文獻標識碼： A
現代裝備，如各種飛機、軍艦等，為減小敵方雷達的發現概率，采用了不同程度的隱身措施。在裝備表面涂覆雷達吸波涂料RAC(Radar Absorbing Coating)來減小雷達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電磁波的反射率，表達式為：
式中V反 是涂料的反射電壓，V入 是涂料上的入射電壓，P反 是涂料的反射功率，P入 是涂料的入射功率。上式也可以理解為在給定的波長和極化的條件下，電磁波從同一方向、以同一功率密度入射到雷達吸波涂料平面和良導體平面，雷達吸波涂料平面與同尺寸良導體平面兩者鏡面方向反射功率之比。
常用的傳統方法[1]主要有遠場RCS測試法、弓形測試法、樣板空間平移測試法等。這些方法均要求在微波暗室內進行測試，并且無法對已經涂覆于機體表面的材料進行測試。近年來，一些便攜式反射率測試儀相繼被研制出來[2]，均采用檢波方案，存在測量精度不高、動態范圍小的缺點。本文提出并實現了一種基于掃頻RCS測量原理的便攜式吸波涂料反射率測試設備。與傳統方法相比，本設備簡單、測試靈活；與其他的便攜式方法相比，具有精度更高、性能穩定的優點。
1 掃頻測量原理
掃頻RCS系統也稱線性調頻系統，其結構如圖1和圖2所示。其中fi是發射頻率，fr是回波頻率，f0是中頻信號頻率，τ是延遲時間，B是掃頻信號帶寬，T是掃頻信號持續時間，c是光速，R是目標到混頻器信號端口的距離。
根據掃頻RCS系統原理[3]，混頻器輸出的中頻信號中包含有與目標距離成線性關系的頻率分量：
由式(3)可以看出：
(1)其頻率f0正比于發射帶寬B及延遲時間τ，反比于掃頻時間T，即f0=Bτ/T。假如目標區有多個反射回波源，中頻信號應包含所有反射信號的矢量和。
(2)基于頻率與f0目標的距離R呈fc=2BR/cT的正比關系，對頻率的分辨率也是對距離的分辨率。其幅度(或信號包絡)E0(t)反映了目標在t時刻對雷達波的反射強度；由掃頻測量體制中微波掃頻頻率fi[f0-B/2，f0+B/2]與信號持續時間t[0，T]的相關性可知,信號幅度隨時間的變化規律E0(t)也是其隨發射頻率的關系曲線E0(fi)。根據定義：若對回波信號進行檢波取出包絡E0(fi)，再對包絡取模平方，即是反射率與發射頻率的關系曲線。
獲取目標反射率隨掃頻頻率變化的曲線圖的過程簡述如下：
(1)首先對采樣數據作背景對消處理，然后做N點FFT處理實現距離向（或稱頻率）分辨；這里N為序列字長。然后采用硬件或軟件門將一維成像非目標區內的雜散噪聲信號頻率進一步濾除，從而只保留目標區頻帶內的數據。
(2)對保留數據作IFFF，得到目標區相應的時域波形，記為Si(t)，由于線性掃頻體制中時域回波信號亦是掃頻發射頻率的函數，所以Si(t)可以用Si(fi)表示。
(3)對電壓信號Si(fi)取平方，得到回波信號的瞬時功率P(t)或P(fi)的波形，其包絡就是目標RCS隨頻率的幅度分布。
(4)為獲得P(fi)包絡，再一次FFT得到P(fi)的功率譜分布，該譜中低頻區的譜線代表包絡，高頻譜是載波fc。
(5)用數字濾波將低頻區的包絡譜濾出。再對包絡譜作IFFT便可恢復反射功率的包絡波形，也即RCS和掃頻發射頻率的關系曲線。
2 系統結構分析和實現過程
本測試儀用于對平板型吸波涂料進行快速性能檢測。頻率特性采用分波段控制，可覆蓋2 GHz～18 GHz范圍。對反射率測量的動態范圍大于40 dB。圖3給出了本系統的框圖。
測量儀由嵌入式工控計算機、USB采集和控制模塊、微波系統、延時電纜、各波段測試探頭、定標校準件組成。工控機內裝計算機操作系統，有上位機軟件，完成系統控制、數據處理和儲存、結果顯示等操作。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據，將數據通過USB總線傳送到電腦的功能。
中頻信號由放大器經過USB芯片采集后傳輸到嵌入式工控機，在計算機內部進行數據處理。其關鍵和難點是USB芯片的固件和驅動程序的編寫。當芯片上電時，首先由缺省USB設備進行枚舉。此款USB芯片具有軟配置的特點。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。之后8051就會脫離復位并開始運行這些代碼，并且再一次進行枚舉，這個過程叫做重枚舉。
CYPRESS公司為用戶提供了固件程序框架和固件函數庫，根據外設功能的具體要求，在相應的函數中填寫函數體，就可以完成自定義功能。固件函數框架包含初始化、處理標準USB設備請求以及USB掛起時的電源管理等?？蚣芡瓿闪艘粋€簡單的任務循環，其任務調度的步驟如下：
(1)調用用戶函數TD_Poll()。這部分程序由開發者填寫，以實現USB外設的主要功能。
(2)判斷是否有標準設備請求等待處理。如果有，則分析該請求并響應。
