隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速評估系統(tǒng)的制作方法
【專利摘要】一種隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)，包括：掃描架，天線子系統(tǒng)，儀表子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，對準子系統(tǒng)和小型裝載車，完成了信號的產(chǎn)生，發(fā)射，接收，處理，成像，比對，結(jié)果分析。本發(fā)明能夠在維修庫或是停機坪等現(xiàn)場，實現(xiàn)對隱身飛機散射特性的快速準確的判定，檢測隱身飛機隱身性能的變化，對發(fā)生惡化的散射源區(qū)域進行定位，為隱身飛機的維護維修提供參考。
【專利說明】隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速評估系統(tǒng)
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本申請涉及一種測試系統(tǒng)，具體的，涉及一種對飛機的散射特性進行現(xiàn)場測試，從而對隱身飛機散射特性進行現(xiàn)場快速判定的系統(tǒng)。
【背景技術(shù)】
[0002]隱身飛機的隱身性能一直是人們關(guān)注的焦點，而“4S”標準也將隱身性能列為首位，目前對于隱身飛機的散射特性的測量主要有四種方法即，緊縮場測量，室外地面場測量，動態(tài)飛行測量和室內(nèi)近場測量，上述方法適用于飛機的設(shè)計，定型，生產(chǎn)交付等各個階段。
[0003]緊縮場測試系統(tǒng)由于靜區(qū)尺寸的限制，主要使用在隱身飛機的設(shè)計階段，對縮比模型或飛機真實部件進行精確的測量。這種測量方式的特點是目標尺寸適度，模型加工費用低，對于新型號設(shè)計較為有利。但縮比后加工精度要更高，材料(特別是非均勻介質(zhì)和磁性材料)的相似性難以保證，在更高頻率上的測試設(shè)備和測試場地也不易解決。
[0004]專門修建的室外測試場，進行整機的散射特性測試，主要用在整機設(shè)計完成后的1:1模型測試(使用低反射金屬支架)以及生產(chǎn)中樣機的測試(放置于地面采用泡沫支架支撐)。為了滿足平面波入射和散射的遠場條件，測試距離很大。例如，新墨西哥州中南部白沙導彈場上的RATSCAT測試場，占地十余平方公里，測試頻率范圍30MHz?95GHz，最大測試距離達2286m，可測試25m的大型目標，轉(zhuǎn)臺最大承重達22.7t，已用來測試過F-102等戰(zhàn)斗機。靜態(tài)測量的缺點是難以消除地面和目標支架等雜散回波的影響。
[0005]動態(tài)飛行測試是隱身目標具備飛行狀態(tài)后不可缺少的測試環(huán)節(jié)，動態(tài)測量可以完全模擬和測量目標運動時的真實雷達截面特性，但飛行姿態(tài)及航跡的重復性較差，制約其很難作為定量的、可重復的、可分析的通用測試手段來判定以及指導改進飛行器的隱身性能，并且動態(tài)測試的成本很高。動態(tài)飛行測試主要應用在隱身飛機產(chǎn)品的出廠驗收階段。
[0006]室內(nèi)全尺寸近場測試是RCS測試的新技術(shù)，通過近場掃描測量和近遠場變換技術(shù)實現(xiàn)對全尺寸隱身飛機目標散射特性的快速準確測量。主要用于整機研制和整機出廠驗收階段，能夠替代大部分的動態(tài)飛行測試，節(jié)約大量成本。在F-22和F-35的全尺寸整機模型及真實飛機的隱身檢測和認證評價中，室內(nèi)全尺寸近場測試系統(tǒng)扮演了極為重要的角色，也極大程度降低了測試成本和縮短了產(chǎn)品的研制周期。
[0007]前三種測試手段，經(jīng)過國內(nèi)相關(guān)科研單位的多年研究，技術(shù)上已經(jīng)成熟，已經(jīng)在國內(nèi)建成了多個測試廠。第四種室內(nèi)近場測量手段，相關(guān)理論及方案已經(jīng)逐漸成熟，但尚未實施，目前正在逐步轉(zhuǎn)入實施建設(shè)階段。
[0008]但是，對于已經(jīng)交付到部隊，正在使用中的隱身飛機，其散射特性或者說隱身性能必然會隨著飛機的使用而發(fā)生變化。比如飛機上的隱身材料，飛機結(jié)構(gòu)上的臺階、縫隙等，在飛機出廠時能夠保持一個較好的狀態(tài)，在使用一段時間過后，甚至一次起飛/降落過后，都有可能發(fā)生變化。如何快速準確的判定、檢測隱身飛機隱身性能的這個變化，對隱身飛機隱身性能的維護提供參考數(shù)據(jù)，目前國內(nèi)這方面是一個空白，缺乏能夠快速部署，現(xiàn)場對隱身飛機進行測量判定的相關(guān)設(shè)備和技術(shù)。
