CN106526562A - 一种基于天线方向图修正计算目标rcs的方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于天线方向图修正计算目标RCS的方法，以基于成像的近远场变换方法为基础，借用微波成像的思想，建立起目标的二维像与近场回波、目标散射特性的关系，无需在处理过程中成像，能够实现近场数据的准确外推。由于在计算单站近场回波回波散射时考虑了天线方向图的影响，因而对目标近场数据的表述更为准确；使用近似天线方向图函数代替真实天线方向图函数，且在外推过程中对天线方向图的影响给予修正，简化了构建方向图函数的复杂度，并减小了计算目标RCS的误差。

Description

一种基于天线方向图修正计算目标RCS的方法

技术领域

本发明属微波测量领域，具体涉及一种修正天线方向图对单站近场回波散射数据的影响，并外推获取目标RCS的方法。

背景技术

为了更好的设计和评估武器的隐身性能，需要能够精准的测量目标的RCS。测量RCS需要在测试距离上满足远场测量条件。常规的RCS测量方法主要包括室外RCS测试场测量、紧缩场缩距测量和室内微波暗室测量，均已发展到相当成熟的阶段。大型室外场和紧缩场均可以满足测量目标RCS所需的远场测试距离。但是室外场受天气和环境的影响较大，保密性不强；紧缩场的抛物面反射器要求很高的加工精度，使得系统的代价非常昂贵。室内微波暗室测量具有很强的抗干扰性，保密性好，测试效率高，已成为很多研究机构获取目标散射特性的主要方法。由于微波暗室的空间有限，对于电大目标往往难以满足远场测量条件，需要对接收到的目标近场测试数据进行近远场变换。文献“外推和几何修正在天线方向图修正中的应用，国外电子测量技术，2013，Vol32(7)，p41-43”公开了一种利用近场测量数据外推目标散射特性的方法。该方法根据电磁基本理论，用矢量磁位表示回波电场，通过一系列的数学推演，实现了对近场数据的外推。该文献的天线方向图修正考虑的是目标没有准确放在转台中心时所造成的误差，并针对此误差进行几何相位修正，在实际测量过程中可以通过准确的摆放予以避免。此外，文献所述方法假设收发天线是各项同性的，通过对柱面波展开实现外推。实际测量中测试距离越短，天线的方向图对回波功率造成的影响越难以忽略，不考虑天线方向图的影响单纯的进行外推，可能会造成较大的误差，不具有实用性。

发明内容

为了克服现有方法不能修正天线方向图影响的问题，本发明提供一种基于天线方向图修正计算目标RCS的方法。该方法以基于成像的近远场变换方法为基础，借用微波成像的思想，建立起目标的二维像与近场回波、目标远场散射的关系，无需在处理过程中成像，能够实现近场数据的准确外推。

一种基于天线方向图修正计算目标RCS的方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：确定近似的天线方向图：

在天线照射目标角域内，利用三角函数10^{A·((B*cos(Cψ)-B)/10)}对测试天线的方向图函数进行近似，通过改变A、B、C的值得到近似的天线方向图函数A(ψ)，满足近似误差小于0.5dB；其中，ψ为天线到目标上任意一点与天线最大辐射方向的夹角；

步骤二：构建预处理数据：

首先，在微波暗室中对目标进行单站转台测量，并考虑天线方向图影响，得到目标的单站近场回波散射为：

其中，为以转台中心为原点的极坐标系下天线的转角，k为波数，按k＝2πf/c计算，f为天线的测试频率，c为光速，为目标区域的二维像，为目标上任意一点的极坐标，ρ′表示这个点到转台中心的距离，表示这个点在极坐标系下的角度，为天线到点的距离，ρ₀为天线到转台中心的距离。

然后，按下式构建目标的预处理数据为：

其中，表示成像距离，Δf是转台测量的步进频率。

步骤三：计算单站远场散射方向图：

根据目标的预处理数据，按下式计算目标的单站远场散射方向图为：

其中，N≥2ka_ant+10，为目标单站模式下的截取范围，a_ant为柱坐标下包围目标的最小半径，P_n(2kρ₀)为天线的响应恒量，按计算，M≥2ka_ant，为第一类n+m阶汉克尔函数，T是近似天线方向图函数A(ψ)的周期。

