CN108627811B - 用于同时完成多重定标与背景提取测量的定标体设计方法 - Google Patents

用于同时完成多重定标与背景提取测量的定标体设计方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种用于同时完成多重定标与背景提取测量的定标体设计及其处理方法。提出了一种定标体的外形设计，该定标体ECAM是对现有SCAM定标体外形的重要改进：将SCAM外形结构中的圆弧面修改为椭圆弧面，其中椭圆弧面的短轴长度可以根据实际需求进行调节，这样可以改变ECAM多个可用于目标雷达散射截面(RCS)定标的等效标准散射体的RCS比值，有利于满足多重定标的需求。基于该定标体ECAM设计，提出了一种背景辅助测量与提取处理新方法：将ECAM作为辅助测量体进行360°全方位旋转测量，选取ECAM的等效大、小椭球柱所在方位角范围内的测量数据，通过同心圆拟合优化处理，可得到背景信号BI(f)和BQ(f)的精确估计，从而提高后续背景矢量相减和RCS多重定标处理的精度。

Description

用于同时完成多重定标与背景提取测量的定标体设计方法
技术领域
本发明涉及通信和雷达技术领域，特别涉及一种目标雷达散射截面(RCS)测量中用于同时完成多重定标处理与背景提取测量的新型定标体外形设计及其信号处理方法。
背景技术
雷达散射截面(RCS)作为反映目标电磁特性的重要参数，在雷达探测与识别、目标隐身与反隐身研究中具有重要地位。定标处理和背景抵消是目标RCS测量中的重要环节，在很大程度上影响到测量不确定度以及后续数据处理的有效性。在微波暗室和外场RCS静态测量中，一般将被测目标置于低散射支架的转顶上，测量雷达固定不动，支架上的目标作方位旋转，采集旋转目标在不同方位转角下的散射回波并进行定标处理和背景抵消后，得到被测目标的全方位RCS测量数据。典型的外场测量几何关系如图1所示。
目标宽带复散射函数
Figure GDA0003060672910000011
定义为：
Figure GDA0003060672910000012
式中，Ei(f)和Es(f)分别表示雷达入射场(目标处)和目标散射场(雷达天线处)；它同RCS之间的关系为
Figure GDA0003060672910000013
由图1，定标体和待测目标的接收回波功率均满足雷达方程(参见文献E.F.Knott,Radar Cross Section,New York:Van Nostrand Reinhold,1993.)：
Figure GDA0003060672910000014
式中，Pr,Pt分别为雷达接收和发射功率；G为天线增益；λ为雷达波长；R为雷达距离；L为双程传输衰减；σ为目标RCS。
目标RCS测量中的定标可以采用相对定标法，即：同时测量一个其理论RCS已知的标准定标体和RCS未知的待测目标，依据雷达方程(2)，有：
Figure GDA0003060672910000015
Figure GDA0003060672910000021
式(3)和(4)中，VCr(f),VTr(f)分别表示接收机在宽带RCS测量中收到的定标体回波电压和被测目标回波电压；
Figure GDA0003060672910000022
分别表示定标体的理论复散射函数和被测目标的宽带复散射函数；f为雷达频率；c为传播速度。
由式(3)和(4)，目标复散射函数的定标公式为：
Figure GDA0003060672910000023
式中，
Figure GDA0003060672910000024
为被测目标的复散射函数；
Figure GDA0003060672910000025
为被测定标体的理论复散射函数，可通过精确数值计算得到；VCr(f),VTr(f)分别表示雷达接收机接收到的定标体回波电压和被测目标回波电压。
双重定标技术的基本思想是：测量两个其理论RCS值可以精确计算、且两者差异足够大的定标体，其中一个定标体作为“主定标体”，用于导出RCS定标的雷达定标函数；另一个定标体作为“辅助定标体”，用来估计主定标体的不确定度。
假设两个定标体，其理论散射函数分别记为
Figure GDA0003060672910000026
和
Figure GDA0003060672910000027
其测量回波分别记为CP(f)和CS(f)，下标P和S分别代表“主定标体”和“辅助定标体”。经背景抵消处理后，可以得到两者的估计值
Figure GDA0003060672910000028
和
Figure GDA0003060672910000029
主定标体的回波估计值同定标函数H(f)、主定标体散射函数
Figure GDA00030606729100000210
之间的关系为：
Figure GDA00030606729100000211
因此，根据主定标体的回波估计值，可以导出定标函数的估计值为：
Figure GDA00030606729100000212
