基于微波倍频源太赫兹频段雷达散射截面测量（一）
吴洋, 白杨, 殷红成, 张良聪
摘要：在220～330 GHz频段，采取自由空间场形式，采用扫频连续波信号进行目标雷达散射截面(RCS)测量。系统由矢量网络分析仪，毫米波混频器，馈源及目标支撑系统组成。多种散射测量技术将通过实验验证并应用于目标测量中。最终保证系统对–23.6 dBsm目标的测量精度达到±3 dB。
关键词：雷达散射截面(RCS) 太赫兹 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
随着隐身技术的发展，隐身性能已逐步成为武器装备发展中的重要指标与特征[1]，隐身测试技术是展开武器装备隐身技术研究的重要手段。目前对于大型目标如：飞机、坦克等难以直接获得全尺寸目标的测量数据。采用目标的缩比模型，利用小尺寸目标模型在高频测量结果推导获得目标全尺寸结果是目前一种可行的方案。但是对于超大目标如：航母、大型飞机等，其缩比模型尺寸在微波频段依然超出了多数测量场地的尺寸要求，难以实现实际测量。所以需要更大的缩比比例，更高的测量频段。太赫兹因为有较高的测量频段，而且可以满足大尺寸目标大比例缩比模型的测量需求。
太赫兹频段的缩比目标雷达散射截面(Radar Cross Section, RCS)测量最先报道于20世纪70年代[2]。该系统基于光学激光激发的窄带亚毫米波信号，典型的测量频率约700 GHz。目前在太赫兹频段用于RCS测量的主要方案有两种，其一为时域光谱(Time Domain Spectroscopy, TDS)测量方案，德国布伦瑞克大学[3]和丹麦技术大学[4]都有相关论文发表。另一种为微波倍频源太赫兹散射测量方案，由Massachusetts Lowell大学的亚毫米波技术实验室组建了一系列基于快速变频连续波信号的太赫兹测量系统[5–7]，实现了中心频点160 GHz, 240 GHz, 520 GHz带宽约10～20 GHz的太赫兹测量。
在本文中，详细说明一种频率范围在220～330 GHz，基于矢网实现的微波倍频源太赫兹散射测量系统的组建方式和实验结果及相关测试技术。在第2节详细阐述测量系统的组成及原理，第3节阐述测量技术，第4节对验证实验及测量结果进行分析。
2 测量系统组成
太赫兹散射测量系统采取自由空间场的场区形式，采用扫频连续波的测量信号，测量频率范围：220～330 GHz。系统主要由商用矢量网络分析仪(矢网)及其配套毫米波混频器、馈源及目标支撑系统组成。矢网工作频率10 MHz～24 GHz，发射功率–30 ～10 dBm；配套的毫米波混频器频率范围为220～330 GHz，发射功率–9 dBm，动态范围≥100 dB；太赫兹馈源工作频率220～330 GHz，增益≥21 dBi，可在1.5 m测试距离上形成≥0.3 m的主瓣范围。系统基本构架如图1所示。
 | 图 1 系统构架示意图Fig.1 Measurement system’s sketch map |
矢网提供Ku(12～18 GHz)波段的射频信号，通过18倍频的毫米波变频前端获得220～330 GHz的太赫兹测量信号。目标支架可以实现方位向360°连续旋转。实际测量系统如图2所示。
 | 图 2 太赫兹散射测量系统Fig.2 Terahertz scattering measurement system |
3 测量技术及验证实验
本系统中散射测量定标方法采用相对定标法[8]，定标体为107.5 mm(直径)标准球。测试总流程如图3所示。
 | 图 3 测量流程图Fig.3 Measurement flow chart |
实际测量流程分为数据获取和数据处理两部分，在数据获取流程中，共获取包括幅相修正信号数据在内的，目标背景数据、目标数据、定标背景数据、定标数据共4组数据。将这4组数据带入数据处理流程，通过数据提取获得测试区原始数据，再通过背景对消、距离补偿、幅相修正等测量技术降低散射测量误差，最终计算获得目标RCS。
(1) 背景对消
 | 图 4 背景对消测量结果Fig.4 Background subtraction results |
图4中测量结果是对背景对消技术在太赫兹频段应用的验证结果。其中待测目标为75 mm(直径)标准球。从图4(a)中可以得到，在未加入频域窗的情况下，背景对消技术在目标区可以提高10～15 dB的信噪比。从图4(b)中的结果可得，测量结果的最大偏差量由对消前的3.67 dB降至对消后的1.45 dB，均方根误差由2.00 dB降至0.92 dB。
(2) 距离补偿
由于测量采用自由空间场的场区形式，测量距离较近，空间衰减明显。因而需要对定标体与待测目标之间由于距离差引起的固定误差进行补偿。误差量可根据式(1)获得：
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 | 图 5 距离补偿测量结果Fig.5 Range distance compensation result |
图5为距离补偿前后的结果对比，在测量中目标(75 mm(直径)标准球)测量距离为1.500 m，定标球测量距离为1.481 m。根据公式计算得出距离补偿量为0.2185 dB。补偿前后均方根补偿为：补偿前1.184 dB，补偿后1.059 dB。经过距离补偿后，待测目标测量结果更符合理论结果，但其中还存在信号幅相抖动，支架耦合等其他误差。
