CN109975778A - 一种天线雷达散射截面测量方法、装置及计算机设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种天线雷达散射截面测量方法及装置，应用于待测天线与辅助天线组成的测量系统中，该方法包括：获取在N个不同位置下测量系统测得的总群时延GD_XY、测量系统自身群时延GD₀及距离群时延GD_d；根据总群时延GD_XY、自身群时延GD₀及距离群时延GD_d生成测量曲线P_1xy；根据由待测天线与辅助天线的散射特性及距离确定的拟合参数构建拟合曲线P_2xy；根据测量曲线P_1xy和拟合曲线P_2xy构建目标函数；获取目标函数取最小值时的散射特性最优解；根据散射特性最优解计算待测天线的散射截面。

Description

一种天线雷达散射截面测量方法、装置及计算机设备

技术领域

本发明涉及无线电通信技术领域，具体涉及一种天线雷达散射截面测量方法、装置及计算机设备。

背景技术

随着信息技术的快速发展以及无线电通信系统的广泛应用，天线已经成为各种现代军事平台的重要组成部分。现代军事平台与传统军事平台相比，通过外形隐身与雷达波吸收材料的使用，已可以获得较好的雷达隐身设计。然而理论与实践研究结果表明，安装于隐身平台上的各种天线系统已成为平台整体雷达散射截面(RCS)的主要贡献者，例如，飞机前端的雷达天线在某些视角范围内其RCS可达10dBsm以上，某些平板裂缝阵列天线的RCS甚至可高达20～30dBsm。除非天线具有良好的雷达隐身设计，否则平台整体通过外形隐身和雷达波吸收材料等技术手段获得的雷达隐身性能将受到破坏。因此，如何有效地降低天线系统的雷达散射截面已成为平台整体雷达隐身设计中的一项关键内容，天线RCS缩减技术、低RCS天线设计一直是RCS领域研究的重点和热门之一，而作为对其实际隐身特性的验证，天线RCS测量是必不可少的环节，也有着大量的工程应用需求。

而利用RCS的理论定义式测量天线RCS，需要测量散射场和入射场的场强，而这两个物理量是很难准确测量的，且公式中含有极限运算，因此在实际工程应用中该方法并不实用。

利用雷达方程测量天线RCS，需要精确已知收、发天线功率、增益、方向图以及目标距离等参数，在实际测量中这些参数的测量往往误差较大，因此这种方法不适用于精度要求较高的测量，只适用于定性测量。

目前最为常用的目标RCS测量方法为比较法，利用该方法测量天线RCS一般在目标RCS测量专用场地内进行，主要分为室外测试场和室内测试场，室内测试场又分为室内远场和紧缩场。无论是室外测试场还是室内测试场，都需要高额的建造费用以及后期维护费用，而且这些费用会随着能够测量的被测物的大小、远场距离以及测量精度等指标的提高而呈几何式增长，这对于场地的建造者而言是极大的经济负担；而另一方面，对于希望利用场地测量天线RCS的客户而言，所需要的费用也是极其昂贵的，动辄几万、十几万甚至几十万。

在利用比较法测量天线RCS时，定标体的RCS计算值及回波功率测量值直接影响着天线RCS的测量结果，因此定标体是RCS测量中的关键因素。定标体要具有足够的加工精度，才能满足相应的测量需求，频率越高对于加工精度要求越高，测量成本也就越高。例如，在太赫兹频段，对于直径50mm的定标球，微米级的加工误差就会导致其RCS的显著变化。同时，还要保证定标体表面光洁、光滑，定标体经过长期使用，会造成表面氧化及磕碰，使其很难看成是理想的金属几何体，从而导致定标体实际的RCS与理论计算值存在偏差，频率越高对于标准体的表面光洁度、平整度要求越高。因此，定标体的日常保养、养护费用也间接地增加了测量成本。

