CN110441745B - 一种基于宽带雷达俯视测量目标rcs的方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于宽带雷达俯视测量目标RCS的方法和系统，所述方法的一个实施方式包括：利用设置在空中的宽带雷达以俯视的姿态向目标发射测量信号，并接收目标回波信号；将所述宽带雷达设置在地面，利用设置在地面的所述宽带雷达向处在地面的定标体发射定标信号，并接收定标体回波信号；根据雷达方程将接收到的定标体回波信号转换为对应于设置在空中的所述宽带雷达与目标之间距离的定标体回波数据；依据所述目标回波信号和所述定标体回波数据确定目标RCS。该实施方式能够实现自由空间内对定标体的测试和宽带雷达俯视测量的精确标定，有助于目标RCS的精确测量。
Description
技术领域
本发明涉及电磁散射技术领域，尤其涉及一种基于宽带雷达俯视测量目标RCS的系统。
背景技术
在宽带雷达俯视测量目标雷达散射截面RCS(Radar Cross Section)的过程中，一般来说目标RCS比地面周围环境杂波大，测量雷达很容易获取其回波信息，但是要得到目标的RCS，需要对目标回波进行准确标定。为了确保目标RCS的测量精度，定标体的不确定度应该小于1dB，这样定标测试的信杂比应大于20dB。但是对于大俯角测试，地面固有的高强度背景杂波很容易掩盖低散射强度的定标体回波信号，甚至在地面铺设吸波材料也无法实现对定标体的精确测量，从而无法实现对目标的准确标定。
此外，宽带雷达在地面进行标定时，雷达接收天线的主波束会接收到直接波信号和来自地面的反射波信号，这导致定标体测量误差很大。同时，由于地面反射波的影响，宽带测量雷达带宽内不同频点的场强分布差距很大。
因此，针对以上不足，需要提供一种新的基于宽带雷达俯视测量目标RCS的方法。
发明内容
本发明要解决的技术问题是：如何实现宽带雷达俯视测量过程的准确标定从而精确测量目标RCS。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于宽带雷达俯视测量目标RCS的方法。
本发明实施例的基于宽带雷达俯视测量目标RCS的方法包括：利用设置在空中的宽带雷达以俯视的姿态向目标发射测量信号，并接收目标回波信号；将所述宽带雷达设置在地面，利用设置在地面的所述宽带雷达向处在地面的定标体发射定标信号，并接收定标体回波信号；根据雷达方程将接收到的定标体回波信号转换为对应于设置在空中的所述宽带雷达与目标之间距离的定标体回波数据；依据所述目标回波信号和所述定标体回波数据确定目标RCS。
优选地，所述方法进一步包括：在通过设置在地面的所述宽带雷达测量之前，在设置在地面的所述宽带雷达和定标体之间设置雷达栅。
优选地，所述雷达栅处在设置在地面的所述宽带雷达和定标体的中点位置。
优选地，所述雷达栅为单刀刃型。
优选地，所述方法进一步包括：通过以下步骤确定雷达栅最佳高度：针对预先确定的频率范围内的任一频点以及预设的定标体高度变化范围内的任一定标体高度，确定相对幅度与雷达栅高度的对应关系；其中，所述相对幅度为设置在地面的所述宽带雷达采集的场强幅度相对于自由空间场的衰减值，所述相对幅度的单位是dB；将所述对应关系中相对幅度为零的雷达栅高度作为对应于该频点和该定标体高度的雷达栅初选高度；根据对应于所述频率范围内的每一频点和所述定标体高度变化范围内的每一定标体高度的雷达栅初选高度确定雷达栅最佳高度。
在另一方面，本发明提供一种基于宽带雷达俯视测量目标RCS的系统。
本发明实施例的基于宽带雷达俯视测量目标RCS的系统可包括：宽带雷达、定标体和计算单元；其中，所述宽带雷达设置在空中时，以俯视的姿态向目标发射测量信号，并接收目标回波信号；所述宽带雷达设置在地面时，向处在地面的定标体发射定标信号，并接收定标体回波信号；计算单元根据雷达方程将接收到的定标体回波信号转换为对应于设置在空中的所述宽带雷达与目标之间距离的定标体回波数据，并依据所述目标回波信号和所述定标体回波数据确定目标RCS。
优选地，所述系统可进一步包括：处在设置在地面的所述宽带雷达和定标体之间的雷达栅。
优选地，所述雷达栅处在设置在地面的所述宽带雷达和定标体的中点位置。