步骤四：计算定标体的单站远场散射方向图：以定标体为目标，重复步骤二和三，计算得到定标体的单站远场散射方向图

步骤五：计算目标的RCS：

根据目标和定标体的单站远场散射方向图，由下式定标计算得到目标的RCS：

其中，σ为目标的RCS，σ₀为定标体的RCS。

本发明的有益效果是：由于在计算单站近场回波回波散射时考虑了天线方向图的影响，因而对目标近场数据的表述更为准确；使用近似天线方向图函数代替真实天线方向图函数，且在外推过程中对天线方向图的影响给予修正，简化了构建方向图函数的复杂度，并减小了计算目标RCS的误差。

附图说明

图1是本发明的一种基于天线方向图修正计算目标RCS的方法的基本流程图。

图2是本发明的一种基于天线方向图修正计算目标RCS的方法中测量近场数据的转台测量模型示意图。

图3是本发明的一种基于天线方向图修正计算目标RCS的方法中喇叭天线的近似天线方向图函数示意图。

图4是本发明的一种基于天线方向图修正计算目标RCS的方法的计算效果示意图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

1、确定近似的天线方向图

对已知的测试天线的方向图函数进行近似处理，使近似函数能够在天线照射目标的角域内与方向图函数的最大误差小于0.5dB，一般可利用三角函数10^{A·((B*cos(Cψ)-B)/10)}对测试天线的方向图函数进行近似，通过改变的A、B、C的值得到近似的天线方向图，近似精度越高修正得越准确。

本实例使用喇叭天线作为测量系统的收发天线，用周期函数10^{4·((17*cos(4ψ)-17)/10)}作为近似的方向图函数A(ψ)带入到下面近场回波数据的表达式中，ψ为天线到目标上任意一点与天线最大辐射方向的夹角，可见近似函数在照射角域内与实际天线方向图的误差在0.3dB以内。

2、构建预处理数据：

首先，采用单站转台测量的方法得到目标的单站近场回波散射数据。在微波暗室中通过矢量网络分析仪，由单站转台测量得到目标的单站近场回波散射数据。由于本专利的方法不涉及降噪处理，若测试背景噪声较大则需事先对回波进行背景对消和加窗降噪处理。由于RCS多用于衡量军用目标的隐身特性，当目标的纵向尺寸足够小时，测试距离在垂直方向上满足远场条件，天线发射的球面波可以近似为柱面波计算。目标的单站近场回波散射可以表示为：

其中

考虑天线方向图的影响时，式(5)变为

其中，三维柱坐标系在纵坐标等于零时为一个二维平面的极坐标系，表示目标的单站近场回波散射，为以转台中心为原点的极坐标系下的天线的转角，k为波数，按k＝2πf/c计算，f为天线的测试频率，c为光速，为目标区域的二维像，即空间的散射率分布函数，为目标上任意一点的极坐标，ρ′表示这个点到转台中心的距离，表示这个点在极坐标系下的角度，R为天线到点的距离，ρ₀为测试天线到转台中心的距离，即测试距离。当天线为各项同性时，A(ψ)＝1。