发明内容

有鉴于此，本发明实施例提供了一种天线雷达散射截面测量方法、装置及计算机设备，以解决现有RCS测量方法存在的上述问题。

根据第一方面，本发明实施例提供了一种天线雷达散射截面测量方法，应用于待测天线与辅助天线组成的测量系统中，所述方法包括：获取在N个不同位置下所述测量系统测得的总群时延GD_XY、测量系统自身群时延GD₀及距离群时延GD_d；根据所述总群时延GD_XY、自身群时延GD₀及距离群时延GD_d生成测量曲线P_1xy；根据由所述待测天线与辅助天线的散射特性及距离确定的拟合参数构建拟合曲线P_2xy；根据所述测量曲线P_1xy和拟合曲线P_2xy构建目标函数；获取所述目标函数取最小值时的散射特性最优解；根据所述散射特性最优解计算所述待测天线的散射截面。

结合第一方面，在第一方面第一实施方式中，所述测量曲线P_1xy的表达式为：P_1xy＝GD_XYn-GD_d-GD₀，其中，GD_XYn为第n个位置下所述测量系统测得的总群时延，n≤N。

结合第一方面或第一方面第一实施方式，在第一方面第二实施方式中，所述测量曲线P_2xy的表达式为：其中，GD_{xy_fit}为辅助天线和待测天线群时延之和的拟合参数；β_{xy_fit}为辅助天线和待测天线的反射系数的拟合参数，其中，β_xy＝β_xβ_y，β_x、β_y分别为辅助天线和待测天线口面对于空间电磁波的反射系数；φ_{xy_fit}为相位常数的拟合参数；c为光速；d为待测天线与辅助天线间的距离；k＝2π/λ，λ为电磁波波长。

结合第一方面第二实施方式，在第一方面第三实施方式中，所述目标函数的表达式为：

结合第一方面第三实施方式，在第一方面第四实施方式中，所述获取所述目标函数取最小值时的散射特性最优解，包括：对所述目标函数进行拟合，将所述Δ_xy最小时的β_{xy_fit}确定为所述散射特性最优解β_xy；若所述待测天线与辅助天线为相同种类的天线，使β_xy＝β_y ²成立。

结合第一方面第四实施方式，在第一方面第五实施方式中，通过以下公式计算所述待测天线的散射截面：其中，β_xy＝β_y ²。

根据第二方面，本发明实施例提供了一种天线雷达散射截面测量装置，应用于待测天线与辅助天线组成的测量系统中，所述装置包括：群时延参数获取模块，用于获取在N个不同位置下所述测量系统测得的总群时延GD_XY、系统自身群时延GD₀及距离群时延GD_d；测量曲线生成模块，用于根据所述总群时延GD_XY、自身群时延GD₀及距离群时延GD_d生成测量曲线P_1xy；拟合曲线生成模块，用于根据由所述待测天线与辅助天线的散射特性及距离确定的拟合参数构建拟合曲线P_2xy；目标函数构建模块，用于根据所述测量曲线P_1xy和拟合曲线P_2xy构建目标函数；散射特性最优解获取模块，用于获取所述目标函数取最小值时的散射特性最优解；散射截面计算模块，用于根据所述散射特性最优解计算所述待测天线的散射截面。

根据第三方面，本发明实施例提供了一种计算机设备，包括：存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行第一方面或者第一方面的任意一种实施方式中所述的天线雷达散射截面测量方法。

根据第四方面，本发明实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行第一方面或者第一方面的任意一种实施方式中所述的天线雷达散射截面测量方法。

本发明实施例所提出的天线雷达散射截面测量方法不需要借助高精度加工的标准定标体，节约了定标体加工以及日常保养维护的成本。并且，本发明实施例的测量方法对天线测量场地并无特殊要求，可以在普通天线测量场地内测量天线RCS，极大地扩展了现有天线测量场地的功能，使RCS不再是一个需要单独测量的特殊天线参数，而是变为与增益、方向图、群时延等天线参数一样，能够在天线测量系统下直接测量的普通参数。

