CN114167365A - 导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明属于雷达目标特征信息处理技术领域，公开了一种导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法及系统，所述导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法包括：地物谱测量：对多种场景地面杂波进行测量，建立地物谱数据库；目标双站RCS测量：基于雷达散射截面计算原理，利用全自动同步协调系统保证在测量过程中天线和目标实时协同，测量多种天线极化方式和不同双站角下的目标RCS值；多普勒测速：基于多普勒原理，利用全自动同步协调系统，借助无人机悬吊目标，对目标径向、横向以及随机速度的测量。本发明在测量目标特征的同时，提供了通过分析背景杂波的回波信息识别背景类型，为后续实验提供技术支持，同时克服了现有外场实验技术中干扰因素多导致结果误差大的难题。

Description

导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法及系统

技术领域

本发明属于雷达目标特征信息处理技术领域，尤其涉及一种导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法及系统。

背景技术

目前，雷达目标识别技术是满足武器信息化、智能化的重要技术支撑手段。通过接收回波信号，可以判别目标的种类，计算目标的移动速度。在军事领域，雷达目标识别技术可以用于目标监控、情报获取、火力拦截、航空航天等方面，在民用领域，雷达目标识别技术可以用于自动驾驶、气象预报、地质勘探等方面。雷达所采集到的特征信息中，最重要的就是目标的雷达散射截面、速度、方位信息。

雷达散射截面，简称RCS，表征目标所产生的回波强度。在各种仿真模拟中，RCS方向图并不少见，但在实际测量中，尤其是外场测量，很少有测量随着角度变化的连续的RCS曲线图像，因为在外场试验中，面对复杂电磁背景，对测试目标连续扫角和扫频测量难度较大。同样在对目标的速度测量过程中，如何使天线的波束始终照射目标且不随着目标的移动而受到影响是个难题。因为在目标随机运动时，为了保证天线波束与测试目标保持在同一射线方向，就要对天线加装对准装置，要求天线安装在稳固、可平稳移动的支架上。而且在实际测量中，情况并非通过上述步骤就可以完成对目标信息的提取，例如在军事雷达车行进过程中对敌方高速运动目标的测量，目标运动的同时，雷达本身也在运动，而外场试验中缺少能令天线与目标协同运动的装置。

外场电磁环境十分复杂，民用军用雷达几乎覆盖绝大多数的电磁频段，例如航空雷达，卫星信号，手机射频信号等等对外场测量有很大的影响，导致实验得不到真实的目标回波，因此需要提取复杂背景电磁波的目标特征信息，或者抑制背景噪声从而得到想要的目标回波。一直以来，建立复杂背景的数据库都是一个重大研究课题。不同的背景，如海洋、沙地、植被、城市路面等，具有不同的电磁特性，而这些特性的差异对于目标信息的提取有着很大的影响。

对于粗糙面的建模和仿真以及对目标的RCS测量已经有大量且较为可靠的成果，即使算法天衣无缝，其核心还是天线采集的数据。且实际应用中有大量干扰因素难以进行模拟，不能只局限于内场实验与仿真，这种情况下外场实地测量方法和数据不可或缺。在实际的外场测试中，电磁杂波干扰大、且测量过程常受到地形、天气和杂波的干扰导致外场测试场景变化较大。由于条件复杂，缺少标准化系统化的实验流程，造成采集数据与真实值相比存在失真的现象，难以做到精准地控制变量，因此实验结果有一定的误差性。基于以上分析，建立一套标准化的测试方法对实验结果的准确性至关重要。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)在外场试验中，面对复杂电磁背景，对测试目标连续扫角和扫频测量难度较大，很少有测量随着角度变化的连续的RCS曲线图像。

(2)在实际测量中，并非完成对目标信息的提取，目标运动的同时，雷达本身也在运动，而外场试验中缺少能令天线与目标协同运动的装置。

(3)由于条件复杂，缺少标准化系统化的实验流程，造成采集数据与真实值相比存在失真现象，难以做到精准地控制变量，故实验结果有一定误差性。

解决以上问题及缺陷的难度为：建立测量背景杂波、目标RCS、目标速度三位一体的实验方法，令角度测量与RCS测量协同，目标运动与天线运动协同。

解决以上问题及缺陷的意义为：提高外场实验的质量和效率，优化采集的数据，在外场复杂的环境下建立能够精准控制实验流程的系统。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法、系统、设备、终端，尤其涉及一种基于外场测试架的雷达目标电磁特征测量方法及系统。

本发明是这样实现的，一种导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法，所述导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法包括以下步骤：

方案一，地物谱测量：对多种场景地面杂波进行测量，建立地物谱数据库，为目标与复杂背景的复合提供数据支持；

方案二，目标双站RCS测量：基于雷达散射截面计算原理，利用全自动同步协调系统保证在测量过程中天线和目标实时协同，测量多种天线极化方式和不同双站角下的目标RCS值，获取重要目标物理特征；