(3)判斷USB內核是否收到USB掛起信號。如果收到，則調用用戶函數TD_Suspend()。從該函數成功返回以后（返回值為TRUE），再檢測是否發生USB喚醒事件。如果未檢測到，則處理器進入掛起方式；如果檢測到，則調用用戶函數TD_Resume()，程序繼續運行。如果從TD_Suspend函數返回FALSE，則程序繼續運行。流程圖如圖4。
這個框架包含以下函數掛鉤：void TD_Init(void)；void TD_Poll(void)；BOOL TD_Suspend(void)；void TD_
Resume(void)。
以上為任務分配器，分別在框架初始化、設備工作期間、框架進入掛起狀態之前、被外部的喚醒事件喚醒且恢復處理之后調用。此外還有9個設備請求函數和8個USB中斷函數需要用戶自己設置。
驅動程序采用的是CYPRESS提供的通用驅動程序，這是一個可以使用應用程序通過I/O控制來訪問的通用驅動程序。用戶使用Win32函數DeviceIoControl()來提交I/O控制碼，并且為CreateFile()函數返回的設備句柄設置I/O緩沖區。DeviceIoControl()的函數原型為：
BOOL DeviceIoControl(){
HANDLE hDevice， //設備句柄
DWORD dwIoControlCode， //I/O操作控制代碼
LPVOID lpInBuffer， //輸入緩沖區指針
DWORD nInBufferSize， //輸入緩沖區大小
LPVOID lpOutBufferSize， //輸出緩沖區指針
DWORD nOutBufferSize， //輸出緩沖區大小
LPDWORD lpBytesReturned， //實際返回的字節數
LPOVRLAPPER lpOverLapper， //用于異步操作的重疊指針
}；
IOCTL和相應的輸入、輸出結構在開發軟件包的ezusbsys.h中作出了定義。WindowsDDK提供的USB100.H提供了標準的USB的I/O結構。
本測試儀的工控計算機內部應用軟件使用了Visual C++，具有以下主要功能：設置掃頻源的工作模式與掃頻參數；設置控制/中頻單元的工作參數；保存回波的采樣數據；計算RCS，并分別得到目標RCS關于時間及頻率變化的曲線；RCS數據保存與打印輸出。
在軟件編寫的過程中，曲線繪制利用了實驗室內部開發的繪制一維曲線類CCurve。該類可實現以下功能：根據數據繪制一維曲線，放大、縮小曲線，標注曲線關鍵點，移動關鍵點的位置，更改曲線坐標范圍，計算曲線選定范圍內的均值。
為了便于程序維護，掃頻測量條件下目標RCS計算所需的函數均被封裝在名為CDataProcess的數據處理類中。CDataProcess類的成員變量包括待處理數據的指針、定標數據的指針以及處理過程中必需的參數信息。用戶可通過調用該類的成員函數進行RCS的計算。
USB芯片內部集成有8051內核，控制16 bit D/A輸出鋸齒波掃描電壓，該電壓經過低通濾波器平滑,作為恒溫VCO的掃頻控制電壓。掃頻信號經過定向耦合器主路作為混頻器的本振信號，耦合器支路輸出信號經微波放大器達到18 dBm左右的功率值，該信號經環形器、4 m同軸電纜到達測試探頭。探頭的反射波經環形器的另一端口到達混頻器的信號端口。
雖然發射信號通過環形器對混頻器信號口的直漏功率比目標最大回波功率大10 dB左右，但由于4 m延時電纜相當于自由空間5 m，故兩者頻率相差較大，通過帶通濾波并放大后，可保證計算機采集到比較理想的目標回波。為限制泄漏信號過大而使混頻器飽和，在混頻器信號口加一個衰減器，控制泄漏信號電平小于0 dBm。當然衰減器的引入使混頻器動態范圍減少了10 dB左右，但還可保證混頻器至少有40 dB以上的測量動態范圍。而其他的便攜式測量方案采用檢波方法，最大動態范圍也很難做到40 dB。這是采用掃頻系統的最大優點。
3 實驗結果與結論
在掃頻測量體系中，誤差的來源主要是混頻器的線性度不夠，為了使測量更加準確，測量系統先對短路終端進行掃頻測量及信號采集，將對短路板的采樣信號作為對比標準存起來。然后在同樣條件下對被測目標體進行掃頻測量，對2組數據進行上述信號處理，然后將2組數據對應相減，即是目標反射率隨頻率變化的數據。
對某吸波涂料樣板進行測試，將實測數據與廠家標準數據進行對比，見表1。
由表1數據可以看出，在反射率比較小時，實測數據與標準數據相差較大，在反射率比較大時，誤差較小，處于要求的誤差范圍內，能夠反映吸波涂料的吸波性能。
本系統與傳統的測量方法以及以往的便攜式測量方法相比，具有以下優勢：
(1)使用恒溫VCO作為信號源，掃頻速度快，使用D/A建立掃頻電壓可任意控制掃頻時間。
(2)掃頻方法可縮短電纜距離，回波信號頻率高，便于濾波處理。
(3)信號處理方法使用成熟的RCS信號處理方法。
(4)動態范圍大，可以做到大于40 dB。
參考文獻
[1] 呂嬰.雷達吸波材料吸收性能檢測.航空非金屬材料學術研討會[C].山西：1991.
[2] 梁沂.便攜式吸波涂料吸波性能測試系統的研究[J].微波學報，2005，21(4)：60-62.
[3] 薛明華，王振榮.掃頻RCS測試系統原理及應用[J].航空電子技術，1996(4)：20-25.