CN103777186B - 基于波束分解和局部照射下运动目标近场雷达回波特性计算方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于波束分解和局部照射下运动目标近场雷达回波特性的计算方法，包括以下步骤：确定雷达探测器坐标系、运动目标坐标系及两者间的变换关系；雷达探测器和目标的相对速度坐标系，由此获得脱靶量；给出雷达波束描述对入射波束进行分解，对目标进行面元剖分，目标局部照射区域确定和面元遮挡判断；子波束照射面元满足远场条件，应用物理光学法叠加获得后向雷达截面；利用雷达方程获得目标近场雷达回波功率时间序列，以及对应的频谱特性。本发明利用波束分解和物理光学局部近似的特点将远场计算方法推广到近场计算，由雷达方程计算出近场回波功率的时间序列和相应的频谱。

Description

基于波束分解和局部照射下运动目标近场雷达回波特性计算方法

技术领域

本发明涉及一种雷达回波计算方法，采用基于波束分解和局部照射下运动目标近场雷达回波特性计算方法，波束分解能有效减少宽波束散射计算对内存的需求。局部照射使得目标在局部区域上满足远场条件，可用远场物理光学法计算近场回波，降低了计算复杂度。

背景技术

一直以来大量的文献资料都关注于雷达目标回波的远场特性，然而雷达目标的近场特性也有着广泛的用途。例如，在暗室测量时，由于目标与测量雷达间的距离受暗室尺寸的限制，目标于雷达间的距离有时并不能严格满足远场条件；具有近炸引信的导弹在对飞机、导弹等飞行目标进行攻击时，引信与目标间的相互作用也属于近场作用；另外，许多电磁兼容问题也都属于近场电磁问题的范畴。

电大(几何尺寸远大于雷达波长)尺寸运动目标在波束局部照射下的回波计算也是一个有待解决的问题，虽然解析方法和数值方法能得到较精确的结果，但是它们受限于正交坐标系和计算机内存的限制，只能计算规则目标或者电小尺寸复杂目标的问题。物理光学方法是一种近似方法能较快的计算具有复杂形状的目标在高频区的散射问题，但常用的物理光学法一般是基于远场条件的，近场问题往往会变得更为复杂。宽波束入射会使得计算所需的内存剧增。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于波束分解和局部照射下运动目标近场雷达回波特性计算方法，采用波束分解的方法将宽波束分解为众多窄波束，利用物理光学局部近似的特点将远场计算方法推广到近场计算，结合雷达方程获得雷达回波的时间序列。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案是：一种基于波束分解和局部照射下运动目标近场雷达回波特性计算方法，包括以下步骤：

1)确定雷达探测器坐标系、运动目标坐标系及两者间的变换关系；

2)雷达探测器和目标的相对速度坐标系，由此获得脱靶量；

3)给出雷达波束描述对入射波束进行分解，对目标进行面元剖分，目标局部照射区域确定和面元遮挡判断；

4)子波束照射面元满足远场条件，应用物理光学法叠加获得后向雷达截面；

5)将后向雷达截面代入雷达方程计算出近场回波功率；

6)重复步骤4)和步骤5)计算出不同时刻下由于目标与雷达探测器相对位置的变化而得到的不同回波功率，即回波功率时间序列以及对应的频谱特性；

优选的，步骤3)中波束分解公式如下：

$\begin{array}{c}{E}_B^i(x,y)={\∫}_{-k}^k{p}_B\left({\mathrm{\α}}^{\′}\right)e^{i({\mathrm{\α}}^{\′}x-{\mathrm{\β}}^{\′}y)}{\mathrm{d\α}}^{\′}\\ ={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}u\left(X\right)\[{\∫}_{-k}^k{p}_b\left({\mathrm{\α}}^{\′}\right)e^{i\left({\mathrm{\α}}^{\′}\right(x-X)-{\mathrm{\β}}^{\′}y)}{\mathrm{d\α}}^{\′}\]dX\end{array}$

其中，为具有较大波束宽度的宽波束在空间上的场值，p_B(α′)为宽波束在谱域上的角分布，p_b(α′)为具有较小波束宽度的窄波束在谱域上的角分布，u(X)窄波束的加权幅值。