优选地，所述雷达栅为单刀刃型。
优选地，计算单元可进一步用于：针对预先确定的频率范围内的任一频点以及预设的定标体高度变化范围内的任一定标体高度，确定相对幅度与雷达栅高度的对应关系；其中，所述相对幅度为设置在地面的所述宽带雷达采集的场强幅度相对于自由空间场的衰减值，所述相对幅度的单位是dB；将所述对应关系中相对幅度为零的雷达栅高度作为对应于该频点和该定标体高度的雷达栅初选高度；根据对应于所述频率范围内的每一频点和所述定标体高度变化范围内的每一定标体高度的雷达栅初选高度确定雷达栅最佳高度。
本发明的上述技术方案具有如下优点：在本发明实施例中，提供了一种合理、可行的宽带雷达俯视测量标定方法以及RCS测量方法，将宽带雷达俯视测量标定问题转化为在自由空间的直接测试，避免俯视测量过程中引入地面杂波影响，同时避免俯视测量系统受气流、风等不确定因素的影响，从而实现自由空间内对定标体的测试和宽带雷达俯视测量的精确标定，有助于目标RCS的精确测量。
附图说明
图1是现有的俯视测量标定中得到的雷达成像示意图；
图2是本发明实施例中基于宽带雷达俯视测量目标RCS的方法的主要步骤示意图；
图3是本发明实施例中未设置雷达栅时相对幅度与定标体高度的对应关系示意图；
图4是本发明实施例中设置雷达栅时相对幅度与雷达栅高度的对应关系示意图；
图5是本发明实施例中设置最佳高度的雷达栅时相对幅度与定标体高度对应关系示意图；
图6是本发明实施例中利用最小二乘法计算得到的场强拟合示意图。
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。
图1是现有的俯视测量标定中得到的雷达成像示意图，如图1所示，在现有的俯视测量标定技术中，采用设置在空中的雷达以俯视的姿态探测处在地面的定标体，由于地面杂波的影响，雷达二维成像图中的中心线上会出现很多强散射点，导致无法准确分辨出定标体位置，从而无法进行准确标定。可以看到，图1中横坐标为横向距离，单位是米(m)，纵坐标为纵向距离，单位也是米(m)。
为了克服现有技术的缺陷，本发明提供一种基于宽带雷达俯视测量目标RCS的方法，具体执行图2所示的如下步骤：
步骤S201：利用设置在空中的宽带雷达以俯视的姿态向目标发射测量信号，并接收目标回波信号。
在本步骤中，宽带雷达可布置在空中平台进行目标RCS的测量，目标可以处于地面，也可以处于相对于宽带雷达较低的位置。
步骤S202：将宽带雷达设置在地面，利用设置在地面的宽带雷达向处在地面的定标体发射定标信号，并接收定标体回波信号。
在本步骤中，可将步骤S201中的宽带雷达设置在地面进行标定测量，这样可减轻地面反射波对标定结果的影响，由此克服现有技术中在空中俯视测量标定的方法无法精确标定的缺陷。可以理解，步骤S202可执行于步骤S201之前或者之后。
作为一个优选方案，在通过设置在地面的宽带雷达测量之前，可在设置在地面的宽带雷达和定标体之间设置雷达栅以阻挡地面反射波落在宽带雷达的接收天线口径面内。优选地，可将雷达栅布置在处于地面的宽带雷达和定标体的中点位置(即雷达栅在地面的投影点为宽带雷达投影点和定标体投影点的中点)。实际应用中，雷达栅可采用单刀刃型雷达栅，其横截面为尖劈形。
为了将标定测量的环境等效于自由空间，需要确定雷达栅的最佳高度，从而针对预先确定的频率范围内的每一频点和预设的定标体高度变化范围内的每一高度实现场强幅度相对于自由空间场衰减较小的效果。可以理解，以上的频率范围与宽带雷达的带宽关联，以上的定标体高度变化范围可根据实际场景中定标体大小确定，以上的频率范围和定标体高度变化范围可以包含连续数值，也可以包含离散数值。
雷达栅最佳高度可通过以上步骤确定：
首先，针对预先确定的频率范围内的任一频点以及预设的定标体高度变化范围内的任一定标体高度，根据设置在地面的宽带雷达采集的信号确定相对幅度与雷达栅高度的对应关系。其中，上述相对幅度为设置在地面的宽带雷达采集的场强幅度相对于自由空间场的衰减值，单位是dB。