方案三，多普勒测速：基于多普勒原理，利用全自动同步协调系统，借助无人机悬吊目标，对目标径向、横向以及随机速度的测量，获取重要目标物理特征。

进一步，方案一中，所述地物谱测量，包括：

(1)选取实验地点，确定实验对象；每一组实验的测量目标一般选取单一种类的粗糙面；

(2)选取边长为2.1m的样方，使用锥形吸波材料铺满，中心处预留边长为0.7m的不放置吸波材料的小样方，使测试场地裸露；

(3)使用激光水平仪进行校准，调节测试架导轨底部平衡螺母直至导轨水平；

(4)将天线安装到旋臂前端的可调节圆盘上；

(5)使用激光进行校准，保证天线中心对准样方中心；

(6)连接天线与移动测试平台上放置的仪器，所述仪器包括功率放大器与频谱仪；

(7)设置频谱仪，模式选择S21，根据天线输出频率和功率放大器效果选择频率显示范围，采样点数选择401，自动调节幅值量度，开始测量并保存数据；

(8)调节测试架旋臂，转动旋臂与支架之间的旋钮，按刻度改变天线俯角；每种材质的粗糙面分别测天线垂直接收和45°俯角接收两组数据；

(9)更换测量目标，即更换小样方内的材质，重复步骤(3)至步骤(8)，分别测量吸波材料、草地、沙地和公路的回波数据；

(10)进行数据处理。

进一步，所述手持频谱的设置步骤，包括：

1)使用细线连接样方两对角线，确定样方中心；将激光发射器垂直于地面固定在样方中心点上，旋转支架旋臂，保证天线竖直向下，水平转动旋臂，保证激光照射在天线中心；

2)发射天线连接功率放大器“output”接口，该功率放大器的“input”接口连接频谱仪接口1；接收天线连接另一功率放大器“input”接口，该功率放大器的“output”接口连接频谱仪接口2；

3)使用校准件对频谱仪进行校准，频谱仪开机后，选择模式S21，模式“Mode”>矢量网络“NA”>“S21”；根据天线输出频率、接收频率和功率放大器效果选择频率显示范围，频率“Freq/Dist”>设置开始频率“Start”>终止频率“Stop”；选择采样点数，有201、401、 801三种选项，兼顾精确性和计算效率，选择401，扫频“Sweep”>“Resolution”>“401”；选择幅值范围，范围“Scale”>自动选取范围“Autoscale”；开始测量第一组数据；

4)轴向旋转测试架旋臂，依照刻度将天线从垂直测量改变为45°测量；测量第二组数据。

所述数据处理步骤，包括：

1)在垂直测量和45°斜测量实验中测量多组数据，取平均值减小误差；

2)进行数据处理，将同一地物特征不同天线角度的数据视为同组不同序号，然后使组内数据相对比，得出该种场景对不同波段的反射波谱；在天线角度相同的情况下，不同测试地表特征相互对比，得出多种场景的异同；进行绘图，直观分析不同场景的地物谱特征。

进一步，方案二中，所述目标双站RCS测量，包括：

(1)选取测量目标；

(2)使用激光水平仪进行校准，调节测试架导轨底部平衡螺母直至导轨水平；

(3)将天线安装到旋臂前端的法兰盘上，使用激光校准，保证天线对准目标；

(4)连接天线与移动测试平台上的设备，所述设备包括功率放大器、频谱仪以及外场移动电源；

(5)设置频谱仪：选择频谱仪的矢网模式NA，通道模式选择S21；根据天线输出频率和功率放大器效果选择频率显示范围，兼顾数据处理速度与精度，采样点数选择401；自动调节幅值量度，开始测量并保存数据；

(6)测量背景杂波的回波功率；

(7)放置目标，测量目标与导轨间的垂直距离，收集天线位置信息；

(8)调试驱动装置，使得天线波束始终照射测试目标；

(9)使用已知RCS的金属球进行定标，测定其回波功率，记录数据；

(10)测量目标回波功率，记录数据；

(11)改变天线极化方向，分别测量水平极化、垂直极化、45°极化，重复步骤(7)至步骤(9)；

(12)进行数据处理，计算目标RCS值，得出RCS测量值与角度的关系。

进一步，所述目标双站RCS测量，还包括：

1)将驱动装置安装在法兰盘、旋臂与支架衔接处和支架底座，以自动调节接收天线和发射天线自动对准目标，旋转法兰盘调整天线方向，轴向转动旋臂调整天线朝向，水平转动旋臂调整天线位置；

2)采用功率放大器发射和接收信号，采用频谱仪进行雷达散射截面数据采集和存储后，在计算机上进行数据处理；发射天线连接功率放大器“output”接口，该功率放大器的“input”接口连接频谱仪接口1；接收天线连接另一功率放大器“input”接口，该功率放大器的“output”接口连接频谱仪接口2；

3)频谱仪开机后，选择模式S21，模式“Mode”>矢量网络“NA”>“S21”；根据天线输出频率、接收频率和功率放大器效果选择频率显示范围，频率“Freq/Dist”>设置开始频率“Start”>终止频率“Stop”；选择采样点数，有201、401、801三种选项，兼顾精确性和计算效率，选择401，扫频“Sweep”>“Resolution”>“401”；选择幅值范围，范围“Scale”> 自动选取范围“Autoscale”；

4)不设置任何目标，驱动两天线在导轨上以相同速度匀速靠近，记录双站角的变化，同时测量背景回波功率，记录数据；

5)放置定标体金属球，测量金属球与导轨间的垂直距离，导入计算机，键入双站角角度，测试双站角分别为90°、45°以及近似0°时得到的RCS值；

6)设置金属球与天线协同，利用自动对准装置，获取目标位置，驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线对准金属球，开始定标，测量金属球回波功率，记录数据；

7)设置测量目标与天线协同，利用自动对准装置获取目标位置，驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线对准目标；测量目标回波功率，记录数据；

