.980· 工程科学学报，第40卷，第8期 高炉炼铁是高能耗、高污染的产业，有效的雷达 步进电机 料面监测系统就像高炉的眼睛，对精准控制、降能减 电机驱动 驱动控制器 线性扫描 耗有着重要的意义.目前，投入工业现场使用的雷 控制器 达料面监测系统主要有单点机械式扫描雷达)、6 步 转台控制 点协同雷达料面综合成像系统)]，还有在研制阶段 机 的MMO高炉雷达测量系统].高炉内部复杂目标 的散射特性对于天线设计以及整个雷达系统设计有 定标球或目标 着极其重要的指导意义[-]，而目标回波的强度及 矢量网络 分析仪 电磁散射特性通常以雷达散射截面(radar cross sec-- tiom,RCS)来表征[6，除了仿真研究[以外，对于高 低RCS 炉内部复杂目标的目标特性，如RCS典型值等测量 信号收发 泡袜支架 转台 基本属于行业空白.因此，本文利用小型微波半暗 图1自动化测试系统 室搭建了RCS测量系统，对高炉料面原材料焦炭、 Fig.1 Automatic measurement system 烧结矿的颗粒RCS典型值分布曲线以及高炉料线 缩比模型的散射方向性图等进行了测试和研究，为 雷达系统设计提供依据.同时对高炉料线缩比模型 微菠暗室 进行合成f孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)成 低散射 天线 泡沫支架 像，从成像诊断角度验证RCS测试结果，为后续高 扫描架 炉料面三维成像研究提供基础. 转台 1实验系统 矢量网络 实验测试系统主要由信号收发子系统、线性扫 分析仪 描子系统、转台及其控制子系统和目标组成，可实现 图2微波暗室 定雷达定目标RCS测量、定雷达动目标散射方向性 Fig.2 Anechoic chamber 图测量、一维方位向扫描二维SAR成像数据采集等 功能.图1和图2是该测试系统的连接图和微波暗 0=σ′+20lgs (2) 室场景.实验测试系统中包含两个主要控制程序， 若s=20,则σ与'之间的关系是σ=σ'+20lg 方位向扫描电机控制和转台控制，实现了数据采集 20≈σ'+26.0206，单位为dBsm.真实目标与模型 自动化和数据存储自动化.为了支撑待测目标，以 的统计特征相同，对缩比模型RCS统计特性的研究 达到与天线相同的高度，同时减小对测试的影响，采 可以反映出实际目标本身的RCS统计特性 用低散射的圆柱形泡沫支架支撑待测目标. RCS测试采用扫频体制的测试方式，测试精度 非常高，且操作简单.利用测量所得到的频域数据， 2原理和算法 经过后续处理即可得到RCS测试值以及目标的散 2.1RCS测量原理 射方向性图 待测目标的RCS真实值可由下式计算得到8)： 2.2SAR成像原理及算法 CaBam =S21-S21+dBam (1) SAR成像处理的目的是要得到目标区域散射 式中，σ是标准球的RCS理论值，通过理论计算 系数的二维分布，是一个二维相关处理过程，本文成 得到.S2,参数是电压比，通过实验测量得到.其中 像算法基于ω-K算法，即波数域算法.SAR二维成 S2、S分别为待测目标和标准球的测试值.基于式 像的任务是从记录的回波数据中重建x-y坐标面 (1)的目标RCS测量方法为比较法测量RCS.运算 (目标图像所在的平面)的散射强弱分布.二维SAR 过程中单位统一为dBsm.dBsm为分贝平方米，对 成像模型如图3所示 于RCS的相对变化，用dB做单位. 扫描架在x-y平面内沿x轴方向进行步进测 根据理想导电全尺寸目标与目标模型的电磁缩 量，采样间隔为△x,获得方位向分辨率，其步进轨迹 比关系，1：s缩比模型的RCS,即σ'，与全尺寸目标 是一条直线，且与x轴的垂直距离是y。,待测目标置 的RCS,即σ，有如下关系[： 于x轴上.