CN104199026A - 基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法。该反向散射截面测量方法包括：在所选定的频率范围内，收发天线以预设的步进频率沿设定的扫描线迹进行扫描，由矢量网络分析仪获得线迹散射测量点上放置待测目标前后的散射测量数据；对线迹散射测量点上放置待测目标前后的散射测量数据进行背景对消；选取最优聚焦的散射图像P；由最优聚焦的二维散射图像P提取目标的有效散射系数将待测目标更换为定标体，获得定标体的有效散射系数计算出待测目标的真实目标雷达散射截面RCS值。本发明既能得到目标的散射图像，又能得到目标的RCS值，能够更清晰、更具体、更全面地获得目标的电磁散射特征。

Description

基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法

技术领域

本发明涉及电子行业雷达技术领域，尤其涉及一中基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法。

背景技术

散射截面测试技术有外场测试、紧缩场测试以及近场测试。外场测试收发天线位于目标的远区以产生平面波照射和只接收一个方向上的平面波，由于测试距离需要满足远区场条件，而且目标的隐身技术日益高超而导致目标散射量级越来越小，所以要有庞大的和电磁环境干净的测试场地，并且需要消除或者利用地面反射的影响，因而在远场条件下构造测试环境越来越困难。此外，外场测试易受外界环境等因素的影响。紧缩场的设备运行以及维护费用较高，误差分析非常复杂，且难以修正，空间利用率不高。

上世纪70年代末，频域近场测试技术开始由辐射问题转向散射问题，测量原理通常都是基于平面(柱面或者球面)波谱展开的近远变换理论，在近远变换之前还需要进行探头补偿，目前只有矩形开口波导天线的探头补偿较为成熟，有相关的理论补偿公式，对于别的类型的收发天线探头补偿仍十分困难。探头补偿以及近远变换的数据处理也是十分复杂的。

近年来，近场测试技术又出现了一种新的思路，该思路不采用基于平面(柱面或者球面)波谱展开的近远变换理论这种直接由近场获得远场的办法，而是通过近场成像的方法先获得目标的等效散射源，再借助散射源的散射场的叠加获得目标的远场。这种新的测试方法不仅能获得目标的远场RCS，还能得到目标自身的散射特性，相比较于传统的RCS近场测量方法其优势是十分明显的。传统的近场测量方法的测试距离在3到5波长之间，距待测目标较近，扫描范围较大，天线的方向性在扫描范围内变化较大，探头补偿工作无法避免，而利用新方法进行测试时，可以选择合适的测试距离使收发的天线的方向性在扫描范围内基本维持不变，便可省去探头补偿，极大地简化数据处理过程。目前基于近场成像的测量新方法都是针对圆迹扫描的，很显然在满足采样间隔的要求下，圆迹扫描的测量时间较长进而影响测试效率。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法，以更清晰、更具体、更全面地获得目标的电磁散射特征。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法。该反向散射截面测量方法包括：步骤A：将收发天线、信号源和矢量分析仪相连接，在收发天线中，发射天线和接收天线之间采用环形器进行信号隔离；步骤B：在所选定的频率范围内，收发天线以预设的步进频率沿设定的扫描线迹进行扫描，由矢量网络分析仪获得线迹散射测量点上放置待测目标前后的散射测量数据；步骤C：对线迹散射测量点上放置待测目标前后的散射测量数据进行背景对消，得到背景对消后待测目标的真实散射测量数据；步骤D：在预设的取值范围和取值间隔内取T个相位差，利用该T个相位差分别对背景对消后待测目标的真实散射测量数据进行相位补偿，并进行成像，从而得到T个散射图像，从该T个散射图像中选取最优聚焦的散射图像P；步骤E：由最优聚焦的二维散射图像P提取目标的有效散射系数其中，s取值范围是[1，N×M]，N×M为二维散射图像P中等效散射点的个数；步骤F：将待测目标更换为定标体，重复步骤B、C、D、E，获得定标体的有效散射系数以及步骤G：利用已知的定标体雷达散射截面RCS值进行校准，根据待测目标的有效散射系数及定标体的有效散射系数计算出待测目标的真实目标雷达散射截面RCS值。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法，空间利用率较高，保密性强，受外界因素影响较小。该方法既能得到目标的散射图像，又能得到目标的RCS值，能够更清晰、更具体、更全面地获得目标的电磁散射特征。

