CN112731325B - 一种进气道类腔体目标散射测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种进气道类腔体目标散射测量方法，包括以下步骤：S1.将腔体口面尺寸作为计算远场条件过程中的被测目标最大尺寸，选择满足远场条件的测试场；S2.配置测量设备；S3.通过配置后的测量设备分别依次进行背景测量、定标体测量、目标测量和定标处理，获得腔体散射目标的RCS测量结果。本发明有效减小了对测试场地面积的需求，测试成本减少，解决了现有技术中存在的测试场地面积需求大的问题，并进一步提高了目标散射测量的准确度。

Description

一种进气道类腔体目标散射测量方法

技术领域

本发明涉及目标散射测量技术领域，更具体的说是涉及一种进气道类腔体目标散射测量方法。

背景技术

雷达散射截面(RCS)是武器系统隐身性能的重要指标，是定量表征目标散射强弱的物理量，通过研究目标的散射特性，运用材料及外型技术，对目标的RCS值进行测量，在隐身技术领域有重大意义。

雷达散射截面RCS是在雷达和目标之间的距离R无限远的条件下进行定义的，即目标在理想平面波的照射下进行定义的，但在实际测量过程中，却无法实现这样的理想条件。

远场近似条件(简称远场条件)表示，在实际测试中，平面波是通过将一个已知特性的发射天线设置在远处向待测天线照射，当发射天线的波前阵面扩展到一定程度，则可认为待测天线接收的是平面波的照射。引入远场条件的基本出发点是要求在被测腔体目标口径平面上的相位变化小于π/8。在R趋于无穷大时，电磁散射测量系统的输出可严格地表示雷达散射截面。在计算远场条件时，一般取目标三维尺寸中最大的一维。按此规则，对进气道来说，其长度往往比口面尺寸大，在计算远场条件时要用长度。由此计算得到的测量距离一般较大，需要在大型测试场中进行测量，产生的测量成本较高。

因此，如何提供一种对测试场地大小的需求较低的进气道类腔体目标散射测量方法是本领域技术人员亟需解决的问题。

发明内容

有鉴于此，本发明提供了一种进气道类腔体目标散射测量方法，其目的在于，解决现有技术中采用长度来计算远场条件，进而得到的测试距离较大，对测试场地的要求较高的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种进气道类腔体目标散射测量方法，包括以下步骤：

S1.将腔体口面尺寸作为计算远场条件过程中的被测目标最大尺寸，选择满足远场条件的测试场；

S2.配置测量设备，根据理论计算得到一次以上的散射位置信息，合理配置测量设备的扫频频率间隔△f和脉冲调制参数；

S3.通过配置后的测量设备分别依次进行背景测量、定标体测量、目标测量和定标处理，获得所述腔体散射目标的RCS测量结果。

优选的，S2中配置测量设备，使测量设备能够测量2～5倍于腔体目标尺寸的能力。

优选的，所述远场条件的计算方法为：

式中，D为腔体目标口面最大尺寸，而非腔体目标三维最大尺寸，R为雷达与被测目标之间的距离，λ为波长。

优选的，所述背景测量的具体方法包括：

测量包含目标转台在内的微波暗室背景，获得目标转台及其它杂散回波构成的环境背景回波B(f)。

优选的，所述定标体测量的具体方法包括：

在目标转台上放置定标体，保持测量设备的配置不变，雷达接收到的定标体的回波信号S_C(f)：

S_C(f)＝C(f)+B(f)

式中，C(f)为定标体真实回波，B(f)为环境背景回波。

优选的，所述目标测量的具体方法包括：

将腔体散射目标置于目标转台上，调整重心，使得腔体口面在旋转测量过程中始终能处于暗室静区范围内，测量获得目标信号S_T(f)：

S_T(f)＝T(f)+B(f)

式中，其中T(f)为所述腔体散射目标本身的回波。

优选的，所述定标处理的具体方法包括：

采用背景矢量相减技术，对所述目标信号S_T(f)和所述定标体的回波信号S_C(f)分别应用所述环境背景回波B(f)，获得所述腔体散射目标的RCS测量结果，目标散射函数的定标方程为：

