CN104515908B - 一种超宽带目标电磁散射特性测试系统和方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种超宽带目标电磁散射特性测试系统和方法。本发明中，通过工作在第一频段上的第一组馈源固定在能够自动切换馈源的支架上以连续切换馈源发出2～27GHz的平面波以先对转台上的定标体进行测量，并接收反射回波数据；然后在定标体的位置换上目标物体仍进行2～27GHz测量；测试完毕后，保持目标物体不动，通过工作在第二频段上的第二组馈源发出27～40GHz的平面波以对转台上的目标物体进行测量，并接收反射回波数据；然后在目标物体的位置放置之前的定标体，并通过第二频段进行定标测试，接收定标反射回波数据。通过以上测试数据，结合数据拼接技术，可获得目标物体的超宽带目标电磁散射特性。

Description

一种超宽带目标电磁散射特性测试系统和方法

技术领域

本发明涉及材料技术领域，特别是指一种超宽带目标电磁散射特性测试系统和方法。

背景技术

现有技术中，可以通过超宽带目标电磁散射特性来获取目标从低频到高频的丰富信息，而有效利用目标的超宽带电磁散射特性对于高分辨雷达技术、成像技术、目标识别技术的研究具有重要意义。从雷达成像角度来说，获取的目标特性带宽越大，可以获得更高的距离分辨率，从而得到更为精细的散射中心的分布特征，而通过测量实验来获取目标的散射数据是快速高效获取超宽带目标特性的一种重要途径。但是现有的超宽带目标特性测试系统和方法所能够获取的超宽带馈源的幅相特性难以满足频带内目标照射、背景一致的要求，因此不能直接用于超宽带测试。

发明内容

针对现有技术中的超宽带目标特性测试存在的问题，本发明要解决的技术问题是提供一种超宽带目标电磁散射特性测试系统和方法，以获取更为准确的获取目标的超宽带馈源的幅相特性。

为了达到上述目的，本发明实施例提出了一种超宽带目标电磁散射特性测试系统，包括发射子系统、接收子系统、转台、转台控制子系统；其中所述发射子系统包括设置在支架上的可自动切换馈源的发射模块，以及连接所述发射模块的信号产生模块；所述转台用于承载目标物体或定标体，且所述转台能够绕沿竖直方向设置的转轴转动，且所述发射模块设置于所述转台的一侧以使所述发射模块发射的平面波沿平行所述转台上表面的方向射向所述转台，所述转台控制子系统连接所述转台以控制所述转台转动；所述转台控制子系统与所述发射模块联动以实现平面波的幅度和相位的变化一致性；其中所述发射模块包括用于发射频率为2～27GHz平面波的工作在第一频段上的第一组馈源和用于发射频率为27～40GHz平面波的工作在第二频段上的第二组馈源，所述第一组馈源和第二组馈源能够分别固定在所述支架上以分别对所述转台上的目标物体或定标体发射第一平面波和第二平面波；所述接收子系统用于接收所述转台上的目标物体分别针对所述第一组馈源和第二组馈源产生的反射波。

其中，所述转台的转动角度为-5～45°。

其中，所述发射子系统包括合成扫描源单元、第一脉冲调制单元、脉冲定时单元，其中所述合成扫描源单元连接所述第一脉冲调制单元，且所述脉冲定时单元连接所述第一脉冲调制单元；所述第一脉冲调制单元连接所述第一组馈源或第二组馈源以提供参考信号；所述合成扫描源单元连接控制总线。

其中，所述接收子系统包括中频接收机、混频器、第二脉冲调制单元、接收头；所述中频接收机连接所述控制总线，且所述混频器连接所述中频接收机，所述混频器分别连接所述第一脉冲调制单元和第二脉冲调制单元，且所述第二脉冲调制单元连接所述接收头。