图3是本发明实施例中未设置雷达栅时相对幅度与定标体高度的对应关系示意图，图4是本发明实施例中设置雷达栅时相对幅度与雷达栅高度的对应关系示意图。在图3中，横坐标为定标体高度ht，单位是米(m)，三条曲线对应的频率分别是9GHz、10GHz、11GHz(依次以五角星、圆、十字进行区分)。在图4中，横坐标为雷达栅高度Hf，单位是米(m)，三条曲线对应的定标体高度分别是1.5m、2m、2.5m(依次以五角星、圆、十字进行区分，三条曲线对应于同一频点)。如图3所示，在未设置雷达栅时，相对幅度随定标体高度的变化起伏较大。在使用雷达栅之后，相对幅度与雷达栅高度形成图4所示的对应关系。
接着，将上述对应关系中相对幅度为零的雷达栅高度作为对应于该频点和该定标体高度的雷达栅初选高度。从图4中可以看到，每一条曲线中都存在相对幅度为零的一个或者多个点，这些点的横坐标(即雷达栅高度)即为雷达栅初选高度。
最后，根据对应于上述频率范围内的每一频点和上述定标体高度变化范围内的每一定标体高度的雷达栅初选高度确定雷达栅最佳高度。在此步骤中，可结合对应于每一频点和每一定标体高度的雷达栅初选高度，并依据经验或者进行试验来确定雷达栅最佳高度。当频率在上述频率范围内变化以及定标体高度在上述定标体高度变化范围内变化时，通过上述方法确定的雷达栅最佳高度可形成整体来说较小的相对幅度。
图5是本发明实施例中设置最佳高度的雷达栅时相对幅度与定标体高度对应关系示意图，图6是针对图5所示的测量结果利用最小二乘法进行拟合得到的场强示意图。在图5、6中，横坐标均为定标体高度ht，单位是米(m)，两图均显示了分别对应于9GHz、10GHz、11GHz的三条曲线(依次以五角星、圆、十字进行区分)。从图5中可以看到，采用最佳高度的雷达栅可使相对幅度保持在零dB左右。在图6中，矩形边框选取的相对幅度小于0.2dB，可满足精确测量场强的要求，说明雷达栅高度选取较为准确以及上述标定方法合理可行。
需要说明的是，图3、4、5、6对应的场景为：宽带雷达的工作频率为X波段，发射天线高度是2米。雷达栅高度为零到四米，可等间隔变化。测试距离(即设置在地面的宽带雷达到定标体的距离)为40米，雷达栅放置在中点位置。由于直射场、雷达栅衍射场——地面反射场、地面反射场——衍射场以及地面反射场——衍射场——地面反射场均包含有标准的菲涅尔积分，因此仿真过程中可利用菲涅尔函数使计算结果更加准确。
步骤S203：根据雷达方程将接收到的定标体回波信号转换为对应于设置在地面的宽带雷达与目标之间距离的定标体回波数据。
由于步骤S202中的标定场景与步骤S201中的RCS测量场景不同，即设置在地面的宽带雷达到定标体的距离与设置在空中的宽带雷达到目标的距离不同，因此需要对步骤S202得到的定标体回波信号进行转换，转换为对应于设置在空中的宽带雷达与目标之间距离的定标体回波数据。以上转换方法可根据雷达方程实现，属于已知技术，此处不再详述。
步骤S204：依据上述目标回波信号和上述定标体回波数据确定目标RCS。
在本步骤中，可利用现有的RCS计算方法针对步骤S201得到的目标回波信号和步骤S203得到的定标体回波数据进行计算，从而得到目标RCS。由于本发明采用的标定方法避免了地面杂波影响，因此RCS测量结果较为精确。
在本发明实施例中，进一步提供一种基于宽带雷达俯视测量目标RCS的系统，所述系统包括：宽带雷达、定标体和计算单元。
其中，所述宽带雷达设置在空中时，以俯视的姿态向目标发射测量信号，并接收目标回波信号；所述宽带雷达设置在地面时，向处在地面的定标体发射定标信号，并接收定标体回波信号；计算单元根据雷达方程将接收到的定标体回波信号转换为对应于设置在空中的所述宽带雷达与目标之间距离的定标体回波数据，并依据所述目标回波信号和所述定标体回波数据确定目标RCS。
在本发明实施例中，所述系统进一步包括：处在设置在地面的所述宽带雷达和定标体之间的雷达栅。
作为一个优选方案，所述雷达栅处在设置在地面的所述宽带雷达和定标体的中点位置。
较佳地，在本发明实施例中，所述雷达栅为单刀刃型。
具体应用中，计算单元可进一步用于：针对预先确定的频率范围内的任一频点以及预设的定标体高度变化范围内的任一定标体高度，确定相对幅度与雷达栅高度的对应关系；其中，所述相对幅度为设置在地面的所述宽带雷达采集的场强幅度相对于自由空间场的衰减值，所述相对幅度的单位是dB；将所述对应关系中相对幅度为零的雷达栅高度作为对应于该频点和该定标体高度的雷达栅初选高度；根据对应于所述频率范围内的每一频点和所述定标体高度变化范围内的每一定标体高度的雷达栅初选高度确定雷达栅最佳高度。