式中，σ_T(f)为目标散射函数，是需要测量和定标的量；σ_C(f)为定标体的散射函数。

经由上述的技术方案可知，与现有技术相比，本发明公开提供了一种进气道类腔体目标散射测量方法，一方面，该方法中采用腔体口面尺寸计算远场条件从而根据远场条件来选取测试场地实现对腔体类目标散射测量，而不用尺寸更大的径向长度，有效减小了对测试场地面积的需求，测试成本减少，解决了现有技术中存在的测试场地面积需求大的问题。

另一方面，根据多次反射和边缘绕射理论，通过实验结果发现使用长度来进行RCS测量其结果也未必能真实反映进气道的散射的问题，而根据腔体类目标多次反射位置信息来进行测量系统的配置，使其具备数倍于腔体类目标尺寸的能力，从而能够使得超出腔体物理尺寸范围的散射源被准确测量出来，为进气道等腔体类目标散射测量方法提供了新的思路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1附图为本发明提供的一种进气道类腔体目标散射测量方法流程示意图；

图2附图为圆型腔体在紧缩场和普通远场条件下的RCS曲线对比图；

图3附图为方型腔体在紧缩场和普通远场条件下的RCS曲线对比图；

图4附图为圆型腔体在常规测量紧缩场条件下45度角度处的二维成像图；

图5附图为圆型腔体在常规测量紧缩场条件下60度角度处的二维成像图；

图6附图为本发明提供的一种进气道类腔体目标散射测量方法所使用的测试场结构示意图；

图7附图为本发明在图6测试场和测量系统配置合理情况下的腔体散射一维像；

其中，图6附图中的数字分别表示：反射面1、馈源2、虚拟电磁波射线3、静区4、进气道5、转台6、吸波材料7。

具体实施方式

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，所描述的实施例仅仅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，本领域普通技术人员在没有做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。

本发明实施例公开了一种进气道类腔体目标散射测量方法，该方法可应用于进气道的散射测量，如图6所示，测试场主要包括：反射面1、馈源2、虚拟电磁波射线3、静区4、进气道5、转台6、吸波材料7。

如图1所示，一种进气道类腔体目标散射测量方法包括以下步骤：

S1.将腔体口面尺寸作为计算远场条件过程中的被测目标最大尺寸，选择满足远场条件的测试场；

S2.配置测量设备，根据理论计算得到一次以上的散射位置信息，合理配置测量设备的扫频频率间隔△f和脉冲调制参数；

S3.通过配置后的测量设备分别依次进行背景测量、定标体测量、目标测量和定标处理，获得所述腔体散射目标的RCS测量结果。

需要进一步说明的是：

根据矩形波导理论(闭合腔体可以实现电磁波屏蔽，腔体外壁处的电磁场并不影响腔体内的散射场)、天线辐射理论(由面天线的辐射原理来分析腔体横截面处的电磁散射，可知能量在辐射方向上满足“中间强，两边弱”的特点)以及远场条件分析和实验测量(紧缩场与普通远场的测量对比，紧缩场中口面和径向长度都满足远场条件，而在普通远场中只有口面尺寸满足远场条件，其结果只有正负90度时有些差别，因为此处电磁波照射到了腔体的长度最大尺寸处，普通远场测量中出现了典型的近场特征，但对腔体整体的散射影响不大)发现，可以用口面尺寸来计算远场条件。

腔体类目标散射测量用腔体口面尺寸计算远场条件，而不用尺寸更大的径向长度。也就是说，长度5m，口面尺寸1m的进气道，可以在静区尺寸1～2m的紧缩场中测量，仅需确保旋转过程中进气道口面在静区范围内。在本实施例中，根据图1可以清楚地看到只要腔体口面在静区内，调整重心，并在旋转测量过程中使得腔体口面一直在静区内即可进行RCS测量。

即使在进气道口面和长度都满足远场条件的情况下，RCS测量结果也未必能真实反映进气道的散射。除了满足远场条件，测量腔体类目标散射时，测试系统还需根据腔体尺寸进行合理配置。也就是说，长度5m，口面尺寸1m的进气道，在5m静区紧缩场中未必能获得准确测量结果，测量系统至少要具备测量10m尺寸目标的能力。

