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隐身涂层微波反射率现场检测技术研究

张云鹏  
【摘要】:隐身涂层作为隐身技术的一种重要手段,因其施工方便、不受涂覆表面形状限制等特点而广泛应用于军事领域。隐身涂层对雷达波的吸收性能主要通过微波反射率进行表征。在实验室环境,已有包括弓形法、RCS(Radar Cross Section)法、密闭传输线法等多种标准测试方法对涂层样品进行检测。然而,当隐身涂层在实际应用时,由于:(1)吸波涂层原料在生产或喷涂过程中可能因自身质变或喷涂设备涂覆不佳,导致涂覆后的实际性能偏离设计指标;(2)已涂覆涂层在使用过程中可能因外力或自身寿命等多种因素造成涂层化学性能变化,导致吸波性能恶化;(3)损伤涂层经更新修复后可能因修复效果不佳造成吸波性能未达到要求,因此均需对涂层进行现场检测来评估其性能是否满足要求。本文涉及的现场检测包含两方面内容:(1)针对涂层原料及涂覆设备,通过现场制样对其喷涂后的涂层反射率进行测试;(2)针对已喷涂到装备表面的涂层,对其反射率进行跟踪检测。上述两种情况均要求测试设备适应现场复杂环境,能够以便携式进行快速检测。本文基于自由空间反射测试理论对隐身涂层微波反射率现场检测技术进行研究,从理论分析、测试建模和系统研制三方面入手,着重解决反射率现场检测中的表征方法、天线设计、数据处理和误差分析难题。通过分析材料与天线近场辐射波之间的互作用机理,提出了近场波束作用下的反射率检测新方法。基于平面波谱和平面波散射矩阵理论,建立了高斯波束反射系数与平面波反射系数之间的转换模型,获得了近场波束下的材料反射率表征关系。通过建立单反射测试误差模型,对系统方向性变化规律进行了研究,为不同收发配置下的天线性能提供了设计准则。基于误差模型,提出了分离复杂矢量信号的误差分析新方法,解决了单一误差项定量评估难题。针对测试信号的数据处理,推导了时域选通算法,实现了对干扰信号的有效抑制。针对标量测试下反射系数的相位获取,提出了一种引入标样网络的矢量推导新方法,实现了通过幅度值对复反射系数的求解。针对现场测试对天线性能的要求,研制了三种测试天线,组建了反射率台式和手持式现场检测系统并编写了测试软件。本论文的主要研究工作和创新点如下:1.提出基于天线近场波束的反射率现场检测新方法。根据天线近场辐射原理,分析了两种典型近场波束的传播特性及性能参数。基于近场测试中的缩距聚焦技术,提出以近场波束作为测试信号作用于待测材料的研究思路。2.天线近场波束与材料互作用机理研究。以平面波束和高斯波束作为研究对象,分析了两种入射波束经平面材料反射后的场分布特性,推导了材料在平面波束和高斯波束下的反射系数,建立了两种波束反射系数之间的转换模型,为反射率近场测试建模提供了理论指导,同时为近场天线辐射性能提供了设计指导。3.反射率现场检测的建模及误差项分析。根据电磁波传输网络理论,建立了基于单天线的收发同置和基于双天线的收发分置单反射测试模型,分析了模型的误差源及校准方法,提出了采用附加信号处理算法的简化校准技术。针对现场检测进行误差项分析,提出了分离复杂干扰信号为各单一误差项的方法,对多路径反射、收发互耦及边缘效应引入的误差进行了定量评估。4.反射率现场检测的数据处理。针对干扰信号的抑制,基于时域选通技术推导了原始测量数据的时通优选修正过程,分析了时域门设置及其对测试结果的影响,实现了反射信号的有效提取和干扰信号的有效抑制。针对标量测试下反射系数相位获取问题,提出了一种引入标样网络的矢量推导新方法。5.反射率现场检测系统的研制及实验验证。根据测试物理模型及工程应用对天线的设计要求,研制了点聚焦透镜天线、紧耦合Vivaldi天线阵和双对踵Vivaldi天线。基于上述天线组建了台式和手持式反射率现场测试系统,并对系统性能进行了测试。通过测试数据比对分析,完成了系统整体性能及测试误差评估。通过以上系统性研究,研制出的微波反射率现场检测系统达到如下技术指标:测试频率:2~18 GHz;反射率测试范围(典型值)台式:0~-12 dB(2~4 GHz);0~-20 dB(4~18 GHz);手持式:0~-6 dB(2~4 GHz);0~-20 dB(4~18 GHz);测试误差,台式:≤13.1%;手持式:≤15.6%;尺寸,台式:60×60×50 cm~3;手持式:24×15×39 cm~3;重量,台式:8 kg;手持式:3.5 kg。


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