其中，所述转台控制子系统包括系统控制单元和转台控制单元，所述系统控制单元连接所述控制总线，且所述系统控制单元通过所述转台控制单元连接所述转台。

其中，所述超宽带目标电磁散射特性测试系统还包括记录子系统，所述记录子系统连接所述控制总线。

根据本发明的另一个方面，还提出了一种利用前述的系统进行超宽带目标电磁散射特性测试的方法，包括：

通过工作在第一频段上的第一组馈源固定在能够自动切换馈源的支架上以连续切换馈源发出2～27GHz的平面波以对转台上的定标体进行测量，并接收反射回波数据；

然后在定标体的位置换上目标物体，进行测量；

然后保持目标物体不动，通过工作在第二频段上的第二组馈源发出27～40GHz的平面波以对转台上的目标物体进行测量，并接收反射回波数据；

然后在所述目标物体的位置放置之前的定标体，并通过第二组馈源进行定标测试，接收定标反射回波数据；

通过以上测试数据，结合数据拼接技术，可获得目标物体的超宽带目标电磁散射特性。

其中，所述方法还包括：第一组馈源和第二组馈源发射的平面波还具有重叠频带，所述重叠频带范围为27G±xGHz，其中0＜x≤5。

其中，所述方法还包括：通过以下方法对所述目标物体与定标体之间的幅相数据处理：

通过以下公式计算目标物体与定标体之间的相位参考零点距离差：

其中ΔR为相位参考零点距离差，Δθg为相位差均值，C为光速，f₀为重叠频带的中心频率；

通过以下公式计算相位干扰补偿：

其中f_i为每个转角下的频率点，ΔR_k为每个转角下的距离差补偿因子，对于双铁钉目标测量来说：ΔR_k＝0.27mm·cos(θ_k+47)。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

上述方法的超宽带目标散射特性测量系统，其所用馈源可实现自动切换以保证相位差不变，克服了现有宽频带馈源的缺点。本发明实施例的系统可以开展目标超宽带散射多波段扫频测量，并研究能够快速有效地得到目标超宽带数据的数据融合方法，从而获取目标的电磁散射特性数据。

附图说明

图1为本发明实施例的测量系统的结构示意框图；

图2为本发明实施例的目标转台测量原理示意图；

图3为使用如图1、图2所示的系统进行测试时的流程示意图；

图4为前述方法中在某一转角下的C波段和X波段测量结果示意图；

图5a为前述方法中在某一转角下K波段和Ka波段测量结果示意图；

图5b为所有转角下的相位差均值示意图；

图6为K波段和Ka波段相位参考零点距离差估计示意图；

图7a为双铁钉目标在2GHz～40GHz馈源下的二维成像结果图；

图7b为双铁钉目标在18GHz～26.5GHz馈源下的二维成像结果图。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实例进行详细描述。

目前的超宽带馈源的幅相特性难以满足频带内目标照射、背景一致的要求，因此不能直接用于超宽带测试。本发明实施例针对当前的超宽带目标特性测试中存在的问题，搭建了一种超宽带目标散射特性测量系统，所用馈源可实现自动切换以保证相位差不变，克服了宽频带馈源的现有缺点。利用上述系统开展目标超宽带散射多波段扫频测量，并研究能够快速有效地得到目标超宽带数据的数据融合方法，从而获取目标物体的散射特性数据。本发明实施例不仅提出了基于相对定标法的超宽带目标散射特性测量系统的搭建，还提出一种利用前述系统进行超宽带目标电磁散射特性测试的方法。进一步的，由于目标物体与定标体在摆放时有可能会出现一定的相位差，因此还提出了一种在数据处理中通过相位补偿的方式来实现数据融合，最终获得超宽带目标的散射数据。为了证明本发明实施例的系统和方法的有效性，本发明实施例还通过实验证明了测试数据的有效性。

搭建超宽带目标散射特性测量系统，系统示意图如图1所示。组成包括：收发馈源、发射子系统、接收子系统、转台控制子系统、数据采集及处理。测量系统可进行S波段～Ka波段的目标特性幅相测试，幅度指标为0.5dB，相位指标为20°。系统所用馈源按标准馈源划分为S1、S2、C1、C2、X、Ku、K、Ka等8个。其中S波段～K波段馈源可实现自动切换，覆盖2-27GHz频段，从而达到幅度和相位的变化一致性，以保证各频段测量获得的数据可以通过融合处理，得到幅度和相位均符合超宽带电磁散射要求的数据。

