CN105652254B - 室外场rcs测量方法及系统 - Google Patents

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CN105652254B CN201610009258.7A CN201610009258A CN105652254B CN 105652254 B CN105652254 B CN 105652254B CN 201610009258 A CN201610009258 A CN 201610009258A CN 105652254 B CN105652254 B CN 105652254B
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Abstract

本发明公开了一种室外场RCS测量方法，包括：采集至少一组回波信号，任一组回波信号包括目标中频回波信号及定标体中频回波信号；针对任一组回波信号，将目标中频回波信号进行模数转换生成第一数字信号；将定标体中频回波信号进行模数转换生成第二数字信号；对第一数字信号进行快速傅里叶变换，得到第一复量信号，根据第一复量信号获取第一电场强度；对第二数字信号进行快速傅里叶变换，得到第二复量信号，根据第二复量信号获取第二电场强度；根据第一电场强度及第二电场强度计算候选RCS；若采集的回波信号为一组，将候选RCS作为目标RCS。本发明能够消除室外场RCS中由于外部干扰产生的相位噪声及衰减，从而减小RCS测量的误差。

Description

室外场RCS测量方法及系统
技术领域
本发明涉及电磁散射领域，尤其涉及一种室外场RCS测量方法及系统。
背景技术
现有的室外场RCS(Radar Cross Section，雷达散射截面)测量往往是通过低通滤波器把中频信号处理到基带信号进行运算，此方法的缺点是信号处理过程环节较多，容易累积较多的误差。在信号采集和处理速度较慢的情况下，上述方法采用较多。但在新型大型室外RCS测量场建设中，信号采集处理设备的处理速度、分辨率、带宽等指标都大幅提高，完全能够直接采集中频回波信号并进行运算，这时再采用传统的方法就无法适应硬件发展的形势及RCS测量精度的要求。
其次，现有的室外场RCS测量采用异地定标的方式进行定标，在多次采集目标、定标体的中频回波信号计算RCS时，通常是分别计算目标、定标体回波中心频率对应的电场强度的平均值，再代入RCS计算公式求得结果。上述方法中，多次测试累积生成的目标及定标体的上述电场强度并不相干，测试场内外各种有源无源干扰会严重影响测得的目标RCS准确性。
再者，现有的室外场RCS测量在采用多次架设定标的方式进行定标时，需要单独测量目标及定标体的回波信号，必须将定标体不断架设或移除，由此造成测量结果严重依赖于系统的稳定度，测量的具体过程无法决定最后的测量结果。故上述方法无法用于对稳定性及可靠性要求较高的测量环境。
因此，亟需一种采用异地定标方式，直接对回波中频信号进行采样生成数字IQ信号，多次测量结果累积具备较好相干性的室外场RCS测量方法及系统以解决上述问题。
发明内容
本发明提供了一种室外场RCS测量方法及系统，采用异地定标方式进行定标，降低了系统稳定度对测量精度的影响；通过直接在中频采样得到数字IQ信号，进而根据该数字IQ信号计算目标RCS，避免了现有技术从中频到基带的变频及解调、滤波，减小了上述信号处理过程造成的大量误差；同时，在多次测量时，采用先代入公式计算一组数据的RCS，后对所有RCS进行累积的方法，成功利用定标体信号对于目标的相参作用，有效消除了由于外部干扰产生的相位噪声及衰减，保证了RCS测量的准确性。
