CN105466365B - 获取雷达角反射器rcs精度的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种获取雷达角反射器RCS精度的方法。该方法针对传统雷达角反射器RCS精度测量方法的局限性，采用三维测量仪获取待测雷达角反射器精准的三维模型，接着利用RCS仿真器计算待测雷达角反射器三维模型的RCS，最后与RCS理论值进行比较，从而测量雷达角反射器实际RCS与RCS理论值的偏差程度。本发明可以获得比雷达直接测量法和几何推算法更好的灵活性和精度，同时并没有增加太多的成本，具有较好的推广应用价值。

Description

获取雷达角反射器RCS精度的方法

技术领域

本发明涉及雷达技术领域，尤其涉及一种获取雷达角反射器RCS精度的方法。

背景技术

随着高分辨率微波遥感成像技术的发展以及全天时全天候定量遥感应用需求的不断增长，对微波遥感成像载荷进行在轨高精度定标、载荷性能外场连续动态评测的重要性日益突出。在微波遥感成像载荷在轨辐射定标过程中，通常采用雷达角反射器作为参考标准目标，亦即：首先在试验场布设雷达角反射器，获取雷达角反射器的微波图像；通过雷达角反射器的雷达横截面值(RCS值)与微波图像数字值(DN值)之间的比例关系，确定辐射定标系数。雷达角反射器的雷达横截面值精度直接决定了辐射定标过程的准确性。然而在雷达角反射器制作、运输、安装、存放过程中，会引起雷达角反射器直角度、尺寸、曲率等几何误差，使得雷达角反射器的实际RCS偏离RCS理论值，若仍使用RCS理论值与DN值确定定标系数，则会引起极大的辐射定标误差。

此外，雷达角反射器的几何误差还会影响其作为点目标在微波遥感图像中的响应形式，非理想的点响应形式会影响图像分辨率、峰值旁瓣比、积分旁瓣比、几何定位精度、极化特征图等性能指标的评测精度。综上所述，雷达角反射器实际RCS值与其RCS理论值之间的偏差关系测量(包括不同雷达波入射时实际RCS值与其RCS理论值之间的偏差关系测量)，是开展微波遥感成像载荷定标和性能评测的一项关键内容，迫切需要一种能够快速测量雷达角反射器RCS精度的方法。

在现有技术中，为确定雷达角反射器RCS精度，现有方法主要有雷达直接测量法、几何推算法等。

雷达直接测量法是在微波暗室紧缩场或空旷场地上，利用雷达直接对雷达角反射器的RCS进行测量。该测量系统包含雷达、目标旋转架及相应的控制系统，标准目标，微波暗室或空旷场地等。其优点是可直接测量不同雷达波入射角下目标的RCS，但缺点是由于目标旋转架多径干扰、非理想平面波等因素限制，在测量灵活性和测量精度存在不足。

几何推算法是首先利用直尺、塞尺等几何测量工具接触式测量尺寸误差、曲率误差、直角度误差等大小，进而将这些误差与RCS误差建立关系。尺寸误差是指雷达角反射器三个反射板尺寸不完全相同，或部分边长不等于边长设计值的情况，如图1中(A)所示。曲率误差是反射板沿其整个边长的逐渐扭曲或者反射板平面内高低起伏，如图1中(B)所示。直角度误差是两两反射板之间夹角与直角的偏差，如图1中(C)所示。在利用直尺、塞尺等测定雷达角反射器上述误差后，接着将尺寸误差、曲率误差、直角度误差等通过电磁仿真转为为独立RCS误差，进而利用如下误差分配传递公式转换为雷达角反射器的RCS总误差：

ΔRCS＝P₁·ΔRCS_size+P₂·ΔRCS_curvature+P₃·ΔRCS_angle (1)

式中，p₁、p₂、p₃分别是三种RCS误差的权重，ΔRCS_size、ΔRCS_curvature、ΔRCS_angle分别是尺寸误差、曲率误差、直角度误差对应的RCS误差。

然而，几何推算法仅测量尺寸、曲率和直角度的平均误差，难以表征雷达角反射器整体的几何误差；先计算独立RCS影响再综合为整体RCS误差的方法，受耦合效应影响，在转换为雷达角反射器总RCS时误差较大。此外，该方法仅能评估雷达角反射器峰值RCS精度，无法评估不同雷达波入射角时的RCS精度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