本发明实施例提出了一种超宽带目标电磁散射特性测试系统，包括发射子系统、接收子系统、转台、转台控制子系统；其中所述发射子系统包括设置在支架上的可自动切换馈源的发射模块，以及连接所述发射模块的信号产生模块；所述转台用于承载目标物体或定标体，且所述转台能够绕沿竖直方向设置的转轴转动，且所述发射模块设置于所述转台的一侧以使所述发射模块发射的平面波沿平行所述转台上表面的方向射向所述转台，所述转台控制子系统连接所述转台以控制所述转台转动；所述转台控制子系统与所述发射模块联动以使以实现平面波的幅度和相位的变化一致性；其中所述发射模块包括用于发射频率为2～27GHz平面波的工作在第一频段上的第一组馈源和用于发射频率为27～40GHz平面波的工作在第二频段上的第二组馈源，所述第一组馈源和第二组馈源能够分别固定在所述支架上以分别对所述平台上的被测目标发射第一平面波和第二平面波；所述接收子系统用于接收所述转台上的目标物体分别针对所述第一组馈源和第二组馈源产生的反射波。本发明中，第一组馈源工作在第一频段上，其包括多个馈源，第一组馈源中的每一个馈源工作在第一频段的不同频率上；第二组馈源工作在第二频段上，其包括多个馈源，第二组馈源中的每一个馈源工作在第二频段的不同频率上。

其中，所述转台的转动角度为-5～45°。

如图1所示的，所述发射子系统包括合成扫描源单元、第一脉冲调制单元、脉冲定时单元，其中所述合成扫描源单元连接所述第一脉冲调制单元，且所述脉冲定时单元连接所述第一脉冲调制单元；所述第一脉冲调制单元连接所述第一组馈源或第二组馈源以提供参考信号；所述合成扫描源单元连接控制总线。所述接收子系统包括中频接收机、混频器、第二脉冲调制单元、接收头；所述中频接收机连接所述控制总线，且所述混频器连接所述中频接收机，所述混频器分别连接所述第一脉冲调制单元和第二脉冲调制单元，且所述第二脉冲调制单元连接所述接收头。所述转台控制子系统包括系统控制单元和转台控制单元，所述系统控制单元连接所述控制总线，且所述系统控制单元通过所述转台控制单元连接所述转台。所述系统还包括记录子系统，所述记录子系统连接所述控制总线。

其中，可自动切换馈源的发射模块是指：通过操作计算机图形构成的虚拟仪器面板上的控制按钮来发送指令，转台控制器接收到指令后，经过分析可控制转台运行，完成馈源的切换工作。

同时，本发明实施例还提出了一种利用前述的系统进行超宽带目标电磁散射特性测试的方法，包括：

通过工作在第一频段上的第一组馈源固定在能够自动切换馈源的支架上以连续切换馈源发出2～27GHz的平面波以对转台上的定标体进行测量，并接收反射回波数据；

然后在定标体的位置换上目标物体仍进行2～27GHz测量；

测试完毕后，然后保持目标物体不动，通过工作在第二频段上的第二组馈源发出27～40GHz的平面波以对转台上的目标物体进行测量，并接收反射回波数据；

然后在所述目标物体的位置放置之前的定标体，并通过第二组馈源进行定标测试，接收定标反射回波数据；

通过以上测试数据，结合数据拼接技术，可获得目标物体的超宽带目标电磁散射特性。

其中，所述方法还包括：第一组馈源和第二组馈源发射的平面波还具有重叠频带，所述重叠频带范围为27G±xGHz，其中0＜x≤5。例如，完美条件下是第一组馈源发出2～27GHz的平面波，第二组馈源发出27～40GHz的平面波；但是这样不利于相位拼接。因此可以设定第一频段在重叠频带位置(也就是27GHz的位置)略微扩大一些(例如扩大成2～29GHz或2～30GHz)。这样尽管幅度上不再适用，但是有利于相位的拼接。

由于目标物体和定标体要摆在同一位置才能获得准确的测试数据，但是在摆放时难免会产生一定的位置差。因此本发明实施例还提出了一种对所述目标物体与定标体之间的幅相数据处理的方法，具体包括：