根据该定标函数，可以得到辅助定标体的测量定标估计值为：
Figure GDA00030606729100000213
由于辅助定标体的理论散射函数
Figure GDA00030606729100000214
是已知的，因此，对辅助定标体测量的绝对误差可计算为(以RCS的量纲m2为单位)：
Figure GDA0003060672910000031
以分贝数表示的辅助定标体测量RCS相对定标误差则为：
Figure GDA0003060672910000032
可见，采用双重定标并通过分析上述测量误差随频率的变化特性，可以获得系统测量不确定度随频率变化的特性，并由此保证宽带RCS测量和定标的准确性。
实际RCS测量中雷达接收到的回波信号为复信号，且受到测试场背景和各种噪声的影响。假设测目标和测定标体时雷达接收到的回波信号可表示为：
ST(f)＝T(f)+BT(f)+NT (11)
和
SC(f)＝C(f)+BC(f)+NC (12)
式中，ST(f)和SC(f)分别表示测目标和测定标体时雷达接收到的回波信号；T(f)表示目标真实回波；C(f)表示定标体真实回波；BT(f)和BC(f)分别表示测目标和测定标体时的背景回波；NT和NC表示噪声影响，且其均值为E{NT}＝E{NC}＝0。上述回波信号均为复数相量。
在实际RCS测量中，一般通过提高雷达发射机功率、采用地面平面场、接收机采用相参积累等技术来提高测量信噪比，使得噪声对测量的影响可以忽略，从而公式(11)和(12)可近似为：
ST(f)＝T(f)+BT(f) (13)
和
SC(f)＝C(f)+BC(f) (14)
为提高RCS测量精度，一般在定标中采用背景矢量相减技术处理，因此目标散射函数的定标方程为：
Figure GDA0003060672910000033
式(15)中，ST(f)和SC(f)分别表示测目标和测定标体时的回波，包含杂波背景；BT(f)和BC(f)分别表示没有放置被测目标或定标体时的回波，即由目标支架及测试场其它杂散回波构成的杂波背景；
Figure GDA0003060672910000041
为目标散射函数(也即复RCS，是需要测量和定标的量)；
Figure GDA0003060672910000042
为定标体的散射函数，是可通过精确理论计算得到的已知量。
因此，背景抵消后的目标RCS测量定标方程为：
Figure GDA0003060672910000043
由式(15)和(16)可见，仅当背景回波BT(f)和BC(f)均能够被测得、并通过背景相减技术处理后，才能消除其对目标RCS测量与定标的影响，实现对目标RCS的精确测量与定标。如果测定标体和测目标时采用放置在同一距离上的同一支架，则测目标时的背景回波BT(f)和测定标体时的背景回波BC(f)是相同的，BT(f)＝BC(f)＝B(f)，故有：
Figure GDA0003060672910000044
在进行目标RCS测试时，对于采用金属支架的测试场，用于背景抵消处理的背景回波无法通过直接测量而得到，因为目标支架顶部安装有转台，在测目标时它被隐藏于被测目标的腹腔内，因此测目标时转顶的回波不会对雷达总回波产生实质性影响。若要测得未安装目标时支架本身的背景回波，需要将目标从支架上移开，而此时隐藏的转顶则显露出来。因此，如何测量支架的背景回波B(f)是实现目标RCS精确定标测量的关键。
目前国际上得到普遍应用的定标装置和背景测量技术包括：
(1)在RCS定标装置的设计方面，通常采用以下定标体：(a)金属定标球；(b)金属圆柱定标体；(c)CAM定标体；(d)SCAM定标体。
(2)在支架背景提取测量方面，通常采用以下技术：
(a)通过细致的低散射设计，使得在感兴趣的测量频段，支架的散射回波远小于目标散射(一般低20dB以上)；
(b)设计一个辅助测量的低散射罩，在测背景时将其置于支架顶部的转顶，这样可将转顶“隐藏”起来。但是，由于金属支架本身RCS电平通常低于-35dBsm，若要精确测量支架的背景回波，要求低散射罩的RCS电平低20dB，也即达到-55dBsm，这显然是不现实的。因此，低散射罩的作用通常只是通过加装低散射罩对“支架+低散射罩”背景测量，验证支架的RCS低于某个门限值而已，这种不够精确的背景测量一般不能直接用于背景抵消处理；
(c)采用背景辅助测量装置，例如能够平移的低散射载体、偏心圆柱等，通过辅助测量和信号处理完成背景提取。
与本发明相关的现有技术分析如下：
现有技术一：金属定标球
金属定标球的优点是其RCS对于定标体放置的姿态不敏感。
现有技术一的缺点：一是在采用低散射金属支架的测试场中，定标球与金属支架之间的耦合散射非常严重，因此金属定标球一般不能用于采用金属支架的RCS测试场；二是采用金属定标球没有解决目标支架的背景测量问题。
现有技术二：采用在支架上平移的物体作为背景辅助测量体
