CN106485071B - 一种多层分组结构快速近远场转换方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种多层分组结构的快速近远场转换方法，根据加法定理将近场散射用多层平面波分解，得到反射率谱与近场散射之间的关系式，该关系式可离散化为矩阵方程。对于电大尺寸目标，上述矩阵方程的未知数数目巨大，直接求解或用迭代的方式求解都要耗费巨大的计算量和计算机内存。为此，本发明利用加法定理，将转移算子作用在于高层级组中心，将平面波分解到下一层组的中心，该过程以递归的方式进行，直到最后一次分解作用在采样点上。本发明可处理任意位置任意极化采样的近场数据，极大化简了近场测试系统，有效降低了算法复杂度和计算机内存需要。
Description
技术领域
本发明所涉及的是目标电磁散射与逆散射领域，尤其涉及电磁散射的快速近远场转换技术。
背景技术
近年来发展活跃的RCS(雷达散射截面)近场测试技术，是指在不满足远场条件的近场进行测试，再通过近远场转换得到目标RCS的一种测试与计算结合的技术。当目标电尺寸较大时，远场条件变得异常苛刻，难以在实验场实现。近场测试仅需要在几倍目标尺寸的有限实验场进行，具有低廉便捷的特点。但近场测试需要对测试数据进行近远场转换处理才能得到远场RCS数据，所以近远场转换算法是上述近场测试技术的关键。
目前可工程应用的近远场转换算法均基于一阶Born近似，这些算法几乎都严格要求在平面、球面或柱面上均匀采样，并且要求具有严格一致的极化状态，以适应利用快速傅里叶变换(FFT)算法加速的近远场转换方法。这种普遍采用FFT加速的均匀采样近远场转换算法又分为两种，一种在处理过程中会产生目标图像，一种不会产生目标图像。然而，在检索到的国内外公开及有限范围发表的文献中，并未将有基于多层分组结构快速算法来进行RCS近远场转换。
发明内容
本发明的目的在于通过一种多层分组结构快速近远场转换方法，处理任意位置采样的近场数据，算法复杂度低，适用性强，为目标RCS获取提供一种快速便捷的方法。
为了达到上述目的，本发明的技术方案是提供一种多层分组结构快速近远场转换方法：
步骤1：以目标中心为球心，在最近和最远半径所确定的测试区域内，使用任意天线在任意位置进行近场散射单站采样，记录每个测试点的天线接收电压及测试点位置；
步骤2：以所有的测试点形成一个多层分组结构，对测试区域进行划分，将落入同一设定区域的测试点组成底级组，将邻近的底级组构成其上一级组，依次类推组成N级分组，其中第N级分组为最高级组；
步骤3：进行近场散射的多层平面波分解，将转移算子作用于最高级组的组中心，得到最高级组的反射率谱；
步骤4：将反射率谱以递归的形式，从最高级组中心依次配置到底级组中心；每一次配置操作，都要在当前一级分组的反射率谱函数上乘以外插系数，以转变得到其下一级分组的反射率谱函数，直到配置到实际的测试点；
步骤5：使用高斯-勒让德积分格式数值，实现多层平面波分解中单位角谱球上的积分；
步骤6：使用广义最小余量法进行迭代计算，重复步骤3、4、5，直到迭代收敛；
步骤7：计算目标RCS。
基于优选的实施例可知，本发明所述多层分组结构的快速近远场转换算法，根据加法定理将目标散射近场用多层平面波展开，写成转移算子与目标反射率方向图函数在单位角谱球上的积分，可以离散化成矩阵求解问题。对于电大尺寸目标，由于未知数数目巨大，上述矩阵求解问题需要耗费巨大的内存和计算量，本发明使用多层分组结构加速方程组迭代求解过程中矩阵矢量乘的速度，可以极大的降低算法复杂度和内存需要。
本发明带来以下有益效果：
本发明提出一种多层分组结构的近远场转换算法，其优点在于，由于避免使用FFT算法，所以不必在近场规则平面上均匀采样，而只需在近场任意位置采样，避免了转台或扫描架等定位设备的使用，极大化简了近场测试系统；由于使用了多层分组结构，减少了矩阵迭代求解中的转移和乘法运算，极大的降低了算法复杂度和计算机内存需要。
本发明可处理任意位置任意极化采样的近场数据，摆脱了基于FFT算法均匀采样的束缚，但可以达到和FFT算法相同量级的算法复杂度。
附图说明
图1是本发明中多层分组结构近远场转换算法流程图；
图2是本发明中采样点多层分组结构示意图；
图3是本发明中多层分组结构的转移-分配计算方案。
具体实施方式
以下结合附图说明本发明的较佳实施例。
本发明的计算方法原理如下：