优选的，步骤4)中窄波束照射面元满足远场条件公式为：

$R_n\≥\frac{2D^2}{\mathrm{\λ}}$

其中，D表示窄波束照射面元的最大线尺寸，R_n表示被照射面元与第n个子波束间的距离，λ为入射波的波长。

优选的，步骤5)计算近场后向回波功率公式为：

$P_r=\frac{G_t{P}_t}{4{\mathrm{\πr}}_1^2}\frac{\mathrm{\σ}}{4{\mathrm{\πr}}_2^2}\frac{G_r{\mathrm{\λ}}^2}{4\mathrm{\π}}$

其中，P_r为接收机接收到的回波功率，P_t为发射机发射电磁波的功率，G_t为雷达发射天线的增益，G_r为雷达接受天线的增益，若采用收发共用天线则G_t与G_r相同，r₁和r₂分别是发射机到目标和目标到接收机的距离，λ为入射波波长。

采用了上述技术方案，本发明的有益效果为：本发明采用波束分解的方法将宽波束分解为众多窄波束并利用物理光学局部近似的特点将远场计算方法推广到近场计算，将远场雷达截面带入雷达方程获得雷达回波功率时间序列。本发明所述的方法既有清晰的物理意义又适合工程测量的物理量，并结合物理光学方法解决了计算电大尺寸运动目标的近场雷达回波重大技术难题，对运动目标近场电磁回波仿真模拟问题的研究在导弹引信设计方面具有重要的意义。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明进一步说明。

参照图1，本发明的具体实现步骤如下：

步骤1，确定雷达探测器坐标系、运动目标坐标系及两者间的变换关系

运动目标和雷达探测器往往都定义在以各自为中心的局部坐标系下，需要依据不同的需求对其进行变换：如当确定脱靶量和脱靶角时需将雷达探测器变换到以目标为中心的坐标系中，即雷达探测器相对目标运动；当要确定波束照射目标时目标个部件的照射情况时，需将目标变换到以雷达探测器为中心的坐标系中，目标相对雷达探测器运动。

步骤2，雷达探测器和目标的相对速度坐标系，由此获得脱靶量

雷达探测器和目标都以一定的速度进行运动，为了方便计算脱靶量确定一个以目标为中心，雷达探测器相对目标运动的相对速度坐标系。通过目标的几何中心并与目标中心轴垂直的平面称为脱靶平面。在脱靶平面内定义脱靶量和脱靶方位。雷达探测器相对运动轨迹与脱靶平面的交点P称为脱靶点，脱靶点P与目标中心O的连线OP称为脱靶量，用ρ表示。OP连线在脱靶平面上的方位角称为脱靶方位，用α表示。脱靶量和脱靶方位见图2.

步骤3，给出雷达波束描述对入射波束进行分解，对目标进行面元剖分，目标局部照射区域确定和面元遮挡判断

波束分解公式如下：

$\begin{array}{c}{E}_B^i(x,y)={\∫}_{-k}^k{p}_B\left({\mathrm{\α}}^{\′}\right)e^{i({\mathrm{\α}}^{\′}x-{\mathrm{\β}}^{\′}y)}{\mathrm{d\α}}^{\′}\\ ={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}u\left(X\right)\[{\∫}_{-k}^k{p}_b\left({\mathrm{\α}}^{\′}\right)e^{i\left({\mathrm{\α}}^{\′}\right(x-X)-{\mathrm{\β}}^{\′}y)}{\mathrm{d\α}}^{\′}\]dX\end{array}$

其中，为具有较大波束宽度的宽波束在空间上的场值，p_B(α′)为宽波束在谱域上的角分布，p_b(α′)为具有较小波束宽度的窄波束在谱域上的角分布，u(X)窄波束的加权幅值。

