CN104215953A - 基于柱面扫描三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柱面扫描的三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，收发天线以一定的步进频率沿设定的圆柱表面进行扫描测试，获得未放置待测目标时和放置待测目标后的散射回波数据；根据未放置待测目标时和放置待测目标后的散射回波数据计算背景对消后待测目标真实的散射回波数据；利用背景对消后待测目标真实的散射回波数据进行三维成像，得到目标的三维雷达散射图像ψ_e(x，y，z)；获得定标体的三维雷达散射图像ψ_ecal(x，y，z)；计算出待测目标的目标雷达散射截面RCS值本发明既能得到目标的三维雷达散射图像，又能得到一定立体角域内的目标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

基于柱面扫描三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，尤其涉及一种基于柱面扫描三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。对于频率较高的电大尺寸而言，所需要的外场测试场地是非常大的。此外，外场测试易受外界电磁干扰以及气候环境等因素的影响。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，测量以及数据处理过程十分复杂。近年来出现了一种基于近场成像的目标雷达散射截面(RCS)测试新方法。该类方法先得到目标的雷达散射图像，雷达图像表示目标的等效散射中心分布，再通过这些局部等效散射中心的散射场叠加获得远处散射场，最后根据散射截面的定义得到目标的RCS值。

然而，目前这种测试方法都是针对单站圆迹近场成像的RCS测量原理进行分析与讨论。如果待测目标的垂直尺寸，即与圆迹平面垂直方向上的尺寸，较大时，圆迹扫描是不够的。

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柱面扫描三维近场成像的反向散射截面测量方法，以更为准确的反映待测目标散射信息。

(二)技术方案

根据本发明的一个方面，提供了一种基于柱面扫描三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，收发天线以一定的步进频率沿设定的圆柱表面进行扫描测试，由矢量分析仪获得未放置待测目标时和放置待测目标后的散射回波数据，其中，该圆柱表面的中心轴线穿过待测目标的放置位置；步骤C：根据未放置待测目标时和放置待测目标后的散射回波数据计算背景对消后待测目标真实的散射回波数据；步骤D：利用背景对消后待测目标真实的散射回波数据进行三维成像，得到目标的三维雷达散射图像ψ_e(x，y，z)；步骤E：将待测目标更换为定标体，重复步骤B、C、D，获得定标体的三维雷达散射图像ψ_ecal(x，y，z)；以及步骤F：利用定标体已知的目标雷达散射截面RCS进行校准，根据散射截面的定义以及目标、定标体的雷达散射系数分布，计算出待测目标的目标雷达散射截面RCS值

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明基于柱面扫描三维近场成像的反向散射截面测量方法能得到目标的三维散射图像，RCS的测量值更为准确，RCS的测量范围可扩展到立体角域，同时，测量过程简单、易于进行数据处理并且实用性较强。

附图说明

图1为根据本发明实施例基于柱面扫描三维近场成像的反向散射截面测量方法的流程图；

图2为本发明中基于柱面扫描三维近场成像的反向散射截面测量方法的布置示意图；

图3为本发明中三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、柱面扫描轨迹；

5、环行器；                  6、收发天线(接收和发射同体)；

7、信号源；                  8、矢量网络分析仪；

9、成像区。

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。实施例中提到的方向用语，例如“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等，仅是参考附图的方向。因此，使用的方向用语是用来说明并非用来限制本发明的保护范围。

本发明基于柱面扫描三维近场成像的反向散射截面测量方法，得到被测散射体的柱面近场散射数据之后，用公式进行计算得到待测目标的目标雷达散射截面RCS。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于柱面扫描三维近场成像的反向散射截面测量方法。本实施例基于柱面扫描三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以及矢量分析仪8与环形器5相连接，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。

本实施例中，将收发天线6、信号源7和目标等均布置于暗室场景中，但其只是一种示例性的说明。在实际应用的场合，收发天线、信号源和目标均是放置在室外开放的场景下的，其不影响本发明的实现。

