CN103336273A - 一种基于波谱域补偿的探头耦合消除方法 - Google Patents

Abstract

一种基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，包括以下步骤：步骤A：待测目标散射数据测量；步骤B：耦合距离L计算；步骤C：根据扫描数据进行一维或二维方位向傅里叶变换，得到平面波谱分布；步骤D：进行参考函数相乘，同时进行相位补偿；步骤E：进行波谱分量的变量关系代换，并进行Stolt插值；步骤F：进行二维或三维逆傅里叶变换，得到目标像。采用上述方案，能有效地消除耦合产生的影响，而且不需要额外的测试过程，计算方式简单，方法适用性强，可以独立或结合其他方法在二维及三维成像中应用，达到正确聚焦目标像的目的。

Description

一种基于波谱域补偿的探头耦合消除方法

技术领域

本发明属于隐身目标散射特性测量领域，尤其涉及的是一种基于波谱域补偿的探头耦合消除方法。

背景技术

雷达散射截面(RCS)是定量表征目标对雷达照射波散射强弱的物理量。随着电子战的迅猛发展，隐身武器的大规模使用成为现代战争的一个显著特征。隐身技术能有效减小雷达发现目标的距离，成为增强突击能力或保护自身的重要手段。为了对目标的隐身性能进行评估，就需要开展RCS测试工作。而隐身目标的成像技术能够直观地得到待测物的RCS散射中心分布，确定强散射点，为隐身性能的提高改进提供依据。

平面近场成像技术避免了远场条件的限制，大型目标也可以在暗室内完成测试，近场散射场测量过程中仅需要利用平面扫描架，操作较为简便，数据处理过程与合成孔径雷达成像类似，通过一维或二维扫描采样结合点频或宽带扫频信号可灵活实现待测目标各维度的一维、二维或三维成像，因此平面近场成像广泛应用于隐身目标测试以及目标探测领域。

在进行散射测量特别是针对小RCS目标的散射测量时，收发探头之间的耦合信号往往比待测目标的散射信号要强，这必然会影响成像质量。较为直观的是在某一固定位置出现条带状强散射区，影响待测目标的观察，另外，当耦合距离(即耦合位置到发射接收仪器的电长度，与探头长度、连接电缆及收发机内部线路长度有关)不满足特定条件时，测量信号的相位将出现偏移，信号在耦合距离段是以波数k传播的，并未随扫描位置的移动而变化，而在进行波谱域的Stolt插值时并未考虑这部分传播，等间隔插值就会出现误差，这种误差随着相位偏移的增大而增大，除非耦合距离满足其引起的相位差等同于零距离的条件，否则最终会造成傅里叶逆变换后不能正确聚焦目标像。去除耦合信号的方法通常有背景对消方法以及时域门技术。

背景对消是在RCS测试中常用的一种去除背景杂波干扰信号的方法，也可以将收发探头间的耦合去除，其步骤是在同一环境下将待测目标移出，以同样的扫描方式进行一遍背景散射场的测量，将目标测量数据与背景测量数据进行矢量信号相减，得到的数据再利用上述算法进行成像。

时域门技术对于去除待测目标区域外的杂波信号干扰也较为有效，时域门技术又分为软件时域门和硬件时域门，软件时域门是在时域上对数据与一个窗函数相乘，保留特定区域的散射数据，硬件时域门则是通过脉冲调制信号以及门控开关控制接收机信号通断时刻达到去除干扰的目的。

现有技术中的背景消技术可以消除耦合的幅度影响，但并不能去除因耦合距离对目标散射数据的相位影响，而时域门技术的应用受到近场测试的条件限制，当耦合距离使得耦合信号的相位随频率变化过快时，会造成谱域数据Stolt插值后的成像数据散焦。

因此，现有技术存在缺陷，需要改进。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是针对现有技术的不足，提供一种基于波谱域补偿的探头耦合消除方法。

本发明的技术方案如下：

一种基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，包括以下步骤：

步骤A：待测目标散射数据测量，在距离扫描架某一位置R处放置待测目标，按照既定方式进行扫频信号的一维或二维机械扫描，得到扫频数据H1；

步骤B：耦合距离L计算；

步骤C：根据扫描数据进行一维或二维方位向傅里叶变换，得到平面波谱分布；

步骤D：进行参考函数相乘，同时进行相位补偿；

步骤E：进行波谱分量的变量关系代换，并进行Stolt插值；

步骤F：进行二维或三维逆傅里叶变换，得到目标像。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤B中，所述耦合距离L为所述扫频数据H1进行逆傅里叶变换并寻找峰值，根据峰值对应的距离。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤C中，所述扫描数据为扫频数据H1。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述进行参考函数相乘的公式为：F(k_x，k；z＝z₀)＝F(k_x，k；z＝0)exp[j(k_zz₀+kL)]

其中，公式中k为波数，k_x及k_z分别为其两个方向的分量，L为耦合距离F(k_x，k；z＝0)及F(k_x，k；z＝z₀)分别为扫描线及参考线z₀位置的平面波谱，L为耦合距离。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述进行波谱分量的变量关系代换的公式为： $F(k_x,k;z=z_0)\stackrel{k^2=k_x^2+k_z^2}{\→}F(k_x,k_z;z=z_0).$