本发明一方面提供一种室外场RCS测量方法，包括：采集至少一组回波信号，所述至少一组回波信号中的任一组包括对应于同一发射信号的、中心频率相等的目标中频回波信号、及定标体中频回波信号；针对任一组回波信号，将该组回波信号中的目标中频回波信号进行模数转换生成第一数字信号；将该组回波信号中的定标体中频回波信号进行模数转换生成第二数字信号；对第一数字信号进行快速傅里叶变换，得到第一复量信号，根据第一复量信号获取第一电场强度；对第二数字信号进行快速傅里叶变换，得到第二复量信号，根据第二复量信号获取第二电场强度；根据第一电场强度及第二电场强度计算基于该组回波信号的候选RCS；若采集的回波信号为一组，将基于该组回波信号的候选RCS作为目标RCS；所述第一电场强度为第一复量信号中，频率等于目标中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度；所述第二电场强度为第二复量信号中，频率等于定标体中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度。
优选地，若采集的回波信号至少为两组，将基于每一组回波信号的候选RCS的算术平均值作为目标RCS。
优选地，根据满足公式1的采样频率及采样点数对目标中频回波信号、及定标体中频回波信号进行模数转换；
公式1
其中，fm为目标中频回波信号中心频率；fs为采样频率；N为采样点数；k为正整数。
优选地，根据第一复量信号获取第一电场强度具体包括：选取第一复量信号中第(k+1)个频点对应的电场强度作为第一电场强度；根据第二复量信号获取第二电场强度具体包括：选取第二复量信号中第(k+1)个频点对应的电场强度作为第二电场强度。
优选地，根据第一电场强度及第二电场强度计算候选RCS具体包括：根据第一电场强度、第二电场强度及公式2计算候选RCS；
公式2
其中，为候选RCS；为候选RCS幅值；为目标固有相位；为第一电场强度；为第二电场强度；Rt为目标到雷达的距离；Rc为定标体到雷达的距离；Cc为定标体理论值；j为虚数单位。
优选地，在对第一数字信号及第二数字信号进行快速傅里叶变换之前，检测并去除第一数字信号及第二数字信号中的直流偏置分量。
本发明还提供一种室外场RCS测量系统，包括：信号采集单元、模数转换单元、FFT单元、电场强度获取单元、RCS计算单元；其中，
信号采集单元用于采集至少一组回波信号，并将采集的回波信号发送到模数转换单元；所述至少一组回波信号中的任一组包括对应于同一发射信号的、中心频率相等的目标中频回波信号、及定标体中频回波信号；
模数转换单元用于接收回波信号；针对任一组回波信号，将该组回波信号中的目标中频回波信号进行模数转换生成第一数字信号；将该组回波信号中的定标体中频回波信号进行模数转换生成第二数字信号；将第一数字信号及第二数字信号发送到FFT单元；
FFT单元用于对接收的第一数字信号进行快速傅里叶变换，得到第一复量信号；对接收的第二数字信号进行快速傅里叶变换，得到第二复量信号；将第一复量信号及第二复量信号发送到电场强度获取单元；
电场强度获取单元用于根据接收的第一复量信号获取第一电场强度；根据接收的第二复量信号获取第二电场强度，并将第一电场强度及第二电场强度发送到RCS计算单元；
RCS计算单元用于根据接收的第一电场强度及第二电场强度计算基于该组回波信号的候选RCS，并在采集的回波信号为一组时，将基于该组回波信号的候选RCS作为目标RCS；
所述第一电场强度为第一复量信号中，频率等于目标中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度；所述第二电场强度为第二复量信号中，频率等于定标体中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度。
优选地，RCS计算单元还用于在采集的回波信号至少为两组时，将基于每一组回波信号的候选RCS的算术平均值作为目标RCS。
优选地，模数转换单元根据满足公式1的采样频率及采样点数对目标中频回波信号、及定标体中频回波信号进行模数转换；
公式1
电场强度获取单元选取第一复量信号中第(k+1)个频点对应的电场强度作为第一电场强度，选取第二复量信号中第(k+1)个频点对应的电场强度作为第二电场强度。
优选地，RCS计算单元基于第一电场强度、第二电场强度及公式2计算候选RCS；
公式2
其中，为候选RCS；为候选RCS幅值；为目标固有相位；
为第一电场强度；为第二电场强度；Rt为目标到雷达的距离；Rc为定标体到雷达的距离；Cc为定标体理论值；j为虚数单位。