[0009]因此，如何能夠提供一種現(xiàn)場對隱身飛機的散射特性進行測量判定的系統(tǒng)，成為現(xiàn)有技術(shù)亟需解決的技術(shù)問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0010]本發(fā)明的目的在于提出一種隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)及其測量方法，以便能夠滿足在飛機投入使用后能夠?qū)︼w機的隱身特性進行檢測，從而更好的對飛機進行保養(yǎng)和維護。
[0011]為達此目的，本發(fā)明采用以下技術(shù)方案:
[0012]首先用合適的方法對出廠時的隱身飛機的散射特性進行準確的測量，保證隱身性能滿足要求，然后單次測量得到散射點的分布，最后對兩次的測量結(jié)果進行比對，得到發(fā)生變化的散射點的位置信息，從而對飛機的隱身性能進行維護和保養(yǎng)。
[0013]本發(fā)明能夠在維修庫或是停機坪等現(xiàn)場，實現(xiàn)對隱身飛機散射特性的快速準確的判定，檢測隱身飛機隱身性能的變化，對發(fā)生惡化的散射源區(qū)域進行定位，為隱身飛機的維護維修提供參考。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0014]圖1是根據(jù)本發(fā)明的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)的框架圖。
[0015]圖中的附圖標記所分別指代的技術(shù)特征為:
[0016]1、掃描架；2、天線子系統(tǒng)；3、儀表子系統(tǒng)；4、數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)；5、對準子系統(tǒng)；6、小型裝載車。
【具體實施方式】
[0017]下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的詳細說明?？梢岳斫獾氖?，此處所描述的具體實施例僅僅用于解釋本發(fā)明，而非對本發(fā)明的限定。另外還需要說明的是，為了便于描述，附圖中僅示出了與本發(fā)明相關(guān)的部分而非全部結(jié)構(gòu)。
[0018]本發(fā)明所公開的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)是一套成像雷達系統(tǒng)，機動性強，能對處于近場的現(xiàn)役隱身飛機的散射特性進行二維成像分析，并能對服役一段時間后的隱身飛機的散射特性進行對比分析，對惡化區(qū)域進行定位。
[0019]本發(fā)明的構(gòu)思如下:在高頻段，目標的散射特性等效于散射中心散射響應之和。因此對于隱身飛機散射特性變化的分析就相當于對散射中心變化的分析，而對散射中心變化的分析關(guān)鍵是兩點:能夠?qū)ι⑸渲行倪M行識別和分辨，能夠?qū)ι⑸渲行牡淖兓M行檢測。對散射中心的識別即要求對系統(tǒng)的分辨率足夠的大，對散射中心的變化的檢測即對前后兩次的雷達二維圖像進行比對。
[0020]首先，單次測量對散射中心的分辨和定位要有較高的準確度，因此要求系統(tǒng)具有高分辨率和高定位精度。根據(jù)對雷達信號的研究和分析，系統(tǒng)的距離向分辨率由雷達信號的瞬時帶寬決定，瞬時帶寬越大，分辨率越高，這決定了微波信號系統(tǒng)一定是寬帶的雷達系統(tǒng)。橫向分辨率取決于天線的波束寬度，它與天線孔徑的長度成反比，要提高橫向分辨率指標，需要大幅度的壓縮波束寬度，增加孔徑長度是一種方法，原理上可以使用陣元排成很長的陣列來實現(xiàn)，實際上這不太能實現(xiàn)，特別是在現(xiàn)場進行測量的時候布置這么長得陣列是不現(xiàn)實的。但是，當被測散射目標體是靜止目標的時候，可以將陣元同時收發(fā)簡化為單個收發(fā)測量，即天線沿著直線等間隔移動位置分別進行測量，記錄每一測量位置的散射回波數(shù)據(jù)，具體到實際情況，就是將天線子系統(tǒng)2放置于掃描架I上，如圖所示，使得天線子系統(tǒng)2沿著掃描架做上下方向的直線步進運動。
[0021]雷達成像是對雷達回波信號的處理來獲得目標信息的，所以，雷達信號的產(chǎn)生，發(fā)射顯得尤為重要。如前所述，所需的雷達系統(tǒng)為寬帶雷達系統(tǒng)，同時為了獲得飛機在2-18G的廣闊的頻帶上的散射特性分析，所需的微波系統(tǒng)在整個頻帶上，應該具有較好的穩(wěn)定性，長時間測量漂移性比較低，一般采用分波段進行電路方面的設(shè)計，即儀表子系統(tǒng)3應采用分波段進行電路方面的設(shè)計，另外，為了獲得更好的性能，應當分析不同體制的雷達信號的性能特點，選擇合適的雷達體制。本系統(tǒng)由于是近場測量，且對測量時間有很高的要求，優(yōu)選的，本系統(tǒng)采用線性調(diào)頻體制。