忽略目标散射点之间的相互作用，目标工程科学学报,第 40 卷,第 8 期 高炉炼铁是高能耗、高污染的产业,有效的雷达 料面监测系统就像高炉的眼睛,对精准控制、降能减 耗有着重要的意义. 目前,投入工业现场使用的雷 达料面监测系统主要有单点机械式扫描雷达[1] 、6 点协同雷达料面综合成像系统[2] ,还有在研制阶段 的 MIMO 高炉雷达测量系统[3] . 高炉内部复杂目标 的散射特性对于天线设计以及整个雷达系统设计有 着极其重要的指导意义[4鄄鄄5] ,而目标回波的强度及 电磁散射特性通常以雷达散射截面(radar cross sec鄄 tion,RCS)来表征[6] ,除了仿真研究[7] 以外,对于高 炉内部复杂目标的目标特性,如 RCS 典型值等测量 基本属于行业空白. 因此,本文利用小型微波半暗 室搭建了 RCS 测量系统,对高炉料面原材料焦炭、 烧结矿的颗粒 RCS 典型值分布曲线以及高炉料线 缩比模型的散射方向性图等进行了测试和研究,为 雷达系统设计提供依据. 同时对高炉料线缩比模型 进行合成孔径雷达(synthetic aperture radar,SAR)成 像,从成像诊断角度验证 RCS 测试结果,为后续高 炉料面三维成像研究提供基础. 1 实验系统 实验测试系统主要由信号收发子系统、线性扫 描子系统、转台及其控制子系统和目标组成,可实现 定雷达定目标 RCS 测量、定雷达动目标散射方向性 图测量、一维方位向扫描二维 SAR 成像数据采集等 功能. 图 1 和图 2 是该测试系统的连接图和微波暗 室场景. 实验测试系统中包含两个主要控制程序, 方位向扫描电机控制和转台控制,实现了数据采集 自动化和数据存储自动化. 为了支撑待测目标,以 达到与天线相同的高度,同时减小对测试的影响,采 用低散射的圆柱形泡沫支架支撑待测目标. 2 原理和算法 2郾 1 RCS 测量原理 待测目标的 RCS 真实值可由下式计算得到[8] : 滓dBsm = S21 - S忆21 + 滓忆dBsm (1) 式中,滓忆dBsm是标准球的 RCS 理论值,通过理论计算 得到. S21参数是电压比,通过实验测量得到. 其中 S21 、S忆21分别为待测目标和标准球的测试值. 基于式 (1)的目标 RCS 测量方法为比较法测量 RCS. 运算 过程中单位统一为 dBsm. dBsm 为分贝平方米,对 于 RCS 的相对变化,用 dB 做单位. 根据理想导电全尺寸目标与目标模型的电磁缩 比关系,1颐 s 缩比模型的 RCS,即 滓忆,与全尺寸目标 的 RCS,即 滓,有如下关系[9] : 图 1 自动化测试系统 Fig. 1 Automatic measurement system 图 2 微波暗室 Fig. 2 Anechoic chamber 滓 = 滓忆 + 20lg s (2) 若 s = 20,则 滓 与 滓忆之间的关系是 滓 = 滓忆 + 20lg 20抑滓忆 + 26郾 0206,单位为 dBsm. 真实目标与模型 的统计特征相同,对缩比模型 RCS 统计特性的研究 可以反映出实际目标本身的 RCS 统计特性. RCS 测试采用扫频体制的测试方式,测试精度 非常高,且操作简单. 利用测量所得到的频域数据, 经过后续处理即可得到 RCS 测试值以及目标的散 射方向性图. 2郾 2 SAR 成像原理及算法 SAR 成像处理的目的是要得到目标区域散射 系数的二维分布,是一个二维相关处理过程,本文成 像算法基于 棕鄄鄄K 算法,即波数域算法. SAR 二维成 像的任务是从记录的回波数据中重建 x鄄鄄 y 坐标面 (目标图像所在的平面)的散射强弱分布. 二维 SAR 成像模型如图 3 所示. 扫描架在 x鄄鄄 y 平面内沿 x 轴方向进行步进测 量,采样间隔为 驻x,获得方位向分辨率,其步进轨迹 是一条直线,且与 x 轴的垂直距离是 y0 ,待测目标置 于 x 轴上. 忽略目标散射点之间的相互作用,目标 ·980·