CN108732548A - 圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法，属于散射测量技术领域。该方法的具体实施方式包括：获取圆周扫描模式下目标的近场频域散射数据；对所述近场频域散射数据进行傅里叶逆变换，确定目标的近场距离域散射数据；根据近场距离域散射数据确定目标的远场距离域散射数据；根据目标的远场距离域散射数据确定目标的远场频域散射数据。本发明能够准确确定目标的近场散射数据和远场散射数据换算关系，可应用推广至任意不同距离条件下的散射数据变换；在根据远场散射数据确定近场散射数据时，能够避开由远场散射变换至近场散射的反卷积问题，逆向地由远场散射计算近场散射响应，拓宽散射测试的应用范围。

Description

圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法
技术领域
本发明涉及散射测量技术领域，尤其涉及圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法。
背景技术
随着雷达频率的不断提高，电大尺寸目标测试所要求满足的远场条件也越来越难以满足，由此进行的测量只是一种近场散射测量，此时测试系统的输出不能代表目标的真实散射特性，散射特性的近场测试需要对采集到的信号进行相关变换才能得出目标的真实远场散射特性。
对战机空中格斗、末制导雷达和无线电引信而言，遇到的是近场散射问题。如果已知目标的远场RCS，已知机载、弹载雷达天线特性及目标到雷达的距离，利用近远场间的数学关系可以预测实际的近场散射，从而对雷达或引信的分析、设计提供依据。
理论研究表明，近场/远场散射变换关系将远场散射响应正向地表达为目标近场响应和换算函数的二重卷积。显然，也可由此关系式逆向地由目标远场散射计算近场响应，但是由于测量系统的不理想性，所期望获得的目标量与系统测得的测试量将产生严重偏差。若依此去直接获取目标近场特性，将严重依赖在理论上都存在挑战的反卷积和信号复原方法，因此，由正向卷积关系去直接求逆获取目标近场散射特性是困难的。
因此，针对以上不足，需要提供一种能够准确确定目标的近场散射数据或远场散射数据的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术中的缺陷，提供一种圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法。
本发明实施例提供的圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法，包括：
获取圆周扫描模式下目标的近场频域散射数据；
对所述近场频域散射数据进行傅里叶变换，确定目标的近场距离域散射数据；
根据所述近场距离域散射数据确定目标的远场距离域散射数据；
根据目标的远场距离域散射数据确定目标的远场频域散射数据。
可选地，对所述近场距离域散射数据进行两次傅里叶变换。
可选地，对所述近场距离域散射数据进行两次傅里叶变换之后，还包括，对变换后的近场距离域散射数据进行距离域加权，加权因子为R3/2。
可选地，所述目标的近场频域散射数据为：
式中，u(k,φ)是目标的近场频域散射数据，γ(ρ',φ')是目标的散射率分布函数，ρ′是目标上散射点与扫描中心的距离，φ′是目标上散射点的方位角，ρc是天线与扫描中心的距离，φ为天线的方位角，f是雷达的工作频率，k是波数。
可选地，所述近场距离域散射数据SNF(k,φ)为：
可选地，所述目标的远场距离域散射数据为：
式中，SFF(k,φ)是目标的远场距离域散射数据，是参数取2kρc时的第二类n阶汉克尔函数，N按kD+10进行截断。
本发明实施例还提供了一种圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法，包括：
采用本发明实施例第一方面提供的方法确定目标的近场距离域散射数据和远场散距离域射数据，对该近场距离域散射数据和远场距离域散射数据进行转换，以获取任意两个测量距离下散射数据的换算关系；
根据所述换算关系、以及目标在第一测量距离的第一散射数据，确定目标在第二测量距离的第二散射数据；
其中，所述换算关系为：
式中，S1(k,φ1,R1)是目标在第二测量距离的第二散射数据，S2(k,φ2,R2)是目标在第二测量距离的第二散射数据，R1是第一测量距离，R2是第二测量距离，φ1是第一测量距离下天线的方位角，φ2是第二测量距离下天线的方位角，是第二类n阶汉克尔函数，k是波数。
可选地，第一测量距离和第二测量距离均为近场距离，或者第一测量距离和第二测量距离均为远场距离，或者第一测量距离和第二测量距离中的一个为近场距离、一个为远场距离。
