CN112230190A - 一种针对目标摆放位置误差的目标rcs相位校准方法 - Google Patents

一种针对目标摆放位置误差的目标rcs相位校准方法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法、计算机设备及计算机可读存储介质，该方法包括：针对测量雷达进行参数设置，建立发射信号模型；以圆柱体作为目标，确定圆柱体的测量参数及摆放位置；建立接收回波模型，并通过测量雷达获取方位角度连续变化至少半个周期的回波信号数据；根据接收回波模型与获取的回波信号数据，反演目标的摆放位置坐标；根据反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差，评估回波信号数据的置信度。本发明能够减少摆放位置误差对回波信号数据的影响，提高目标RCS相位测量精度。

Description

一种针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法
技术领域
本发明涉及RCS测量技术领域，尤其涉及一种针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法、计算机设备及计算机可读存储介质。
背景技术
在测量目标的RCS(雷达散射截面)时，为了得到关于目标的准确数据，对雷达测得的数据进行幅度和相位校准，去除误差影响，是非常必要的。测量过程中可能引入的误差有很多种，例如实验室背景误差、多径效应误差等，而目标的摆放位置偏移所引起的误差也是其中之一。如何提升目标RCS相位的校准精度，对于后续的信号处理至关重要。
发明内容
本发明的目的是针对上述至少一部分不足之处，提供一种能够对目标RCS相位测量数据中，由于目标摆放位置偏移所引起的误差进行校准，从而提升目标RCS相位测量数据的精度的方法。
为了实现上述目的，本发明提供了一种针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法，该方法包括如下步骤：
S1、针对测量雷达进行参数设置，建立发射信号模型；
S2、以圆柱体作为目标，确定圆柱体的测量参数及摆放位置；
S3、建立接收回波模型，并通过测量雷达获取方位角度连续变化至少半个周期的回波信号数据；
S4、根据接收回波模型与获取的回波信号数据，反演目标的摆放位置坐标；
S5、根据反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差，评估回波信号数据的置信度。
优选地，所述步骤S1中，建立发射信号模型时，发射信号的表达式为：
st(t)＝Aexp[j(φ0)]＝Aexp[j(kr0)]
其中，t表示时间，st(t)表示发射信号，A表示发射信号幅度，φ0表示初始相位，r0表示目标与测量雷达的天线之间的初始距离，k＝2πf/λ，f表示测量雷达的工作频率，λ表示发射信号波长。
优选地，所述步骤S2中，确定圆柱体的测量参数时，包括确定圆柱体的尺寸以及确定测量的俯仰角度、方位角度与极化方式。
优选地，所述步骤S3中，建立接收回波模型时，接收回波的表达式为：
sr(t)＝A′exp[j(φ0+Δφ)]+N＝A′exp[j(kr0+kΔr)]+N
其中，sr(t)表示接收回波，A′表示接收回波幅度，Δφ为相位变化量，Δφ＝kΔr，Δr为目标与测量雷达的天线之间的距离变化量，Δr＝rsin(θ)，θ为旋转的方位角度，N为高斯白噪声。
优选地，所述步骤S4中，反演目标的摆放位置坐标时，包括如下步骤：
设目标的摆放位置坐标为(x，y)，其中，x＝rcos(θ)，y＝rsin(θ)；
相位变化量Δφ＝kΔr＝k*rsin(θ)，为关于θ的正弦曲线函数，振幅为a＝k*r；
根据获取的回波信号数据得到a和k的数值，利用a和k的数值反演r的数值，再代入x＝rcos(θ)，y＝rsin(θ)，计算出反演得到的目标的摆放位置坐标。
优选地，所述步骤S5中，利用如下公式计算反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差：
Figure BDA0002709337640000021
其中，(x，y)表示反演得到的摆放位置坐标，(x0，y0)表示理论位置坐标；
评估回波信号数据的置信度时，误差越大，回波信号数据的置信度越低。
优选地，所述步骤S4中，基于获取的回波信号数据得到a和k的数值之前，先对获取的回波信号数据进行平滑处理，去除高频分量。
本发明还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一项所述针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法的步骤。