8)旋转法兰盘即可改变天线极化方向，实验开始时天线为水平极化，将法兰盘顺时针旋转45°，重复步骤1)至步骤7)，得到45°极化天线的测量结果，记录第二组数据；继续顺时针旋转法兰盘45°，重复步骤1)至步骤7)，得到垂直极化天线的测量结果，记录第三组数据。

所述数据处理步骤，包括：

1)雷达散射截面是表征回波强度的物理量，定义式为：

雷达散射截面与回波功率的关系如下所示：

其中，R_T为目标距发射天线的距离，R_R为目标距接收天线的距离，L为损耗系数，G_T为发射天线的增益，G_R为接收天线的增益，P_T为发射功率，P_R为接收功率，λ为波长。测量已知RCS值的金属球的回波功率，即可求出回波功率与RCS值的关系。虽然目标与金属球的RCS值不相同，但对于相同的双站测试系统，二者的回波功率与RCS值之间的关系是相同的。测量时一定要保证天线对准金属球，计算时使用的增益一般是天线主方向上的增益，偏离会导致误差增大。金属球是对称结构，如果进行单站测量，金属球的RCS值不会随角度的变化而变化，但在双站测量中，双站角会影响测量得到的金属球RCS值。

2)目标RCS值由下式计算：

其中，σ₁为金属球RCS值，σ₂为目标RCS值，S₀为背景回波功率，S₁为金属球回波功率，S₂为目标回波功率。根据双站角变化绘制其RCS方向图，观察分析目标不同角度下的RCS分布。使用式(3)计算则不需要式(2)中的损耗系数、天线增益等参数。

而对于极化天线，目标的RCS值会受到发射和接收天线极化的影响。将电场分解为两个极化分量：

其中，E_t为入射波电场，E_tv为其垂直极化分量，E_th为其水平极化分量；E_r为回波电场， E_rv为其垂直极化分量，E_rh为其水平极化分量；γ_t为入射波电场方向与垂直方向的夹角，γ_r为回波电场与垂直方向的夹角。使用散射系数将入射波电场分量与回波电场分量相联系：

其中，各个S分量为散射矩阵的元素为：

RCS散射矩阵由下式得出：

σ_ij＝|S_ij| (7)

进一步，方案三中，所述多普勒测速，包括：

(1)选取无人机悬吊测试目标，采用刚性材料悬吊测试目标以保证无人机和测试目标二者在运动过程中保持相对静止状态，避免加速和空气阻力等使无人机和测试目标的非同步的现象产生；

(2)使用激光水平仪进行校准，调节测试架导轨底部平衡螺母直至导轨水平；

(3)安装驱动装置，连接移动电源，以驱动天线在测试过程中始终对准目标，同时根据测试需要驱动天线在导轨上移动；

(4)使用自动对准装置，通过无人机定位系统实时获取目标位置和速度信息，根据信息自动对准装置驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线时刻对准目标；

(5)开始测速，先控制无人机带动目标向天线方向径向移动，保存无人机移动速度，作为目标真实速度，记录第一组频率数据；

(6)控制无人机横向移动，即控制无人机沿平行于导轨方向移动，记录无人机运动轨迹以及无人机与天线之间的连线与无人机运动方向间的夹角，保存无人机移动速度数据，记录第二组频率数据；

(7)控制无人机随机移动，此时目标速度分解为平行于导轨的水平分量以及垂直于导轨的径向分量，而测量速度时用到的是径向分量，得到目标运动方向和导轨的夹角，即可获得目标的真实移动速度；记录无人机轨迹以及无人机和天线的相对位置，保存无人机移动速度，记录无人机和天线连线与无人机运动方向之间的夹角，记录第三组频率数据；

(8)处理数据。

进一步，所述实验仪器准备工作，包括：

1)实验选取无人机悬吊目标，可记录无人机移动速度，即得到目标真实移动速度。为避免无人机影响目标的散射，将目标悬吊在无人机下方，并相距一定距离。悬吊时需使用刚性材料，避免加速时目标加速延后或空气阻力使目标速度改变，进而导致验证结果不准确。

2)外场测试架设计时考虑其他测量设备的线路问题，故加装移动测试平台，用于搭载功率放大器、频谱仪、移动电源等设备，且其底部装有滑轮，与天线一起在导轨上移动。在法兰盘、旋臂与支架连接处安装驱动装置，以配合自动对准装置保证天线对准目标，在支架底部安装驱动装置，保证天线沿导轨移动。

所述数据处理步骤，包括：

1)在无损耗的情况下，当目标静止不动时，波源产生的入射波和接收到的反射波具有相同频率；相比目标静止不动的情况，当目标靠近波源时，在相同的时间内，目标接收到的波数更多，反射波的频率增高；当目标远离波源时，在相同的时间内，目标接收到的波数更少，反射波的频率降低。当波源移动时也是同理。

设波源与目标之间的距离为R，波源发射的电磁波波长为λ，发射天线与接收天线为同一天线，则从天线发射电磁波至接收到回波的过程中，共有2R/λ个完整周期的波。目标不移动时，两端路程产生的总相位变化为

当目标相对天线径向运动时，路程和相位都会发生时变，则对于路程和相位求时间的导数，即角频率为：

其中，v_R为径向速度，f_d为多普勒频移，f_d＝f′-f，f′为接收频率，f为发射频率。多普勒频移的正负性与目标移动方向有关，目标靠近天线移动，则接收到的频率增加，多普勒频移为正；目标远离天线移动，则接收到的频率降低，多普勒频移为负。

