CN112859076A - 一种低散射目标的rcs成像测量装置及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种低散射目标的RCS成像测量装置及测量方法，装置包括：矢量网络分析仪、收发天线组件、横向滑动组件、定标体、测量支架和测控计算机；矢量网络分析仪包含两个发射端口和两个接收端口；收发天线组件包含发射天线、接收天线和天线支架，两个发射端口通过射频电缆与双极化发射天线连接，两个接收端口通过电缆与接收天线连接；天线支架安装于横向滑动组件上，使天线能随水平移动；横向滑动组件的移动距离为合成孔径长度。测量支架用于放置定标体和待测目标。本发明利用四端口矢量网络分析仪和双极化天线组件，可实现雷达目标的极化RCS成像测量。

Description

一种低散射目标的RCS成像测量装置及测量方法

技术领域

本发明涉及微波技术领域，涉及一种低散射目标的RCS成像测量装置及测量方法。

背景技术

在雷达探测领域，雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)是描述雷达目标电测散射特性的参量。它是度量雷达目标对入射电磁波散射能力的一个物理量，反映了目标电磁散射的强度信息，对于给定的雷达系统和电磁波传播环境，雷达目标RCS的测量是研究目标电磁散射特性的重要手段。

国内对于RCS测量系统的研究已有近40年，随着雷达技术与测量仪器的发展与改进，我国RCS测量技术也在不断提升与更新，目前对目标的宽带成像测量技术已经达到了较高水平。但是我国RCS技术起步较晚，在测量系统与仪表设备上与世界先进RCS测量技术仍然存在着一定差距，RCS测量技术的发展任重而道远。

公布号为CN 106154240 A的专利文献“一种极化散射矩阵快速测量系统及方法”中公开了一种可以对待测目标RCS进行极化测量的系统及方法。该系统基于二端口矢量网络分析仪将其拓展为4端口进行极化测量，通过时域背景对消等技术可使高散射测量目标(文献中测量目标为边长200mm金属平板，其理论RCS值相对暗室背景极大)的测量数据极化纯度优于45dB，但使用文献中公布的测量系统及方法并不能保证目标RCS测量精度，且在测量RCS值接近背景的低散射目标时，目标RCS测量必定会有较大误差。

发明内容

为了解决现有的低散射雷达目标的RCS测量精度低的问题，本发明提供了一种低散射目标的RCS成像测量装置及测量方法，利用四端口矢量网络分析仪和双极化天线组件，可实现雷达目标的极化RCS成像测量，通过背景对消及定标体定标的测量方法，使RCS测量精度可优于±1dB。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现。

(一)一种低散射目标的RCS成像测量装置，放置于具有低散射背景的室内微波暗室，所述测量装置包括：矢量网络分析仪、收发天线组件、横向滑动组件、定标体、测量支架和测控计算机；

所述矢量网络分析仪和测控计算机放置于支撑架上，所述矢量网络分析仪和测控计算机的网口通过网线连接，实现信息传输；

所述矢量网络分析仪包含两个信号发射端口和两个信号接收端口；所述收发天线组件包含双极化发射天线、双极化接收天线和天线支架，所述双极化发射天线和双极化接收天线平行安装于天线支架上；两个信号发射端口通过射频电缆与所述双极化发射天线连接，两个信号接收端口分别通过电缆与所述双极化接收天线连接；

所述横向滑动组件水平安装于支撑架上，所述天线支架安装于横向滑动组件上，使双极化发射天线、双极化接收天线能够随横向滑动组件进行水平移动；所述横向滑动组件的移动距离为合成孔径长度。

所述测量支架用于放置定标体和待测目标，使定标体和待测目标与收发天线组件相对应。

进一步地，所述矢量网络分析仪的四个端口对应四个信号通道，四个信号通道用于10GHz-40GHz射频信号的发射和接收。

进一步地，所述双极化发射天线和双极化接收天线为规格相同的一对双极化喇叭天线。

进一步地，所述横向滑动组件包含横向导轨和横向滑块，所述横向滑块与天线支架固定连接，所述横向导轨固定于支撑架上，所述滑块在横向导轨内移动。

更进一步地，所述横向导轨具有刻度线。

更进一步地，所述支撑架上具有竖直滑轨，所述横向导轨通过竖向滑块沿竖直滑轨上下移动；所述竖向滑块上具有固定孔，通过固定杆穿过固定孔抵住支撑架实现竖向滑块的位置固定。