该技术在支架顶端安装一个自身可以前后平移运动的辅助测量载体，如图2所示。测试中(参见文献D.P.Morgan,“RCS Target Support Background Determination Usinga Translating Test Body,”Proc.AMTA 1996,pp.15-17.)，通过控制该载体前后平移运动，并记录雷达回波幅度和相位，供后续处理以提取出背景回波。
现有技术二的缺点：一是该辅助装置不能用于RCS定标；二是需要设计专门机构驱动辅助测量载体进行前后平移，对于大型目标RCS测试场，由于目标转顶尺寸很大，而测量中需要把转顶掩藏于载体中，因此要求所设计的辅助测量载体尺寸必然很大。此外，背景提取辅助测量所要求平移的载体距离正比于雷达波长。频率越低，波长越长，所要平移的距离范围就越大。由此，该技术的实际应用受到限制。
现有技术三：采用偏心圆柱作为定标体和背景辅助测量体
文献(L.A.Muth,C.M.Wang,and T.Conn,“Robust Separation of Backgroundand Target Signals in Radar Cross Section Measurements,”IEEETrans.Instrum.Meas.,Vol.54,No.6,2005,pp.2462-2468.)针对技术-1所存在的缺点，提出了一种替代技术，即采用偏心的圆柱体进行辅助测量和背景提取，如图3所示。测试中，通过转顶带动偏心圆柱作方位旋转运动。由于从雷达视线看过去，任何转角下圆柱的投影外形是不变的，其散射幅度不变，但因圆柱是偏心安装在支架的转顶上的，这相当于在雷达看来，存在一种等效的平移运动，故其对背景回波的提取处理方法同现有技术二是一样的。
现有技术三的缺点：采用偏心圆柱体进行辅助测量和背景提取的技术避免了使载体平移的要求，但是该技术也存在以下明显缺点：
(1)在高频区，直立的金属圆柱体自身的RCS电平满足以下公式：
σ(f)＝kah2 (18)
式中，
Figure GDA0003060672910000051
为波数，c为传播速度，f为雷达频率；a为圆柱体的半径；h为圆柱体的高。
在对大型目标进行RCS测量时，通常要求低散射目标支架和目标转顶承重均很大，这造成目标转顶的尺寸很大。由于用于背景辅助测量的偏心圆柱必须将转顶隐埋在其中，才能模拟真实目标测量条件下的支架背景条件并测量出来，此时所要求的偏心圆柱体尺寸将很大。而圆柱体的理论RCS值与圆柱体半径、圆柱高度的平方成正比，不利于背景测量与提取。例如，当目标转顶尺寸达到直径1m、高0.5m时,若要求完成精确RCS测量的最低雷达频率1GHz,则所要求的偏心圆柱直径将达到1.2m以上，根据(13)式，此时偏心圆柱自身的RCS电平在0dBsm(1m2)量级，而目标支架背景的RCS电平一般在-30dBsm(0.001m2)以下，两者之间相差3个数量级。此时，若采用偏心圆柱辅助提取支架的背景电平，相当于要从测量回波中精确提取出一个比主回波小1000倍的微弱信号，其提取精度难以保证。
可见，根据(18)式，这种定标体的理论RCS值随频率升高而增大，不利于背景提取辅助测量和处理。
(2)竖直放置的金属圆柱体RCS不随方位变化，不能用于双重定标测量和处理(参考文献W.D.Wood,P.J.Collins,T.Conn,“The CAM RCS Dual-Cal Standard，”Proc.ofthe25th Antenna Measurement Techniques Association Symposium,Irvine,CA,2003.)；
(3)圆柱体的RCS对俯仰角敏感，因此测量中对安装的垂直度提出了很高要求。
现有技术四：采用CAM定标体作为定标体和背景辅助测量体
文献(W.D.Wood,P.J.Collins,T.Conn,“The CAM RCS Dual-Cal Standard，”Proc.of the 25th Antenna Measurement Techniques Association Symposium,Irvine,CA,2003.)提出一种CAM定标体，它是由两个半径不同且相切的直立圆柱体以及同两个圆柱体的圆弧面相切的平面共同构成的封闭几何结构，其详细几何结构如图4所示。由于CAM定标体的特殊几何外形，当将CAM定标体作方位向旋转时，单个定标体可等效用作为小圆柱(SC)、大圆柱(LC)和平板(FP)等3种标准定标体，故可用于RCS测量中多重定标测量和处理。此外，像偏心圆柱体一样，如果设计合理，它在一定方位范围内的大、小两个圆柱散射体，也可用于背景提取辅助测量。
在高频区，CAM定标体的大圆柱和小圆柱的理论RCS值仍采用式(18)计算，平板的RCS则与频率的平方成正比。
现有技术四的主要缺点：CAM定标体可等效为小圆柱、大圆柱和平板共3个标准散射体，因而可用于多重定标测量和处理。除此之外，因其几何外形是以圆柱和平板为基础构建的，故具有同圆柱体一样的所有其他缺点。