附图说明

图1为根据本发明实施例基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法的流程图；

图2为本发明中基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法的布置示意图；

图3为本发明中二维成像坐标系及待测目标的位置示意图。

【主要元件】

1-暗室；                2-泡沫支架；

3-待测目标或者定标体；  4-天线扫描轨迹；

5-环形器；              6-收发天线(接收和发射同体)；

7-信号源；              8-矢量网络分析仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明所述的基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法，得到待测目标的近场散射数据之后，用本发明所提出的公式进行计算，测试过程简便、空间利用率高、数据处理较为简单。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法。图1为根据本发明实施例基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法的流程图。请参照图1，本实施例基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法包括：

步骤A：将收发天线6放置于待测目标的近场散射区域，将收发天线6、信号源7和矢量分析仪8，如图2所示；

本实施例中，发射天线与接收天线采用一个天线6(即收发同站)，高隔离度环形器5用于隔离发射信号和接收信号确保接收信号测量结果的准确度。发射天线与信号源相连接，用于发射雷达信号；接收天线与矢量分析仪相连接，用于接收该雷达信号的散射回波数据。

步骤B：在所选定的频率范围内，收发天线5以预设的步进频率沿设定的扫描线迹进行扫描，由矢量网络分析仪8获得线迹散射测量点上放置待测目标前后的散射测量数据；

本步骤中，收发天线6的扫描轨迹是线迹，频率扫描间隔Δf以及距离扫描间隔Δx如下：

$\mathrm{\Δf}\≤\frac{c}{2\sqrt{{(L_x+L)}^2+{(2d+L_y)}^2}}---(1-1)$

$\mathrm{\Δx}\≤\frac{c}{4f_{\max }}\sqrt{1+{(L_y-2d)}^2/{(L+L_x)}^2}---(1-2)$

其中，c是光速，f_max是测试频率范围内的最大频率。L_x和L_y分别表示待测目标沿x轴和y轴的长度，L是线迹扫描长度，d表示坐标系原点距扫描线的距离，各参量如图3所示。

本实施例中，将待测目标摆放在暗室中的特制塑料泡沫支架上，位置如图3所示。需要说明的是，采用特制的低散射泡沫支架2来固定待测目标只是一种示范性的固定方式，也可采用垂线悬挂式固定方式等，但要尽可能地使用低散射的固定支架。

步骤C：对线迹散射测量点上放置待测目标前后的散射测量数据进行背景对消，得到背景对消后待测目标的真实散射测量数据；

其中，背景对消是雷达技术领域常用的技术手段，其目的是消除背景对测试结果的影响，本领域技术人员应当清楚该背景对消的实现方法，此处不再详细说明。

步骤D：在预设的取值范围和取值间隔内取T个相位差，利用该T个相位差分别对背景对消后待测目标的真实散射测量数据进行相位补偿，并进行成像，从而得到T个散射图像，从该T个散射图像中选取最优聚焦的散射图像P；

实际测试中，由于天线以及传输线等的存在，需要对近场散射数据进行相位补偿，否则散射图像可能是散焦的进而影响随后的RCS值。

该步骤D具体包括：

子步骤D1，将要补偿的相位等效为长度为W的传输线所引入的相位差，设定W的取值范围以及取值间隔，得到T个W值，将每个W值对应的相位补偿到散射测量数据中，得到T个相位补偿后的散射测量数据；

忽略测量系统中的非线性因素，对待测目标的真实散射信号的幅度和相位进行相位补偿。假设其中，W的取值范围和取值间隔由用户根据需要设定，在计算资源允许的情况下，取值间隔愈小愈好。

子步骤D2，对于T个相位补偿后的散射测量数据中的每一个，对其进行成像，得到其二维散射图像；

对于每一个相位补偿后的散射测量数据，其成像过程包括：

子分步骤D2a，利用相位补偿后待测目标的真实散射测量数据进行x方向一维FFT变换；

子步骤D2b，对一维FFT变换的结果进行差值运算；

子步骤D2c，对差值运算的结果进行幅度和相位修正；

子步骤D2d，对幅度和相位修正后的结果进行二维逆FFT变换，得到二维散射图像。

至此，成像过程介绍完毕。需要说明的是，其中一维FFT变换、差值运算、幅度和相位修正、二维逆FFT变换等步骤，均是本领域技术人员所熟知的二维成像方式，此处不再详细说明。