确定每一个窄波束在目标上的局部照射区域，并对面元进行遮挡判断，完成散射场计算前的预处理过程。

步骤4，子波束照射面元满足远场条件，应用物理光学法叠加获得后向雷达截面

窄波束照射面元满足远场条件公式为：

$R_n\≥\frac{2D^2}{\mathrm{\λ}}$

其中，D表示窄波束照射面元的最大线尺寸，R_n表示被照射面元与第n个子波束间的距离，λ为入射波的波长。

将物理光学计算的每个区域的散射场叠加得到总散射场。

步骤5，将后向雷达截面代入雷达方程计算出近场回波功率

计算近场雷达回波功率的公式如下

$P_r=\frac{G_t{P}_t}{4{\mathrm{\πr}}_1^2}\frac{\mathrm{\σ}}{4{\mathrm{\πr}}_2^2}\frac{G_r{\mathrm{\λ}}^2}{4\mathrm{\π}}$

其中，P_r为接收机接收到的回波功率，P_t为发射机发射电磁波的功率，G_t为雷达发射天线的增益，G_r为雷达接受天线的增益，若采用收发共用天线则G_t与G_r相同，r₁和r₂分别是发射机到目标和目标到接收机的距离，λ为入射波波长。

步骤6，重复步骤4)和步骤5)计算出不同时刻下由于目标与雷达探测器相对位置的变化而得到的不同回波功率，即回波功率时间序列。对回波功率时间序列进行傅里叶变换得到相应的频谱。

本发明不局限于上述具体的实施方式，本领域的普通技术人员从上述构思出发，不经过创造性的劳动，所作出的种种变换，均落在本发明的保护范围之内。

Claims (1)

1.一种基于波束分解和局部照射下运动目标近场雷达回波特性计算方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)确定雷达探测器坐标系、运动目标坐标系及两者间的变换关系；

2)雷达探测器和目标的相对速度坐标系，由此获得脱靶量；

3)给出雷达波束描述对入射波束进行分解，对目标进行面元剖分，目标局部照射区域确定和面元遮挡判断；

4)子波束照射面元满足远场条件，应用物理光学法叠加获得后向雷达截面；

5)将后向雷达截面代入雷达方程计算出近场回波功率；

6)重复步骤4)和步骤5)计算出不同时刻下由于目标与雷达探测器相对位置的变化而得到的不同回波功率，即回波功率时间序列以及对应的频谱特性；

步骤3)中波束分解公式如下：

$\begin{array}{cc}\begin{array}{c}{E}_B^i(x,y)={\∫}_{-k}^k{p}_B\left({\mathrm{\α}}^{\′}\right)e^{i({\mathrm{\α}}^{\′}x-{\mathrm{\β}}^{\′}y)}{\mathrm{d\α}}^{\′}\\ ={\∫}_{-\mathrm{\∞}}^{+\mathrm{\∞}}u\left(X\right)\[{\∫}_{-k}^k{p}_b\left({\mathrm{\α}}^{\′}\right)e^{i\left({\mathrm{\α}}^{\′}\right(x-X)-{\mathrm{\β}}^{\′}y)}{\mathrm{d\α}}^{\′}\]dX\end{array}& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(1\right)$

其中，为具有较大波束宽度的宽波束在空间上的场值，p_B(α′)为宽波束在谱域上的角分布，p_b(α′)为具有较小波束宽度的窄波束在谱域上的角分布，u(X)窄波束的加权幅值；

步骤4)窄波束照射面元满足远场条件公式如下：

$\begin{array}{cc}{R}_n\≥\frac{2D^2}{\mathrm{\λ}}& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(2\right)$

其中，D表示窄波束照射面元的最大线尺寸，R_n表示被照射面元与第n个子波束间的距离，λ为入射波的波长；

将步骤4)，步骤5)和步骤6)的计算运动目标近场后向回波功率的时间序列，依据下式计算近场后向回波功率：

$\begin{array}{cc}{P}_r=\frac{G_t{P}_t}{4{\mathrm{\πr}}_1^2}\frac{\mathrm{\σ}}{4{\mathrm{\πr}}_2^2}\frac{G_r{\mathrm{\λ}}^2}{4\mathrm{\π}}& \backslash *MERGEFORMAT\end{array}---\left(3\right)$

其中，P_r为接收机接收到的回波功率，P_t为发射机发射电磁波的功率，G_t为雷达发射天线的增益，G_r为雷达接受天线的增益，若采用收发共用天线则G_t与G_r相同，r₁和r₂分别是发射机到目标和目标到接收机的距离，λ为入射波波长。