步骤B：在所选定的频率范围内，收发天线6以一定的步进频率沿设定的圆柱表面进行扫描测试，由矢量分析仪获得未放置待测目标时和放置待测目标后的散射回波数据，其中，该圆柱表面的中心轴线穿过待测目标的放置位置；

本步骤中，收发天线6的扫描轨迹是柱面，在各个方向的扫描间隔如下：

对于沿圆周方向的角度扫描间隔Δφ，满足：

$\mathrm{\Δ\φ}\≤\frac{\mathrm{\π}\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_{\max }^2+{\mathrm{\ρ}}_0^2}}{{2k}_{\max }{\mathrm{\ρ}}_{\max }{\mathrm{\ρ}}_0}---\left(1\right)$

对于沿高度向的距离扫描间隔Δz，满足：

$\mathrm{\Δz}\≤\frac{\mathrm{\π}\sqrt{{({\mathrm{\ρ}}_0-{\mathrm{\ρ}}_{\max })}^2+{(z_{0\max }+z_{\max })}^2}}{{2k}_{\max }(z_{0\max }+z_{\max })}---\left(2\right)$

对于频率扫描间隔Δf，满足：

$\mathrm{\Δf}\≤\frac{c}{4\sqrt{{({\mathrm{\ρ}}_0+{\mathrm{\ρ}}_{\max })}^2+{(z_{0\max }+z_{\max })}^2}}---\left(3\right)$

其中，c是光速，k_max是测试频率范围内的最大波常数，ρ₀和ρ_max分别表示扫描圆柱的半径和成像圆柱的半径，z_0max和z_max分表是扫描圆柱的高度和成像圆柱的高度的二分之一，如图3所示。

本实施例中，待测目标摆放在暗室中的特制塑料泡沫支架上，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非金属材料的固定支架。

步骤C：根据未放置待测目标时和放置待测目标后的散射回波数据计算背景对消后待测目标的真实散射信号和相位；

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：利用背景对消后待测目标真实的散射回波数据进行三维成像，得到目标的三维雷达散射图像ψ_e(x，y，z)；

本实施例中，目标的三维雷达散射图像获得过程是首先将所述的背景对消后待测目标真实的散射回波数据，即待测目标的真实散射场，和本发明给出的柱面成像聚焦函数沿圆周方向以及z轴方向进行FFT变换，其次将它们变换后所得的结果相乘再沿上述两方向进行逆FFT变换，最后对变换后的结果沿频率进行积分即可得到待测目标的三维雷达散射图像，经插值后可得三维直角坐标系下的雷达散射图像。

柱面成像的聚焦函数表达式如下：

$F(k,{\mathrm{\ρ}}_0,\mathrm{\ρ},\mathrm{\φ},z)=\frac{2}{{\mathrm{\π}}^{5/2}}\·\frac{{\mathrm{\ρ}}_0({\mathrm{\ρ}}_0-\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\φ})}{\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_0^2+{\mathrm{\ρ}}^2-2{\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\φ}+z^2}}\·e^{j2k\sqrt{{\mathrm{\ρ}}_0^2+{\mathrm{\ρ}}^2-{2\mathrm{\ρ}}_0\mathrm{\ρ}\cos \mathrm{\φ}+z^2}}---\left(4\right)$

其中，k是波常数，ρ₀表示扫描圆柱的半径，ρ是原点到像点的矢量在坐标系中xoy面内的投影矢量长度，φ表示原点到像点的矢量在坐标系中xoy面内的投影矢量与坐标系中正x轴矢量的夹角，z表示像点的z轴坐标值。

步骤E：将待测目标更换为定标体，重复步骤B、C、D，获得定标体的三维雷达散射图像ψ_ecal(x，y，z)；

步骤F：利用定标体(如金属球体)已知的雷达散射截面RCS进行校准，根据目标的三维雷达散射图像ψ_e(x，y，z)和定标体的三维雷达散射图像ψ_ecal(x，y，z)，计算出真实的待测目标的目标雷达散射截面RCS值

