《電子技術(shù)應(yīng)用》
您所在的位置:首頁(yè) > 嵌入式技術(shù) > 設(shè)計(jì)應(yīng)用 > 基于掃頻RCS測(cè)量的便攜式吸波涂料測(cè)量?jī)x
基于掃頻RCS測(cè)量的便攜式吸波涂料測(cè)量?jī)x
來源:電子技術(shù)應(yīng)用2010年第6期
王 亮,,薛明華,,洪 韜
北京航空航天大學(xué) 電子信息工程學(xué)院,北京100191
摘要: 介紹了一種測(cè)試吸波涂料反射率的便攜式測(cè)量設(shè)備,,該設(shè)備基于掃頻RCS測(cè)量原理實(shí)現(xiàn),。與傳統(tǒng)方法相比,,本設(shè)備具備簡(jiǎn)單、測(cè)試靈活的優(yōu)點(diǎn),;與其他的便攜式設(shè)備相比,,本設(shè)備精度更高、性能更穩(wěn)定,。
中圖分類號(hào): TN98
文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼: A
Portable system for RAC measurement based on frequency scanning RCS method
WANG Liang,,XUE Ming Hua,HONG Tao
School of Electronic and Information Engineering,Beijing University of Aeronautics and Astronautics, Beijing 100191,,China
Abstract: A portable device for the measurement of the reflectivity of radar absorbing coating is presented, which is based on the frequency scanning RCS method. This device is simple, quick and convenient than the conventional methods, as well as with higher precision and more stable in performance than the other portable solutions.
Key words : radar absorbing coating,;reflectivity,;frequency scanning RCS method

    現(xiàn)代裝備,,如各種飛機(jī)、軍艦等,,為減小敵方雷達(dá)的發(fā)現(xiàn)概率,,采用了不同程度的隱身措施。在裝備表面涂覆雷達(dá)吸波涂料RAC(Radar Absorbing Coating)來減小雷達(dá)散射截面已成為一種重要的方法,。通常表征吸波涂料隱身特性的基本參量是其對(duì)電磁波的反射率,,表達(dá)式為:
   
式中V 是涂料的反射電壓,V 是涂料上的入射電壓,,P反 是涂料的反射功率,,P 是涂料的入射功率。上式也可以理解為在給定的波長(zhǎng)和極化的條件下,,電磁波從同一方向,、以同一功率密度入射到雷達(dá)吸波涂料平面和良導(dǎo)體平面,雷達(dá)吸波涂料平面與同尺寸良導(dǎo)體平面兩者鏡面方向反射功率之比。
    常用的傳統(tǒng)方法[1]主要有遠(yuǎn)場(chǎng)RCS測(cè)試法,、弓形測(cè)試法,、樣板空間平移測(cè)試法等。這些方法均要求在微波暗室內(nèi)進(jìn)行測(cè)試,,并且無法對(duì)已經(jīng)涂覆于機(jī)體表面的材料進(jìn)行測(cè)試,。近年來,一些便攜式反射率測(cè)試儀相繼被研制出來[2],,均采用檢波方案,,存在測(cè)量精度不高、動(dòng)態(tài)范圍小的缺點(diǎn),。本文提出并實(shí)現(xiàn)了一種基于掃頻RCS測(cè)量原理的便攜式吸波涂料反射率測(cè)試設(shè)備,。與傳統(tǒng)方法相比,本設(shè)備簡(jiǎn)單,、測(cè)試靈活,;與其他的便攜式方法相比,具有精度更高,、性能穩(wěn)定的優(yōu)點(diǎn),。
1 掃頻測(cè)量原理
    掃頻RCS系統(tǒng)也稱線性調(diào)頻系統(tǒng),其結(jié)構(gòu)如圖1和圖2所示,。其中fi是發(fā)射頻率,,fr是回波頻率,f0是中頻信號(hào)頻率,,τ是延遲時(shí)間,,B是掃頻信號(hào)帶寬,T是掃頻信號(hào)持續(xù)時(shí)間,,c是光速,,R是目標(biāo)到混頻器信號(hào)端口的距離。

    根據(jù)掃頻RCS系統(tǒng)原理[3],,混頻器輸出的中頻信號(hào)中包含有與目標(biāo)距離成線性關(guān)系的頻率分量:
   
    由式(3)可以看出:
    (1)其頻率f0正比于發(fā)射帶寬B及延遲時(shí)間τ,,反比于掃頻時(shí)間T,即f0=Bτ/T,。假如目標(biāo)區(qū)有多個(gè)反射回波源,,中頻信號(hào)應(yīng)包含所有反射信號(hào)的矢量和。
   