现有技术五：采用SCAM定标体作为定标体和背景辅助测量体
文献(许小剑，刘永泽.用于目标RCS测量中多重定标和背景提取的装置设计及其信号处理方法[P]，中国发明专利，ZL 201610237378.2，2018.)提出一种SCAM定标体，它是在CAM外形的基础上，沿CAM外形的小圆柱、大圆柱和平板面，在360°全方位上增加半圆弧面，其中半圆弧面的直径等于CAM定标体的高，其详细几何结构如图5所示。与CAM类似，当将SCAM定标体作方位向旋转时，单个定标体可等效用作为大球柱、小球柱和圆柱面等3种标准定标体，可用于RCS测量中多重定标测量和处理以及背景提取辅助测量。
在高频区，SCAM定标体的大、小球柱(CAM定标体大、小圆柱所对应的方位)的RCS电平分别满足以下公式：
Figure GDA0003060672910000071
式中，σi(f)表示大球柱和小球柱的RCS；ri表示大圆柱体和小圆柱体的半径；h为SCAM定标体的高，同时也是SCAM外圆弧曲面的直径。
SCAM定标体两侧(CAM平板方向)柱面的最大RCS与半径为h/2的圆柱体的RCS成正比，即与频率成正比。
现有技术五的主要缺点：SCAM定标体可等效为大球柱、小球柱和圆柱面共3个标准散射体，用于多重定标测量和处理。但是，因其圆弧面是以定标体的高为直径所得到，当大小球柱、高度的尺寸确定时，SCAM等效的大球柱与小球柱的RCS比值是固定的，无法满足多重定标测量处理中对多个定标体比值的需求。
发明内容
本发明所要解决的技术问题为：在低可探测目标RCS测量中，由于目标本身的RCS电平低，通常难以保证测试场的背景杂波电平比目标散射电平低很多。为此，一要采用多重定标测量和处理，二要采用背景提取测量和背景矢量相减处理，才能保证目标RCS测量定标的高精度。
多重定标测量和处理所面临的问题是：采用多个标准体进行多重定标测量时，定标体替换既耗费大量架设、测量时间，也难以保证测量条件的一致性。如果采用现有的SCAM定标体进行多重定标测量时，因其外形结构中的圆弧面是以SCAM的高为直径所得到的，一旦SCAM定标体的大小球柱、高度的尺寸确定时，其等效的三个标准散射体的RCS比值是固定的。而在多重定标中，要求多个定标体的RCS值相差越大越好，SCAM很难满足多重定标的需求，从而影响定标精度。因此，需要发明一种尺寸可调的单一标准定标体，不但通过测量单个定标体随方位旋转的回波信号就可完成多重定标处理，还可以通过调节尺寸改变其多个等效标准散射体的RCS值，从而满足多重定标处理的需求。
背景提取测量所面临的问题是：对于采用金属支架的测试场，用于背景矢量相减处理的背景回波无法通过直接测量而得到。因为支架顶部安装有转台，在测目标时它被隐藏于被测目标的腹腔内，因此测目标时转顶的回波不会对雷达总回波产生实质性影响。另一方面，如果要测得未安装目标时支架本身的背景回波，需要将目标从支架上移开，此时原本隐藏的转顶显露出来，对总的回波造成影响。因此，如何解决不放置定标体和不放置目标时，定标区和目标区的背景回波的精确测量问题，是能否完成背景抵消、实现目标RCS精确定标测量的关键。
本发明旨在同时解决目标RCS测量中的上述两个问题，提出一种新型定标体的外形设计，可以通过调节新型定标体的尺寸改变其等效的多个标准散射体的RCS值，从而满足多重定标处理的需求。此外，通过对该定标体进行一次方位旋转测量，获得给定的雷达频率下的全方位测量数据，可同时用于多重定标处理和背景信号提取辅助测量。
本发明采用的技术方案包括两个部分：一是一种新型定标体的外形设计；二是采用该定标体进行测量、多重定标处理、背景提取以及背景抵消处理的方法和流程。
一种新的标准定标体外形设计：
新的标准定标体的外形设计是建立在SCAM定标体外形设计的基础之上的，可以看成是对SCAM外形的改进。具体地，在SCAM外形的基础上，将SCAM外形结构中仅由直径一个参数确定的圆弧面修改为由短轴和长轴两个参数共同确定的椭圆弧面，其中椭圆弧面的长轴长等于SCAM定标体的高，短轴长度可以根据实际需求进行调节，称这一新的外形设计为椭球面CAM(Ellipsoid CAM，简记为ECAM)，其几何外形如图6所示。
ECAM的基本外形构成如下：首先由两个半径不同、高度相同且相切的直立圆柱体，以及与大、小圆柱体的圆弧面相切的高度等于两个圆柱体高的两块平板，共同构成封闭几何结构体，称为CAM外形；在此基础上，沿CAM外形在360°全方位上增加一个半椭圆弧面，椭圆弧面的长轴长等于CAM的高，短轴长可根据实际需求调节，这样CAM外形两端面的大小圆柱侧面和平板面分别变成大小椭球柱面和椭圆柱面，由此构成新的外形，称为ECAM定标体。
将ECAM作为标准定标体进行360°全方位旋转测量时，可以等效为三个标准散射体：大椭球柱(Large Ellipsoidal Cylinder,简称LEC)、小椭球柱(Small EllipsoidalCylinder,简称SEC)和两侧的椭圆柱面(Recumbent Ellipsoid,简称RE)。