整理式(8)，径向速度为：

使用式(9)计算第一组数据，与无人机记录结果基本吻合。

2)实际情况下往往目标不是恰好径向移动。当目标平行于导轨移动时，其在移动路线上两点分别接收电磁波，两点之间的路径差为Δl＝d cosθ＝vΔt cosθ，期间的总相位变化为

仍对路程和相位求时间的导数，角频率为：

其中，v为目标速度。整理为：

使用式(11)计算第二组数据，与无人机记录结果基本吻合。

3)导入目标速度方向与目标和天线之间夹角数据，导入回波频率，利用式(11)，借助计算机计算目标速度，结果与无人机记录结果基本吻合。

本发明的另一目的在于提供一种应用所述的导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法的导轨式外场目标、环境雷达特征获取系统，所述导轨式外场目标、环境雷达特征获取系统由导轨、移动测试平台、天线支架三大部分组成。

其中，所述导轨底部装有平衡螺母，配合水平仪使测试架在各种凹凸不平的地面亦能保持水平；所述移动测试平台用于搭载实验设备，且其底部装有滑轮，使测试平台与天线支架同步运动，避免射频线长度不足情况下，在天线支架移动时损坏天线与射频线的转接头的安全问题；天线支架在衔接处采用可动设计：天线连接处为法兰盘，可轴向旋转，改变天线极化方向；旋臂既可轴向转动也可水平转动，其水平转动调节天线的φ角(天线方位角)，轴向转动可改变天线θ角(天线下倾角)，支架底座采用可拆卸设计，可改变天线支架在移动测试平台的位置。

本发明的另一目的在于提供一种计算机设备，所述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，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

地物谱测量：对多种场景地面杂波进行测量，建立地物谱数据库；目标双站RCS测量：基于雷达散射截面计算原理，利用全自动同步协调系统保证在测量过程中天线和目标实时协同，测量多种天线极化方式和不同双站角下的目标RCS值；多普勒测速：基于多普勒原理，利用全自动同步协调系统，借助无人机悬吊目标，对目标径向、横向以及随机速度的测量。

本发明的另一目的在于提供一种信息数据处理终端，所述信息数据处理终端用于实现所述的导轨式外场目标、环境雷达特征获取系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明提供的导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法，创新性提出基于外场测试架的多功能实验方法，采用首创的外场测试架，构造多功能、标准化的测试系统。可用同一设备进行地物谱测量、双站RCS 测量以及多普勒测速工作，测量目标雷达散射截面以及运动速度和方位，全面掌握目标几何和运动特征；此外，外场目标的测试受电磁杂波信号的影响，导致目标的电磁特征很容易被掩盖在背景杂波中，本发明创造性的提出一种目标-背景分离测量方法，可测定目标所在复杂环境的地物谱数据，尽量排除干扰。从而做到全面的、系统化的外场目标测试，且在测量过程中可以针对不同的测试方案精确控制仪器设备的方位和速度信息，如在测量双站RCS时，根据目标和天线的距离来调节发射和接收天线的之间的角度(也叫双站角)、天线俯仰角以及天线随测试架移动速度等参数。

本发明提供了一套高度集成化且稳定可靠的测试体系，可测量目标的RCS和速度，同时测量目标所在环境所属背景类别，主要解决外场复杂电磁波对实验结果影响大的难题，从而建立高度集成化且稳定可靠的雷达目标特征测量测试体系。本发明提供了一种可以精确确定测量面积大小，精准控制天线放置高度和角度的测量方法，针对不同的测试场景精确控制所需角度和高度，最大限度地排除干扰，提高外场实验的质量和效率，优化采集的数据，在外场复杂的环境下建立能够精准控制实验流程的系统。

本发明给出基于外场测试架的雷达目标电磁特征测量方法，包括地物谱测量、目标双站 RCS测量、多普勒测速。对于外场目标电磁特征来说，RCS与速度是两个重要特征量，此外测量地面杂波，实验结果可被用于目标与复杂场景的复合。在地物谱测量中，测试架的稳定性与精确的刻度可以避免外场人为、自然因素对设备位置和角度读数的干扰；在双站RCS测量中，本发明采用的方法可以保证在测量RCS的同时测量双站角，得出双站角在双站RCS 测量中的影响；在多普勒测速中，可以设置天线与目标协同，测量目标随机速度等。

本发明在测量目标特征的同时，提供了通过分析背景杂波的回波信息识别背景类型，为后续实验提供技术支持。本发明克服了现有外场实验技术中干扰因素多导致结果误差大的难题，同时，有效解决外场试验中因缺少天线与目标协同装置造成实验结果误差大的问题。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对本发明实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本发明的一些实施例，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这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法流程图。

图2是本发明实施例提供的地物谱测量流程图。

图3是本发明实施例提供的双站RCS测量流程图。

图4是本发明实施例提供的多普勒测速流程图。

图5是本发明实施例提供的吸波材料铺设示意图。

图6是本发明实施例提供的瓷砖回波功率示意图。

图7是本发明实施例提供的草地回波功率示意图。

图8是本发明实施例提供的双站RCS测量示意图。

图9是本发明实施例提供的移动测试平台示意图。

图10是本发明实施例提供的方位俯仰结构示意图。

图11是本发明实施例提供的导轨及底部平衡螺母示意图。

图12是本发明实施例提供的外场测试架总装示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法、系统、设备、终端，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法包括以下步骤：

S101，地物谱测量：对多种场景地面杂波进行测量，建立地物谱数据库；

S102，目标双站RCS测量：基于雷达散射截面计算原理，利用全自动同步协调系统保证在测量过程中天线和目标实时协同，测量多种天线极化方式和不同双站角下的目标RCS值；