附图说明

通过参考附图会更加清楚的理解本发明的特征和优点，附图是示意性的而不应理解为对本发明进行任何限制，在附图中：

图1示出了本发明实施例的天线雷达散射截面测量方法的流程示意图；

图2示出了本发明实施例的天线雷达散射截面测量装置的结构示意图；

图3示出了本发明实施例的计算机设备的硬件结构示意图。

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，本领域技术人员在没有作出创造性劳动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。

在天线测量过程中，到达接收天线口面处的电磁波除一部分被接收天线接收外，还有一部分会被接收天线反射回发射天线，之后又被发射天线反射回接收天线，此过程不断重复，形成电磁波在两天线之间的多重反射。多重反射波中包含有收、发天线的散射特性信息，例如对于天线群时延(GD)测量而言，假设接收天线为待测天线，发射天线为辅助天线，发射天线发射的电磁波被接收天线和发射天线各反射一次之后，到达接收天线口面与直射波相叠加，最终被接收天线所吸收，此时由于多重反射导致的天线群时延测量误差模型为：

其中，ΔGD为多重反射导致的群时延测量误差，c为光速，d为收、发天线间距离，φ₀为相位常数，k＝2π/λ，λ为电磁波波长，β_xy＝β_xβ_y，β_x、β_y分别为发射天线和接收天线口面对于空间电磁波的反射系数。β_y反映了接收天线的散射特性，其与接收天线的RCS有如下关系式：

因此，要测量接收天线(被测天线)的RCS需要确认β_y，对此，本发明实施例提供一种天线雷达散射截面测量方法，该测量方法可应用于待测天线(例如是接收天线)与辅助天线(例如是发射天线)组成的测量系统中，如图1所示，该方法包括：

步骤S1：获取在N个不同位置下测量系统测得的总群时延GD_XY、测量系统自身群时延GD₀及距离群时延GD_d；GD_d＝d/c。GD_XY、GD₀以及GD_d均可通过测量得到。

假设GD_xy为收、发天线群时延之和，有如下两关系式：

GD_xy+ΔGD＝GD_XY-GD₀-GD_d (3)

其中，GD_XY为测量系统测得的总群时延，GD₀为测量系统自身群时延，GD_d为与测量距离相关的群时延，GD_d＝d/c。GD_XY、GD₀以及GD_d均可通过测量得到，因此，公式(3)可定义为测量模型，而公式(4)中含有ΔGD的计算公式，因此可定义为计算模型。

由于已知GD_xy+ΔGD的测量模型和计算模型，因此可以利用空间扫描，通过改变收、发天线间的距离，在一系列N个不同位置分别测量收、发天线群时延，得到一系列GD_xy+ΔGD的测量值。

步骤S2：根据总群时延GD_XY、自身群时延GD₀及距离群时延GD_d生成测量曲线P_1xy；

具体地，P_1xy＝GD_XYn-GD_d-GD₀，即为上述的GD_xy+ΔGD，P_1xy是由测量得到的，因此，可定义为测量曲线。

其中，GD_XYn为第n个位置下所述测量系统测得的总群时延，n≤N。

步骤S3：根据由待测天线与辅助天线的散射特性及距离确定的拟合参数构建拟合曲线P_2xy；

具体地，P_2xy是由各个拟合参数计算得到的，可定义为拟合曲线。

其中，GD_{xy_fit}为辅助天线和待测天线群时延之和的拟合参数；β_{xy_fit}为辅助天线和待测天线的反射系数的拟合参数，其中，β_xy＝β_xβ_y，β_x、β_y分别为辅助天线和待测天线口面对于空间电磁波的反射系数，是天线口面所反射的电磁波与入射电磁波场强之比；φ_{xy_fit}为相位常数的拟合参数，分别与公式(4)中的GD_xy、β_xy以及φ_xy相对应；c为光速；d为待测天线与辅助天线间的距离；k＝2π/λ，λ为电磁波波长。