通过以下公式计算目标物体与定标体之间的相位参考零点距离差：

其中ΔR为相位参考零点距离差，Δθg为相位差均值，C为光速，f₀为重叠频带的中心频率；

通过以下公式计算相位干扰补偿：

其中f_i为每个转角下的频率点，ΔR_k为每个转角下的距离差补偿因子，对于双铁钉目标测量来说：ΔR_k＝0.27mm·cos(θ_k+47)。

以下通过一个具体的实例来对本发明进行进一步说明，并通过一个具体的例子来验证：

在实验中选用间隔为置于泡沫板上的两枚普通铁钉作为目标物体，进行转台的目标特性测试，目标转台测量原理图如图2所示，测试角度范围为：-5～45°。

此次测试要求为2～40GHz全波段，针对当前的测试系统，2～27GHz可以通过自动切换馈源的支架连续切换馈源进行测量，因此可将其作为一个馈源，毫米波段作为另一馈源，即27～40GHz，如此分为两个馈源后，则可以采用如图3所示的测试流程进行测试，此测试方案目的是保证目标的姿态不变，所以首先测量获得工作在第一频段上的第一组馈源的定标数据，然后如常规测试一样，正确摆放被测目标，固定测试姿态后进行工作在第一频段上的第二组馈源的目标测试获得第一频段的RCS数据；然后不动被测目标，换上工作在第二频段(毫米波)的第二组馈源的喇叭馈源，先行测量目标的反射回波数据，测量完毕后撤下被测目标，换上同一定标体，放置的位置通过标识的方法，尽量保持与第一频段测试时一致，然后进行定标测试，最后进行数据处理得到第二频段的RCS数据。由于两次定标体的放置会导致距离上的微小变化，通过幅相数据处理可以估计出两次定标体放置的相对位置差值，进而在两段数据拼接时作为相位差修正的依据。在测量时低频段可以向上多扩展几个吉的测量，尽管幅度上不再适用，但这样有利于相位的拼接。

S波段～K波段的目标幅相特性数据是相参的，其幅相误差由系统指标决定。图4为双铁钉目标在C波段和X波段的目标幅相特性某转角下的实测结果，可见其在重叠频带(8.15GHz～8.25GHz)两次测量的幅度特性基本重合，相位特性最大相差约7°，幅相特性皆在系统测量指标范围之内，这与理论分析结果是一致的。

图5a为双铁钉目标在K波段和Ka波段某转角下的测量结果。由此结果可见，Ka波段和K波段幅度在正常工作频段一致性较好，而当Ka波段测量频率向下扩展到极限时，其幅度特性有较大的衰减，分析原因是由于馈源工作在非设计频率范围内造成的。两个波段测量的相位特性存在15°的相位差，根据理论分析，该相位差是由于两次测量标准参考体摆放的位置差异造成的，并非系统测量正常的随机误差。图5b给出-5～45°转角下K波段和Ka波段重叠测量数据的相位差均值，从中可明显地观察到随着转角变化，相位差均值的变化。

K波段和Ka波段重叠测量频带并不大(小于4GHz)，故当两次测量的相位参考零点距离差很小时(1mm量级)，其重叠频段相位差随频率的线性变化斜率较小，所以在较小的重叠频带范围内，相位差随频率的变化很小，故可以用相位差均值来估计相位参考零点的距离差。相位参考零点距离差的估计公式如下：

式中，ΔR为相位参考零点距离差，Δθg为相位差均值，C为光速，f₀为重叠频带的中心频率。根据式(6～1)可估计双铁钉目标随转角的相位参考零点距离差，并得到双铁钉目标的相位参考零点距离差模型的位置差和初始相位参数。图6即为双铁钉目标随转角的相位参考零点距离差和模型估计结果。估计结果为：双铁钉目标K波段和Ka波段两次测量的相位参考零点位置差为0.27mm，初始相位为47°。以此估计参数作为相干补偿量，对Ka波段每个转角下的幅相数据乘以相干补偿因子：

式中，f_i为每个转角下的频率点，ΔR_k为每个转角下的距离差补偿因子，对于双铁钉目标测量来说：ΔR_k＝0.27mm·cos(θ_k+47)。完成相干补偿后，Ka波段和K波段数据即可以频率点为参考进行融合，其幅度指标由系统指标决定，相位指标有相干补偿后残留的相位参考零点距离误差决定，在本测量中，拟合模型和实测之间的误差为0.02mm，能够保证数据融合后Ka波段的相参性。