S103，多普勒测速：基于多普勒原理，利用全自动同步协调系统，借助无人机悬吊目标，对目标径向、横向以及随机速度的测量。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步描述。

针对以上问题，本发明创新性提出基于外场测试架的多功能实验方法。

外场测试架由导轨、移动测试平台、天线支架三大部分组成，其中导轨底部装有平衡螺母，配合水平仪可使测试架在各种凹凸不平的地面亦能保持水平；移动测试平台用于搭载实验设备，且其底部装有滑轮，可使测试平台与天线支架同步运动，避免射频线长度不足情况下，在天线支架移动时损坏天线与射频线的转接头等安全问题，增加实验的可操作性的同时也提高了实验设备的安全性；为了满足不同的测试场景，天线支架在衔接处多采用可动设计：天线连接处为法兰盘，可轴向旋转，改变天线极化方向。旋臂既可轴向转动也可水平转动，其水平转动调节天线的φ角(天线方位角)，轴向转动可以可改变天线θ角(天线下倾角)，支架底座采用可拆卸设计，可改变天线支架在移动测试平台的位置。

本发明给出基于外场测试架的雷达目标电磁特征测量方法，包括地物谱测量、目标双站 RCS测量、多普勒测速。对于外场目标电磁特征来说，RCS与速度是两个重要特征量，此外测量地面杂波，实验结果可被用于目标与复杂场景的复合。在地物谱测量中，测试架的稳定性与精确的刻度可以避免外场人为、自然因素对设备位置和角度读数的干扰；在双站RCS测量中，本发明采用的方法可以保证在测量RCS的同时测量双站角，得出双站角在双站RCS 测量中的影响；在多普勒测速中，可以设置天线与目标协同，测量目标随机速度等。

实施例1

(1)地物谱

如图2所示，本发明提供了一种可以精确确定测量面积大小，精准控制天线放置高度和角度的测量方法，针对不同的测试场景精确控制所需角度和高度，步骤如下：

第一步：选取实验地点，确定实验对象。每一组实验的测量目标一般选取单一种类的粗糙面。

第二步：选取边长为2.1m的样方，使用锥形吸波材料铺满，中心处预留边长为0.7m的不放置吸波材料的小样方，使测试场地裸露。

第三步：使用激光水平仪进行校准，调节测试架导轨底部平衡螺母直至导轨水平。

第四步：将天线安装到旋臂前端的可调节圆盘上。

第五步：使用激光进行校准，保证天线中心对准样方中心。

第六步：连接天线与移动测试平台上放置的仪器，如功率放大器与频谱仪。

第七步：设置频谱仪，模式选择S21，根据天线输出频率和功率放大器效果选择频率显示范围，采样点数选择401，自动调节幅值量度，开始测量并保存数据。

第八步：调节测试架旋臂，转动旋臂与支架之间的旋钮，按刻度改变天线俯角。每种材质的粗糙面分别测天线垂直接收和45°俯角接收两组数据。

第九步：更换测量目标，即更换小样方内的材质，重复第三步至第八步，分别测量吸波材料、草地、沙地、公路的回波数据。

第十步：进行数据处理。

如下为手持频谱的设置步骤：

(1.1)使用细线连接样方两对角线，确定样方中心。将激光发射器垂直于地面固定在样方中心点上，轴向旋转支架旋臂，保证天线竖直向下，水平转动旋臂，保证激光照射在天线中心。

(1.2)发射天线连接功率放大器“output”接口，该功率放大器的“input”接口连接频谱仪接口1；接收天线连接另一功率放大器“input”接口，该功率放大器的“output”接口连接频谱仪接口2。

(1.3)使用校准件对频谱仪进行校准，频谱仪开机后，选择模式S21，“Mode”(模式)> “NA”(矢量网络)>“S21”。根据天线输出频率、接收频率和功率放大器效果选择频率显示范围，“Freq/Dist”(频率)>“Start”(设置开始频率)>“Stop”(终止频率)。选择采样点数，有201、401、801三种选项，兼顾精确性和计算效率，选择401，“Sweep”(扫频)> “Resolution”>“401”。选择幅值范围，“Scale”(范围)>“Autoscale”(自动选取范围)。开始测量第一组数据。

(1.4)轴向旋转测试架旋臂，依照刻度将天线从垂直测量改变为45°测量。测量第二组数据。

以下为数据处理步骤：

(1.5)可在垂直测量和45°斜测量实验中测量多组数据，取平均值减小误差。

(1.6)进行数据处理，将同一地物特征不同天线角度的数据视为同组不同序号，然后使组内数据相对比，得出该种场景对不同波段的反射波谱。在天线角度相同的情况下，不同测试地表特征相互对比，得出多种场景的异同。进行绘图，直观分析不同场景的地物谱特征。

实施例2

(2)双站RCS测量

如图3所示，本发明提供了能够精准稳定控制双站角的RCS测量方法，步骤如下：

第一步：选取测量目标。

第二步：使用激光水平仪进行校准，调节测试架导轨底部平衡螺母直至导轨水平。

第三步：将天线安装到旋臂前端的法兰盘上，使用激光校准，保证天线对准目标。

第四步：连接天线与移动测试平台上的设备，如功率放大器、频谱仪以及外场移动电源等。

第五步：设置频谱仪。首先选择频谱仪的矢网模式(NA)，通道模式选择S21；根据天线输出频率和功率放大器效果选择频率显示范围，兼顾数据处理速度与精度，采样点数选择 401；自动调节幅值量度，开始测量并保存数据。