子步骤D3，按照下式计算T个二维散射图像的E函数，选择使E函数值最小的W值对应的二维散射图像为最优聚焦的二维散射图像P：

E＝-D(x_i，y_i)log[D(x_i，y_i)]   (2)

其中，该E函数基于图像的熵定义，D(x_i，y_i)＝|ψ(x_i，y_i)|2/∑|ψ(x_i，y_i)|²，ψ(x_i，y_i)表示二维雷达散射图像。

对于给定的每个W值，均可算出对应图像的E值，对应最小E值的二维雷达散射图像即为最优聚焦的散射图像。

步骤E：由最优聚焦的二维散射图像P提取目标的有效散射系数

该步骤E又可以包括：

子步骤E1：在最优聚焦的二维散射图像P(假设二维散射图像矩阵包含N×M个元素)中选取N×M个等效散射点的位置；

子步骤E2：获得散射系数为1的理想散射点位于上述N×M等效散射点位置上时，在扫描线迹的每一个散射测量点上的散射数据理论值；

其中，该散射数据理论值借助天线增益等参量，通过简单的理论推导即可得到。单位理想散射点每位于N×M个等效散射点中的一个等效散射点位置上时，都有一组线迹散射数据理论值与之对应。其中，散射数据理论值的个数与线迹上散射测量点的个数相同，与N或M无关。

子步骤E3，将每组散射数据理论值进行成像，得到N×M个二维散射图像P^s，该P^s是指当单位理想散射点位于第s个等效散射点位置上时对应的二维散射矩阵，s取值范围是[1，N×M]；

其中，该成像的实现过程可参照上述的子分步骤D2a～D2d，此处不再详细说明。

子步骤E4，利用最优聚焦的二维散射图像P以及N×M个二维散射图像P^s，获得目标的有效散射系数

该子步骤又包括以下两个子分步骤：

子分步骤E4a，假设位于目标的第s个等效散射点位置上的有效散射系数是s取值范围是[1，N×M]，将与相对应的P^s相乘，再将这N×M个矩阵相加，使其等于最优聚焦的二维散射图像P，构造出一个恰定方程组，其矩阵形式如下：

$\left(\begin{array}{cccccc}{P}_{11}^1& P_{11}^2& \·\·\·& P_{11}^s& \·\·\·& P_{11}^{N*M}\\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ P_{1M}^1& P_{1M}^2& \·\·\·& P_{1M}^s& \·\·\·& P_{1M}^{N*M}\\ P_{21}^1& P_{21}^2& \·\·\·& P_{21}^s& \·\·\·& P_{21}^{N*M}\\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ P_{2M}^1& P_{2M}^2& \·\·\·& P_{2M}^s& \·\·\·& P_{2M}^{N*M}\\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ P_{N1}^1& P_{N1}^2& \·\·\·& P_{N1}^s& \·\·\·& P_{N1}^{N*M}\\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ P_{\mathrm{NM}}^1& P_{\mathrm{NM}}^2& \·\·\·& P_{\mathrm{NM}}^s& \·\·\·& P_{\mathrm{NM}}^{N*M}\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ef}}^1\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ef}}^2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ef}}^s\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ef}}^{N*M}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{P}_{11}\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_{1M}\\ P_{21}\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_{2M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_{N1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_{\mathrm{NM}}\end{array}\right)---\left(3\right)$

子分步骤E4b，对上述恰定方程组进行矩阵运算，求解出待测目标的有效散射系数

由于P以及P^s矩阵元素都是已知的，故只有是未知量。直接求解上述的恰定方程组。

步骤F：将待测目标更换为定标体(如金属球体)，重复步骤B、C、D、E，获得定标体的有效散射系数

步骤G：利用已知的定标体雷达散射截面RCS值进行校准，根据待测目标的有效散射系数及定标体的有效散射系数计算出待测目标的真实目标雷达散射截面RCS值。

本步骤中，定标体的RCS是精确已知的，该步骤是为了消除测量系统参数的影响，待测目标的真实雷达散射截面校准公式如下：

$\mathrm{\σ}(f,\mathrm{\θ})=\frac{{|\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ef}}^s(x,y)\·e^{j2k(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ})}\mathrm{dxdy}|}^2}{{|\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{efcal}}^s(x,y)\·e^{j2k(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ})}\mathrm{dxdy}|}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cal}}(f,\mathrm{\θ})---\left(4\right)$