图7a为数据融合后的S波段～Ka波段(2GHz～40GHz)双铁钉目标的二维成像结果。图7b为未做数据融合的X波段(18GHz～26.5GHz)双铁钉目标的二维成像结果。通过比较图7a、图7b不难发现，数据融合后的带宽为38GHz，距离分辨率优于1cm，两枚铁钉散射中心被清晰分辨，数据融合后形成的超宽带信号可以获得目标散射中心在径向距离上的高分辨。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种超宽带目标电磁散射特性测试系统，其特征在于，包括发射子系统、接收子系统、转台、转台控制子系统；其中所述发射子系统包括设置在支架上的可自动切换馈源的发射模块，以及连接所述发射模块的信号产生模块；所述转台用于承载目标物体或定标体，且所述转台能够绕沿竖直方向设置的转轴转动，且所述发射模块设置于所述转台的一侧以使所述发射模块发射的平面波沿平行所述转台上表面的方向射向所述转台，所述转台控制子系统连接所述转台以控制所述转台转动；所述转台控制子系统与所述发射模块联动以实现平面波的幅度和相位的变化一致性；其中所述发射模块包括用于发射频率为2～27GHz平面波的工作在第一频段上的第一组馈源和用于发射频率为27～40GHz平面波的工作在第二频段上的第二组馈源，所述第一组馈源和第二组馈源能够分别固定在所述支架上以分别对所述转台上的目标物体或定标体发射第一平面波和第二平面波；所述接收子系统用于接收所述转台上的目标物体或定标体分别针对所述第一组馈源和第二组馈源产生的反射波。

2.根据权利要求1所述的超宽带目标电磁散射特性测试系统，其特征在于，所述转台的转动角度为-5～45°。

3.根据权利要求1所述的超宽带目标电磁散射特性测试系统，其特征在于，所述发射子系统包括合成扫描源单元、第一脉冲调制单元、脉冲定时单元，其中所述合成扫描源单元连接所述第一脉冲调制单元，且所述脉冲定时单元连接所述第一脉冲调制单元；所述第一脉冲调制单元连接所述第一组馈源或第二组馈源以提供参考信号；所述合成扫描源单元连接控制总线。

4.根据权利要求3所述的超宽带目标电磁散射特性测试系统，其特征在于，所述接收子系统包括中频接收机、混频器、第二脉冲调制单元、接收头；所述中频接收机连接所述控制总线，且所述混频器连接所述中频接收机，所述混频器分别连接所述第一脉冲调制单元和第二脉冲调制单元，且所述第二脉冲调制单元连接所述接收头。

5.根据权利要求4所述的超宽带目标电磁散射特性测试系统，其特征在于，所述转台控制子系统包括系统控制单元和转台控制单元，所述系统控制单元连接所述控制总线，且所述系统控制单元通过所述转台控制单元连接所述转台。

6.根据权利要求5所述的超宽带目标电磁散射特性测试系统，其特征在于，所述超宽带目标电磁散射特性测试系统还包括记录子系统，所述记录子系统连接所述控制总线。

7.一种利用权利要求1-6任一项所述的超宽带目标电磁散射特性测试系统进行超宽带目标电磁散射特性测试的方法，其特征在于，包括：

通过工作在第一频段上的第一组馈源固定在能够自动切换馈源的支架上以连续切换馈源发出2～27GHz的平面波以对转台上的定标体进行测量，并接收反射回波数据；

在定标体的位置换上目标物体仍进行2～27GHz测量；

测试完毕后，然后保持目标物体不动，通过工作在第二频段上的第二组馈源发出27～40GHz的平面波以对转台上的目标物体进行测量，并接收反射回波数据；

然后在所述目标物体的位置放置之前的定标体，并通过所述第二组馈源进行定标测试，接收定标反射回波数据；

通过以上测试数据，结合数据拼接技术，获得目标物体的超宽带目标电磁散射特性。

8.根据权利要求7所述的超宽带目标电磁散射特性测试的方法，其特征在于，所述方法还包括：第一组馈源和第二组馈源发射的平面波还具有重叠频带，所述重叠频带范围为27G±xGHz，其中0＜x≤5。

9.根据权利要求8所述的超宽带目标电磁散射特性测试的方法，其特征在于，所述方法还包括：通过以下方法对所述目标物体与定标体之间的幅相数据处理：

通过以下公式计算目标物体与定标体之间的相位参考零点距离差：

$\mathrm{\Δ}R=\frac{\mathrm{\Δ}\mathrm{\θ}gc}{4{\mathrm{\πf}}_0}$

其中ΔR为相位参考零点距离差，Δθg为相位差均值，C为光速，f₀为重叠频带的中心频率；

通过以下公式计算相位干扰补偿：

$\exp \left(\frac{-j4{\mathrm{\πf}}_i{\mathrm{\ΔR}}_k}{C}\right)$

其中f_i为每个转角下的频率点，ΔR_k为每个转角下的距离差补偿因子，对于双铁钉目标测量来说：ΔR_k＝0.27mm·cos(θ_k+47)。