步骤S4：根据测量曲线P_1xy和拟合曲线P_2xy构建目标函数；该目标函数的表达式为：Δ_xy为残留误差。

步骤S5：获取目标函数取最小值时的散射特性最优解；具体地，是根据该目标函数Δ_xy进行拟合，拟合时，在每个频点上，每个拟合参数依次按照所设定的步长在其值域内变化，当每个参数均遍历完所有取值之后，Δ_xy取最小值时所对应的β_{xy_fit}即为β_xy的最优解。

步骤S6：根据散射特性最优解计算待测天线的散射截面。在步骤S5得到散射特性最优解后，将其代入到公式(2)中，即可得到收、发天线群时延之和。在选取发射天线时选取与接收天线相同的天线作为发射天线，则β_x＝β_y，β_xy＝β_y ²，因此，待测天线的散射截面(RCS)为：

σ＝4πβ_xy。

通过本发明实施例的天线雷达散射截面测量方法，并不需要测量散射场和入射场的场强，避免了对物理量测量的高要求，实用性强，测量精度高；并且，对天线的测量场地没有特殊的要求。因此，该方法主要具有以下优点：

1.不需要借助高精度加工的标准定标体，节约了定标体加工以及日常保养维护的成本。

2.可以在普通天线测量场地内测量天线RCS，极大地扩展了现有天线测量场地的功能，使RCS不再是一个需要单独测量的特殊天线参数，而是变为与增益、方向图、群时延等天线参数一样，能够在天线测量系统下直接测量的普通参数。

3.由于我国普通天线测量场地的数量要远大于RCS专用测量场地的数量，而前者造价却远低于后者，因此利用本发明实施例的天线雷达散射截面测量方法在天线测量场地内测量天线RCS极大地节约了测量成本，同时减少了测量等待时间，提高了测量效率。

可选地，在本发明的一些实施例中，上述步骤S6：根据散射特性最优解计算待测天线的散射截面的过程是基于得到的散射特性最优解，针对的发射天线(辅助天线)可以是与接收天线(待测天线)相同的天线，可以使β_xy＝β_y ²成立。但实际应用中，也可以选取RCS已知的标准天线，利用标准天线法，解得β_y；还可以选取两只辅助天线，利用三天线法分三组进行测量，通过解方程组获得待测天线口面反射系数β_y，本发明并不以此为限。

可选地，在本发明的一些实施例中，上述步骤S5中，基于目标函数拟合的过程是通过曲线拟合法，但是也可以使用其他类型的最优估计方法获得拟合参数的最优解。此外，上述步骤S1中，利用空间扫描可以是在两天线正对的情况下改变发射天线或者接受天线的位置，也可以是在待测天线有一定偏转角度的情况下改变收、发天线位置，即测量待测天线不同角度下的RCS，本发明并不以此为限。

本发明实施例还提供一种天线雷达散射截面测量装置，如图2所示，该装置包括：

群时延参数获取模块1，用于获取在N个不同位置下所述测量系统测得的总群时延GD_XY、测量系统自身群时延GD₀及距离群时延GD_d；详细内容参见上述方法实施例的步骤S1的相关描述。

测量曲线生成模块2，用于根据所述总群时延GD_XY、自身群时延GD₀及距离群时延GD_d生成测量曲线P_1xy；详细内容参见上述方法实施例的步骤S2的相关描述。

拟合曲线生成模块3，用于根据由所述待测天线与辅助天线的散射特性及距离确定的拟合参数构建拟合曲线P_2xy；详细内容参见上述方法实施例的步骤S3的相关描述。

目标函数构建模块4，用于根据所述测量曲线P1x_y和拟合曲线P2x_y构建目标函数；详细内容参见上述方法实施例的步骤S4的相关描述。

散射特性最优解获取模块5，用于获取所述目标函数取最小值时的散射特性最优解；详细内容参见上述方法实施例的步骤S5的相关描述。

散射截面计算模块6，用于根据所述散射特性最优解计算所述待测天线的散射截面；详细内容参见上述方法实施例的步骤S6的相关描述。

通过本发明实施例的天线雷达散射截面测量装置实现的RCS测量，并不需要测量散射场和入射场的场强，避免了对物理量测量的高要求，实用性强，测量精度高；并且，对天线的测量场地没有特殊的要求。因此，该方法主要具有以下优点：