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

$\mathrm{\σ}(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})=\frac{{\left|\right|\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫}{\mathrm{\ψ}}_e(x,y,z)\·e^{j2k(x\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+y\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}+z\cos \mathrm{\θ})}\mathrm{dxdydz}|}^2}{{|\underset{\mathrm{\Ω}}{\∫\∫}{\mathrm{\ψ}}_{\mathrm{ecal}}(x,y,z)\·e^{j2k(x\sin \mathrm{\θ}\cos \mathrm{\φ}+y\sin \mathrm{\θ}\sin \mathrm{\φ}+z\cos \mathrm{\θ})}\mathrm{dxdydz}|}^2}\·{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{cal}}(f,\mathrm{\θ},\mathrm{\φ})---\left(5\right)$

其中，σ_cal(f，θ，φ)表示已知的定标体的雷达散射截面，θ表示散射方向矢量与坐标系中正z轴的夹角，φ表示散射方向矢量在坐标系中xoy平面的投影矢量与坐标系中正x轴的夹角，Ω表示成像区域。

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柱面扫描三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，本发明基于柱面扫描三维近场成像的反向散射截面测量方法的空间利用率较高，保密性强，受外界因素影响较小，既能得到目标的三维雷达散射图像，又能得到一定立体角域内的目标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。

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)

1.一种基于柱面扫描三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，收发天线以一定的步进频率沿设定的圆柱表面进行扫描测试，由矢量分析仪获得放置待测目标前后的散射回波数据，其中，该圆柱表面的中心轴线穿过待测目标的放置位置； 

步骤C：根据放置待测目标前后的散射回波数据计算背景对消后待测目标真实的散射回波数据； 

步骤D：利用背景对消后待测目标真实的散射回波数据进行三维成像，得到目标的三维雷达散射图像ψ_e(x，y，z)； 

步骤E：将待测目标更换为定标体，重复步骤B、C、D，获得定标体的三维雷达散射图像ψ_ecal(x，y，z)；以及 

步骤F：利用定标体已知的雷达散射截面RCS进行校准，根据目标的三维雷达散射图像ψ_e(x，y，z)和定标体的三维雷达散射图像ψ_ecal(x，y，z)，计算出待测目标的目标雷达散射截面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F中，待测目标的雷达散射截面校准公式为： 

其中，σ_cal(f，θ，φ)表示定标体的雷达散射截面，θ表示散射方向矢量与坐标系中正z轴的夹角，φ表示散射方向矢量在坐标系中xoy平面的投影矢量与坐标系中正x轴的夹角，Ω表示成像区域。 

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F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B中： 

对于沿圆周方向的角度扫描间隔Δφ，满足：

对于沿高度向的距离扫描间隔Δz，满足：

对于频率扫描间隔Δ_f，满足：

其中，c是光速，k_max是测试频率范围内的最大波常数，ρ₀和ρ_max分别为扫描圆柱的半径和成像圆柱的半径，z_0max和z_max分别为扫描圆柱的高度和成像圆柱的高度的1/2。 

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D包括： 

子步骤D1，将背景对消后待测目标真实的散射回波数据，即待测目标的真实散射场，及柱面成像聚焦函数沿圆周方向以及z轴方向进行FFT变换； 

子步骤D2，将变换后的结果相乘再沿圆周方向以及z轴方向进行逆FFT变换；以及 

子步骤D3，对变换后的结果沿频率进行积分即可得到待测目标的三维雷达散射图像，经插值后获得三维直角坐标系下的雷达散射图像。 

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D1中，柱面成像的聚焦函数表达式为： 

其中k是波常数，ρ₀表示扫描圆柱的半径，ρ是原点到像点的矢量在坐标系中xoy面内的投影矢量长度，φ表示原点到像点的矢量在坐标系中xoy面内的投影矢量与坐标系中正x轴矢量的夹角，z表示像点的z轴坐标值。 

7.根据权利要求1至6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A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。 

8.根据权利要求1至6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)设置于被测目标的近场散射区域。 

9.根据权利要求1至6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。 

10.根据权利要求9所述的反向散射截面测量方法，其特征在于，所述待测目标或定标物采用非金属材料的低散射固定支架固定。