实施本发明的，具有以下有益效果：本发明能够准确确定目标的近场散射数据和远场散射数据；在根据远场散射数据确定近场散射数据时，本发明实施例利用汉克尔函数的大宗量近似理论，基于测量系统近场、远场间的线性换算特性，避开由远场散射变换至近场散射的反卷积问题，逆向地由远场散射计算近场散射响应，能够拓宽近场测试的应用范围。
附图说明
图1是本发明一实施例中圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法的主要流程示意图。
图2是目标散射模型示意图。
图3是水平面内圆周扫描近场测量示意图。
图4是水平面内圆周扫描近场测量的位置示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
实施例一
如图1所示，本发明实施例提供的圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法，包括：
步骤S101、获取圆周扫描模式下目标的近场频域散射数据；
图2为目标散射模型，r为天线(收发共置)位置，r'为散射点位置，γ(r')为目标的三维散射率分布函数，R为散射点与收发天线的绝对距离。根据电磁学原理，当天线照射目标时，散射点处的入射场为
上式为三维空间的点源格林函数，将像点的散射等效为二次辐射，易得天线r处的单站散射场为：
式中，V是散射点的位置范围。
图3是水平面内圆周扫描近场测量示意图，图4是水平面内圆周扫描近场测量的位置示意图。其中(ρc,φ)为天线位置，ρc为测量半径，即天线与扫描中心的距离，φ是天线的方位角，D是包围目标并且与测量圆同心的圆柱体的最小直径。
由式(2)易知，当雷达的工作频率为f(波数为k＝2πf/c)时，点目标的单站散射(后向散射)回波信号为下式：目标的近场频域散射数据可以表示为：
式中，u(k,φ)是目标的近场频域散射数据，γ(ρ',φ')是目标的散射率分布函数，ρ′是目标上散射点与扫描中心的距离，φ′是目标上散射点的方位角，ρc是天线与扫描中心的距离，φ为天线的方位角，f是雷达的工作频率，k是波数。
步骤S102、对所述近场频域散射数据进行傅里叶变换，确定目标的近场距离域散射数据；
通过傅里叶变换，可以将频域数据转换为距离域数据。实际应用过程中，可以对所述近场距离域散射数据进行两次傅里叶变换。进一步地，还可以在对所述近场距离域散射数据进行两次傅里叶变换之后，对变换后的近场距离域散射数据进行距离域加权，加权因子可以为R3/2。
可选地，所述近场距离域散射数据SNF(k,φ)为：
将式(3)代入到式(5)，得到：
将式(6)进一步整理如下式：
式(7)中为零阶汉克尔函数。
利用贝塞尔函数的叠加定理，将式(7)展开：
将式(8)更换积分顺序再求和，得
不妨设
则式(9)简化为：
将式(10)两边进行傅里叶变换整理得：
步骤S103、根据所述近场距离域散射数据，确定目标的远场距离域散射数据；
当收发天线与目标间的距离满足远场条件时，
同时注意到当kρc→∞时，汉克尔函数有如下近似：
将式(6)、(12)、(13)代入到式(10)中，得到下式：
将等式两边进行化简并将式(11)代入到式(14)得到圆周扫描模式下近远场的变换关系。即，目标的远场距离域散射数据为：
式中，SFF(k,φ)是目标的远场距离域散射数据，是参数取2kρc时的第二类n阶汉克尔函数，N按kD+10进行截断。
步骤S104、根据目标的远场距离域散射数据确定目标的远场频域散射数据。
式(15)为扫频体制下的近远场变换关系式，可以很容易将其应用到点频体制下，只需将式中的SFF(k,φ)替换为u(k,φ)。
本发明实施例还提供了一种圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法，包括：
采用本发明实施例第一方面提供的方法确定目标的近场距离域散射数据和远场散距离域射数据，对该近场距离域散射数据和远场距离域散射数据进行转换，以获取任意两个测量距离下散射数据的换算关系；
根据所述换算关系、以及目标在第一测量距离的第一散射数据，确定目标在第二测量距离的第二散射数据。
对该近场距离域散射数据和远场距离域散射数据进行转换可以包括如下步骤：
对式(6)进行变形，不妨设：
式中，FT表示傅里叶变换关系。则(为了便于区分，式(16)至式(19)中以φ0代表远场时天线测试的方位角，以φ代表远场时天线测试的方位角，以ρd代表远场时目标上散射点与扫描中心的距离，以ρc代表近场时目标上散射点与扫描中心的距离)：
应用傅里叶变换的卷积性质，则：
设Hn(k)＝IFT(Wn(k))，则：
式(18)中H(k)体现了目标散射的近场、远场变换，利用二次辐射概念并忽略散射中心间的相互耦合，从线性系统的观念来看，目标的远场散射是近场散射与换算函数H(k)卷积的结果，对变换关系式(15)进行适当变形，则：
重复(16)至(18)的推导过程，得到：
可以推广建立任意测量距离R1与任意外推距离R2之间的联系，进一步扩展外推范围，算法不仅能由近场数据推得远场值，还可以由远场值推得近场数据，此时，