鉴于上述技术问题，本发明提供了一种新的获取雷达角反射器RCS精度的方法，以提高雷达角反射器RCS值测量的灵活性和精度。

(二)技术方案

本发明获取雷达角反射器RCS精度的方法包括：步骤A：选择满足实际RCS测量精度需求的RCS仿真器；步骤B：利用选择的RCS仿真器计算三维测量仪的几何测量精度对应的RCS精度，选择满足实际RCS测量精度需求的三维测量仪；以及步骤C：利用选择的RCS仿真器和三维测量仪，测量待测雷达角反射器RCS精度。

(三)有益效果

从上述技术方案可以看出，本发明获取雷达角反射器RCS精度的方法具有以下有益效果：

(1)由于采用了三维测量仪获取待测雷达角反射器高精度三维模型，解决了几何推算法难以表述几何误差的问题；

(2)采用在RCS仿真器输入三维模型计算RCS，直接得到了雷达角反射器最终RCS误差，解决了几何推算法独立误差向综合误差转换的精度问题，并且可得到不同雷达波照射方向的RCS精度；

(3)由于在计算RCS时采用较为成熟的RCS仿真算法，可避免雷达直接测量法易受其他因素干扰的问题；

(4)仅采用三维成像仪等小型设备，避免几何测量法的低效测量，同时避免雷达直接测量法对微波暗室或辅助设备的高度依赖，因此可在外场快速开展RCS测量，非常具有实用性。

附图说明

图1为现有技术几何推算法确定雷达角反射器RCS精度时尺寸误差、曲率误差和直角度误差的示意图；

图2为根据本发明实施例获取雷达角反射器RCS精度的方法的流程图；

图3为图2所示方法步骤A中采用MoM算法的RCS仿真器精度结果图；

图4为图2所示方法步骤B中由测距误差推导得到直角度误差的示意图；

图5为图2所示方法步骤B中三维测量仪中尺寸误差、曲率误差、直角度误差所对应的RCS精度的示意图；

图6为图2所示方法步骤C中通过TIN建立的雷达角反射器三维模型；

图7为利用图2所示方法计算得到的一角反射器RCS误差示意图。

具体实施方式

本发明针对传统雷达角反射器RCS精度测量方法的局限性，采用三维测量仪获取待测雷达角反射器精准的三维模型，接着利用RCS仿真器计算待测雷达角反射器三维模型的RCS，最后与RCS理论值进行比较，从而测量雷达角反射器实际RCS与RCS理论值的偏差程度。

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。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种获取雷达角反射器RCS精度的方法。如图2所示，本实施例获取雷达角反射器RCS精度的方法包括：

步骤A：选择满足实际RCS测量精度需求的RCS仿真器；

在不断的生产实践过程中，申请人认识到：导致雷达直接测量法缺陷的原因是在测量时易受各类误差影响。事实上，雷达直接测量法更适用的是复杂结构目标的RCS测量，对于雷达角反射器这类简单结构目标，现有的RCS仿真器可以得到更高的精度。因此，本发明采用RCS仿真器由待测雷达角反射器的三维模型计算待测雷达角反射器RCS，并评估其与理想雷达角反射器RCS之间的偏差，进而选择满足实际RCS测量精度需求的RCS仿真器。

该步骤A具体又可以包括以下子步骤：

子步骤A1：计算待测角反射其对应的理想雷达角反射器的RCS理论值，该RCS理论值至少包括：RCS理论峰值；

以下给出两种典型形状雷达角反射器的RCS理论值的计算方式。

(1)对于待测角反射器为正方形三面角反射器的情况，利用下式计算其对应理想角反射器的RCS理论峰值(雷达角反射器法线方向与雷达波照射方向重合时的RCS为峰值RCS)：

其中：a是正方形三面角反射器的边长，λ为雷达的波长。

扩展开来，不同雷达波照射方向下的正方形三面角反射器的RCS理论值为：

式中：c₁,c₂,c₃分别定义为下述三个参量并使之满足c₁≤c₂≤c₃。

其中：ψ为雷达角反射器法线方向与底面的夹角(俯仰角)；θ为雷达角反射器法线在雷达角反射器底面投影线与雷达角反射器底面直角边的夹角(方位向)。

在后续判断时，该RCS理论峰值作为主要的判断依据，后续的不同雷达波照射方向下的仅是作为参考。

(2)对于待测雷达角反射器为等腰直角三面角反射器的情况，利用下式计算其对应的理想角反射器的RCS理论峰值：

其中：a是等腰直角三角形的直角边长，λ为雷达的波长。

不同雷达波照射方向下的等腰直角三面角反射器RCS值为：

式中c₁,c₂,c₃定义同上。

可以理解的是，除了正方形、等腰直角三面角反射器，还有圆弧三面角反射器、五边形三面角反射器等等。这些雷达角反射器也可以使用本发明的方法测量其RCS精度。相关的计算方法与此类此，此处不再详细说明。