本发明还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，所述计算机程序被处理器执行时实现上述任一项所述针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法的步骤。
本发明的上述技术方案具有如下优点：本发明提供了一种针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法、计算机设备及计算机可读存储介质，本发明利用圆柱体作为目标，在理想情况下，圆柱体在方位上的相位应是一样的数值，即相位与方位角度的关系是一条直线，如果出现偏差，便是由于摆放位置误差导致，本发明通过建立接收回波模型并通过测量雷达获取方位角度连续变化至少半个周期的回波信号数据，根据接收回波模型与回波信号数据反演目标的摆放位置坐标，根据反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差，对回波信号数据进行相位校准。本发明能够减少水平面上摆放误差所引起的相位变化，提高目标RCS测量数据的精度。
附图说明
图1是本发明实施例中一种针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法步骤示意图；
图2(a)是圆柱体圆心位于原点时，加入信噪比前相位随方位角度的仿真变化图；
图2(b)是圆柱体圆心位于原点时，加入信噪比后相位随方位角度的仿真变化图；
图2(c)是圆柱体圆心位于原点时，不同信噪比下反演得到的目标的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差仿真变化图；
图3(a)是圆柱体圆心发生偏移时，加入信噪比前相位随方位角度的仿真变化图；
图3(b)是圆柱体圆心发生偏移时，加入信噪比后相位随方位角度的仿真变化图；
图3(c)是圆柱体圆心发生偏移时，不同信噪比下反演得到的目标的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差仿真变化图；
图4是圆柱体圆心发生偏移时，HH通道相位随方位角度的变化图。
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。
如图1所示，本发明实施例提供的一种针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法，包括如下步骤：
S1、针对测量雷达进行参数设置，建立发射信号模型。
S2、以圆柱体作为目标，确定圆柱体的测量参数及摆放位置。
S3、建立接收回波模型，并通过测量雷达获取方位角度连续变化至少半个周期的回波信号数据。
圆柱体的测量参数包括测量的方位角度，一个周期内，方位角度连续变化360°。将目标置于转台上，方位角度连续变化至少半个周期，即转台旋转180°及以上。
S4、根据接收回波模型与获取的回波信号数据，反演目标的摆放位置坐标。
S5、根据反演得到的目标的摆放位置坐标与目标的理论位置坐标的误差，评估回波信号数据的置信度。
理想情况下，在某个频点对圆柱体进行方位角度旋转扫描测量，得到的相位在方位角度上应是相等的，即相位相对于方位角度的关系为一条直线。现在针对摆放位置误差造成的影响进行分析，以圆柱体作为目标，当目标在转台上进行旋转时，若摆放位置无偏移，即圆柱体的圆心位于原点，若摆放位置有偏移，则圆柱体的圆心位于一个圆形轨道上。本发明提供的方法能够通过反演目标的摆放位置坐标，确定圆柱体偏移的具体情况。实际应用时，可只利用圆柱体作为目标，在进行相位校准完成后，准确标记圆柱体所在位置，再将圆柱体替换为其他待测目标，或直接在待测目标上设置圆柱体，利用圆柱体完成相位校准后，再去除圆柱体，对待测目标进行测量。确定原点后，应尽量将待测目标的几何中心与原点重合。
优选地，步骤S1中，建立发射信号模型时，发射信号的表达式为：
st(t)＝Aexp[j(φ0)]＝Aexp[j(kr0)]
其中，t表示时间，st(t)表示发射信号，A表示发射信号幅度，φ0表示初始相位，r0表示目标与测量雷达的天线之间的初始距离，k＝2πf/λ，f表示测量雷达的工作频率，λ表示发射信号波长。
优选地，步骤S2中，确定圆柱体的测量参数时，包括确定圆柱体的尺寸以及确定测量的俯仰角度、方位角度与极化方式。
测量雷达的天线以发射信号照射目标，接收目标的散射回波信号。优选地，步骤S3中，建立接收回波模型时，接收回波的表达式为：
sr(t)＝A′exp[j(φ0+Δφ)]+N＝A′exp[j(kr0+kΔr)]+N
其中，t表示时间，sr(t)表示接收回波，A′表示接收回波幅度，Δφ为相位变化量，Δφ＝kΔr，k＝2πf/λ，f表示测量雷达的工作频率，λ表示发射信号波长，Δr为目标与测量雷达的天线之间的距离变化量，Δr＝rsin(θ)，θ为旋转的方位角度，N为高斯白噪声。
优选地，步骤S4中，根据接收回波模型与获取的回波信号数据，反演目标的摆放位置坐标时，包括如下步骤：
S4-1、设目标的摆放位置坐标为(x，y)，其中，x＝rcos(θ)，y＝rsin(θ)；