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤A之前，还可执行步骤A0：背景数据测量，在没有待测目标的环境中按照既定方式进行扫频信号的一维或二维机械扫描，得到某一扫描位置的扫频数据H0。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤B中，所述耦合距离L为所述扫频数据H0进行逆傅里叶变换并寻找峰值，根据峰值对应的距离。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤C中，所述扫描数据为将扫频数据H1减去扫频数据H0。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤F之后还执行步骤G：显示二维或三维待测目标RCS像。

采用上述方案，1、补偿效果好：通过在波谱域对耦合距离的相位偏移进行补偿，有效地降低了其对成像聚焦的影响；2、测试及计算简便：不额外增加测试流程，可根据传统的测试数据得出补偿项，且补偿计算简单，仅需要多进行一次乘加运算；3、方法适应性强：可适应于二维及三维扫频成像测试，对耦合距离大小也无任何要求；4、可独立运用或结合使用：本方法可与背景对消及时域门技术相结合，得到更为良好的效果。

附图说明

图1为本发明中平面近场扫描成像的示意图；

图2为本发明方法一实施例流程图。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例，对本发明进行详细说明。

实施例1

如图1所示，待测目标1、2、3位于前半空间，以扫描面4为z＝0的xy平面建立坐标系，x和y方向称为方位向，z方向称为距离向。由于收发隔离度问题，一般采用收发探头5的传输测量(即准单站RCS测量)代替自发自收的单站RCS测量，扫描架带动收发探头5在xy平面内进行扫描，探头5连接宽带幅相收发仪器设备即可实现平面内某一区域宽带扫频测量，得到待测目标的近场散射数据，利用成像算法得出待测目标的空间分布。

基于平面波谱变换的成像方法是平面近场成像中的常用方法，以xz平面的二维成像为例描述其成像算法。假设待测目标1、2、3在y方向分布均匀或主要散射位于某一xz平面内，只需在y为定值的(x，z＝0)直线上进行一维扫描，不考虑目标在y向的分布情况。

采用步进频信号并进行空间一维扫描采样的测量方式，得到的散射数据可以认为是不同波数k时的电场分布E(x，k；z＝0)，平面波谱可以表示为其沿扫描方向的一维方位向傅里叶变换，即公式一：

$F(k_x,k;z=0)=\frac{1}{2\mathrm{\π}}{\∫}_{-\∞}^{\∞}{E}_x(x,k;z=0)\exp \left(j{k}_{x}x\right)\mathrm{dx}$

根据空间波谱分布关系，即公式二：

F(k_x，k；z＝z₀)＝F(k_x，k；z＝0)exp[j(k_zz₀+kL)]

公式中k为波数，k_x及k_z分别为其两个方向的分量，L为耦合距离F(k_x，k；z＝0)及F(k_x，k；z＝z₀)分别为扫描线及参考线z₀位置的平面波谱，L为耦合距离。

对每一个给定k的进行参考函数相乘，可得到区域内参考线z₀位置的波谱F(k_x，k；z＝z₀)，然后通过波谱分量关系，即公式三：

$F(k_x,k;z=z_0)\stackrel{k^2=k_x^2+k_z^2}{\→}F(k_x,k_z;z=z_0).$

进行变量代换得到F(k_x，k_z；z＝z₀)，由于k及k_x分别随频率和扫描位置变化，代换后k_z沿纵向分布并不均匀，因此需要对谱域数据进行等间隔差值，称为Stolt插值。最后根据散射场与波谱关系式，即公式四：

$E_x(x,z)={\∫}_{-\∞}^{\∞}{\∫}_{-\∞}^{\∞}F(k_x,k_z)\exp [-j(k_{x}x+k_{z}z)]d{k}_{z}d{k}_z$

通过二维傅里叶逆变换得到散射场分布，也就能显现出目标区域散射特性的强弱，即目标的RCS像。在进行三维成像过程中，只需要添加y方位向，其数据操作与x方向相同，如式(1)中一维方位向傅里叶变换变为二维方位向傅里叶变换。

即在进行参考函数相乘的同时，加入耦合距离造成的相位偏移补偿，与此前算法相比一个点仅多出一次乘加运算。

如图2所示，利用本方法进行平面近场测试二维或三维扫频成像过程如下：

步骤A：背景数据测量，在没有待测目标的环境中按照既定方式进行扫频信号的一维或二维机械扫描。

步骤B：待测目标散射数据测量，在距离扫描架某一位置R处放置待测目标，按同步骤A的方式进行测量。

步骤C：若进行步骤A，可对步骤A测得的背景数据中某一扫描位置的扫频数据进行逆傅里叶变换并寻找峰值，根据峰值对应的距离得到耦合距离L。若不进行步骤A，可根据此前步骤B中的数据以同样的方式得到耦合距离L。

