過實驗驗證并應用于目標測量中。最終保證系統對–23.6 dBsm目標的測量精度達到±3 dB。

關鍵詞：雷達散射截面(RCS)    太赫茲    散射    

Terahertz Radar Cross Section Measurements Based on Millimeter-wave Converter

Abstract: The measurement system has been built with Stepped Frequency Continuous Wave (SFCW) signal for Radar Cross Section (RCS) measurements in free-space at 220～330 GHz. The system consists of vector network analyzer, Millimeter-Wave Converters and target support structure. The measurement techniques which are used in scattering measurements are verified by RCS measurement data. The system measurement accuracy is control within about ±3 dB at –23.6 dBsm.

Key words: Radar Cross Section (RCS)    Terahertz    Scattering    

1 引言

隨著隱身技術的發展，隱身性能已逐步成為武器裝備發展中的重要指標與特征^[1]，隱身測試技術是展開武器裝備隱身技術研究的重要手段。目前對于大型目標如：飛機、坦克等難以直接獲得全尺寸目標的測量數據。采用目標的縮比模型，利用小尺寸目標模型在高頻測量結果推導獲得目標全尺寸結果是目前一種可行的方案。但是對于超大目標如：航母、大型飛機等，其縮比模型尺寸在微波頻段依然超出了多數測量場地的尺寸要求，難以實現實際測量。所以需要更大的縮比比例，更高的測量頻段。太赫茲因為有較高的測量頻段，而且可以滿足大尺寸目標大比例縮比模型的測量需求。

太赫茲頻段的縮比目標雷達散射截面(Radar Cross Section, RCS)測量最先報道于20世紀70年代^[2]。該系統基于光學激光激發的窄帶亞毫米波信號，典型的測量頻率約700 GHz。目前在太赫茲頻段用于RCS測量的主要方案有兩種，其一為時域光譜(Time Domain Spectroscopy, TDS)測量方案，德國布倫瑞克大學^[3]和丹麥技術大學^[4]都有相關論文發表。另一種為微波倍頻源太赫茲散射測量方案，由Massachusetts Lowell大學的亞毫米波技術實驗室組建了一系列基于快速變頻連續波信號的太赫茲測量系統^[5–7]，實現了中心頻點160 GHz, 240 GHz, 520 GHz帶寬約10～20 GHz的太赫茲測量。

在本文中，詳細說明一種頻率范圍在220～330 GHz，基于矢網實現的微波倍頻源太赫茲散射測量系統的組建方式和實驗結果及相關測試技術。在第2節詳細闡述測量系統的組成及原理，第3節闡述測量技術，第4節對驗證實驗及測量結果進行分析。

2 測量系統組成

太赫茲散射測量系統采取自由空間場的場區形式，采用掃頻連續波的測量信號，測量頻率范圍：220～330 GHz。系統主要由商用矢量網絡分析儀(矢網)及其配套毫米波混頻器、饋源及目標支撐系統組成。矢網工作頻率10 MHz～24 GHz，發射功率–30 ～10 dBm；配套的毫米波混頻器頻率范圍為220～330 GHz，發射功率–9 dBm，動態范圍≥100 dB；太赫茲饋源工作頻率220～330 GHz，增益≥21 dBi，可在1.5 m測試距離上形成≥0.3 m的主瓣范圍。系統基本構架如圖1所示。

圖 1 系統構架示意圖Fig.1 Measurement system’s sketch map

矢網提供Ku(12～18 GHz)波段的射頻信號，通過18倍頻的毫米波變頻前端獲得220～330 GHz的太赫茲測量信號。目標支架可以實現方位向360°連續旋轉。實際測量系統如圖2所示。

圖 2 太赫茲散射測量系統Fig.2 Terahertz scattering measurement system

3 測量技術及驗證實驗

本系統中散射測量定標方法采用相對定標法^[8]，定標體為107.5 mm(直徑)標準球。測試總流程如圖3所示。

圖 3 測量流程圖Fig.3 Measurement flow chart

實際測量流程分為數據獲取和數據處理兩部分，在數據獲取流程中，共獲取包括幅相修正信號數據在內的，目標背景數據、目標數據、定標背景數據、定標數據共4組數據。將這4組數據帶入數據處理流程，通過數據提取獲得測試區原始數據，再通過背景對消、距離補償、幅相修正等測量技術降低散射測量誤差，最終計算獲得目標RCS。

(1) 背景對消

圖 4 背景對消測量結果Fig.4 Background subtraction results

圖4中測量結果是對背景對消技術在太赫茲頻段應用的驗證結果。其中待測目標為75 mm(直徑)標準球。從圖4(a)中可以得到，在未加入頻域窗的情況下，背景對消技術在目標區可以提高10～15 dB的信噪比。從圖4(b)中的結果可得，測量結果的最大偏差量由對消前的3.67 dB降至對消后的1.45 dB，均方根誤差由2.00 dB降至0.92 dB。

(2) 距離補償

由于測量采用自由空間場的場區形式，測量距離較近，空間衰減明顯。因而需要對定標體與待測目標之間由于距離差引起的固定誤差進行補償。誤差量可根據式(1)獲得：

圖 5 距離補償測量結果Fig.5 Range distance compensation result

圖5為距離補償前后的結果對比，在測量中目標(75 mm(直徑)標準球)測量距離為1.500 m，定標球測量距離為1.481 m。根據公式計算得出距離補償量為0.2185 dB。補償前后均方根補償為：補償前1.184 dB，補償后1.059 dB。經過距離補償后，待測目標測量結果更符合理論結果，但其中還存在信號幅相抖動，支架耦合等其他誤差。