随着现代电子科技技术的迅猛发展，微波测量面临的工作日渐复杂，其中针对目标雷达散射截面（RCS，Radar Cross Section）的测量被认为是在微波测量领域的重要内容。RCS测量系统是RCS测量的硬件基础，根据测量需求的不同，对于测量系统的选型和硬件平台的搭建也各不相同。本文以矢量网络分析仪（VNA，Vector Net Analyser）为核心，设计与开发出一套能够对目标实现多维度（时域、频域、极化域）高精度测量的RCS测量系统，并对该系统进行性能分析，具体工作如下：

首先，介绍RCS测量系统组成，结合高精度矢量网络分析仪的工作原理与仪器特点，提出以矢量网络分析仪为核心的RCS测量方案，包括单天线测量方案和双天线测量方案，并给出两种测量方案的详细设计过程、硬件架构和方案优点。

然后，对两种测量方案进行性能分析，针对单天线与双天线测量系统，分别通过建立误差模型对其进行理论分析，利用射频电路理论对单天线测量系统方案建立电波传播模型，分析泄露信号对接收机灵敏度的影响；对双天线RCS测量系统方案进行建模分析，利用仿真软件HFSS建模仿真，利用平面波谱理论进行算法仿真，分析双天线间耦合对系统灵敏度的影响。通过理论分析的方法对测量方案加以验证，为测量系统的设计和优化提供理论指导。

最后，对测量系统的功能和性能进行实测验证，验证理论分析与仿真的正确性；包括单双天线测量系统实验验证、双极化测量结果验证、一维距离像实验验证；实验验证了RCS测量系统的功能及性能。

With the rapid development of modern electronic technology, the work of microwave measurement has become more and more complicated. The measurement of the target radar cross section (RCS) is considered to be an important part in the field of microwave measurement. The RCS measurement system is the hardware basis for RCS measurement. Depending on variable measurement requirements, the selection of the measurement system and the construction of the hardware platform can be different. Based on the vector network analyzer (VNA), a set of RCS measurement system has been designed in this paper, which can realize multi-dimensional ( time domain, frequency domain, polarization domain) high-precision measurement of the target. The performance analysis of the system has been presented as well. The main content of this thesis can be summarized as follows.

 

Firstly, the composition of RCS measurement system is introduced. Combined with the working principle and instrument characteristics of high-precision VNA, an RCS measurement scheme based on VNA is proposed, including single antenna and dual antenna measurement scheme. Besides, the detailed design process, hardware architecture and solution advantages of the two measurement schemes are introduced.

 

Then, the performance analysis of the two measurement schemes is carried out. For the single antenna and the dual antenna measurement system, different error models are established to conduct the theoretical analysis, respectively. The radio wave circuit theory is used to establish the radio wave propagation model for the single antenna, and the influence of the leakage signal on the sensitivity of the system is analyzed. The dual antenna measurement system is modeled with simulation software HFSS for simulation and analysis. The plane spectrum theory is used to simulate the algorithm, and the influence of the direct coupling of the two antennas on the sensitivity of the system is analyzed. The measurement scheme is verified by theoretical analysis method, which provides theoretical guidance for the design and optimization of the measurement system.

 

Finally, the function and performance of the measurement system are verified to demonstrate the correctness of theoretical analysis and simulation. The validation experiment mainly includes the following three aspects, i.e. the experimental verification of the single and dual antenna measurement system, the verification of the dual polarization measurement results, and the verification of the one-dimensional distance image. According to the experimental results, the function and performance of the RCS measurement system can be verified.