另外，在一般微波暗室中，测量设备的配置通常具备测量暗室后墙距离的能力，超过暗室后墙的距离不做要求。但是对腔体类目标来说，其多次散射距离往往会超过暗室后墙距离。因此，测量设备的配置需具备测量数倍于腔体目标尺寸的能力。

为了进一步实施上述技术方案，S2中配置测量设备，使测量设备能够测量2～5倍于腔体目标尺寸的能力。

为了进一步实施上述技术方案，远场条件的计算方法为：

式中，D为腔体目标口面最大尺寸，而非腔体目标三维最大尺寸，R为雷达与被测目标之间的距离，λ为波长。

为了进一步实施上述技术方案，背景测量的具体方法包括：

测量包含目标转台在内的微波暗室背景，获得目标转台及其它杂散回波构成的环境背景回波B(f)。

为了进一步实施上述技术方案，定标体测量的具体方法包括：

在目标转台上放置定标体，保持测量设备的配置不变，雷达接收到的定标体的回波信号S_C(f)：

S_C(f)＝C(f)+B(f)

式中，C(f)为定标体真实回波，B(f)为环境背景回波。

为了进一步实施上述技术方案，目标测量的具体方法包括：

将腔体散射目标置于目标转台上，调整重心，使得腔体口面在旋转测量过程中始终能处于暗室静区范围内，测量获得目标信号S_T(f)：

S_T(f)＝T(f)+B(f)

式中，其中T(f)为腔体散射目标本身的回波。

为了进一步实施上述技术方案，定标处理的具体方法包括：

采用背景矢量相减技术，对目标信号S_T(f)和定标体的回波信号S_C(f)分别应用环境背景回波B(f)，获得腔体散射目标的RCS测量结果，目标散射函数的定标方程为：

式中，σ_T(f)为目标散射函数，是需要测量和定标的量；σ_C(f)为定标体的散射函数。

在对腔体类大尺寸目标测量RCS时，往往需要大型测试场进行测量，极其不方便且耗时耗力，经过研究分析发现这种测量方法是没有必要的。

在测量腔体类目标时，本发明打破了传统目标RCS测量方法及要求，只需要对其口面进行远场条件计算，其径向长度不需要满足远场条件，进而来选择满足条件的测试场。在实际测量时，需要调整重心，使得腔体口面在旋转测量过程中始终能处于暗室静区范围内，从而使小的紧缩场可以测试大的腔体类目标。

下面通过具体的实验来验证本发明所提出的一种进气道类腔体目标散射测量方法。

在紧缩场条件下进行常规测量情况下，腔体口面和长度尺寸均满足远场条件。在普通远场条件下进行本发明测量情况下，腔体口面满足远场条件，而腔体长度不满足远场条件。其中结合实际条件，选择圆柱形腔体和长方体型腔体实验模型的口面尺寸D1＝D2＝0.11m，长度方面L1＝1m、L2＝0.9m。

通过比较常规测量方法以及本发明所提出的方法的点频RCS的效果。图2给出了圆型腔体在紧缩场和普通远场条件下的RCS对比曲线，图3给出了方型腔体在紧缩场和普通远场条件下的RCS对比曲线，通过图2和图3，我们可以发现在方位角90度附近，即电磁波照射腔体模型长度最大尺寸时，普通远场RCS曲线出现了典型的近场散射特征，与紧缩场测量结果有明显差别。而在±60度小角度范围内，普通远场RCS曲线与紧缩场测量结果基本一致。而该角度范围内，散射机理以腔体散射为主，这就验证了腔体目标散射测量应以腔体口面尺寸计算远场条件的判断。

图4给出了圆型腔体在常规测量紧缩场条件下45度角度处的二维成像图，图5给出了圆型腔体在常规测量紧缩场条件下60度角度处的二维成像图，通过图4和图5，我们可以发现圆形腔体在45度和60度处，其最大散射源位置并不在腔体物理尺寸所在位置，而是出现在腔体几何中心1.5m之后区域，而该位置处并没有实际目标存在，只能是腔体内部多次散射引起。多次反射散射源的具体位置与腔体目标的形状有关，所以取不同目标区进行RCS计算，结果差别非常大。说明，即使在进气道口面和长度都满足远场条件的情况下，RCS测量结果也未必能真实反映进气道的散射。除了满足远场条件，测量腔体类目标散射时，测试系统还需根据腔体尺寸进行合理配置。