    (2)基于頻率與f0目標(biāo)的距離R呈fc=2BR/cT的正比關(guān)系,,對(duì)頻率的分辨率也是對(duì)距離的分辨率,。其幅度(或信號(hào)包絡(luò))E0(t)反映了目標(biāo)在t時(shí)刻對(duì)雷達(dá)波的反射強(qiáng)度;由掃頻測(cè)量體制中微波掃頻頻率fi[f0-B/2,,f0+B/2]與信號(hào)持續(xù)時(shí)間t[0,,T]的相關(guān)性可知,信號(hào)幅度隨時(shí)間的變化規(guī)律E0(t)也是其隨發(fā)射頻率的關(guān)系曲線E0(fi),。根據(jù)定義:若對(duì)回波信號(hào)進(jìn)行檢波取出包絡(luò)E0(fi),再對(duì)包絡(luò)取模平方,,即是反射率與發(fā)射頻率的關(guān)系曲線,。
    獲取目標(biāo)反射率隨掃頻頻率變化的曲線圖的過程簡(jiǎn)述如下:
    (1)首先對(duì)采樣數(shù)據(jù)作背景對(duì)消處理,然后做N點(diǎn)FFT處理實(shí)現(xiàn)距離向(或稱頻率)分辨,;這里N為序列字長(zhǎng),。然后采用硬件或軟件門將一維成像非目標(biāo)區(qū)內(nèi)的雜散噪聲信號(hào)頻率進(jìn)一步濾除,從而只保留目標(biāo)區(qū)頻帶內(nèi)的數(shù)據(jù),。
    (2)對(duì)保留數(shù)據(jù)作IFFF,,得到目標(biāo)區(qū)相應(yīng)的時(shí)域波形,記為Si(t),,由于線性掃頻體制中時(shí)域回波信號(hào)亦是掃頻發(fā)射頻率的函數(shù),,所以Si(t)可以用Si(fi)表示。
    (3)對(duì)電壓信號(hào)Si(fi)取平方,,得到回波信號(hào)的瞬時(shí)功率P(t)或P(fi)的波形,,其包絡(luò)就是目標(biāo)RCS隨頻率的幅度分布。
    (4)為獲得P(fi)包絡(luò),,再一次FFT得到P(fi)的功率譜分布,,該譜中低頻區(qū)的譜線代表包絡(luò),高頻譜是載波fc,。
    (5)用數(shù)字濾波將低頻區(qū)的包絡(luò)譜濾出,。再對(duì)包絡(luò)譜作IFFT便可恢復(fù)反射功率的包絡(luò)波形,也即RCS和掃頻發(fā)射頻率的關(guān)系曲線,。
2 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)分析和實(shí)現(xiàn)過程
    本測(cè)試儀用于對(duì)平板型吸波涂料進(jìn)行快速性能檢測(cè),。頻率特性采用分波段控制,可覆蓋2 GHz~18 GHz范圍,。對(duì)反射率測(cè)量的動(dòng)態(tài)范圍大于40 dB,。圖3給出了本系統(tǒng)的框圖。

    測(cè)量?jī)x由嵌入式工控計(jì)算機(jī),、USB采集和控制模塊,、微波系統(tǒng)、延時(shí)電纜,、各波段測(cè)試探頭、定標(biāo)校準(zhǔn)件組成,。工控機(jī)內(nèi)裝計(jì)算機(jī)操作系統(tǒng),,有上位機(jī)軟件,完成系統(tǒng)控制,、數(shù)據(jù)處理和儲(chǔ)存,、結(jié)果顯示等操作,。USB采集模塊由A/D芯片、USB芯片CY7C68013組成,,完成從放大器采集數(shù)據(jù),,將數(shù)據(jù)通過USB總線傳送到電腦的功能。
    中頻信號(hào)由放大器經(jīng)過USB芯片采集后傳輸?shù)角度胧焦た貦C(jī),,在計(jì)算機(jī)內(nèi)部進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,。其關(guān)鍵和難點(diǎn)是USB芯片的固件和驅(qū)動(dòng)程序的編寫。當(dāng)芯片上電時(shí),,首先由缺省USB設(shè)備進(jìn)行枚舉,。此款USB芯片具有軟配置的特點(diǎn)。枚舉完成以后,,就可以通過USB的連接線將固件代碼下載到芯片的RAM內(nèi),。之后8051就會(huì)脫離復(fù)位并開始運(yùn)行這些代碼,并且再一次進(jìn)行枚舉,,這個(gè)過程叫做重枚舉,。
    CYPRESS公司為用戶提供了固件程序框架和固件函數(shù)庫(kù),根據(jù)外設(shè)功能的具體要求,,在相應(yīng)的函數(shù)中填寫函數(shù)體,,就可以完成自定義功能。固件函數(shù)框架包含初始化,、處理標(biāo)準(zhǔn)USB設(shè)備請(qǐng)求以及USB掛起時(shí)的電源管理等,。框架完成了一個(gè)簡(jiǎn)單的任務(wù)循環(huán),,其任務(wù)調(diào)度的步驟如下:
    (1)調(diào)用用戶函數(shù)TD_Poll(),。這部分程序由開發(fā)者填寫,以實(shí)現(xiàn)USB外設(shè)的主要功能,。
    (2)判斷是否有標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備請(qǐng)求等待處理,。如果有,則分析該請(qǐng)求并響應(yīng),。
    (3)判斷USB內(nèi)核是否收到USB掛起信號(hào),。如果收到,則調(diào)用用戶函數(shù)TD_Suspend(),。從該函數(shù)成功返回以后(返回值為TRUE),,再檢測(cè)是否發(fā)生USB喚醒事件。如果未檢測(cè)到,,則處理器進(jìn)入掛起方式,;如果檢測(cè)到,則調(diào)用用戶函數(shù)TD_Resume(),,程序繼續(xù)運(yùn)行,。如果從TD_Suspend函數(shù)返回FALSE,,則程序繼續(xù)運(yùn)行。流程圖如圖4,。