(二)一种低散射目标的RCS成像测量方法，包括以下步骤：

步骤1：测试场地布置：放置测量支架使其与收发天线组件之间的距离满足远场测量位置；调整横向滑动组件高度，使收发天线组件与测量支架高度相等；再对测试场地和测试装置的缝隙处进行吸波材料布置；

步骤2：测量仪器配置：将矢量网络分析仪设置为四端口步进频扫频模式，并设定信号接收端口和信号发射端口；确定测试参数：发射信号带宽、起始频率、终止频率、发射功率和扫描点数；将矢量网络分析仪校准后，将其四个端口通过射频电缆分别与双极化发射天线、双极化接收天线对应连接；

步骤3，目标RCS测量：

(3.1)矢量网络分析仪的两个信号发射端口对应的信号通道分时发射步进频信号至双极化发射天线；发射信号经双极化发射天线输出，经待测目标反射后由接收目标准单站反射信号，并由矢量网络分析仪的连个信号接收端口对应的信号通道同时接收，得到HH、HV、VH、VV四种目标极化回波数据；其中H代表水平极化，V代表垂直极化；

(3.2)根据所选频段及SAR成像合成孔径要求，将合成孔径长度等间距划分得到多个测量点，移动横向滑动组件，使收发天线组件的相位中心分别置于每个测量点，在每个测量点位置处重复步骤(3.1)，得到每个测量点位置处的目标极化测量数据；

(3.3)测量暗室背景：在测量支架上不放置目标，重复步骤(3.1)和(3.2)，得到背景测量数据；

(3.4)测量定标体：保持测量参数不变，在测量支架上放置定标体，重复步骤(3.1)和(3.2)，得到定标体成像测量数据；

(3.5)测量目标：保持测量参数不变，在测量支架与定标体相同位置上放置待测目标，重复步骤(3.1)和(3.2)，得到目标成像测量数据；

(3.6)计算目标RCS测量值：

对背景测量数据和目标成像测量数据进行背景对消，得到消除背景的目标成像数据；对消除背景的目标成像数据和定标体成像测量数据分别进行二维成像处理；再根据二维成像结果中的目标幅值信息和定标体的理论RCS值，采用比较法由测控计算机计算得到目标RCS精确测量值。

进一步地，相邻测量点之间的距离为2cm。

进一步地，步骤2中，所述测试参数的确定过程为：

(2.1)根据成像需求的距离分辨率△d确定发射信号带宽Bw＝c/2△d，其中c为光速；

(2.2)根据所需测量的频段以及发射信号带宽，在测量频率范围内设置起始频率f₀、终止频率f₁；

(2.3)根据电缆损耗L及空间衰减L_r配置发射功率P_t；

(2.4)根据不模糊距离R₀以及以及发射信号带宽Bw配置扫描点数N：N＝2R₀·Bw/c。

更进一步地，所述不模糊距离R₀为10m；所述中频带宽设置为1KHz。

进一步地，在步骤(3.1)中，目标RCS测量满足准单站测量原则，即收发天线入射波与反射波夹角在5度以内。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

本发明利用四端口的矢量网络分析仪实现“发射端口分时发射信号，接收端口同时接收信号”的测量特性及双极化测量天线组件，一次性获得待测目标的全部4种极化测量数据，简化了极化测量数据的测量流程。同时，本发明利用横向滑动组件实现合成孔径，并通过背景对消及定标体定标等测量方法，对目标进行RCS成像诊断，可实现雷达目标RCS高精度成像测量，对雷达目标RCS的测量精度可优于±1dB。

附图说明

下面结合附图和具体实施例对本发明做进一步详细说明。

图1为本发明一种低散射目标的RCS成像测量装置的结构示意图；其中，1、矢量网络分析仪；2、收发天线组件；21双极化发射天线；22双极化接收天线；23天线支架；3、横向滑动组件；31横向导轨；32横向滑块；33支撑架；4、定标体；5、测量支架；6、测控计算机；