步骤D：若进行步骤A，则进行矢量对消，将步骤B的测量数据减去步骤A的测量数据；若不进行步骤A，则不进行矢量对消，直接利用步骤B的测量数据。

步骤E：根据公式一对步骤D得到的数据进行一维或二维方位向傅里叶变换，得到平面波谱分布。

步骤F：根据公式二进行参考函数相乘，同时进行相位补偿。

步骤G：根据公式三进行波谱分量的变量关系代换，并进行Stolt插值。

步骤H：进行二维或三维逆傅里叶变换，得到目标像。

步骤I：显示二维或三维待测目标RCS像。

实施例2

在上述实施例的基础上，如图1-图2所示，一种基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，包括以下步骤：

步骤A：待测目标散射数据测量，在距离扫描架某一位置R处放置待测目标，按照既定方式进行扫频信号的一维或二维机械扫描，得到扫频数据H1；

步骤B：耦合距离L计算；

步骤C：根据扫描数据进行一维或二维方位向傅里叶变换，得到平面波谱分布；

步骤D：进行参考函数相乘，同时进行相位补偿；

步骤E：进行波谱分量的变量关系代换，并进行Stolt插值；

步骤F：进行二维或三维逆傅里叶变换，得到目标像。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤B中，所述耦合距离L为所述扫频数据H1进行逆傅里叶变换并寻找峰值，根据峰值对应的距离。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤C中，所述扫描数据为扫频数据H1。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述进行参考函数相乘的公式为：F(k_x，k；z＝z₀)＝F(k_x，k；z＝0)exp[j(k_zz₀+kL)]

其中，公式中k为波数，k_x及k_z分别为其两个方向的分量，L为耦合距离F(k_x，k；z＝0)及F(k_x，k；z＝z₀)分别为扫描线及参考线z₀位置的平面波谱，L为耦合距离。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述进行波谱分量的变量关系代换的公式为： $F(k_x,k;z=z_0)\stackrel{k^2=k_x^2+k_z^2}{\→}F(k_x,k_z;z=z_0).$

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤A之前，还可执行步骤A0：背景数据测量，在没有待测目标的环境中按照既定方式进行扫频信号的一维或二维机械扫描，得到某一扫描位置的扫频数据H0。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤B中，所述耦合距离L为所述扫频数据H0进行逆傅里叶变换并寻找峰值，根据峰值对应的距离。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤C中，所述扫描数据为将扫频数据H1减去扫频数据H0。

所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其中，所述步骤F之后还执行步骤G：显示二维或三维待测目标RCS像。

进一步而言，采用本发明的方法：1、可通过在波谱域对耦合距离的相位偏移进行补偿，有效地降低了其对成像聚焦的影响；2、测试及计算简便：不额外增加测试流程，可根据传统的测试数据得出补偿项，且补偿计算简单，仅需要多进行一次乘加运算；3、方法适应性强：可适应于二维及三维扫频成像测试，对耦合距离大小也无任何要求；4、可独立运用或结合使用：本方法可与背景对消及时域门技术相结合，得到更为良好的效果。

应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (9)

1.一种基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤A：待测目标散射数据测量，在距离扫描架某一位置R处放置待测目标，按照既定方式进行扫频信号的一维或二维机械扫描，得到扫频数据H1；

步骤B：耦合距离L计算；

步骤C：根据扫描数据进行一维或二维方位向傅里叶变换，得到平面波谱分布；

步骤D：进行参考函数相乘，同时进行相位补偿；

步骤E：进行波谱分量的变量关系代换，并进行Stolt插值；

步骤F：进行二维或三维逆傅里叶变换，得到目标像。

2.如权利要求1所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其特征在于，所述步骤B中，所述耦合距离L为所述扫频数据H1中的某一位置的数据进行逆傅里叶变换并寻找峰值，根据峰值对应的距离。

3.如权利要求1所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其特征在于，所述步骤C中，所述扫描数据为扫频数据H1。

4.如权利要求1所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其特征在于，所述进行参考函数相乘的公式为：

F(k_x，k；z＝z₀)＝F(k_x，k；z＝0)exp[j(k_zz₀+kL)]

其中，公式中k为波数，k_x及k_z分别为其两个方向的分量，L为耦合距离F(k_x，k；z＝0)及F(k_x，k；z＝z₀)分别为扫描线及参考线z₀位置的平面波谱，L为耦合距离。

5.如权利要求1所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其特征在于，所述进行波谱分量的变量关系代换的公式为：

$F(k_x,k;z=z_0)\stackrel{k^2=k_x^2+k_z^2}{\→}F(k_x,k_z;z=z_0).$

6.如权利要求1所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其特征在于，所述步骤A之前，还执行步骤A0：背景数据测量，在没有待测目标的环境中按照既定方式进行扫频信号的一维或二维机械扫描，得到扫频数据H0。

7.如权利要求6所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其特征在于，所述步骤B中，所述耦合距离L为所述扫频数据H0中某一位置的数据进行逆傅里叶变换并寻找峰值，根据峰值对应的距离。

8.如权利要求7所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其特征在于，所述步骤C中，所述扫描数据为将扫频数据H1减去扫频数据H0。

9.如权利要求1所述的基于波谱域补偿的探头耦合消除方法，其特征在于，所述步骤F之后还执行步骤G：显示二维或三维待测目标RCS像。

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