综上所述，在本发明实施例的技术方案中，提供了一种合理、可行的宽带雷达俯视测量标定方法以及RCS测量方法，将宽带雷达俯视测量标定问题转化为在自由空间的直接测试，避免俯视测量过程中引入地面杂波影响，同时避免俯视测量系统受气流、风等不确定因素的影响，从而实现自由空间内对定标体的测试和宽带雷达俯视测量的精确标定，有助于目标RCS的精确测量。
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 (10)
1.一种基于宽带雷达俯视测量目标RCS的方法，其特征在于，包括：
利用设置在空中的宽带雷达以俯视的姿态向目标发射测量信号，并接收目标回波信号；
将所述宽带雷达设置在地面，利用设置在地面的所述宽带雷达向处在地面的定标体发射定标信号，并接收定标体回波信号；
根据雷达方程将接收到的定标体回波信号转换为对应于设置在空中的所述宽带雷达与目标之间距离的定标体回波数据；以及
依据所述目标回波信号和所述定标体回波数据确定目标RCS。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：
在通过设置在地面的所述宽带雷达测量之前，在设置在地面的所述宽带雷达和定标体之间放置雷达栅。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述雷达栅处在设置在地面的所述宽带雷达和定标体的中点位置。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，所述雷达栅为单刀刃型。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，所述方法进一步包括：通过以下步骤确定雷达栅最佳高度：
针对预先确定的频率范围内的任一频点以及预设的定标体高度变化范围内的任一定标体高度，确定相对幅度与雷达栅高度的对应关系；其中，所述相对幅度为设置在地面的所述宽带雷达采集的场强幅度相对于自由空间场的衰减值，所述相对幅度的单位是dB；
将所述对应关系中相对幅度为零的雷达栅高度作为对应于该频点和该定标体高度的雷达栅初选高度；以及
根据对应于所述频率范围内的每一频点和所述定标体高度变化范围内的每一定标体高度的雷达栅初选高度确定雷达栅最佳高度。
6.一种基于宽带雷达俯视测量目标RCS的系统，其特征在于，包括：宽带雷达、定标体和计算单元；其中，
所述宽带雷达设置在空中时，以俯视的姿态向目标发射测量信号，并接收目标回波信号；
所述宽带雷达设置在地面时，向处在地面的定标体发射定标信号，并接收定标体回波信号；
计算单元根据雷达方程将接收到的定标体回波信号转换为对应于设置在空中的所述宽带雷达与目标之间距离的定标体回波数据，并依据所述目标回波信号和所述定标体回波数据确定目标RCS。
7.根据权利要求6所述的系统，其特征在于，所述系统进一步包括：处在设置在地面的所述宽带雷达和定标体之间的雷达栅。
8.根据权利要求7所述的系统，其特征在于，所述雷达栅处在设置在地面的所述宽带雷达和定标体的中点位置。
9.根据权利要求8所述的系统，其特征在于，所述雷达栅为单刀刃型。
10.根据权利要求9所述的系统，其特征在于，计算单元进一步用于：
针对预先确定的频率范围内的任一频点以及预设的定标体高度变化范围内的任一定标体高度，确定相对幅度与雷达栅高度的对应关系；其中，所述相对幅度为设置在地面的所述宽带雷达采集的场强幅度相对于自由空间场的衰减值，所述相对幅度的单位是dB；将所述对应关系中相对幅度为零的雷达栅高度作为对应于该频点和该定标体高度的雷达栅初选高度；根据对应于所述频率范围内的每一频点和所述定标体高度变化范围内的每一定标体高度的雷达栅初选高度确定雷达栅最佳高度。
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|---|---|
| CN110441745A (zh) | 2019-11-12 |
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