子步骤A2：在RCS仿真器中构建理想雷达角反射器的三维模型，并利用MoM等RCS仿真算法计算得到该三维模型的RCS仿真值σ_仿真值；

子步骤A3：将子步骤A1得到的理想雷达角反射器的RCS理论值与子步骤A2得到的对应的三维模型的RCS仿真值进行比较，从而得到RCS仿真器的精度σ_精度：

σ_精度＝|σ_峰值-σ_仿真值| (6)

子步骤A4：基于所述RCS仿真器的精度，根据实际工作中的RCS测量精度需求，判定RCS仿真器是否满足要求。若满足，则将该RCS仿真器用于后续待测雷达角反射器RCS测量；若不满足，则调整RCS仿真器中的RCS仿真算法。

本实施例中，RCS仿真算法采用MOM算法。RCS仿真器精度如图5所示。由图4可以看出，在Ku、X、C、S等雷达波段下，雷达角反射器RCS误差在0.3dBsm以内，可满足至少1dBsmRCS测量精度要求的测量任务。

需要说明的是，本发明中，在利用RCS仿真器计算RCS仿真值时，除使用MOM算法外，还可以采用物理光学法(PO)、几何光学法(GO)、弹跳射线法(SBR)、多层快速多极子法(MLFMM)等代替，这些方法在仿真精度和速度上存在不同，具体需要依据测量精度要求进行选择。

步骤B：利用选择的RCS仿真器计算三维测量仪的几何测量精度对应的RCS精度，选择满足实际RCS测量精度需求的三维测量仪；

在不断的生产实践过程中，申请人认识到：导致几何推算法缺陷的原因主要在于：一是各几何误差难以准确表征；二是各几何误差难以准确转换为雷达角反射器综合RCS误差。对于第一个问题，本发明采用高精度的三维测量仪进行，如三维激光扫描雷达、全站仪、结构光三维成像仪等，直接得到待测雷达角反射器的高精度三维模型，在该三维模型中可以精确表征出尺寸误差、曲率误差和直角度误差。对于第二个问题，改进方法是采用RCS仿真器由三维模型直接计算雷达角反射器RCS，此外RCS仿真器可计算不同雷达波入射方向下雷达角反射器RCS。

本实施例中，三维测量仪为全站仪。除了全站仪之外，还可以采用激光扫描仪、结构光三维成像仪等其他三维建模设备。

该步骤B具体又可以包括以下子步骤：

子步骤B1：确定三维测量仪的几何测距精度；

在待测雷达角反射器反射面上随机选取若干测量点，通过三维测量仪的测量数据得到两点间距离，并与高精度标准尺测量的距离比较，由此得出三维测量仪的几何测距精度。

该步骤不仅用于评估三维测量仪的精度，同时也评估测量目标材质、测量操作对测量结果的影响。本实例中，测距平均误差2mm，即为几何测距精度。

子步骤B2：基于三维测量仪的几何测距精度，利用RCS仿真器确定该几何测量精度对应的RCS精度；

本子步骤具体包括：

子分步骤B2a：由三维测量仪的几何测距精度计算其对应的尺寸误差、曲率误差和直角误差；

本实例中，测距平均误差2mm，故构建尺寸误差为2mm、曲率误差为2mm，直角误差为0.2688°(该数值根据图4所示进行推导得到)。

子分步骤B2b：基于理想雷达角反射器分别构建存在包括所述尺寸误差、曲率误差、直角误差的三个带误差的雷达角反射器模型；

子分步骤B2c：利用RCS仿真器分别仿真三个带误差的雷达角反射器模型的RCS值，得到分别三个带误差的雷达角反射器模型对应的RCS仿真值；

子分步骤B2d：利用RCS仿真器仿真不存在误差的理想雷达角反射器，获得理想雷达角反射器对应的RCS仿真值；

子分步骤B2e：由三个带误差的雷达角反射器模型对应的RCS仿真值与理想雷达角反射器对应的RCS仿真值分别相减并取绝对值，得出三维测量仪的几何测距精度对应的三个RCS精度。

子步骤B3：基于三维测量仪的几何测距精度对应的三个RCS精度，根据实际业务工作中的RCS测量精度需求，判定三维测量仪是否满足要求。若满足，则将该三维测量仪用于后续待测雷达角反射器RCS测量；若不满足，则需要更换三维测量仪。