图2为本发明实施例的雷达目标成像结果图。

图3为本发明实施例中的雷达目标RCS测量结果与理论值的对比图；

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的实施方案进行详细描述，但是本领域的技术人员将会理解，下列实施例仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。

实施例1

参考图1，本发明提供的一种低散射目标的RCS成像测量装置，放置于具有低散射背景的室内微波暗室，所述测量装置包括；矢量网络分析仪1、收发天线组件2、横向滑动组件3、定标体4、测量支架5和测控计算机6；

所述矢量网络分析仪1和测控计算机6放置于支撑架33上，所述矢量网络分析仪1和测控计算机6的网口通过网线连接，实现信息传输；

所述矢量网络分析仪1包含两个信号发射端口和两个信号接收端口；所述收发天线组件2包含双极化发射天线21、双极化接收天线22和天线支架23，所述双极化发射天线21和双极化接收天线22平行安装于天线支架23上；两个信号发射端口通过射频电缆与所述双极化发射天线21连接，两个信号接收端口分别通过电缆与所述双极化接收天线22连接；所述矢量网络分析仪1的四个端口对应四个信号通道，四个信号通道用于10GHz-40GHz射频信号的发射和接收。

所述横向滑动组件3水平安装于支撑架33上，所述天线支架23安装于横向滑动组件3上，使双极化发射天线21、双极化接收天线22能够随横向滑动组件3进行水平移动；所述横向滑动组件3的移动距离为合成孔径长度。

具体地，横向滑动组件3包含横向导轨31和横向滑块32，所述横向滑块32与天线支架23固定连接，所述横向导轨31固定于支撑架33上，所述横向滑块32在横向导轨31内移动。

所述测量支架5用于放置定标体4和待测目标，使定标体4和待测目标与收发天线组件2相对应。测量支架5为圆台形泡沫材质，可稳定承载定标体4及待测目标体。

测控计算机6主要用于对矢量网络分析仪1测试的数据进行后续的成像处理和计算。

本发明实施例中，所述双极化发射天线21和双极化接收天线22为规格相同的一对双极化喇叭天线。所述定标体4为RCS测量装置用的标准标定金属球，直径为100mm。

本发明实施例中，所述横向导轨31具有刻度线，精确到毫米。

本发明实施例中，所述支撑架33上具有竖直滑轨，所述横向导轨31通过竖向滑块沿竖直滑轨上下移动；所述竖向滑块上具有固定孔，通过固定杆穿过固定孔抵住支撑架33实现竖向滑块的位置固定。使用时，松开固定杆，则可以在数值滑轨上进行竖向滑块的上下移动，待调整至合适高度，则将固定杆与支撑架33抵住即可。竖直滑轨上也设置毫米级刻度线。

本发明的横向滑块32和竖向滑块的移动可以为手动，也可以为自动，自动时通过电机和滚珠丝杠与控制器实现。

本发明测量装置所处测量环境选择具有低散射测量背景的室内微波暗室。

实施例2

一种低散射目标的RCS成像测量方法，包括以下步骤；

步骤1，测试场地布置：安放收发天线组件2及横向滑动组件3，安置测量支架5并使其满足远场测量位置，在此将测量支架5上的目标的几何中心与收发天线组件2相位中心的测试距离布置为3m；调整滑轨支架，将收发天线组件2高度调整为与目标低散射测量支架5等高，以保证天线照射范围。对测试场地进行吸波材料布置，并对滑轨支架及目标低散射测量支架5与周围的缝隙处进行吸波材料遮挡、填充，以保证测量环境的背景噪声得到有效抑制。以上，测试场地布置完成。

步骤2，测量仪器配置：将矢量网络分析仪1设置为四端口步进频扫频工作模式，将第一信号通道和第二信号通道设置为信号发射端口，第三信号通道和第四信号通道设置为信号接收端口；设置矢网发射信号起始频率为10GHz终止频率为13GHz、发射功率为0dB、中频带宽为1KHz、扫面点数为201个。矢网四个端口连接射频电缆，并对矢网进行四通道直通校准，保存校准结果。将射频电缆另一端连接收发天线组件2，其中第一信号通道和第二信号通道连接于发射天线，第三信号通道和第四信号通道连接于接收天线。以上，测量仪器配置完成。