[0022]為了實現(xiàn)對天線運動狀態(tài)的控制(如步進間隔，天線運動長度等)，使用數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)4，例如計算機，即對掃描架進行控制，還需要使用數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)4針對不同待測目標對微波系統(tǒng)參數(shù)的不同需求，對控制電路進行設(shè)置，從而控制微波系統(tǒng)的系統(tǒng)參數(shù)。而接收信號，同樣要先經(jīng)過微波系統(tǒng)的處理，送入數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)4進行采集處理。
[0023]微波信號要經(jīng)過天線的轉(zhuǎn)化，從而成為自由空間波，回波信號要經(jīng)過接收天線的轉(zhuǎn)化，轉(zhuǎn)化為電路中的信號。由于目標的散射特性是與雷達到目標的距離是有關(guān)的，對前后的兩次測量來講，要想真正的找到目標本身的散射特性變化，需要避開其他因素導致的散射特性的變化，如相對位置，所以在前后兩次的測量中，應當使用對準子系統(tǒng)5保證雷達和待測目標之間的相對位置不發(fā)生變化。對準子系統(tǒng)的精度應保證在誤差的范圍內(nèi)，散射點依舊仍在分辨單元之內(nèi)。
[0024]數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)4對雷達數(shù)據(jù)進行采集，處理得到雷達二維像。雷達二維像本身也是數(shù)據(jù)，所以要通過某些數(shù)據(jù)處理手段，找到前后兩次的不同的散射點，并依據(jù)最終的評判標準確定需要維護的區(qū)域，從而實現(xiàn)了對惡化區(qū)域的定位。
[0025]因此，參見圖1，一種隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)，包括:掃描架1，天線子系統(tǒng)2，儀表子系統(tǒng)3，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)4，對準子系統(tǒng)5和小型裝載車6 ；
[0026]掃描架1:
[0027]所述掃描架I具有豎直的軌道，以便于天線子系統(tǒng)2沿著豎直方向做步進運動。
[0028]天線子系統(tǒng)2:
[0029]其中天線子系統(tǒng)2包括收發(fā)分置且距離很近的兩個天線，示例性的，兩個天線距離為10cm，所述天線子系統(tǒng)2固定在掃描架I上沿著豎直方向做步進運動，所述天線子系統(tǒng)2發(fā)射從低頻到高頻一定帶寬的信號，并接收回波數(shù)據(jù)。天線除應該滿足單元隔離度要求之外，還應該考慮天線與掃描架，目標之間的耦合；天線的重量和體積以便于掃描架的拆裝；前后比的要求，以控制目標信號和環(huán)境干擾。
[0030]優(yōu)選地，所述天線子系統(tǒng)在俯仰方向波束較窄，以滿足“扁平”飛機目標照射電平的要求。
[0031]所述天線子系統(tǒng)具有如下的技術(shù)指標:
[0032]I波段劃分:在2-18G的頻段上，波段一般劃分為兩個波段2-8G和6-18G。因此，所述天線子系統(tǒng)能夠發(fā)射兩個不同頻段的雷達波，例如，在2-18G頻段上的，2-8G和8-18G。
[0033]2波束寬度:波束寬度應滿足應當根據(jù)測試距離和目標區(qū)的大小確定天線的主瓣寬度，若主瓣太小，無法覆蓋整個目標區(qū)，若主瓣過大，目標區(qū)以外的電磁雜波就會進入到天線中，造成較大的測量誤差。
[0034]3 增益:8dB
[0035]優(yōu)選地，所述天線子系統(tǒng)采用寬帶脊喇叭探頭。
[0036]進一步優(yōu)選地，所述天線子系統(tǒng):
[0037]I探頭口徑背面覆蓋吸波材料
[0038]2天線邊緣盡量薄且鋒利，使得反射面積最小
[0039]3探頭輸入端鏈接隔離器或是衰減器。
[0040]儀表子系統(tǒng)3:
[0041]所述儀表子系統(tǒng)3電連接所述天線子系統(tǒng)，完成2-18G微波信號的產(chǎn)生發(fā)射、接收、放大、混頻、波段轉(zhuǎn)換。
[0042]優(yōu)選地，所述儀表子系統(tǒng)3采用線性調(diào)頻體制，進一步優(yōu)選地，采用分波段涉設(shè)計，包括2-8G，8-18G兩個波段。