在高频区，ECAM定标体的LEC、SEC为SCAM定标体大、小球柱所对应的方位，ECAM定标体的LEC、SEC的RCS电平满足以下公式：
Figure GDA0003060672910000091
式中，σi为LEC、SEC的RCS；a为椭圆弧面的短半轴长；ri为LEC、SEC的半径；h为ECAM定标体的高，同时也是ECAM外椭圆弧面的长轴长；
ECAM定标体两侧的RE为SCAM两侧圆柱面所对应的方向，其最大RCS电平满足以下公式：
Figure GDA0003060672910000092
式中，
Figure GDA0003060672910000093
为波数，c为传播速度，f为雷达频率；r1为LEC的半径；r2为SEC的半径；a为椭圆柱面的短半轴长；h为定标体的高。
若ECAM和SCAM定标体的几何设计参数均为：大圆柱体的半径为r1、小圆柱体的半径为r2、定标体的高为h，则对比研究可发现：
(1)ECAM的LEC、SEC两者RCS比值为：
Figure GDA0003060672910000094
式中a为椭圆柱面的短轴长。
SCAM的大小球柱两者RCS比值为：
Figure GDA0003060672910000095
对比式(22)和式(23)可知，一旦定标体的设计参数r1、r2、h确定时，SCAM等效散射体的RCS比值是固定的；而ECAM可通过调节椭圆弧面的短半轴长度a改变ECAM的等效散射体的RCS比值。在多重定标中，要求多个定标体的RCS值相差越大越好，因此，ECAM可以通过调节椭圆弧面的半轴长度a，选择合适的RCS比值，以满足多重定标的需求；
(2)同SCAM类似，ECAM的RCS特性为：LEC、SEC的RCS电平不随频率变化，RE的最大RCS与频率成正比，这种特性有利于提高RCS测量中的定标精度；
采用ECAM定标体的背景测量和提取处理方法：
假设采用ECAM定标体作为背景提取辅助测量的物体(以下简称为辅助测量体)，若将该辅助测量体放置于目标支架转顶作方位旋转测量，其放置方式与图3中偏心圆柱体的放置方式类似，即使ECAM的外椭圆曲面垂直于雷达视线。雷达测得的ECAM随方位角变化的宽带散射特性回波信号可表示为
S(f,θ)＝C(f,θ)+B(f) (24)
式中S(f,θ)表示测量雷达接收到的回波信号，是随方位角θ变化的量；C(f,θ)表示辅助测量体ECAM的真实散射回波，也是随方位角θ变化的量；B(f)表示测试场的固定背景回波，不随方位角旋转而变化。
Xu提出一种背景提取测量的新方法(参考文献X.J.Xu,“A New Approach forBackground Clutter Extraction in Radar Cross Section Measurement,”2016IEEE/ACES International Conference on Wireless Information Technology and Systems(ICWITS)and Applied Computational Electromagnetics(ACES).2016.pp.1-2.)：只要通过对辅助测量体的测量，能够得到辅助测量体真实回波幅度和相位，则背景信号BI(f)和BQ(f)可表示为：
Figure GDA0003060672910000101
式中，下标I和Q分别表示同相(I)和正交相位(Q)通道信号，即：SI(f,θ)和SQ(f,θ)分别表示测量雷达接收到回波的I和Q通道信号，是随方位角θ变化的量；BI(f)和BQ(f)表示测试场固定背景回波的I和Q通道信号，不随方位角θ的改变而变化；AC(f,θ)和φC(f,θ)分别表示辅助测量体真实回波幅度和相位，均是随方位角θ变化的量。
为了提取背景信号，将ECAM作为辅助测量体，进行360°全方位旋转测量。若旋转中心为LEC、SEC的切点位置时，随支架顶部的转台转动时，ECAM的SEC、LEC与天线之间的距离均会发生改变，可将ECAM看作是两个偏心放置的椭球柱。因此，SEC、LEC的散射特性为：在柱体所定义的方位角范围内，其回波的幅度不随方位角变化，但由于偏心安装，其回波的相位随ECAM的方位旋转而剧烈变化；而由于目标支架本身并不转动，其产生的背景杂波信号的幅度和相位均不随方位变化。根据两者信号的这种不同特点，在I/Q相平面上进行同心圆拟合处理，可以得到半径不同的两个同心圆，圆心在I-Q平面上的坐标值记为(A,B)，即为背景信号的I、Q分量BI(f)和BQ(f)，两同心圆的半径分别记为R1和R2。
对于每个频率点，若SEC定义的方位角范围内的数据集为(Xi,Yi)i＝1,2,3...Ns，Ns为SEC数据集的方位测量样本数。数据集中每一点到圆心的距离与半径平方差可表示为：
Figure GDA0003060672910000102
对于每个频率点，若LEC定义的方位角范围内的数据集为(Xj,Yj)j＝1,2,3...Nl，Nl为LEC数据集的方位测量样本数。数据集中每一点到圆心的距离与半径平方差可表示为：