步骤3，雷达目标RCS测量，具体包括如下步骤：

(1)RCS成像测量数据采集：开启矢量网络分析仪1，调摄至测量状态。矢量网络分析仪1第一信号通道和第二信号通道分时发射步进频信号到发射天线，发射信号经发射天线输出，经待测目标反射后由接收天线接收目标准单站反射信号，并由矢量网络分析仪1第三信号通道和第四信号通道同时接收，得到HH、HV、VH、VV四种目标极化回波数据，通过矢量网络分析仪1保存，此为数据采集过程。

根据所选频段及SAR成像合成孔径要求，合成孔径长度设定为110cm，滑动滑轨，在合成孔径范围内每隔2cm进行一次数据采集，每次目标成像测量共计采集56组极化回波数据，即完成目标RCS成像测量数据采集过程，保存数据到测控计算机6。

(2)测量暗室背景：目标低散射测量支架5上不放置任何目标，重复步骤(1)，对暗室背景进行RCS成像测量数据采集，保存为背景测量数据。

(3)测量定标体4：保持测量参数不变，目标低散射测量支架5上放置直径100mm标准金属定标球，重复步骤1，对定标球进行RCS成像测量数据采集，保存为定标成像测量数据。

(4)测量目标：测量目标为直径150mm金属球体。保持测量参数不变，在目标低散射测量支架5与定标体4相同位置上放置测量目标，重复步骤1，对目标进行RCS成像测量数据采集，保存为目标成像测量数据。

(5)计算目标RCS测量值：基于暗室背景、定标体4、目标三组RCS成像测量数据，进行基于背景对消的定标体4和目标二维成像处理，结果如图2所示；根据二维成像中的目标幅值信息及标准定标体4的理论RCS值，根据比较法由测控计算机6计算得到目标RCS精确测量值，结果如图3所示。

图2为基于时域背景对消的目标二维成像结果，从图2可以看出，目标成像清晰且背景杂波干扰小，在成像质量上保证了RCS测量数据的准确性。图3为10-13GHZ频段下，直径150mm金属球体RCS测量结果，从图3可以看出，其中金属球体测量RCS值与理论RCS值在10GHz频点处差值最大，为0.72dB，RCS测量精度优于±1dB，说明本发明构建的测量装置具有很高的RCS测量精度。

虽然，本说明书中已经用一般性说明及具体实施方案对本发明作了详尽的描述，但在本发明基础上，可以对之作一些修改或改进，这对本领域技术人员而言是显而易见的。因此，在不偏离本发明精神的基础上所做的这些修改或改进，均属于本发明要求保护的范围。

Claims (10)

1.一种低散射目标的RCS成像测量装置，放置于具有低散射背景的室内微波暗室，其特征在于，所述测量装置包括：矢量网络分析仪、收发天线组件、横向滑动组件、定标体、测量支架和测控计算机；

所述矢量网络分析仪和测控计算机放置于支撑架上，所述矢量网络分析仪和测控计算机的网口通过网线连接，实现信息传输；

所述矢量网络分析仪包含两个信号发射端口和两个信号接收端口；所述收发天线组件包含双极化发射天线、双极化接收天线和天线支架，所述双极化发射天线和双极化接收天线平行安装于天线支架上；两个信号发射端口通过射频电缆与所述双极化发射天线连接，两个信号接收端口分别通过电缆与所述双极化接收天线连接；

所述横向滑动组件水平安装于支撑架上，所述天线支架安装于横向滑动组件上，使双极化发射天线、双极化接收天线能够随横向滑动组件进行水平移动；所述横向滑动组件的移动距离为合成孔径长度。

所述测量支架用于放置定标体和待测目标，使定标体和待测目标与收发天线组件相对应。

2.根据权利要求1所述的低散射目标的RCS成像测量装置，其特征在于，所述矢量网络分析仪的四个端口对应四个信号通道，四个信号通道用于10GHz-40GHz射频信号的发射和接收。