[0043]數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)4:
[0044]所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)4，通過成像算法對采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到雷達二維圖像，并通過圖像配準算法和圖像變化檢測算法完成前后兩次測量的圖像的配準和比對，最終找出已經(jīng)發(fā)生惡化的散射源區(qū)域，進行空間分離、定位、報警等，并給出定量的散射特性測量數(shù)據(jù)。為飛機的維護決策提供精確的參考數(shù)據(jù)。
[0045]本領(lǐng)域技術(shù)人員應當知道，可以采用本領(lǐng)域所熟知的成像算法，圖像處理方法，每種處理的算法，以及圖像配準算法，圖像變化檢測算法。主要是考察雷達二維圖像的特點，以之為基礎(chǔ)進行算法方面的分析和研究。
[0046]對準子系統(tǒng)5:
[0047]所述對準子系統(tǒng)5用于保證前后兩次的待測飛機和測試系統(tǒng)的相對位置不發(fā)生變化。以免因為相對位置的變化造成的測量誤差。定位和設(shè)備的位置調(diào)整應當滿足簡便，易于執(zhí)行，并且執(zhí)行速度快的需求。
[0048]根據(jù)對對準技術(shù)的調(diào)研，激光追蹤儀并不太適合在本場合的使用。因此，優(yōu)選地，可以采用激光測距儀利用三點激光對準法進行對準。
[0049]所述對準子系統(tǒng)5應當能夠有效快速對設(shè)備按照既定的位置放置題，或者說快速有效地使得設(shè)備放置的位置與標準位置之間的誤差引起的散射點的定位誤差在分辨率的范圍之內(nèi)。
[0050]小型裝載車6:
[0051 ] 所述小型裝載車6上安裝有對準子系統(tǒng)5和掃描架I，以有效快速地移動。
[0052]本發(fā)明還公開了一種利用上述的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)進行現(xiàn)場判定的方法，包括如下測量步驟:
[0053](I)在飛機散射特性檢測合格出廠后，立即使用該系統(tǒng)對飛機散射特性進行第一次二維成像測量，根據(jù)目標尺寸及測試指標要求確定測試的系統(tǒng)參數(shù)，開機啟動測試系統(tǒng)，同時控制掃描架進行掃描采集回波數(shù)據(jù)，將數(shù)據(jù)送回計算機進行數(shù)據(jù)處理，得到第一次二維像作為基準圖像。并保存系統(tǒng)和飛機的相對位置。
[0054](2)在飛機服役一段時間后，進行第二次測量。首先使用對準子系統(tǒng)保證飛機和系統(tǒng)的相對位置和第一次測量是一致的，利用和第一次測量相同的系統(tǒng)參數(shù)開啟測試系統(tǒng)進行第二次測量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到第二次二維像。
[0055](3)數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)將第二次二維像同第一次二維像通過圖像配準和變化檢測算法，進行處理，即可找出已經(jīng)發(fā)生惡化的散射源區(qū)域，進行空間分離、定位、報警。
[0056]本發(fā)明提供了一種具備高度機動性，能夠在現(xiàn)場實現(xiàn)對隱身飛機目標的散射特性的快速、精確診斷判定、問題定位并給出維護建議的自動化、智能測試系統(tǒng)。該系統(tǒng)提供了一種準確、快速、經(jīng)濟的方法來判定隱身飛機在使用期間或在維修前、維修后隱身性能的完整性，以確保能夠有效的完成任務(wù)及其生存能力?？偨Y(jié)下來，本發(fā)明的快速判定系統(tǒng)具有以下特點:
[0057](I)高度的機動性，可在停機坪，維修庫等現(xiàn)場測量，不用配備測試室或大型的測試場地；
[0058](2)測量速度快，減少隱身飛機的曝光時間；
[0059](3)能夠?qū)︼w機的散射特性進行高分辨率二維成像；
[0060](4)能夠?qū)︼w機的散射特性的變化進行判定，對發(fā)生惡化區(qū)域的定位。