根据本发明提供的室外场RCS测量方法及系统，能够有效减小现有技术中多个信号处理过程产生的误差，并利用目标与定标体的相干特性消除相位噪声，提高测量结果精确性。同时，本发明提供的室外场RCS测量方法及系统便于设计，不依赖于系统稳定性，只与RCS的具体测量过程相关，适合在工程应用中推广。
附图说明
图1是本发明的室外场RCS测量方法示意图；
图2是本发明的室外场RCS测量方法及系统的定标示意图；
图3是本发明的室外场RCS测量方法及系统的第一电场强度获取示意图；
图4是本发明的室外场RCS测量方法及系统的第二电场强度获取示意图；
图5是本发明的室外场RCS测量方法及系统的测量结果图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下参照附图并举出优选实施例，对本发明进一步详细说明。然而，需要说明的是，说明书中列出的许多细节仅仅是为了使读者对本发明的一个或多个方面有一个透彻的理解，即便没有这些特定的细节也可以实现本发明的这些方面。
本发明考虑到现有的室外场RCS测量中多次架设定标的方法严重依赖于系统的稳定度，测量的具体过程无法决定最后的测量结果，故采用稳定性及可靠性较高的异地定标方法。同时，利用性能大幅提升的模数转换单元及数字信号处理单元，直接在中频对回波信号进行采样得到数字IQ信号，进而根据该数字IQ信号计算目标RCS，极大减小了现有技术信号处理过程中产生的大量误差。另外，在多次测量时，采用先代入公式计算每次测量的RCS，后对所有结果进行累积的方法，成功利用定标体信号对于目标的相参作用，有效地消除了由于外部干扰产生的相位噪声及衰减，保证了RCS测量的准确性。
本发明一方面提供一种室外场RCS测量方法，如图1所示，包括：
S1.采集至少一组回波信号，所述至少一组回波信号中的任一组包括对应于同一发射信号的、中心频率相等的目标中频回波信号、及定标体中频回波信号；针对任一组回波信号，将该组回波信号中的目标中频回波信号进行模数转换生成第一数字信号；将该组回波信号中的定标体中频回波信号进行模数转换生成第二数字信号。
步骤S1中任一组回波信号中的目标中频回波信号、及定标体中频回波信号为同一雷达发射信号经过目标及定标体散射，又经过射频到中频的下变频处理而形成的，二者是高度相干的信号，包含相同的相位噪声，定标体中频回波信号形成目标RCS测量的相参信号。步骤S1通过直接在中频采样得到数字信号，减小了现有技术中对模拟信号处理产生的大量误差，有效提高了测量精度。
在本发明优选实施例中，根据满足公式1的的采样频率及采样点数对目标中频回波信号、及定标体中频回波信号进行模数转换；
公式1
其中，fm为目标中频回波信号中心频率；fs为采样频率；N为采样点数；k为正整数。
上述操作设置了采样频率及采样点数，为后续电场强度的获取提供了依据。
优选地，目标中频回波信号中心频率，等于定标体中频回波信号中心频率，为60MHz，采样频率为240MHz。
采样点数根据测量具体环境及测量精度要求确定；优选地，采样点数为128。
S2.对第一数字信号进行快速傅里叶变换(FFT)，得到第一复量信号，根据第一复量信号获取第一电场强度；对第二数字信号进行快速傅里叶变换，得到第二复量信号，根据第二复量信号获取第二电场强度；第一电场强度为第一复量信号中，频率等于目标中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度；第二电场强度为第二复量信号中，频率等于定标体中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度。
在步骤S2中，对经过模数转换的目标中频回波信号、及定标体中频回波信号进行快速傅里叶变换，进而获取第一电场强度及第二电场强度，从而计算出目标RCS。避免了现有技术从中频到基带的变频及解调、滤波，消除了系统在各环节的累积误差，简化了系统硬件配置，减小了RCS测量的数据运算量，有助于快速准确地实现RCS的测量。
在本发明优选实施例中，选取第一数字信号中的一部分采样点进行快速傅里叶变换，所述一部分采样点包括至少一个第一数字信号周期内的全部采样点。