1.不需要借助高精度加工的标准定标体，节约了定标体加工以及日常保养维护的成本。

2.可以在普通天线测量场地内测量天线RCS，极大地扩展了现有天线测量场地的功能，使RCS不再是一个需要单独测量的特殊天线参数，而是变为与增益、方向图、群时延等天线参数一样，能够在天线测量系统下直接测量的普通参数。

3.由于我国普通天线测量场地的数量要远大于RCS专用测量场地的数量，而前者造价却远低于后者，因此利用本发明实施例的天线雷达散射截面测量方法在天线测量场地内测量天线RCS极大地节约了测量成本，同时减少了测量等待时间，提高了测量效率。

本发明实施例还提供了一种计算机设备，如图3所示，该计算机设备可以包括处理器31和存储器32，其中处理器31和存储器32可以通过总线或者其他方式连接，图3中以通过总线连接为例。

处理器31可以为中央处理器(Central Processing Unit，CPU)。处理器31还可以为其他通用处理器、数字信号处理器(Digital Signal Processor，DSP)、专用集成电路(Application Specific Integrated Circuit，ASIC)、现场可编程门阵列(Field-Programmable Gate Array，FPGA)或者其他可编程逻辑器件、分立门或者晶体管逻辑器件、分立硬件组件等芯片，或者上述各类芯片的组合。

存储器32作为一种非暂态计算机可读存储介质，可用于存储非暂态软件程序、非暂态计算机可执行程序以及模块，如本发明实施例中的天线雷达散射截面测量方法对应的程序指令/模块(例如，图2所示的群时延参数获取模块1、测量曲线生成模块2、拟合曲线生成模块3、目标函数构建模块4、散射特性最优解获取模块5及散射截面计算模块6)。处理器31通过运行存储在存储器32中的非暂态软件程序、指令以及模块，从而执行处理器的各种功能应用以及数据处理，即实现上述方法实施例中的天线雷达散射截面测量方法。

存储器32可以包括存储程序区和存储数据区，其中，存储程序区可存储操作系统、至少一个功能所需要的应用程序；存储数据区可存储处理器31所创建的数据等。此外，存储器32可以包括高速随机存取存储器，还可以包括非暂态存储器，例如至少一个磁盘存储器件、闪存器件、或其他非暂态固态存储器件。在一些实施例中，存储器32可选包括相对于处理器31远程设置的存储器，这些远程存储器可以通过网络连接至处理器31。上述网络的实例包括但不限于互联网、企业内部网、局域网、移动通信网及其组合。

所述一个或者多个模块存储在所述存储器32中，当被所述处理器31执行时，执行如图1所示实施例中的天线雷达散射截面测量方法。

上述计算机设备具体细节可以对应参阅图1所示的实施例中对应的相关描述和效果进行理解，此处不再赘述。

本领域技术人员可以理解，实现上述实施例方法中的全部或部分流程，是可以通过计算机程序来指令相关的硬件来完成，所述的程序可存储于一计算机可读取存储介质中，该程序在执行时，可包括如上述各方法的实施例的流程。其中，所述存储介质可为磁碟、光盘、只读存储记忆体(Read-Only Memory，ROM)、随机存储记忆体(RandomAccessMemory，RAM)、快闪存储器(Flash Memory)、硬盘(Hard Disk Drive，缩写：HDD)或固态硬盘(Solid-State Drive，SSD)等；所述存储介质还可以包括上述种类的存储器的组合。