本实施例中，如图5所示，2mm尺寸误差对应的雷达角反射器RCS误差如(A)所示，2mm曲率误差对应的雷达角反射器RCS误差如(B)所示，0.2688°直角度误差对应的雷达角反射器RCS误差如(C)所示。可见，2mm测距精度在各个雷达照射波频段下对应的RCS精度较小，且均优于RCS仿真器精度，因此判定三维测量仪精度满足测量要求。若不满足要求，则需要更换三维测量仪或改进测量操作。

步骤C：利用选择的RCS仿真器和三维测量仪，测量待测雷达角反射器RCS精度；

该步骤C具体又可以包括：

子步骤C1：利用三维测量仪构建待测雷达角反射器的高精度三维模型；

为了精准地建立雷达角反射器三维模型，需要利用三维测量仪在待测雷达角反射器上测量各点位坐标。点密度要尽量大且分布均匀。需要注意的是，为了避免雷达角反射器边缘信息的丢失，需要在雷达角反射器各边上测量更多的点。在测量过程中要保证雷达角反射器和仪器稳定。

而后根据三维测量仪测量数据，通过不规则三角格网(TIN)建立待测雷达角反射器三维模型，如图6所示；

TIN建模是根据区域的有限个点集将区域划分为相等的三角面网络，三角面的形状和大小取决于不规则分布的测点的位置和密度，能够避免地形平坦时的数据冗余，又能按特征点表征平面的起伏程度。在测量的过程中，采集了雷达角反射器大量的边缘点和面上点，利用TIN建立雷达角反射器模型，边缘点是准确表征雷达角反射器直角度误差和尺寸误差的保障，而TIN良好的表面起伏表征能力可以准确地表达雷达角反射器的曲率误差。

子步骤C2：将待测雷达角反射器的高精度三维模型输入RCS仿真器，计算其对应的RCS值σ_待测；

子步骤C3：构建与待测雷达角反射器对应的理想雷达角反射器模型；

子步骤C4：将理想雷达角反射器模型输入RCS仿真器，计算其对应的RCS值σ_理想；

子步骤C5：将待测雷达角反射器三维模型对应的RCS值与理想雷达角反射器模型对应的RCS值进行比较，得到待测雷达角反射器的RCS精度：

σ_精度＝|σ_待测-σ_理想| (7)

利用本实施例的方法测得的一待测雷达角反射器的峰值RCS精度测量结果如图7所示。请参照图7，横纵标为雷达照射波频段，纵坐标表示RCS精度，不同的线段表示不同的角反射器的尺寸。例如，当X频段(中心频率10GHz)，对于一个边长a为60cm的待测角反射器，其RCS精度为0.228dBsm。

至此，已经结合附图对本发明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获取雷达角反射器RCS精度的方法有了清楚的认识。

需要说明的是，在附图或说明书正文中，未绘示或描述的实现方式，均为所属技术领域中普通技术人员所知的形式，并未进行详细说明。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。

(3)本文可提供包含特定值的参数的示范，但这些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值。

综上所述，本发明选择满足要求的三维测量仪和RCS仿真器，采用三维测量仪获取待测角反射器精准的三维模型，接着利用RCS仿真器计算实际角反射器三维模型的RCS，最后与RCS理论值进行比较，从而测量角反射器实际RCS与RCS理论值的偏差程度，可以获得比雷达直接测量法和几何推算法更好的灵活性和精度，同时并没有增加太多的成本，具有较好的推广应用价值。

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 (7)

1.一种获取雷达角反射器RCS精度的方法，其特征在于，包括：

步骤A：选择满足实际RCS测量精度需求的RCS仿真器，包括：

子步骤A1：计算理想雷达角反射器的RCS理论值，该RCS理论值至少包括：RCS理论峰值；

子步骤A2：在RCS仿真器中构建理想雷达角反射器的三维模型，计算得到该三维模型的RCS仿真值；

子步骤A3：将理想雷达角反射器的RCS理论值与理想雷达角反射器的三维模型的RCS仿真值进行比较，得到RCS仿真器的精度；以及

子步骤A4：基于所述RCS仿真器的精度，根据实际工作中的RCS测量精度需求，判定RCS仿真器是否满足要求，若满足，则将该RCS仿真器用于后续待测雷达角反射器RCS测量；若不满足，则调整RCS仿真器中的RCS仿真算法；