综合来看，无论是点频RCS测量结果还是二维成像结果，都证明了本方法的有效性。

根据本发明，在图6所示的测试场结构示意图中，图7为采用图6测试场并合理配置后获得的一维像，其中如图7中所标注的波峰分别代表在反射面、腔体口面、腔体尾部、暗室后墙以及腔体内的多次反射；通过图6和图7的对应关系，在保证旋转测量过程中进气道口面始终能处于暗室静区范围内的情况下，通过合理配置测量系统可以将腔体内部多次反射的散射源测量出来，说明相对来说采用本发明中所公开的方法得到的测量结果相对准确，而且所需的测试场长度较小。

综上所述，根据矩形波导理论和天线辐射理论，以及远场条件分析和实验测量发现，可以用口面尺寸来计算远场条件。根据多次反射和边缘绕射理论，使用长度来进行散射测量，通过实验结果发现其最大散射源位置并不在腔体物理尺寸所在位置，具体位置与腔体目标形状有关，并在腔体目标口面的在±60度范围内，超出了一般测量范围，一般情况下被忽略了，从而使测量不准确。该问题在飞机试飞前一般不会被发现，从而误认为进气道散射较小，但当飞机飞行过程中测量RCS时，由于这部分散射源的距离相较于飞机机身尺寸并不明显，就会被雷达检测出，会使飞机达不到预期隐身效果。

为解决使用长度来进行RCS测量结果也未必能真实反映进气道的散射的问题，需要进行测量系统的配置，使其具备数倍于腔体类目标尺寸的能力，从而使得超出腔体物理尺寸范围的散射源被准确测量出来。

本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。对于实施例公开的装置而言，由于其与实施例公开的方法相对应，所以描述的比较简单，相关之处参见方法部分说明即可。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (5)

1.一种进气道类腔体目标散射测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1.将腔体口面尺寸作为计算远场条件过程中的被测目标最大尺寸，选择满足远场条件的测试场；

S2.配置测量设备，根据理论计算得到一次以上的散射位置信息，合理配置测量设备的扫频频率间隔△f和脉冲调制参数；

S3.通过配置后的测量设备分别依次进行背景测量、定标体测量、目标测量和定标处理，获得腔体散射目标的RCS测量结果；

S2中配置测量设备，使测量设备能够测量2～5倍于腔体目标尺寸的能力；

所述远场条件的计算方法为：

式中，D为腔体目标口面最大尺寸，而非腔体目标三维最大尺寸，R为雷达与被测目标之间的距离，λ为波长。

2.根据权利要求1所述的一种进气道类腔体目标散射测量方法，其特征在于，所述背景测量的具体方法包括：

测量包含目标转台在内的微波暗室背景，获得目标转台及其它杂散回波构成的环境背景回波B(f)。

3.根据权利要求1所述的一种进气道类腔体目标散射测量方法，其特征在于，所述定标体测量的具体方法包括：

在目标转台上放置定标体，保持测量设备的配置不变，雷达接收到的定标体的回波信号S_C(f)：

S_C(f)＝C(f)+B(f)

式中，C(f)为定标体真实回波，B(f)为环境背景回波。

4.根据权利要求3所述的一种进气道类腔体目标散射测量方法，其特征在于，所述目标测量的具体方法包括：

将腔体散射目标置于目标转台上，调整重心，使得腔体口面在旋转测量过程中始终能处于暗室静区范围内，测量获得目标信号S_T(f)：

S_T(f)＝T(f)+B(f)

式中，其中T(f)为所述腔体散射目标本身的回波。

5.根据权利要求4所述的一种进气道类腔体目标散射测量方法，其特征在于，所述定标处理的具体方法包括：

采用背景矢量相减技术，对所述目标信号S_T(f)和所述定标体的回波信号S_C(f)分别应用所述环境背景回波B(f)，获得所述腔体散射目标的RCS测量结果，目标散射函数的定标方程为：

式中，σ_T(f)为目标散射函数，是需要测量和定标的量；σ_C(f)为定标体的散射函数。