λ为波长。
基于上述推理，本发明实施例中任意两个测量距离下散射数据的换算关系可以表示为：
式中，S1(k,φ1,R1)是目标在第二测量距离的第二散射数据，S2(k,φ2,R2)是目标在第二测量距离的第二散射数据，R1是第一测量距离，R2是第二测量距离，φ1是第一测量距离下天线的方位角，φ2是第二测量距离下天线的方位角，是第二类n阶汉克尔函数，k是波数。
第一测量距离和第二测量距离可以均为近场距离，也可以均为远场距离，或者第一测量距离和第二测量距离中的一个为近场距离、一个为远场距离。
需要说明的是，近场和远场是根据天线测量距离的远近划分的，一般情况下，近场是指存在于距电磁辐射源(例如发射天线)一个波长范围内的电磁场，远场是指超过一个边长范围内的电磁场。
本发明圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法针对垂直方向满足远场条件、水平方向不满足远场条件的二维散射目标，近场照射近似为柱面波。首先基于多散射中心模型给出了圆周扫描模式下近场单站RCS回波模型，利用柱面波大宗量近似得到近场散射与远场散射间的换算函数，提出目标单站近场散射是单站远场散射与换算函数(即上述的换算关系式(20))在方位维卷积的结果，由此得出近场散射数据。
实施本发明的圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法，具有以下有益效果：能够准确确定目标的近场散射数据和远场散射数据；在根据远场散射数据确定近场散射数据时，本发明实施例利用汉克尔函数的大宗量近似理论，基于测量系统近场、远场间的线性换算特性，避开由远场散射变换至近场散射的反卷积问题，逆向地由远场散射计算近场散射响应，能够拓宽近场测试的应用范围。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。

Claims (8)

1.一种圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法，其特征在于，包括：
获取圆周扫描模式下目标的近场频域散射数据；
对所述近场频域散射数据进行傅里叶逆变换，确定目标的近场距离域散射数据；
根据近场距离域散射数据确定目标的远场距离域散射数据；
根据目标的远场距离域散射数据确定目标的远场频域散射数据。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于：对所述近场距离域散射数据进行两次傅里叶变换。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于：对所述近场距离域散射数据进行两次傅里叶变换之后，还包括，对变换后的近场距离域散射数据进行距离域加权，加权因子为R3/2。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于：所述目标的近场频域散射数据为：
式中，u(k,φ)是目标的近场频域散射数据，γ(ρ',φ')是目标的散射率分布函数，ρ′是目标上散射点与扫描中心的距离，φ′是目标上散射点的方位角，ρc是天线与扫描中心的距离，φ为天线的方位角，f是雷达的工作频率，k是波数。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于：所述近场距离域散射数据SNF(k,φ)为：
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述目标的远场距离域散射数据为：
式中，SFF(k,φ)是目标的远场距离域散射数据，是参数取2kρc时的第二类n阶汉克尔函数，N按kD+10进行截断。
7.一种圆周扫描模式下获取目标散射数据的方法，其特征在于，包括：
采用权利要求1-6任一所述的方法确定目标的近场距离域散射数据和远场散距离域射数据，对该近场距离域散射数据和远场距离域散射数据进行转换，以获取任意两个测量距离下散射数据的换算关系；
根据所述换算关系、以及目标在第一测量距离的第一散射数据，确定目标在第二测量距离的第二散射数据；
其中，所述换算关系为：
式中，S1(k,φ1,R1)是目标在第二测量距离的第二散射数据，S2(k,φ2,R2)是目标在第二测量距离的第二散射数据，R1是第一测量距离，R2是第二测量距离，φ1是第一测量距离下天线的方位角，φ2是第二测量距离下天线的方位角，是第二类n阶汉克尔函数，k是波数。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于：第一测量距离和第二测量距离均为近场距离，或者第一测量距离和第二测量距离均为远场距离，或者第一测量距离和第二测量距离中的一个为近场距离、一个为远场距离。
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