Figure GDA0003060672910000111
根据拟合圆算法原理，有：
Figure GDA0003060672910000112
这样可将拟合圆参数的求解问题转化为通过优化方程求解参数a,b,c1,c2使得f(a,b,c1,c2)取最小值。
将式(26)分别对参数a,b,c1,c2求偏导可得到：
Figure GDA0003060672910000113
Figure GDA0003060672910000114
Figure GDA0003060672910000115
Figure GDA0003060672910000116
联立式(29)-(32)化简可得：
Figure GDA0003060672910000117
其中，
Figure GDA0003060672910000118
Figure GDA0003060672910000119
Figure GDA00030606729100001110
Figure GDA0003060672910000121
Figure GDA0003060672910000122
解方程组(33)可得：
Figure GDA0003060672910000123
因此，通过比较式(26)和(27)两端的系数可得到：
Figure GDA0003060672910000124
其中，(A,B)表示拟合同心圆的圆心位置，也即背景信号的I、Q分量BI(f)和BQ(f)。
综上可见，对本发明所设计的ECAM标准定标体作一次360°方位旋转测量，所获取的测量数据可用于同时完成RCS多重定标处理和背景提取辅助测量与背景抵消。
本发明的主要技术优点：
(1)本发明提出了一种新的定标体外形设计，所设计的新型定标体ECAM是对现有SCAM定标体外形的重要改进：将SCAM外形结构中的圆弧面修改为椭圆弧面，其中椭圆弧面的长轴长等于定标体的高，短轴长度可以根据实际需求进行调节，这样可以通过调节外形尺寸改变ECAM三个等效散射体的RCS比值，有利于选择合适的比值以满足多重定标的需求；
(2)与SCAM类似，ECAM用于多重定标时，可以等效为三个标准散射体LEC、SEC和RE，其中LEC、SEC的RCS电平不随频率变化，RE的最大RCS值与频率成正比，这种频率特性有利于提高RCS测量中的定标精度。与SCAM的不同之处在于，SCAM的外围表面为圆弧面，由一个参数决定(圆弧直径与高相等)；ECAM的外围表面为椭圆弧面，由两个参数决定(椭圆弧的长短轴，长轴与高相等，短轴可调)。因此，在相同几何尺寸约束下，ECAM具有比SCAM更高的设计自由度，有利于实现具有不同RCS值的等效标准体设计；
(3)本发明提出了一种基于新型定标体ECAM的背景辅助测量与提取处理方法：将ECAM作为辅助测量体进行360°全方位旋转测量，选取ECAM大、小椭球柱所在方位的测量数据，通过同心圆拟合优化处理，可得到背景信号BI(f)和BQ(f)的精确估计，从而提高后续背景矢量相减和RCS多重定标处理的精度。
附图说明
图1为目标RCS测量几何关系；
图2为用于背景提取辅助测量的可平移载体；
图3为用于背景提取辅助测量的偏心圆柱体；其中，图3(a)为低散射目标支架与转顶；图3(b)为配套偏心圆柱体；
图4为CAM定标体的几何结构示意图；其中，图4(a)为CAM定标体的3D造型；图4(b)为CAM定标体的横向剖面图；
图5为SCAM定标体的几何结构示意图；其中，图5(a)为SCAM定标体的3D造型；图5(b)为SCAM定标体的横向剖面图；
图6为本发明设计的ECAM定标体的3D造型示意图；
图7为本发明设计的ECAM定标体的横向剖面图；
图8为ECAM定标体的RCS幅度变化特性示意图；其中，图8(a)为RCS幅度随方位角的变化特性；图8(b)为RCS幅度随频率的变化特性；图8(c)为RCS幅度随俯仰角的变化特性。
具体实施方式
下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。
ECAM标准定标体用于同时完成目标RCS测量中的多重定标测量与处理以及背景辅助测量、提取与抵消处理的具体步骤如下：
步骤-1：ECAM标准定标体的几何外形设计和加工制造
根据RCS多重定标和背景辅助测量与提取的需求，选定ECAM标准定标体的外形参数，主要包括大椭球柱的半径r1、小椭球柱的半径r2、定标体的高h、椭圆弧面的短半轴长a。ECAM外形参数和旋转中心的选择应满足以下条件：
(1)设计的ECAM定标体的等效标准散射体LEC、SEC、RE的RCS电平，可通过公式(20)进行估算，以满足多重定标的需求；
(2)设计的ECAM定标体的几何外形尺寸以及旋转中心的选择应满足在I-Q平面拟合同心圆算法进行背景信号提取的要求：当对ECAM作360°全方位旋转测量时，其所对应的LEC、SEC在测量过程中因旋转造成的相对于测量雷达的距离变化至少应达到λ/4，其中λ为雷达波长。