S4-2、根据接收回波模型中，相位变化量Δφ的表达式：Δφ＝kΔr＝k*rsin(θ)，得到相位变化量Δφ为关于θ的正弦曲线函数，振幅为a＝k*r；
S4-3、根据获取的回波信号数据得到a和k的数值，利用a和k的数值反演r的数值，再代入x＝rcos(θ)，y＝rsin(θ)，计算出反演得到的目标的摆放位置坐标。
由于需要根据获取的回波信号数据确定a和k的数值，因此，本发明方法所需的回波信号数据至少对应方位角度连续变化半个周期，进一步地，为更加准确地反演目标的摆放位置坐标，步骤S3中，通过测量雷达获取方位角度连续变化至少一个周期的回波信号数据。
实际测量中，由于背景噪声无法完全消除，回波信号数据中会出现毛刺，遇到这种情况，可以先对数据进行平滑，得到光滑的曲线，为后续的计算做准备，即，进一步地，步骤S4中，基于获取的回波信号数据得到a和k的数值之前，先对获取的回波信号数据进行平滑处理，去除高频分量，即去除毛刺，减少噪声对于计算a和k的数值的干扰。
优选地，步骤S5中，根据反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差，对回波信号数据进行相位校准时，利用如下公式计算反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差：
Figure BDA0002709337640000061
其中，(x，y)表示反演得到的(目标的)摆放位置坐标，(x0，y0)表示(目标的)理论位置坐标，e表示误差。评估回波信号数据的置信度时，误差越大，回波信号数据的置信度越低。
特别地，为验证本发明提供的针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法的有效性，本发明还对圆柱体目标进行了仿真，仿真参数设置如下表1所示：
表1仿真参数
Figure BDA0002709337640000071
请参阅图2(a)至图2(c)，图2(a)是圆柱体圆心位于原点时，加入信噪比前(归一化的HH通道)相位随方位角度的仿真变化图(即不考虑信噪比)，纵坐标为角度；图2(b)是圆柱体圆心位于原点时，加入信噪比后(归一化的HH通道)相位随方位角度的仿真变化图(信噪比＝50dB)，纵坐标为角度；图2(c)是圆柱体圆心位于原点时，不同信噪比下，根据本发明提供的相位校准方法(利用HH通道回波信号数据)反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差仿真变化图，纵坐标单位为mm。如图2(a)和图2(b)所示，对于圆心位于原点的圆柱体，即位置没有偏移时，HH通道的相位随方位角度变化的最大误差基本都在1°之内，这种误差是进行FEKO仿真选择的剖分网格大小以及计算方法导致的。
请参阅图3(a)至图3(c)，图3(a)是圆柱体圆心发生偏移时(偏移位置坐标(0，300，0)，转台中心坐标为(0，0，0))，加入信噪比前相位随方位角度的仿真变化图；图3(b)是圆柱体圆心发生偏移时(偏移位置坐标(0，300，0))，加入信噪比后相位随方位角度的仿真变化图(信噪比＝50dB)；图3(c)是圆柱体圆心发生偏移时(偏移位置坐标(0，300，0))，不同信噪比下，根据本发明提供的相位校准方法(利用HH通道回波信号数据)反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差仿真变化图，纵坐标单位为mm。对典型圆柱体目标加入噪声时，无论圆柱体圆心是否位于原点，即位置是否存在偏移，仿真结果都显示出相似的特性：信噪比越高，反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差越小，当信噪比逐渐增大时，误差最终收敛于0。这是符合预期的。
本发明还利用与表1所示仿真参数相同的测量参数进行了实验，如图4所示，图4是圆柱体圆心发生偏移时，HH通道相位随方位角度的变化图，实验结果如下表2所示：
表2实验结果
Figure BDA0002709337640000081
最终，反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差为0.0056mm，这是很小的误差，符合精度要求，说明本发明的方法是有效的。本发明结合实验室实际情况和测量方法进行测量误差分析，评估各项因素对测量精度的影响，为研究室内场综合背景控制技术与误差校正方法研究提供了支持。
特别地，在本发明一些优选的实施方式中，还提供了一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，所述处理器执行所述计算机程序时实现上述任一实施方式中所述针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法的步骤。