[1] 王瑞君, 王宏强, 庄钊文等. 太赫兹雷达技术研究进展[J]. 激光与光电子学进展, 2013, 50(4). 15-17.
[2] 郭静. 微波暗室目标RCS测试方法的研究与试验[D]. 南京: 南京航空航天大学, 2008.
[3] 丁欢. 国外RCS动态测量技术发展与我国飞机RCS动态测量技术发展现状对比[J]. 信息系统工程, 2015(4).
[4] 王洪帅. 雷达散射截面的测量与转台成像研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2015.
[5] 赵元红. RCS近场测量系统设计与软件开发[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2016.
[6] 王永庆，张彭，戴春亮. 雷达散射截面测量[M]. 北京: 科学出版社, 2016.
[7] 刘眉洁. 基于高分辨率极化SAR的海冰分类和厚度探测方法研究[D].青岛: 中国石油大学，2016.
[8] 金桂玉. 目标近场电磁散射特性计算与应用[D]. 南京: 南京理工大学, 2012.
[9] 孙声雯, 王尊峰. 射频矢量网络分析仪的新设计方法[J]. 国外电子测量技术, 2001(3):13-17.
[10] 孙华东, 王元, 薛冰悬等. 矢量网络分析仪基本测试原理及其在地震电缆测试中的应用[J]. 物探装备, 2012, 22(3): 183-186.
[11] 刘灯奎. 低成本高精度S参数测量系统的研究[D]. 苏州: 苏州大学, 2014.
[12] 邓凌宇. 基于矢量网络分析仪的时域分析技术研究[D]. 西安:西安电子科技大学, 2015.
[13] 王永东. 雷达接收机自动测试系统的研制[D]. 南京:南京理工大学, 2008.
[14] 邹时磊. 微波网络分析仪数据校准模型和方法研究[D]. 武汉:华中科技大学, 2009.
[15] 刘舰. 基于网络分析仪的天线近场测量系统的研究[D]. 西安:西安电子科技大学, 2006.
[16] 陈潇, 张杰, 程磊等. 雷达散射截面测试技术[J]. 物联网技术, 2011, 01(7):72-75.
[17] 田国栋, 郭妮. RCS的频率步进连续波测试技术研究[J]. 测绘科学, 2009, 34(4):225-226.
[18] 王华. 步进频率连续波探地雷达信号源设计与实现[D]. 长沙: 国防科学技术大学, 2009.
[19] 罗兴华. 超宽带步进频雷达前端的实现及其相关问题研究[D]. 北京: 中国科学技术大学, 2014.
[20] 朱晓亮. 矢量网络分析仪测量信号功率及相位校正技术研究[D]. 成都: 电子科技大学, 2017.
[21] 薛元松, 许家栋. 提高测量RCS的扫频方法精度研究[J]. 计测技术, 2006, 26(6):29-31.
[22] 范春波. 相干雷达散射计的研制[D]. 成都: 电子科技大学, 2011.
[23] 张兴龙. 全极化米波雷达反隐身及极化信息处理研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2010.
[24] 王文涛. 毫米波双极化圆锥喇叭天线的研究与设计[D].南京: 南京航空航天大学, 2009.
[25] 吴洋, 白杨, 殷红成等. 基于微波倍频源太赫兹频段雷达散射截面测量[J]. 雷达学报, 2018. 15(5):20-24.
[26] 陆必应, 宋千, 周智敏. 步进频率连续波探地雷达耦合信号的抑制[J]. 雷达科学与技术, 2010, 08(5): 422-426.
[27] 宋铮. 天线与电波传播[M]. 西安: 西安电子科技大学出版社, 2003.
[28] 石长生. 谈天线隔离度[J]. 电子商务, 1997,05(11): 16-18.
[29] 武文婧. 弹载天线设计及耦合分析[D]. 西安:西北工业大学, 2006.
[30] 田殷. 口径面天线近场互耦仿真分析[D]. 成都: 电子科技大学, 2007.
[31] 魏志军. 面天线近场互耦研究[D]. 西安: 西北工业大学, 2002.
[32] 曹祥玉, 高军, 梁昌洪等. 同轴双环多模喇叭收、发天线近场耦合特性分析[J]. 西安电子科技大学学报(自然科学版), 2001, 28(5).
[33] 罗宏伟. 基于有限积分法的抛物面天线间隔离度的仿真研究[D].重庆: 重庆大学, 2012.
[34] 吴志平. FMCW雷达的发射泄漏及相位噪声的抑制[D].成都:电子科技大学, 2014.
[35] 谢芳平. 基于高分辨一维距离像的雷达目标识别[D]. 杭州:杭州电子科技大学, 2009.