第六步：测量背景杂波的回波功率。

第七步：放置目标，测量目标与导轨间的垂直距离，收集天线位置信息。

第八步：调试驱动装置，使得天线波束始终照射测试目标。

第九步：使用已知RCS的金属球进行定标，测定其回波功率，记录数据。

第十步：测量目标回波功率，记录数据。

第十一步：改变天线极化方向，分别测量水平极化、垂直极化、45°极化，重复第七步至第九步。

第十二步：进行数据处理，计算目标RCS值，得出RCS测量值与角度的关系。

如下为详细实验步骤：

(2.1)将驱动装置安装在法兰盘、旋臂与支架衔接处和支架底座，以自动调节接收天线和发射天线自动对准目标，旋转法兰盘调整天线方向，轴向转动旋臂调整天线朝向，水平转动旋臂调整天线位置。

(2.2)为了便于信号发射与接收，本实验采用功率放大器，为了更便捷、准确地得到雷达散射截面数据，本实验采用频谱仪进行数据采集和存储，之后在计算机上进行数据处理。发射天线连接功率放大器“output”接口，该功率放大器的“input”接口连接频谱仪接口1；接收天线连接另一功率放大器“input”接口，该功率放大器的“output”接口连接频谱仪接口 2。

(2.3)频谱仪开机后，选择模式S21，“Mode”(模式)>“NA”(矢量网络)>“S21”。根据天线输出频率、接收频率和功率放大器效果选择频率显示范围，“Freq/Dist”(频率)>“Start”(设置开始频率)>“Stop”(终止频率)。选择采样点数，有201、401、801三种选项，兼顾精确性和计算效率，选择401，“Sweep”(扫频)>“Resolution”>“401”。选择幅值范围，“Scale”(范围)>“Autoscale”(自动选取范围)。

(2.4)不设置任何目标，测试双站角分别为90°、45°以及0°时的背景回波功率，记录数据。

(2.5)放置定标体金属球，测量金属球与导轨间的垂直距离，导入计算机，键入双站角角度，本实验测试双站角分别为90°、45°以及0°时得到的RCS值。

(2.6)设置金属球与天线协同，利用自动对准装置，获取目标位置，驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线对准金属球，开始定标，测量金属球回波功率，记录数据。

(2.7)设置测量目标与天线协同，利用自动对准装置，获取目标位置，驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线对准目标。测量目标回波功率，记录数据。使用计算机控制测试架，改变双站角，测试双站角分别为90°、45°以及0°时得到的RCS值。

(2.8)旋转法兰盘即可改变天线极化方向，实验开始时天线为水平极化，将法兰盘顺时针旋转45°，重复步骤(2.1)至步骤(2.7)，得到45°极化天线的测量结果，记录第二组数据；继续顺时针旋转法兰盘45°，重复步骤(2.1)至步骤(2.7)，得到垂直极化天线的测量结果，记录第三组数据。测试架法兰盘有刻度设置，精确控制天线极化方向。

以下为数据处理详细步骤：

(2.9)雷达散射截面是表征回波强度的物理量，其定义式为

雷达散射截面与回波功率的关系如下所示：

其中R_T为目标距发射天线的距离，R_R为目标距接收天线的距离，L为损耗系数，G_T为发射天线的增益，G_R为接收天线的增益，P_T为发射功率，P_R为接收功率，λ为波长。测量已知RCS值的金属球的回波功率，则可以求出回波功率与RCS值的关系。虽然目标与金属球的RCS值不相同，但对于相同的双站测试系统，二者的回波功率与RCS值之间的关系是相同的。测量时一定要保证天线对准金属球，计算时使用的增益一般是天线主方向上的增益，偏离会导致误差增大。金属球是对称结构，如果进行单站测量，金属球的RCS值不会随角度的变化而变化，但在双站测量中，双站角会影响测量得到的金属球RCS值。

(2.10)目标RCS值由下式计算

其中σ₁为金属球RCS值，σ₂为目标RCS值，S₀为背景回波功率，S₁为金属球回波功率，S₂为目标回波功率。根据双站角变化绘制其RCS方向图，观察分析目标不同角度下的RCS 分布。使用式(3)计算则不需要损耗系数、天线增益等参数。

而对于极化天线，目标的RCS值会受到发射和接收天线极化的影响。将电场分解为两个极化分量：

其中E_t为入射波电场，E_tv为其垂直极化分量，E_th为其水平极化分量；E_r为回波电场， E_rv为其垂直极化分量，E_rh为其水平极化分量；γ_t为入射波电场方向与垂直方向的夹角，γ_r为回波电场与垂直方向的夹角。使用散射系数将入射波电场分量与回波电场分量相联系：

其中各个S分量为散射矩阵的元素

RCS散射矩阵由下式得出：

σ_ij＝|S_ij| (7)

为了数据存储直观方便，给出如下表格。

表1 RCS测量信息数据存储表

实施例3

(3)多普勒测速

如图4所示，本发明提供了可使天线与目标协同运动的多普勒测速方法。

第一步：选取无人机悬吊测试目标，为避免加速和空气阻力等使无人机和测试目标的非同步的现象产生，采用刚性材料悬吊测试目标以保证二者在运动过程中保持相对静止状态。

第二步：使用激光水平仪进行校准，调节测试架导轨底部平衡螺母直至导轨水平。

第三步：安装驱动装置，连接移动电源，以驱动天线在测试过程中始终对准目标，同时根据测试需要驱动天线在导轨上移动。

第四步：使用自动对准装置，通过无人机定位系统实时获取目标位置和速度信息，根据信息自动对准装置驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线时刻对准目标。