其中σ_cal(f，θ)表示已知的定标体雷达散射截面RCS值，θ表示散射方向矢量与正x轴的夹角，k为波数，其与频率f有关，k＝2πf/c。

至此，已经结合附图对本实施例进行了详细描述。依据以上描述，本领域技术人员应当对本发明基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法有了清楚的认识。

此外，上述对各元件和方法的定义并不仅限于实施例中提到的各种具体结构、形状或方式，本领域普通技术人员可对其进行简单地更改或替换，例如：

(1)低散射泡沫支架固定目标还可以采用垂线悬挂目标的固定形式；

(2)定标体金属球可以用金属圆柱、金属方块等来代替；

综上所述，本发明所述的基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法，得到待测目标的近场散射数据之后，用本发明所提出的公式进行计算，测试过程简便、空间利用率高、数据处理较为简单，具有较高的推广应用价值。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于线迹扫描二维近场成像的反向散射截面测量方法，其特征在于，包括：

步骤A：将收发天线、信号源和矢量分析仪相连接，在收发天线中，发射天线和接收天线之间采用环形器进行信号隔离；

步骤B：在所选定的频率范围内，收发天线以预设的步进频率沿设定的扫描线迹进行扫描，由矢量网络分析仪获得线迹散射测量点上放置待测目标前后的散射测量数据；

步骤C：对线迹散射测量点上放置待测目标前后的散射测量数据进行背景对消，得到背景对消后待测目标的真实散射测量数据；

步骤D：在预设的取值范围和取值间隔内取T个相位差，利用该T个相位差分别对背景对消后待测目标的真实散射测量数据进行相位补偿，并进行成像，从而得到T个散射图像，从该T个散射图像中选取最优聚焦的散射图像P；

步骤E：由最优聚焦的二维散射图像P提取目标的有效散射系数其中，s取值范围是[1，N×M]，N×M为二维散射图像P中等效散射点的个数；

步骤F：将待测目标更换为定标体，重复步骤B、C、D、E，获得定标体的有效散射系数以及

步骤G：利用已知的定标体雷达散射截面RCS值进行校准，根据待测目标的有效散射系数及定标体的有效散射系数计算出待测目标的真实目标雷达散射截面RCS值。

2.根据权利要求1所述的反向散射截面测量方法，其特征在于，所述步骤G中，待测目标的真实雷达散射截面校准公式如下：

$\mathrm{\σ}(f,\mathrm{\θ})=\frac{{|\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ef}}^s(x,y)\·e^{j2k(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ})}\mathrm{dxdy}|}^2}{{|\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{efcal}}^s(x,y)\·e^{j2k(x\cos \mathrm{\θ}+y\sin \mathrm{\θ})}\mathrm{dxdy}|}^2}{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cal}}(f,\mathrm{\θ})$

其中σ_cal(f，θ)表示已知的定标体雷达散射截面RCS值，θ表示散射方向矢量与正x轴的夹角，Ω表示成像区域，k为波数。

3.根据权利要求1所述的反向散射截面测量方法，其特征在于，所述步骤G中，所述定标体为金属球体。

4.根据权利要求1所述的反向散射截面测量方法，其特征在于，所述步骤D包括：

子步骤D1，将要补偿的相位等效为长度为W的传输线所引入的相位差，设定W的取值范围以及取值间隔，取T个W值，将每个W值对应的相位补偿到散射测量数据中，得到T个相位补偿后的散射测量数据；

子步骤D2，对于T个相位补偿后的散射测量数据中的每一个，对其进行成像，得到其二维散射图像；以及

子步骤D3，按照下式计算T个二维散射图像的E函数，选择使E函数值最小的W值对应的二维散射图像为最优聚焦的二维散射图像P：

E＝-D(x_i，y_i)log[D(x_i，y_i)]