    這個(gè)框架包含以下函數(shù)掛鉤:void TD_Init(void),;void TD_Poll(void);BOOL TD_Suspend(void),;void TD_
Resume(void),。
    以上為任務(wù)分配器,分別在框架初始化,、設(shè)備工作期間,、框架進(jìn)入掛起狀態(tài)之前、被外部的喚醒事件喚醒且恢復(fù)處理之后調(diào)用,。此外還有9個(gè)設(shè)備請(qǐng)求函數(shù)和8個(gè)USB中斷函數(shù)需要用戶自己設(shè)置,。
    驅(qū)動(dòng)程序采用的是CYPRESS提供的通用驅(qū)動(dòng)程序,這是一個(gè)可以使用應(yīng)用程序通過I/O控制來訪問的通用驅(qū)動(dòng)程序,。用戶使用Win32函數(shù)DeviceIoControl()來提交I/O控制碼,,并且為CreateFile()函數(shù)返回的設(shè)備句柄設(shè)置I/O緩沖區(qū)。DeviceIoControl()的函數(shù)原型為:
BOOL DeviceIoControl(){
    HANDLE            hDevice,,                 //設(shè)備句柄
    DWORD            dwIoControlCode,,    //I/O操作控制代碼
    LPVOID            lpInBuffer,                 //輸入緩沖區(qū)指針
    DWORD            nInBufferSize,,          //輸入緩沖區(qū)大小
    LPVOID            lpOutBufferSize,,       //輸出緩沖區(qū)指針
    DWORD            nOutBufferSize,        //輸出緩沖區(qū)大小
    LPDWORD        lpBytesReturned,,       //實(shí)際返回的字節(jié)數(shù)
    LPOVRLAPPER     lpOverLapper,,        //用于異步操作的重疊指針
};
    IOCTL和相應(yīng)的輸入,、輸出結(jié)構(gòu)在開發(fā)軟件包的ezusbsys.h中作出了定義,。WindowsDDK提供的USB100.H提供了標(biāo)準(zhǔn)的USB的I/O結(jié)構(gòu)。
    本測(cè)試儀的工控計(jì)算機(jī)內(nèi)部應(yīng)用軟件使用了Visual C++,,具有以下主要功能:設(shè)置掃頻源的工作模式與掃頻參數(shù),;設(shè)置控制/中頻單元的工作參數(shù);保存回波的采樣數(shù)據(jù),;計(jì)算RCS,,并分別得到目標(biāo)RCS關(guān)于時(shí)間及頻率變化的曲線;RCS數(shù)據(jù)保存與打印輸出,。
      在軟件編寫的過程中,,曲線繪制利用了實(shí)驗(yàn)室內(nèi)部開發(fā)的繪制一維曲線類CCurve。該類可實(shí)現(xiàn)以下功能:根據(jù)數(shù)據(jù)繪制一維曲線,,放大,、縮小曲線,標(biāo)注曲線關(guān)鍵點(diǎn),,移動(dòng)關(guān)鍵點(diǎn)的位置,,更改曲線坐標(biāo)范圍,計(jì)算曲線選定范圍內(nèi)的均值,。
      為了便于程序維護(hù),,掃頻測(cè)量條件下目標(biāo)RCS計(jì)算所需的函數(shù)均被封裝在名為CDataProcess的數(shù)據(jù)處理類中。CDataProcess類的成員變量包括待處理數(shù)據(jù)的指針,、定標(biāo)數(shù)據(jù)的指針以及處理過程中必需的參數(shù)信息,。用戶可通過調(diào)用該類的成員函數(shù)進(jìn)行RCS的計(jì)算。
      USB芯片內(nèi)部集成有8051內(nèi)核,,控制16 bit D/A輸出鋸齒波掃描電壓,,該電壓經(jīng)過低通濾波器平滑,作為恒溫VCO的掃頻控制電壓。掃頻信號(hào)經(jīng)過定向耦合器主路作為混頻器的本振信號(hào),,耦合器支路輸出信號(hào)經(jīng)微波放大器達(dá)到18 dBm左右的功率值,,該信號(hào)經(jīng)環(huán)形器、4 m同軸電纜到達(dá)測(cè)試探頭,。探頭的反射波經(jīng)環(huán)形器的另一端口到達(dá)混頻器的信號(hào)端口,。
    雖然發(fā)射信號(hào)通過環(huán)形器對(duì)混頻器信號(hào)口的直漏功率比目標(biāo)最大回波功率大10 dB左右,但由于4 m延時(shí)電纜相當(dāng)于自由空間5 m,,故兩者頻率相差較大,,通過帶通濾波并放大后,可保證計(jì)算機(jī)采集到比較理想的目標(biāo)回波,。為限制泄漏信號(hào)過大而使混頻器飽和,,在混頻器信號(hào)口加一個(gè)衰減器,控制泄漏信號(hào)電平小于0 dBm,。當(dāng)然衰減器的引入使混頻器動(dòng)態(tài)范圍減少了10 dB左右,,但還可保證混頻器至少有40 dB以上的測(cè)量動(dòng)態(tài)范圍。而其他的便攜式測(cè)量方案采用檢波方法,,最大動(dòng)態(tài)范圍也很難做到40 dB,。這是采用掃頻系統(tǒng)的最大優(yōu)點(diǎn)。
3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與結(jié)論
    在掃頻測(cè)量體系中,,誤差的來源主要是混頻器的線性度不夠,,為了使測(cè)量更加準(zhǔn)確,測(cè)量系統(tǒng)先對(duì)短路終端進(jìn)行掃頻測(cè)量及信號(hào)采集,,將對(duì)短路板的采樣信號(hào)作為對(duì)比標(biāo)準(zhǔn)存起來,。然后在同樣條件下對(duì)被測(cè)目標(biāo)體進(jìn)行掃頻測(cè)量,對(duì)2組數(shù)據(jù)進(jìn)行上述信號(hào)處理,,然后將2組數(shù)據(jù)對(duì)應(yīng)相減,,即是目標(biāo)反射率隨頻率變化的數(shù)據(jù),。
    對(duì)某吸波涂料樣板進(jìn)行測(cè)試,將實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與廠家標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)進(jìn)行對(duì)比,,見表1,。