第五步：开始测速，先控制无人机带动目标向天线方向径向移动，保存无人机移动速度，作为目标真实速度，记录第一组频率数据。

第六步：控制无人机横向移动，即控制无人机沿平行于导轨方向移动，记录无人机运动轨迹以及无人机与天线之间的连线与无人机运动方向间的夹角，保存无人机移动速度数据，记录第二组频率数据。

第七步：控制无人机随机移动，此时目标速度分解为平行于导轨的水平分量以及垂直于导轨的径向分量，而测量速度时用到的是径向分量，得到目标运动方向和导轨的夹角，即可获得目标的真实移动速度。记录无人机轨迹以及无人机和天线的相对位置，保存无人机移动速度，记录无人机和天线连线与无人机运动方向之间的夹角，记录第三组频率数据。

第八步：处理数据。

实验仪器准备工作的详细步骤如下：

(3.1)实验选取无人机悬吊目标，可记录无人机移动速度，即得到目标真实移动速度。为避免无人机影响目标的散射，需要将目标悬吊在无人机下方，并相距一定距离。悬吊时需使用刚性材料，避免加速时目标加速延后或空气阻力使目标速度改变，进而导致验证结果不准确。

(3.2)外场测试架设计时考虑了其他测量设备的线路问题，所以加装了移动测试平台，用于搭载功率放大器、频谱仪、移动电源等设备，且其底部装有滑轮，可与天线一起在导轨上移动。在法兰盘、旋臂与支架连接处安装驱动装置，以配合自动对准装置保证天线对准目标，在支架底部安装驱动装置，保证天线可以沿导轨移动。

数据处理详细步骤如下：

(3.3)在无损耗的情况下，当目标静止不动时，波源产生的入射波和接收到的反射波具有相同频率；相比目标静止不动的情况，当目标靠近波源时，在相同的时间内，目标接收到的波数更多，反射波的频率增高；当目标远离波源时，在相同的时间内，目标接收到的波数更少，反射波的频率降低。当波源移动时也是同理。

设波源与目标之间的距离为R，波源发射的电磁波波长为λ，本实验中发射天线与接收天线为同一天线，则从天线发射电磁波至接收到回波的过程中，共有2R/λ个完整周期的波。目标不移动时，两端路程产生的总相位变化为

当目标相对天线径向运动时，路程和相位都会发生时变，则对于路程和相位求时间的导数，即角频率为：

其中v_R为径向速度，f_d为多普勒频移，f_d＝f′-f，f′为接收频率，f为发射频率。多普勒频移的正负性与目标移动方向有关，目标靠近天线移动，则接收到的频率增加，多普勒频移为正；目标远离天线移动，则接收到的频率降低，多普勒频移为负。

整理式(8)，径向速度为：

使用式(9)计算第一组数据，与无人机记录结果基本吻合。

(3.4)实际情况下往往目标不是恰好径向移动。当目标平行于导轨移动时，其在移动路线上两点分别接收电磁波，两点之间的路径差为Δl＝d cosθ＝vΔt cosθ，期间的总相位变化为

仍对路程和相位求时间的导数，角频率为：

其中v为目标速度。整理为：

使用式(11)计算第二组数据，与无人机记录结果基本吻合。

(3.5)导入目标速度方向与目标和天线之间夹角数据，导入回波频率，利用式(11)，借助计算机计算目标速度，结果与无人机记录结果基本吻合。

为了数据存储直观方便，给出如下表格。

表2多普勒测速信息数据存储表

序号	θ	f<sub>d</sub>	v	v(真实速度)
					1
2
					……	……	……	……	……

实施例2

对于地物谱测量实验，以草地为测试目标，在对双站RCS测量时，选择直径10cm的球体为测量目标。

(1)实验的准备工作

(1.1)选取试验场地，本次实验选择了城市和野外都常见的草地地形，选取实验场所时应尽量避免雷达信号干扰严重的地点，如基站、电台、电缆光纤附近。尽量选择单一类型的粗糙面，如选择的草地上没有突出的灌木、柏油路面、瓷砖地面不要有破损、缺失等。

(1.2)选取实验采用的天线。实验选取12-18GHz的K波段天线，K波段天线是军事上常用的天线，接收频率较高，受地面杂波、移动通信信号、电台信号影响较小。但K波段波长范围与雨滴直径范围接近，受降水影响大，实验要尽量避免在雨雪天气下进行。

(2)实验器材的安装和准备

(2.1)将支架安放在试验场地上，调整支架底部平衡螺母进行调平，开启激光水平仪开关，不发出警报则自动校正系统正常运行。将激光水平仪放置在地面上，气泡稳定后则可以开始读数，若不为零则调整激光水平仪校正螺母至读数为零。调零完成后，将激光水平仪固定在导轨上，气泡稳定后开始读数，若不为零，则调整导轨底部平衡螺母至读数为零，此时导轨水平。

(2.2)将天线安装在支架旋臂前端的法兰盘上。共需两个天线和两个支架，其中地物谱测量和RCS测量部分需要两个天线，多普勒测速部分只需一个天线。调整两个天线支架的底座，使其距离足够近，可将双站近似为单站进行测量。本发明中采用的外场测试架在旋臂衔接处都采用旋转机构和带孔设计，既可减轻重量易于移动，也便于调节天线方向和改变天线安装位置。根据不同的实验内容调节支架高度，在同一组实验中保持天线高度相同，避免波束照射面积不同造成的干扰。