在本发明另一些优选的实施方式中，还提供了一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，计算机程序被处理器执行时实现上述任一实施方式中所述针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法的步骤。
本领域普通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，计算机程序可存储于一非易失性计算机可读取存储介质中，该计算机程序在执行时，可包括如上述针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法实施例的流程，在此不再重复说明。
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 (9)

1.一种针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、针对测量雷达进行参数设置，建立发射信号模型；
S2、以圆柱体作为目标，确定圆柱体的测量参数及摆放位置；
S3、建立接收回波模型，并通过测量雷达获取方位角度连续变化至少半个周期的回波信号数据；
S4、根据接收回波模型与获取的回波信号数据，反演目标的摆放位置坐标；
S5、根据反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差，评估回波信号数据的置信度。
2.根据权利要求1所述的针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法，其特征在于：
所述步骤S1中，建立发射信号模型时，发射信号的表达式为：
st(t)＝Aexp[j(φ0)]＝Aexp[j(kr0)]
其中，t表示时间，st(t)表示发射信号，A表示发射信号幅度，φ0表示初始相位，r0表示目标与测量雷达的天线之间的初始距离，k＝2πf/λ，f表示测量雷达的工作频率，λ表示发射信号波长。
3.根据权利要求1所述的针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法，其特征在于：
所述步骤S2中，确定圆柱体的测量参数时，包括确定圆柱体的尺寸以及确定测量的俯仰角度、方位角度与极化方式。
4.根据权利要求2所述的针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法，其特征在于：
所述步骤S3中，建立接收回波模型时，接收回波的表达式为：
sr(t)＝A′exp[j(φ0+Δφ)]+N＝A′exp[j(kr0+kΔr)]+N
其中，sr(t)表示接收回波，A′表示接收回波幅度，Δφ为相位变化量，Δφ＝kΔr，Δr为目标与测量雷达的天线之间的距离变化量，Δr＝rsin(θ)，θ为旋转的方位角度，N为高斯白噪声。
5.根据权利要求4所述的针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法，其特征在于：
所述步骤S4中，反演目标的摆放位置坐标时，包括如下步骤：
设目标的摆放位置坐标为(x，y)，其中，x＝rcos(θ)，y＝rsin(θ)；
相位变化量Δφ＝kΔr＝k*rsin(θ)，为关于θ的正弦曲线函数，振幅为a＝k*r；
根据获取的回波信号数据得到a和k的数值，利用a和k的数值反演r的数值，再代入x＝rcos(θ)，y＝rsin(θ)，计算出反演得到的目标的摆放位置坐标。
6.根据权利要求1所述的针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法，其特征在于：
所述步骤S5中，利用如下公式计算反演得到的摆放位置坐标与理论位置坐标的误差：
Figure FDA0002709337630000021
其中，(x，y)表示反演得到的摆放位置坐标，(x0，y0)表示理论位置坐标；
评估回波信号数据的置信度时，误差越大，回波信号数据的置信度越低。
7.根据权利要求5所述的针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法，其特征在于：
所述步骤S4中，基于获取的回波信号数据得到a和k的数值之前，先对获取的回波信号数据进行平滑处理，去除高频分量。
8.一种计算机设备，包括存储器和处理器，所述存储器存储有计算机程序，其特征在于，所述处理器执行所述计算机程序时实现权利要求1至7中任一项所述针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法的步骤。
9.一种计算机可读存储介质，其上存储有计算机程序，其特征在于，所述计算机程序被处理器执行时实现权利要求1至7中任一项所述针对目标摆放位置误差的目标RCS相位校准方法的步骤。
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