在本发明优选实施例中，选取第二数字信号中的一部分采样点进行快速傅里叶变换，所述一部分采样点包括至少一个第二数字信号周期内的全部采样点。
以上两个步骤能够进一步减小快速傅里叶变换的运算量，提高目标RCS的计算速度。
在本发明优选实施例中，根据第一复量信号获取第一电场强度具体包括：
选取第一复量信号中第(k+1)个频点对应的电场强度作为第一电场强度；
根据第二复量信号获取第二电场强度具体包括：
选取第二复量信号中第(k+1)个频点对应的电场强度作为第二电场强度。
在上述步骤中，第一复量信号中第(k+1)个频点的频率等于目标中频回波信号中心频率；第二复量信号中第(k+1)个频点的频率等于定标体中频回波信号中心频率。本领域技术人员理解，第一复量信号、第二复量信号中的各频点按照频率从小到大的顺序排列，上述步骤中频点的选取即根据此顺序。
S3.根据第一电场强度及第二电场强度计算基于该组回波信号的候选RCS；若采集的回波信号为一组，将基于该组回波信号的候选RCS作为目标RCS。
在本发明优选实施例中，根据第一电场强度及第二电场强度计算候选RCS具体包括：根据第一电场强度、第二电场强度及公式2计算候选RCS；
公式2
其中，为候选RCS；为候选RCS幅值；为目标固有相位；为第一电场强度；为第二电场强度；Rt为目标到雷达的距离；Rc为定标体到雷达的距离；Cc为定标体理论值；j为虚数单位。
其中，为候选RCS幅值修正项；exp[4πj(Rt-Rc)]为候选RCS相位修正项；的测量结果对RCS测量有直接影响。由于及(Rt-Rc)的测量属于现有技术，此处不再赘述。
在本发明优选实施例中，本发明的室外场RCS测量方法还包括：若采集的回波信号至少为两组，将基于每一组回波信号的候选RCS的算术平均值作为目标RCS。
上述步骤实现了对多组RCS测量结果的累积。现有技术在多次采集目标、定标体的中频回波信号计算RCS时，通常是根据测量数据分别计算目标、定标体回波中心频率值对应的电场强度的平均值，再代入RCS计算公式求得结果。该方法多次测试累积生成的目标及定标体的上述电场强度并不相干，测试场内外各种有源无源干扰会严重影响由此计算的目标RCS的准确性。本发明在多次测量时，采用先代入公式计算(分别计算每组信号的RCS)，后进行累积(求所有RCS的平均值)的方法，成功利用定标体信号对于目标的相参作用，消除由于外部干扰产生的相位噪声及衰减，保证了RCS测量结果的准确性。
以上步骤通过计算多次测量结果的算术平均值实现累积，得到的目标RCS的信噪比提高为M倍(M为采集并测量的回波信号组数，M为大于1的正整数)，如公式3所示：
公式3
其中，χ为上述方法计算的目标RCS的信噪比；C0为系统常数；为上述方法获取目标RCS的噪声功率。
在本发明优选实施例中，在对第一数字信号及第二数字信号进行快速傅里叶变换之前，检测并去除第一数字信号及第二数字信号中的直流偏置分量。
本发明通过对中频回波信号进行处理实现RCS的计算，小的直流偏置分量不会对处理结果产生较大影响，但若直流偏置分量太大，其带来的高次谐波会影响到目标及定标体回波信号的获取，故在对第一数字信号及第二数字信号进行快速傅里叶变换之前，通过采集卡检测第一数字信号及第二数字信号中的直流偏置分量，并分别在第一数字信号及第二数字信号中予以去除。
在本发明优选实施例中，利用最小线性二乘法，通过对定标体的多个中频回波信号的估计，能够得到上述直流偏置分量。
本发明另一方面提供一种室外场RCS测量系统，包括：信号采集单元、模数转换单元、FFT单元(快速傅里叶变换单元)、电场强度获取单元、RCS计算单元；其中，
信号采集单元用于采集至少一组回波信号，并将采集的回波信号发送到模数转换单元；所述至少一组回波信号中的任一组包括对应于同一发射信号的、中心频率相等的目标中频回波信号、及定标体中频回波信号；
模数转换单元用于接收回波信号；针对任一组回波信号，将该组回波信号中的目标中频回波信号进行模数转换生成第一数字信号；将该组回波信号中的定标体中频回波信号进行模数转换生成第二数字信号；将第一数字信号及第二数字信号发送到FFT单元；
FFT单元用于对接收的第一数字信号进行快速傅里叶变换，得到第一复量信号；对接收的第二数字信号进行快速傅里叶变换，得到第二复量信号；将第一复量信号及第二复量信号发送到电场强度获取单元；