步骤B：利用选择的RCS仿真器计算三维测量仪的几何测量精度对应的RCS精度，选择满足实际RCS测量精度需求的三维测量仪，包括：

子步骤B1：确定三维测量仪的几何测距精度；

子步骤B2：基于三维测量仪的几何测距精度，利用RCS仿真器确定该几何测量精度对应的RCS精度；以及

子步骤B3：根据实际业务工作中的RCS测量精度需求，判定该三维测量仪是否满足要求，若满足，则将该三维测量仪用于后续待测雷达角反射器RCS测量；若不满足，则更换三维测量仪；以及

步骤C：利用选择的RCS仿真器和三维测量仪，测量待测雷达角反射器RCS精度，包括：

子步骤C1：利用三维测量仪构建待测雷达角反射器的三维模型，其包括：首先利用三维测量仪在待测雷达角反射器上测量各点位坐标，而后通过不规则三角格网建立待测雷达角反射器三维模型；

子步骤C2：将待测雷达角反射器的三维模型输入RCS仿真器，计算其对应的RCS值；

子步骤C3：构建与待测雷达角反射器对应的理想雷达角反射器模型；

子步骤C4：将理想雷达角反射器模型输入RCS仿真器，计算其对应的RCS值；

子步骤C5：将待测雷达角反射器三维模型对应的RCS值与理想雷达角反射器模型对应的RCS值进行比较，得到待测雷达角反射器的RCS精度。

2.根据权利要求1所述的方法，所述步骤A中，所述RCS仿真器中的仿真算法为以下算法中的一种：物理光学法(PO)、几何光学法(GO)、弹跳射线法(SBR)、矩量法(MOM)、多层快速多极子法(MLFMM)。

3.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子步骤A1中，所述RCS理论值还包括：除了RCS理论峰值外的其他雷达波照射方向下的雷达角反射器的RCS理论值。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子步骤A1中，如果待测角反射器为正方形三面角反射器，利用下式计算其对应理想雷达角反射器的RCS理论峰值：

利用下式计算除了RCS理论峰值外的其他雷达波照射方向下的雷达角反射器的RCS理论值：

其中，a是正方形三面角反射器的边长，λ为雷达的波长，c₁,c₂,c₃分别定义为下述三个参量并使之满足c₁≤c₂≤c₃；

<mrow> <mfenced open = "" close = "}"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>c</mi> <mn>3</mn> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;psi;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

其中：ψ为雷达角反射器法线方向与底面的夹角；θ为雷达角反射器法线在雷达角反射器底面投影线与雷达角反射器底面直角边的夹角。

5.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述子步骤A1中，如果待测角反射器为等腰直角三面角反射器，利用下式计算其对应理想雷达角反射器的RCS理论峰值：

其中，a是等腰直角三面角反射器的边长，λ为雷达的波长，c₁,c₂,c₃分别定义为下述三个参量并使之满足c₁≤c₂≤c₃；

<mrow> <mfenced open = "" close = "}"> <mtable> <mtr> <mtd> <msub> <mi>c</mi> <mn>1</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>c</mi> <mn>2</mn> </msub> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <msub> <mi>c</mi> <mn>3</mn> </msub> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> <mo>=</mo> <mfenced open = "{" close = ""> <mtable> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;psi;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>s</mi> <mi>i</mi> <mi>n</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> <mtr> <mtd> <mrow> <mi>c</mi> <mi>o</mi> <mi>s</mi> <mi>&amp;psi;</mi> <mi>cos</mi> <mi>&amp;theta;</mi> </mrow> </mtd> </mtr> </mtable> </mfenced> </mrow>

其中：ψ为雷达角反射器法线方向与底面的夹角；θ为雷达角反射器法线在雷达角反射器底面投影线与雷达角反射器底面直角边的夹角。

6.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述子步骤B2包括：

子分步骤B2a：由三维测量仪的几何测距精度计算其对应的尺寸误差、曲率误差和直角误差；

子分步骤B2b：基于理想雷达角反射器分别构建存在包括所述尺寸误差、曲率误差、直角误差的三个带误差的雷达角反射器模型；

子分步骤B2c：利用RCS仿真器分别仿真三个带误差的雷达角反射器模型的RCS值，得到分别三个带误差的雷达角反射器模型对应的RCS仿真值；

子分步骤B2d：利用RCS仿真器仿真不存在误差的理想雷达角反射器，获得理想雷达角反射器对应的RCS仿真值；

子分步骤B2e：由三个带误差的雷达角反射器模型对应的RCS仿真值与理想雷达角反射器对应的RCS仿真值分别相减并取绝对值，得出三维测量仪的几何测距精度对应的三个RCS精度。

7.根据权利要求1至6中任一项方法，其特征在于，所述三维测量仪为全站仪、激光扫描仪或结构光三维成像仪。