其中，该E函数基于图像的熵定义，D(x_i，y_i)＝|ψ(x_i，y_i)²/∑|ψ(x_i，y_i)|²，ψ(x_i，y_i)表示二维雷达散射图像。

5.根据权利要求1所述的反向散射截面测量方法，其特征在于，所述步骤E包括：

子步骤E1：在最优聚焦的二维散射图像P中选取N×M个等效散射点的位置；

子步骤E2：获得散射系数为1的理想散射点位于上述N×M等效散射点位置上时，在扫描线迹的每一个散射测量点上的散射数据理论值；

子步骤E3，将每组散射数据理论值进行成像，得到N×M个二维散射图像P^s，该P^s是指当单位理想散射点位于第s个等效散射点位置上时对应的二维散射矩阵；以及

子步骤E4，利用最优聚焦的二维散射图像P以及N×M个二维散射图像P^s，获得目标的有效散射系数

6.根据权利要求5所述的反向散射截面测量方法，其特征在于，所述子步骤E4包括：

子分步骤E4a，假设位于目标的第s个等效散射点位置上的有效散射系数是将与相对应的P^s相乘，再将N×M个矩阵相加，使其等于最优聚焦的二维散射图像P，这样就构造出一个恰定方程组，其矩阵形式如下：

$\left(\begin{array}{cccccc}{P}_{11}^1& P_{11}^2& \·\·\·& P_{11}^s& \·\·\·& P_{11}^{N*M}\\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ P_{1M}^1& P_{1M}^2& \·\·\·& P_{1M}^s& \·\·\·& P_{1M}^{N*M}\\ P_{21}^1& P_{21}^2& \·\·\·& P_{21}^s& \·\·\·& P_{21}^{N*M}\\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ P_{2M}^1& P_{2M}^2& \·\·\·& P_{2M}^s& \·\·\·& P_{2M}^{N*M}\\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ P_{N1}^1& P_{N1}^2& \·\·\·& P_{N1}^s& \·\·\·& P_{N1}^{N*M}\\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ & & \·& & & \\ P_{\mathrm{NM}}^1& P_{\mathrm{NM}}^2& \·\·\·& P_{\mathrm{NM}}^s& \·\·\·& P_{\mathrm{NM}}^{N*M}\end{array}\right)*\left(\begin{array}{c}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ef}}^1\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ef}}^2\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ef}}^s\\ \·\\ \·\\ \·\\ {\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ef}}^{N*M}\end{array}\right)=\left(\begin{array}{c}{P}_{11}\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_{1M}\\ P_{21}\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_{2M}\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_{N1}\\ \·\\ \·\\ \·\\ P_{\mathrm{NM}}\end{array}\right)$

子分步骤E4b，对上述恰定方程组进行矩阵运算，求解出待测目标的有效散射系数

7.根据权利要求1所述的反向散射截面测量方法，其特征在于，所述步骤B中：

频率扫描间隔Δf满足： $\mathrm{\Δf}\≤\frac{c}{2\sqrt{{(L_x+L)}^2+{(2d+L_y)}^2}};$

距离扫描间隔Δx满足： $\mathrm{\Δx}\≤\frac{c}{4f_{\max }}\sqrt{1+{(L_y-2d)}^2/{(L+L_x)}^2};$

其中，c是光速，f_max是测试频率范围内的最大频率，L_x和L_y分别表示待测目标沿x轴和y轴的长度，L是线迹扫描长度，d表示坐标系原点距扫描线的距离。

8.根据权利要求1至7中任一项所述的反向散射截面测量方法，其特征在于，采用收发同站技术，发射天线和接收天线集成于所述收发天线；

其中，发射天线与信号源相连接，用于发射雷达信号；接收天线与矢量分析仪相连接，用于接收该雷达信号的散射回波数据。

9.根据权利要求1至7中任一项所述的反向散射截面测量方法，其特征在于，所述收发天线(6)设置于待测目标的近场散射区域。

10.根据权利要求1至7中任一项所述的反向散射截面测量方法，其特征在于，所述步骤B中，所述待测目标或定标物采用支架固定或垂线悬挂式固定方式固定。