将目标反射率方向图与测试近场之间多层平面波表达式离散化成矩阵方程，则近远场转换问题变成矩阵方程求逆问题。对于电大尺寸目标，描述目标近场电磁散射特性的平面波阶数越高，采样数目就越大，如果对每一个采样点都进行平面波转移，则矩阵求逆问题的计算量将变得很大。为了降低算法复杂度，本发明使用多层分组结构加速积分方程求解。
如图1所示为本发明中多层分组结构近远场转换算法流程图。首先对采样位置任意分布的采样区域进行分组，组成多层分组结构；然后将反射率谱以递归的形式从父级组中心配置-外插到其子级组中心，直至实际采样点；接着进行数值积分，并以广义最小余量法原则判断算法是否收敛，如果没有收敛则重复前向算子，如果收敛则计算目标RCS。
具体步骤如下：
步骤1：以目标中心为球心，在最近和最远半径所确定的区域内，使用任意天线在任意位置进行近场散射单站采样，记录每个测试点(采样点)的天线接收电压及测试点位置；设测试点数为M。
步骤2：为了达到最佳计算效率，对测试区域进行划分，落入同一区域的测试点成为最底级的组，邻近的底级组构成其上一级组，依次类推，直到组成最高级组(第N级)，即，通过所有的测试点形成一个多层分组结构，其中的每一个上级组都是由其下级组组成的，测试点本身所在的组就是最底级组。
图2为采样点的多层分组结构的示意图，以目标中心为坐标原点，是测试点矢量；是最高级(N级)组中心矢量，是从第N级组中心到第N-1级组中心的矢量，依此类推；是第n+1级组中心到第n级组中心矢量，是第1级组中心到最底级(0级)组中心矢量；是最底级组中心到测试点矢量，由图2可见，测试点矢量为各级组中心矢量的叠加：
步骤3：近场散射的多层平面波分解公式为：
为入射波矢，k和分别是波数和波矢方向，Z是自由空间中的波阻抗，Ui是入射电压，为测试点矢量，rA和分别是测试点相对于原点的距离和方向；TL是转移算子，其表达式为：
表示在Ewald(埃瓦尔德)球上的积分，是Ewald积分球上的第l个积分矢量，分别是最底级组中心到测试点的矢量、距离及方向。是第二类球汉克尔函数，是勒让德多项式。
ηS是与距离无关的因子，表达式为
是测试天线方向图，是与目标的几何外形、介电常数、磁导率等自身固有性质有关的函数，可知根据后面的推导结果该函数并不需要显示表达出来。
将转移算子作用于第N级分组的组中心，得到第N级分组的反射率谱；
步骤4：将反射率谱以递归的形式从最高级组中心依次配置到底级组中心，图3为基于多层分组结构的转移-分配计算方案。每一次配置操作，都要在反射率谱函数上乘以外插系数，以转变成其下一级反射率谱函数，从而降低配置过程带来的幅度误差：
其中即外插系数，即每次外插过程都要乘以所在级的组中心与其上一级组中心的距离比，以降低配置带来的幅度衰减。其中，是波矢，是所在级的组中心与其上一级组中心之间的矢量，即步骤2中所述中的一个。是配置过程中的因子。配置-外插过程直至达到实际的测试点，可见配置是从父级组中心向子级组中心的简单相移(称N级中某两个具有上下级关系的分级为父级组和子级组)。
步骤5：使用Gauss-Legendre(高斯-勒让德)分格式数值实现步骤3中式(1)中单位角谱球上的积分。首先计算积分的积分点数KL
KL＝2(L+1)2 (6)
L是转移算子TL的截断阶数，其选取需要满足如下条件
L＝kd+αlog(π+kd) (7)
d是测试天线与目标的距离，α＝-lgε，ε是算法所要达到的精度。所有分配反射率谱的叠加，等于所有直接转移到测试点的反射率谱的叠加，此即加法定理。
步骤6：使用广义最小余量法(GMRES)进行迭代计算，重复步骤3、4、5，直到迭代收敛，如图1所示流程图所示。
步骤7：根据RCS与目标反射率方向图之间的关系获得目标RCS。
综上所述，本发明使用加法定理将近场散射用多层平面波分解，得到反射率谱与近场散射之间的关系式(1)，该关系式可离散化为矩阵方程。对于电大尺寸目标，上述矩阵方程的未知数数目巨大，直接求解或用迭代的方式求解都要耗费巨大的计算量和计算机内存。
本发明提出的多层分组结构算法，不直接求解上述矩阵方程，而是利用加法定理，将转移算子作用在于高层级组中心，将平面波分解到下一层组的中心。该过程以递归的方式进行，直到最后一次分解作用在采样点上。由于平面波谱容量随着分组大小而降低，从而降低采样率和总体算法复杂度，这是该算法复杂度达到O((kD)2log(kD)2)量级的主要原因所在(D是目标的最大尺度)。
尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。
Claims (2)
1.一种多层分组结构快速近远场转换方法，其特征在于，