电场强度获取单元用于根据接收的第一复量信号获取第一电场强度；根据接收的第二复量信号获取第二电场强度，并将第一电场强度及第二电场强度发送到RCS计算单元；
RCS计算单元用于根据接收的第一电场强度及第二电场强度计算基于该组回波信号的候选RCS，并在采集的回波信号为一组时，将基于该组回波信号的候选RCS作为目标RCS；
第一电场强度为第一复量信号中，频率等于目标中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度；第二电场强度为第二复量信号中，频率等于定标体中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度。
在本发明优选实施例中，本发明中的定标体为定标球。
在本发明优选实施例中，RCS计算单元还用于在采集的回波信号至少为两组时，将基于每一组回波信号的候选RCS的算术平均值作为目标RCS。
在本发明优选实施例中，模数转换单元通过满足公式1的采样频率及采样点数对目标中频回波信号、及定标体中频回波信号进行模数转换；
公式1
电场强度获取单元选取第一复量信号中第(k+1)个频点对应的电场强度作为第一电场强度，选取第二复量信号中第(k+1)个频点对应的电场强度作为第二电场强度。
在本发明优选实施例中，RCS计算单元根据第一电场强度及第二电场强度及公式2计算候选RCS；
公式2
其中，为候选RCS；为候选RCS幅值；为目标固有相位；为第一电场强度；为第二电场强度；Rt为目标到雷达的距离；Rc为定标体到雷达的距离；Cc为定标体理论值；j为虚数单位。
图2是本发明的室外场RCS测量方法及系统的定标示意图，图中A为雷达，C为定标体，T为目标。
图3是本发明的第一电场强度获取示意图。图中示出，第一复量信号中第(k+1)个频点的频率等于目标中频回波信号的中心频率，选取该频点(即图中的中频频响)对应的电场强度作为第一电场强度。(图中只示出了电场强度幅值)
图4是本发明的第二电场强度获取示意图。图中示出，第二复量信号中第(k+1)个频点的频率等于定标体中频回波信号的中心频率，选取该频点(即图中的中频频响)对应的电场强度作为第二电场强度。(图中只示出了电场强度幅值)
图5是本发明的测量结果图，图中1是根据本发明的室外场RCS测量方法得到的目标RCS测量值，2是目标RCS理论值。可以看到，测量值与理论值高度吻合，说明本发明的室外场RCS测量方法具备较高的准确性和工程实用性。
本发明能够消除由于外部干扰产生的相位噪声及衰减，并减小RCS测试的误差，保证RCS测量的准确性。同时便于设计，适合在工程应用中推广。
本领域普通技术人员可以理解实现上述实施例方法中的全部或部分步骤是可以通过程序来指令相关的硬件来完成，该程序可以存储于一计算机可读取存储介质中，如：ROM/RAM、磁碟、光盘等。
以上所述仅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，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种室外场RCS测量方法，其特征在于，包括：
采集至少一组回波信号，所述至少一组回波信号中的任一组包括对应于同一发射信号的、中心频率相等的目标中频回波信号、及定标体中频回波信号；
针对任一组回波信号，将该组回波信号中的目标中频回波信号进行模数转换生成第一数字信号；将该组回波信号中的定标体中频回波信号进行模数转换生成第二数字信号；
对第一数字信号进行快速傅里叶变换，得到第一复量信号，根据第一复量信号获取第一电场强度；对第二数字信号进行快速傅里叶变换，得到第二复量信号，根据第二复量信号获取第二电场强度；
根据第一电场强度及第二电场强度计算基于该组回波信号的候选RCS；
若采集的回波信号为一组，将基于该组回波信号的候选RCS作为目标RCS；
所述第一电场强度为第一复量信号中，频率等于目标中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度；所述第二电场强度为第二复量信号中，频率等于定标体中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度。