步骤-2：ECAM定标体的测量
将ECAM定标体置于目标支架的转台上，进行360°全方位旋转测量，获得ECAM散射回波的I、Q通道信号。假设雷达频点数为Nf，针对每个频点fi(i＝1,2,...,Nf)，ECAM以方位步长Δθ旋转360°，可获得方位样本数为Na，其中Na＝int(360/Δθ)+1，int表示取整数运算。通过对ECAM进行一次360°全方位旋转测量可获得Nf个离散频点、Na个离散方位位置的回波信号，记为CI(fi,θk),CQ(fi,θk),i＝1,2,...,Nf,k＝1,2,...,Na。
步骤-3：被测目标的测量
将被测目标置于目标支架的转台上，在与ECAM测量完全对应的Nf个给定的雷达频率点fi(i＝1,2,...,Nf)上，进行360°全方位旋转测量，获得目标散射回波的I、Q通道信号。方位角旋转与否、方位测量步长等可根据实际需求进行选择。假设目标以方位步长ΔθT旋转，共获得Nt个方位测量样本。通过对目标的测量可获得Nf个离散频点、Nt个离散方位位置的回波信号，记为TI(fi,θl),TQ(fi,θl),i＝1,2,...,Nf,l＝1,2,...,Nt。
步骤-4：背景信号提取和背景抵消处理
采用ECAM作为背景提取辅助测量体时，取其SEC、LEC所定义的方位角范围内的散射数据，用于背景信号提取。如图7所示，假设SEC所在方位角为0°方向，LEC所在方位角为180°方向，取0°±θS和180°±θL方位范围内的测量数据用于背景提取。其中，θS和θL的选取应满足：ECAM定标体的SEC和LEC在该方位范围内的RCS幅度基本不变。
对于每个频率点fi,i＝1,2,...,Nf，针对SEC、LEC的方位测量数据，在I-Q平面进行拟合同心圆处理，得到每个频率下的圆心拟合参数，即为提取的背景信号I、Q通道分量BI(fi)和BQ(fi),i＝1,2,...,Nf。
根据公式(23)中的模型，经过背景抵消处理后的ECAM定标体的真实回波为：
Figure GDA0003060672910000151
经过背景抵消处理后的被测目标的真实回波为：
Figure GDA0003060672910000152
步骤-5：RCS多重定标处理
取SEC在方位角0°处的经背景抵消处理后的回波测量数据(记为
Figure GDA0003060672910000153
Figure GDA0003060672910000154
、LEC在方位角180°处的经背景抵消处理后的回波测量数据(记为
Figure GDA0003060672910000155
)、以及RE在方位角θ处的经背景抵消处理后的回波测量数据(记为
Figure GDA0003060672910000156
)作为3个等效标准定标体的测量数据，同时采用矩量法计算得到这3个等效标准定标体的理论复RCS值。
对于经背景抵消处理后的目标测量数据
Figure GDA0003060672910000157
利用经背景抵消处理后的3组定标数据
Figure GDA0003060672910000158
Figure GDA0003060672910000159
根据RCS定标公式(5)，并采用Xu等人提出的基于最小加权均方误差的RCS测量多重定标处理方法(参考文献Xiaojian Xu,Yongze Liu,“Dual-Calibration Processing Based on Minimum Weighted Mean Squared Error(MWMSE)inRCS Measurement,”Proc.2015Annual Meeting of the Antennas MeasurementTechnique Association,Long Beach,CA,USA,Oct.2015)，即可完成目标RCS测量的多重定标处理。

Claims (4)

1.一种用于同时完成多重定标与背景提取测量的定标体ECAM的几何外形的设计方法，其特征在于：在SCAM外形的基础上，将SCAM外形结构中仅由直径一个参数确定的圆弧面修改为由短轴和长轴两个参数共同确定的椭圆弧面，其中椭圆弧面的长轴长等于SCAM定标体的高，短轴长度可以根据实际需求进行调节，称这一新的外形设计为椭球面CAM，简记为ECAM；
ECAM的基本外形构成如下：首先由两个半径不同、高度相同且相切的直立圆柱体，以及与大、小圆柱体的圆弧面相切的高度等于两个圆柱体高的两块平板，共同构成封闭几何结构体，称为双柱体，简称为CAM；在此基础上，沿CAM外形在360°全方位上增加一个半椭圆弧面，椭圆弧面的长轴长等于CAM的高，短轴长可根据实际需求调节，这样原来CAM外形两端面的大、小圆柱侧面和侧面平板面分别变成大、小椭球柱面和侧面椭圆柱面，由此外形构成的新型定标体，称为ECAM定标体。