3、计算单站远场散射方向图。

首先构建目标的预处理数据：

其中，表示成像距离，Δf是转台测量的步进频率。

公式(8)即为权值为R₀ ^3/2的傅里叶变换，可以更加快速的进行运算。将公式(7)的回波数据带入，可得

将A²(ψ)用傅里叶级数展开表示为：

一般可取M≈2ka_ant+10，其中a_ant为柱坐标下包围目标的最小半径。令

在R＞a_ant的单路径场任意空间，此等效天线可以写作

其中，H_m ⁽¹⁾是第一类m阶汉克尔函数。使用汉克尔函数大宗量近似：

最终可得：

水平面上的单站远场散射方向图可以表示为：

由于式(14)和(15)都与目标的二维像相关，故可以以为中间变量，用表示使用柱面波展开：

得到目标的单站远场散射方向图为：

其中，N≥2ka_ant+10，为目标单站模式下的截取范围，定义天线的响应恒量P_n(2kρ₀)为：

其中H_n+m ⁽¹⁾是第一类n+m阶汉克尔函数，T是近似天线方向图函数的周期。在外推过程中式(15)起到了修正天线方向图影响的作用。

4、计算目标的RCS：

首先，目标的归一化RCS可以用下式计算得到：

其中，σ′为目标的归一化RCS，是的最大值，归一化RCS可充分表征目标的RCS在测量角域内的分布情况，且无需测量和处理定标体数据，节省了一半的操作流程。

如要获得目标具体的RCS，则需对一个RCS已知的定标体进行同样的数据外推处理，即以定标体为目标，重复步骤2-3，计算得到定标体的单站远场散射方向图。目标的RCS可经由下式定标得到：

其中，σ为目标的RCS，表示定标体的单站远场散射方向图，σ₀为定标体的RCS。

综上所述，将近似天线方向图函数A(ψ)作为真实的天线方向图带入计算，由式(8)和式(18)构成了基于天线方向图修正计算目标RCS的方法，直接在用单站近场回波散射计算单站远场散射方向图的过程中补偿了天线方向图在目标近场回波散射测量中造成的功率衰减误差，因而可以更加精确的算得目标的RCS。

由于采用基于天线方向图修正计算目标RCS的方法外推目标的近场回波数据，使用近似方向图函数代替真实天线方向图，将天线方向图造成的回波功率衰减在用单站近场回波散射表示单站远场散射方向图的过程中给予补偿，降低了构建方向图函数的难度，可以对暗室近距离测量得到的数据进行更准确的外推处理。在距离越近或天线方向图越窄的情况下越能体现出本发明对方向图修正的效果。本实施例使用函数10^{4·((17*cos(4ψ)}-^17)/10)近似喇叭天线方向图函数，使用一条长度为1m的线目标，测试频率为8～12GHz，共测试201个频点，角域范围为-30°～30°，角度间隔为0.2°，计算10GHz时目标的RCS。目标对应的远场测量条件约为67m，实际测试距离设为5m。由计算结果可知，通过对天线方向图进行修正，计算得到的RCS准确性得到了很大提高，能够将误差控制在1dB以内。

Claims (1)

1.一种基于天线方向图修正计算目标RCS的方法，其特征在于步骤如下：

步骤一：确定近似的天线方向图：

在天线照射目标角域内，利用三角函数10^{A·((B*cos(Cψ)-B)/10)}对测试天线的方向图函数进行近似，通过改变A、B、C的值得到近似的天线方向图函数A(ψ)，满足近似误差小于0.5dB；其中，ψ为天线到目标上任意一点与天线最大辐射方向的夹角；

步骤二：构建预处理数据：

首先，在微波暗室中对目标进行单站转台测量，并考虑天线方向图影响，得到目标的单站近场回波散射为：

其中，为以转台中心为原点的极坐标系下天线的转角，k为波数，按k＝2πf/c计算，f为天线的测试频率，c为光速，为目标区域的二维像，为目标上任意一点的极坐标，ρ′表示这个点到转台中心的距离，表示这个点在极坐标系下的角度，为天线到点的距离，ρ₀为天线到转台中心的距离；

然后，按下式构建目标的预处理数据为：

其中，表示成像距离，Δf是转台测量的步进频率；

步骤三：计算单站远场散射方向图：

根据目标的预处理数据，按下式计算目标的单站远场散射方向图为：

其中，N≥2ka_ant+10，为目标单站模式下的截取范围，a_ant为柱坐标下包围目标的最小半径，P_n(2kρ₀)为天线的响应恒量，按计算，M≥2ka_ant，为第一类n+m阶汉克尔函数，T是近似天线方向图函数A(ψ)的周期；

步骤四：计算定标体的单站远场散射方向图：以定标体为目标，重复步骤二和三，计算得到定标体的单站远场散射方向图

步骤五：计算目标的RCS：

根据目标和定标体的单站远场散射方向图，由下式定标计算得到目标的RCS：

其中，σ为目标的RCS，σ₀为定标体的RCS。