虽然结合附图描述了本发明的实施例，但是本领域技术人员可以在不脱离本发明的精神和范围的情况下作出各种修改和变型，这样的修改和变型均落入由所附权利要求所限定的范围之内。

Claims (9)

1.一种天线雷达散射截面测量方法，应用于待测天线与辅助天线组成的测量系统中，其特征在于，所述方法包括：

获取在N个不同位置下所述测量系统测得的总群时延GD_XY、测量系统自身群时延GD₀及距离群时延GD_d；

根据所述总群时延GD_XY、自身群时延GD₀及距离群时延GD_d生成测量曲线P_1xy；

根据由所述待测天线与辅助天线的散射特性及距离确定的拟合参数构建拟合曲线P_2xy；

根据所述测量曲线P_1xy和拟合曲线P_2xy构建目标函数；

获取所述目标函数取最小值时的散射特性最优解；

根据所述散射特性最优解计算所述待测天线的散射截面。

2.根据权利要求1所述的天线雷达散射截面测量方法，其特征在于，所述测量曲线P_1xy的表达式为：

P_1xy＝GD_XYn-GD_d-GD₀，

其中，GD_XYn为第n个位置下所述测量系统测得的总群时延，n≤N。

3.根据权利要求1或2所述的天线雷达散射截面测量方法，其特征在于，所述测量曲线P_2xy的表达式为：

其中，GD_{xy_fit}为辅助天线和待测天线群时延之和的拟合参数；β_{xy_fit}为辅助天线和待测天线的反射系数的拟合参数，其中，β_xy＝β_xβ_y，β_x、β_y分别为辅助天线和待测天线口面对于空间电磁波的反射系数；φ_xy__fit为相位常数的拟合参数；c为光速；d为待测天线与辅助天线间的距离；k＝2π/λ，λ为电磁波波长。

4.根据权利要求3所述的天线雷达散射截面测量方法，其特征在于，所述目标函数的表达式为：

5.根据权利要求4所述的天线雷达散射截面测量方法，其特征在于，所述获取所述目标函数取最小值时的散射特性最优解，包括：

对所述目标函数进行拟合，将所述Δ_xy最小时的β_{xy_fit}确定为所述散射特性最优解β_xy；

若所述待测天线与辅助天线为相同种类的天线，使β_xy＝β_y ²成立。

6.根据权利要求5所述的天线雷达散射截面测量方法，其特征在于，通过以下公式计算所述待测天线的散射截面：

其中，β_xy＝β_y ²。

7.一种天线雷达散射截面测量装置，应用于待测天线与辅助天线组成的测量系统中，其特征在于，所述装置包括：

群时延参数获取模块，用于获取在N个不同位置下所述测量系统测得的总群时延GD_XY、测量系统自身群时延GD₀及距离群时延GD_d；

测量曲线生成模块，用于根据所述总群时延GD_XY、自身群时延GD₀及距离群时延GD_d生成测量曲线P_1xy；

拟合曲线生成模块，用于根据由所述待测天线与辅助天线的散射特性及距离确定的拟合参数构建拟合曲线P_2xy；

目标函数构建模块，用于根据所述测量曲线P_1xy和拟合曲线P_2xy构建目标函数；

散射特性最优解获取模块，用于获取所述目标函数取最小值时的散射特性最优解；

散射截面计算模块，用于根据所述散射特性最优解计算所述待测天线的散射截面。

8.一种计算机设备，其特征在于，包括：

存储器和处理器，所述存储器和所述处理器之间互相通信连接，所述存储器中存储有计算机指令，所述处理器通过执行所述计算机指令，从而执行如权利要求1-6中任一项所述的天线雷达散射截面测量方法。

9.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有计算机指令，所述计算机指令用于使所述计算机执行如权利要求1-6中任一项所述的天线雷达散射截面测量方法。