步骤1：以目标中心为球心，在最近和最远半径所确定的测试区域内，使用任意天线在任意位置进行近场散射单站采样，记录每个测试点的天线接收电压及测试点位置；
步骤2：以所有的测试点形成一个多层分组结构，对测试区域进行划分，将落入同一设定区域的测试点组成底级组，将邻近的底级组构成其上一级组，依次类推组成N级分组，其中每一级分组由其下一级分组组成，第N级分组为最高级组，测试点本身所在的组是最底级的组；
步骤3：进行近场散射的多层平面波分解，将转移算子作用于最高级组的组中心，得到最高级组的反射率谱；
步骤4：将反射率谱以递归的形式，从最高级组中心依次配置到底级组中心；每一次配置操作，都要在当前一级分组的反射率谱函数上乘以外插系数，以转变得到其下一级分组的反射率谱函数，直到配置到实际的测试点；
步骤5：使用高斯-勒让德积分格式数值，实现多层平面波分解中单位角谱球上的积分；
步骤6：使用广义最小余量法进行迭代计算，重复步骤3、4、5，直到迭代收敛；
步骤7：计算目标RCS；
设定一因子其与第N级分组的反射率谱的关系式为
TL为转移算子，其作用于第N级分组中心；为入射波矢，k和分别是波数和波矢方向；是第N级分组中心矢量；
通过递归形式，将反射率谱从第N级分组中心依次配置到底级组中心，每一次配置操作为
外插系数 为当前配置所在的第n级组中心与其上一级第n+1级组中心的距离比；是第n级组中心与第n+1级组中心之间的矢量；
在判断迭代收敛后，将递归所得的底级组中心的反射率谱替代所述关系式中第N级分组的反射率谱，来求取因子进而对目标RCS进行计算
其中，Z是自由空间中的波阻抗。
2.如权利要求1所述的多层分组结构快速近远场转换方法，其特征在于，近场散射的多层平面波分解公式为：
转移算子TL的表达式为：
Ui是入射电压，为测试点矢量，rA和分别是测试点相对于原点的距离和方向；r′m、分别是底级组中心到测试点的矢量、距离及方向；是第二类球汉克尔函数，是勒让德多项式；
表示在埃瓦尔德球上的积分，是埃瓦尔德积分球上的第l个积分矢量；使用高斯-勒让德积分格式数值，计算的积分点数KL＝2(L+1)2；L是转移算子TL的截断阶数，其选取需要满足条件L＝kd+αlog(π+kd)，d是测试天线与目标的距离，α＝-lgε，ε是所要达到的精度。
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Citations (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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| CN102608591A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-07-25 | 西北工业大学 | 一种基于相位修正的rcs外推方法 |
| CN105372640A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-03-02 | 上海无线电设备研究所 | 基于多层平面波分解的一维单站rcs近远场转换方法 |
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|---|---|---|---|---|
| US6639548B2 (en) * | 2000-05-26 | 2003-10-28 | Donald E. Voss | Method for creation of planar or complex wavefronts in close proximity to a transmitter array |
| CN102401893A (zh) * | 2010-09-10 | 2012-04-04 | 上海无线电设备研究所 | 一种近场目标对称极化rcs测试方法 |
| CN102608591A (zh) * | 2012-03-30 | 2012-07-25 | 西北工业大学 | 一种基于相位修正的rcs外推方法 |
| CN105372640A (zh) * | 2015-11-19 | 2016-03-02 | 上海无线电设备研究所 | 基于多层平面波分解的一维单站rcs近远场转换方法 |
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