    由表1數(shù)據(jù)可以看出,在反射率比較小時(shí),,實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)與標(biāo)準(zhǔn)數(shù)據(jù)相差較大,,在反射率比較大時(shí),誤差較小,,處于要求的誤差范圍內(nèi),,能夠反映吸波涂料的吸波性能。
    本系統(tǒng)與傳統(tǒng)的測(cè)量方法以及以往的便攜式測(cè)量方法相比,,具有以下優(yōu)勢(shì):
    (1)使用恒溫VCO作為信號(hào)源,,掃頻速度快,使用D/A建立掃頻電壓可任意控制掃頻時(shí)間,。
    (2)掃頻方法可縮短電纜距離,,回波信號(hào)頻率高,便于濾波處理,。
    (3)信號(hào)處理方法使用成熟的RCS信號(hào)處理方法,。
    (4)動(dòng)態(tài)范圍大,可以做到大于40 dB,。
參考文獻(xiàn)
[1] 呂嬰.雷達(dá)吸波材料吸收性能檢測(cè).航空非金屬材料學(xué)術(shù)研討會(huì)[C].山西:1991.
[2] 梁沂.便攜式吸波涂料吸波性能測(cè)試系統(tǒng)的研究[J].微波學(xué)報(bào),,2005,21(4):60-62.
[3] 薛明華,,王振榮.掃頻RCS測(cè)試系統(tǒng)原理及應(yīng)用[J].航空電子技術(shù),,1996(4):20-25.

此內(nèi)容為AET網(wǎng)站原創(chuàng),未經(jīng)授權(quán)禁止轉(zhuǎn)載,。