[0061]以上內(nèi)容是結(jié)合具體的優(yōu)選實施方式對本發(fā)明所作的進一步詳細說明，不能認定本發(fā)明的【具體實施方式】僅限于此，對于本發(fā)明所屬【技術(shù)領(lǐng)域】的普通技術(shù)人員來說，在不脫離本發(fā)明構(gòu)思的前提下，還可以做出若干簡單的推演或替換，都應當視為屬于本發(fā)明由所提交的權(quán)利要求書確定保護范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)，包括:掃描架，天線子系統(tǒng)，儀表子系統(tǒng)，數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，對準子系統(tǒng)和小型裝載車， 其中，所述掃描架具有水平的軌道，以便于天線子系統(tǒng)沿著豎直方向做步進運動； 所述天線子系統(tǒng)包括收發(fā)分置且距離很近的兩個天線，所述天線子系統(tǒng)固定在掃描架上沿著水平方向做步進運動，所述天線子系統(tǒng)發(fā)射從低頻到高頻一定帶寬的信號，并接收回波數(shù)據(jù)； 所述儀表子系統(tǒng)電連接所述天線子系統(tǒng)，完成2-18G微波信號的產(chǎn)生發(fā)射、接收、放大、混頻和波段轉(zhuǎn)換； 所述數(shù)據(jù)處理子系統(tǒng)，通過成像算法對采集的數(shù)據(jù)進行處理，得到雷達二維圖像，并通過圖像配準算法和圖像變化檢測算法完成前后兩次測量的圖像的配準和比對，最終找出已經(jīng)發(fā)生惡化的散射源區(qū)域，進行空間分離、定位和報警，并給出定量的散射特性測量數(shù)據(jù)；所述對準子系統(tǒng)用于保證前后兩次的待測飛機和測試系統(tǒng)的相對位置不發(fā)生變化；所述小型裝載車上安裝有所述對準子系統(tǒng)和所述掃描架，以有效快速地移動。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)，其特征在于: 所述天線子系統(tǒng)在俯仰方向波束較窄，能夠發(fā)射2-8G和8-18G的雷達波，增益為8db。
3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)，其特征在于: 所述天線子系統(tǒng)能夠根據(jù)測試距離和目標區(qū)的大小確定天線的主瓣寬度。
4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)，其特征在于: 所述天線子系統(tǒng)采用寬帶脊喇叭探頭。
5.根據(jù)權(quán)利要求2-4所述的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)，其特征在于: 所述天線子系統(tǒng)的探頭口徑背面覆蓋吸波材料，天線邊緣盡量薄且鋒利，使得反射面積最小，探頭輸入端鏈接隔離器或衰減器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)，其特征在于: 所述天線子系統(tǒng)的兩個天線距離為10cm。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)，其特征在于: 所述儀表子系統(tǒng)采用線性調(diào)頻體制。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)，其特征在于: 所述儀表子系統(tǒng)采用分波段涉設(shè)計，包括2-8G，8-18G兩個波段。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)，其特征在于: 所述對準子系統(tǒng)采用激光測距儀利用三點激光對準法進行對準。
10.一種利用權(quán)利要求1-9中任意一項的隱身飛機散射特性現(xiàn)場快速判定系統(tǒng)進行現(xiàn)場判定的方法，包括如下步驟: (1)在機場，用所述快速判定系統(tǒng)對飛機散射特性進行第一次二維成像測量，得到第一次二維像作為基準圖像，并保存系統(tǒng)和飛機的相對位置； (2)在飛機服役一段時間后，進行第二次測量，首先使用對準子系統(tǒng)保證飛機和所述快速判定系統(tǒng)的相對位置和第一次測量是一致的，利用和第一次測量相同的系統(tǒng)參數(shù)開啟測試系統(tǒng)進行第二次測量，經(jīng)過數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)得到第二次二維像； (3)數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)將第二次二維像同第一次測量的二維像通過圖像配準和變化檢測算法，進行處理，可找出已經(jīng)發(fā)生惡化的散射源區(qū)域，進行空間分離、定位和報警。
【文檔編號】G01S13/89GK103809175SQ201410065720
【公開日】2014年5月21日 申請日期:2014年2月26日 優(yōu)先權(quán)日:2014年2月26日
【發(fā)明者】洪韜, 趙京城, 宋丹, 張嘉 申請人:北京航空航天大學