2.一种用于同时完成多重定标与背景提取测量的ECAM标准定标体，其为权利要求1所述的定标体ECAM的几何外形设计方法所设计出来的，其特征在于：ECAM的基本外形构成包括：两端为大、小不同的两个椭球柱，两侧为椭圆柱面，上下截面为平板面；将ECAM作为标准定标体进行360°全方位旋转测量时，可等效为三个标准散射体：大椭球柱,简称LEC、小椭球柱,简称SEC和椭圆柱面,简称RE。
3.根据权利要求2所述的用于同时完成多重定标与背景提取测量的ECAM标准定标体，其特征在于：在高频区，ECAM定标体的LEC、SEC为SCAM定标体大、小球柱所对应的方位，其理论RCS可采用以下公式计算：
Figure FDA0003060672900000011
式中，σi为LEC、SEC的RCS；a为椭圆弧面的短半轴长；ri为LEC、SEC的半径；h为ECAM定标体的高，同时也是ECAM外围椭圆弧面的长轴长；
ECAM定标体两侧的RE为SCAM两侧圆柱面所对应的方向，其最大RCS电平满足以下公式：
Figure FDA0003060672900000012
式中，
Figure FDA0003060672900000021
为波数，c为传播速度，f为雷达频率；r1为LEC的半径；r2为SEC的半径；a为椭圆弧面的短半轴长；h为ECAM定标体的高，可见：
(1)通过调节ECAM椭圆弧面的短轴长度a可以改变ECAM三个等效标准散射体SEC、LEC、RE的RCS电平；在多重定标中，要求多个定标体的RCS值相差越大越好，因此，可以通过调节ECAM椭圆弧面的短半轴长度a，选择合适的LEC、SEC的RCS比值，以满足多重定标的需求；
(2)同SCAM类似，ECAM的RCS特性为：等效标准体LEC、SEC的RCS电平不随频率变化，等效标准体RE的最大RCS与频率成正比，这种特性有利于提高RCS测量中的定标精度。
4.一种基于同时完成多重定标与背景提取测量的ECAM标准定标体的背景提取处理方法，ECAM标准定标体为权利要求2所述的ECAM标准定标体，其特征在于：为了提取背景信号，可将ECAM作为辅助测量体置于低散射金属支架上，对ECAM进行360°全方位旋转测量，若旋转中心为大小椭球柱的切点位置，则当ECAM随支架顶部的转台转动时，ECAM的等效散射体SEC、LEC与天线之间的距离均会发生改变，可将ECAM看作是两个偏心放置的椭球柱，SEC、LEC的散射特性为：在椭球柱所定义的方位角范围内，其回波的幅度不随方位角变化，但由于偏心安装，其回波的相位随ECAM的方位旋转而剧烈变化；而由于低散射支架本身并不转动，其产生的背景杂波信号的幅度和相位均不随方位变化；根据两者信号的这种不同特点，在I/Q相平面上进行同心圆拟合处理，可以得到半径不同的两个同心圆，圆心在I-Q平面上的坐标值记为(A,B)，即为背景信号的I、Q分量BI(f)和BQ(f)，两同心圆的半径分别记为R1和R2；
对于每个频率点，若SEC定义的方位角范围内的数据集为(Xi,Yi) i＝1,2,3...Ns，Ns为SEC数据集的方位测量样本数，数据集中每一点到圆心的距离与半径平方差可表示为：
δi＝(Xi-A)2+(Yi-B)2-R1 2＝Xi 2+Yi 2+aXi+bYi+c1 (26)
对于每个频率点，若LEC定义的方位角范围内的数据集为(Xj,Yj) j＝1,2,3...Nl，Nl为LEC数据集的方位测量样本数，数据集中每一点到圆心的距离与半径平方差可表示为：
Figure FDA0003060672900000022
根据拟合圆算法原理，有：
Figure FDA0003060672900000031
这样可将拟合同心圆参数的求解问题转化为通过优化方程求解参数a,b,c1,c2使得f(a,b,c1,c2)取最小值；
将式(28)分别对参数a,b,c1,c2求偏导可得到：
Figure FDA0003060672900000032
Figure FDA0003060672900000033
Figure FDA0003060672900000034
Figure FDA0003060672900000035
联立式(29)-(32)化简可得：
Figure FDA0003060672900000036
其中，
Figure FDA0003060672900000037
Figure FDA0003060672900000038
Figure FDA0003060672900000039
Figure FDA00030606729000000310
Figure FDA0003060672900000041
解方程组(33)可得：
Figure FDA0003060672900000042
因此，通过比较式(26)和(27)两端的系数可得到：
Figure FDA0003060672900000043
其中，(A,B)表示拟合同心圆的圆心位置，也即背景信号的I、Q分量BI(f)和BQ(f)。
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