2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，若采集的回波信号至少为两组，将基于每一组回波信号的候选RCS的算术平均值作为目标RCS。
3.如权利要求2所述的方法，其特征在于，根据满足公式1的采样频率及采样点数对目标中频回波信号、及定标体中频回波信号进行模数转换；
其中，fm为目标中频回波信号中心频率；fs为采样频率；N为采样点数；k为正整数。
4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，根据第一复量信号获取第一电场强度具体包括：
选取第一复量信号中第k+1个频点对应的电场强度作为第一电场强度；
根据第二复量信号获取第二电场强度具体包括：
选取第二复量信号中第k+1个频点对应的电场强度作为第二电场强度。
5.如权利要求4所述的方法，其特征在于，根据第一电场强度及第二电场强度计算候选RCS具体包括：根据第一电场强度、第二电场强度及公式2计算候选RCS；
其中，为候选RCS；为候选RCS幅值；为目标固有相位；为第一电场强度；为第二电场强度；Rt为目标到雷达的距离；Rc为定标体到雷达的距离；Cc为定标体理论值；j为虚数单位。
6.如权利要求1-5任一所述的方法，其特征在于，在对第一数字信号及第二数字信号进行快速傅里叶变换之前，检测并去除第一数字信号及第二数字信号中的直流偏置分量。
7.一种室外场RCS测量系统，其特征在于，包括：信号采集单元、模数转换单元、FFT单元、电场强度获取单元、RCS计算单元；其中，
信号采集单元用于采集至少一组回波信号，并将采集的回波信号发送到模数转换单元；所述至少一组回波信号中的任一组包括对应于同一发射信号的、中心频率相等的目标中频回波信号、及定标体中频回波信号；
模数转换单元用于接收回波信号；针对任一组回波信号，将该组回波信号中的目标中频回波信号进行模数转换生成第一数字信号；将该组回波信号中的定标体中频回波信号进行模数转换生成第二数字信号；将第一数字信号及第二数字信号发送到FFT单元；
FFT单元用于对接收的第一数字信号进行快速傅里叶变换，得到第一复量信号；对接收的第二数字信号进行快速傅里叶变换，得到第二复量信号；将第一复量信号及第二复量信号发送到电场强度获取单元；
电场强度获取单元用于根据接收的第一复量信号获取第一电场强度；根据接收的第二复量信号获取第二电场强度，并将第一电场强度及第二电场强度发送到RCS计算单元；
RCS计算单元用于根据接收的第一电场强度及第二电场强度计算基于该组回波信号的候选RCS，并在采集的回波信号为一组时，将基于该组回波信号的候选RCS作为目标RCS；
所述第一电场强度为第一复量信号中，频率等于目标中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度；所述第二电场强度为第二复量信号中，频率等于定标体中频回波信号中心频率的频点对应的电场强度。
8.如权利要求7所述的系统，其特征在于，RCS计算单元还用于在采集的回波信号至少为两组时，将基于每一组回波信号的候选RCS的算术平均值作为目标RCS。
9.如权利要求8所述的系统，其特征在于，模数转换单元根据满足公式1的采样频率及采样点数对目标中频回波信号、及定标体中频回波信号进行模数转换；
电场强度获取单元选取第一复量信号中第k+1个频点对应的电场强度作为第一电场强度，选取第二复量信号中第k+1个频点对应的电场强度作为第二电场强度；
其中，fm为目标中频回波信号中心频率；fs为采样频率；N为采样点数；k为正整数。
10.如权利要求9所述的系统，其特征在于，RCS计算单元基于第一电场强度、第二电场强度及公式2计算候选RCS；
其中，为候选RCS；为候选RCS幅值；为目标固有相位；为第一电场强度；为第二电场强度；Rt为目标到雷达的距离；Rc为定标体到雷达的距离；Cc为定标体理论值；j为虚数单位。
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