3.根据权利要求1所述的低散射目标的RCS成像测量装置，其特征在于，所述双极化发射天线和双极化接收天线为规格相同的一对双极化喇叭天线。

4.根据权利要求1所述的低散射目标的RCS成像测量装置，其特征在于，所述横向滑动组件包含横向导轨和横向滑块，所述横向滑块与天线支架固定连接，所述横向导轨固定于支撑架上，所述横向滑块在横向导轨内移动。

5.根据权利要求4所述的低散射目标的RCS成像测量装置，其特征在于，所述支撑架上具有竖直滑轨，所述横向导轨通过竖向滑块沿竖直滑轨上下移动；所述竖向滑块上具有固定孔，通过固定杆穿过固定孔抵住支撑架实现竖向滑块的位置固定。

6.一种低散射目标的RCS成像测量方法，基于权利要求1所述的测试装置，其特征在于，包括以下步骤：

步骤1：测试场地布置：放置测量支架使其与收发天线组件之间的距离满足远场测量位置；调整横向滑动组件高度，使收发天线组件与测量支架高度相等；再对测试场地和测试装置的缝隙处进行吸波材料布置；

步骤2：测量仪器配置：将矢量网络分析仪设置为四端口步进频扫频模式，并设定信号接收端口和信号发射端口；确定测试参数：发射信号带宽、起始频率、终止频率、发射功率和扫描点数；将矢量网络分析仪校准后，将其四个端口通过射频电缆分别与双极化发射天线、双极化接收天线对应连接；

步骤3，目标RCS测量：

(3.1)矢量网络分析仪的两个信号发射端口对应的信号通道分时发射步进频信号至双极化发射天线；发射信号经双极化发射天线输出，经待测目标反射后由接收目标准单站反射信号，并由矢量网络分析仪的连个信号接收端口对应的信号通道同时接收，得到HH、HV、VH、VV四种目标极化回波数据；其中H代表水平极化，V代表垂直极化；

(3.2)根据所选频段及SAR成像合成孔径要求，将合成孔径长度等间距划分得到多个测量点，移动横向滑动组件，使收发天线组件的相位中心分别置于每个测量点，在每个测量点位置处重复步骤(3.1)，得到每个测量点位置处的目标极化测量数据；

(3.3)测量暗室背景：在测量支架上不放置目标，重复步骤(3.1)和(3.2)，得到背景测量数据；

(3.4)测量定标体：保持测量参数不变，在测量支架上放置定标体，重复步骤(3.1)和(3.2)，得到定标体成像测量数据；

(3.5)测量目标：保持测量参数不变，在测量支架与定标体相同位置上放置待测目标，重复步骤(3.1)和(3.2)，得到目标成像测量数据；

(3.6)计算目标RCS测量值：

对背景测量数据和目标成像测量数据进行背景对消，得到消除背景的目标成像数据；对消除背景的目标成像数据和定标体成像测量数据分别进行二维成像处理；再根据二维成像结果中的目标幅值信息和定标体的理论RCS值，采用比较法由测控计算机计算得到目标RCS精确测量值。

7.根据权利要求6所述的低散射目标的RCS成像测量方法，其特征在于，相邻测量点之间的距离为2cm。

8.根据权利要求6所述的低散射目标的RCS成像测量方法，其特征在于，步骤2中，所述测试参数的确定过程为：

(2.1)根据成像需求的距离分辨率Δd确定发射信号带宽Bw＝c/2Δd，其中c为光速；

(2.2)根据所需测量的频段以及发射信号带宽，在测量频率范围内设置起始频率f₀、终止频率f₁；

(2.3)根据电缆损耗L及空间衰减L_r配置发射功率P_t；

(2.4)根据不模糊距离R₀以及以及发射信号带宽Bw配置扫描点数N＝2R₀·Bw/c。

9.根据权利要求8所述的低散射目标的RCS成像测量方法，其特征在于，所述不模糊距离R₀为10m；所述中频带宽设置为1KHz。

10.根据权利要求6所述的低散射目标的RCS成像测量方法，其特征在于，在步骤(3.1)中，目标RCS测量满足准单站测量原则，即发射天线与接收天线的入射波与反射波夹角在5度以内。

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