(2.3)将功率放大器、频谱仪和移动电源放置在移动测试平台上，发射天线连接功率放大器“output”接口，该功率放大器的“input”接口连接频谱仪接口1；接收天线连接另一功率放大器“input”接口，该功率放大器的“output”接口连接频谱仪接口2。

(2.4)进行频谱仪校准，减少误差。频谱仪开机后，选择模式S21，“Mode”(模式)>“NA”(矢量网络)>“S21”。开始校准，“Cal”>“Mechanical Cal ECal”。选择校准件，本实验选择2.4mm的85056D校准件，“Change DUT Connectors”>“2.4mm”>“Next Port 2”>“2.4mm”>“85056D:2.4mm Calibration Kit”。选择校准类型，“Change Cal Type”> “ForwardEnhanced Response”。选择“Start Calibration”开始校准，按照频谱仪指示更换校准件，完成四个步骤后校准完成，进入结果界面，杂波幅值绝对值在1dB以内则校准结束。

(2.5)设置频谱仪，根据天线输出频率、接收频率和功率放大器效果选择频率显示范围，“Freq/Dist”(频率)>“Start”(设置开始频率)>“Stop”(终止频率)。选择采样点数，有201、401、801三种选项，兼顾精确性和计算效率，选择401，“Sweep”(扫频)>“Resolution”>“401”。选择幅值范围，“Scale”(范围)>“Autoscale”(自动选取范围)。

(3)地物谱测量

(3.1)选取边长为2.1m的样方，使用吸波材料铺满(见图5)，中心处预留边长为0.7m 的不放置吸波材料的小样方。实验测评了两种吸波材料，分别为锥形吸波材料和单层平板型吸波材料。本实验使用的锥形吸波材料和平板吸波材料都由含碳海绵制成，结果证明锥形吸波材料吸波效果更好，锥角角度的设计能够最大程度地吸收电磁波或使电磁波在反射、散射过程中耗散，而平板吸波材料吸波效果较差，且受入射角度影响大。

(3.2)使用激光进行校准，保证天线中心对准样方中心。使用细线连接样方两对角线，确定样方中心。将激光发射器垂直于地面固定在样方中心点上，旋转支架旋臂，保证天线竖直向下，水平转动旋臂，保证激光照射在天线中心。

(3.3)开始测试，测量多组数据，取平均值以减小误差。使用频谱仪保存数据，“Run/Hold” (暂停)>“Save”(保存)。

(3.4)调节测试架旋臂，转动旋臂与支架之间的旋钮，按刻度改变天线俯角，测量45°斜接收天线得到的地物谱数据。

(3.5)开始测试，测量多组数据，取平均值以减小误差。使用频谱仪保存数据，“Run/Hold” (暂停)>“Save”(保存)。

(4)双站RCS测量

(4.1)将驱动装置安装在法兰盘、旋臂与支架衔接处和支架底座，以自动调节天线对准方向，驱动天线在导轨上移动。旋臂前端法兰盘、旋臂与支架连接处都为可动、带孔设计，采用可180°转动的旋转机构，便于调节天线方向和线路连接。连接驱动装置和移动测试平台上的电源。

(4.2)不设置任何目标，测量背景回波功率，记录数据。

(4.3)使用已知RCS值的金属球进行定标。

(4.4)将金属球摆放在地面上，金属球应在导轨中垂线上，测量金属球与导轨的垂直距离，导入计算机，同时键入双站角大小，设置金属球与天线协同，利用自动对准装置，获取两天线位置，驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线对准金属球。改变双站角大小，测量双站角分别为0°、45°、90°时的三组数据，测量金属球回波功率，使用频谱仪保存数据，“Run/Hold”(暂停)>“Save”(保存)。

(4.5)将金属球替换为目标，使天线回到导轨两端。设置测量目标与天线协同，利用自动对准装置，获取天线位置，驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线对准目标。改变双站角大小，测量双站角分别为0°、45°、90°时的三组数据，测量回波功率，使用频谱仪保存数据，“Run/Hold”(暂停)>“Save”(保存)，保存数据。

(4.6)旋转法兰盘即可改变天线极化方向，实验开始时天线为水平极化，顺时针旋转法兰盘45°，重复步骤(4.2)至步骤(4.3)，得到45°极化天线的测量结果，保存数据；继续顺时针旋转45°，重复步骤(4.3)至步骤(4.3)，得到垂直极化天线的测量结果，保存数据。

(5)多普勒测速

(5.1)将驱动装置安装在法兰盘、旋臂与支架衔接处和支架底座，以自动调节天线对准方向，驱动天线在导轨上移动。旋臂前端圆盘、旋臂与支架连接处都为可动、带孔设计，采用可180°转动的旋转机构，便于调节天线方向和线路连接。连接驱动装置和移动测试平台上的电源。

(5.2)选取无人机悬吊测试目标，为避免加速和空气阻力影响，采用刚性材料悬吊。

(5.3)使用自动对准装置，通过无人机信号实时获取目标位置，驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线时刻对准目标。

(5.4)先控制无人机带动目标向天线方向径向移动，保存无人机移动速度，作为目标真实速度，记录第一组频率数据。

(5.5)控制无人机横向移动，即控制无人机沿平行于导轨方向移动，保存无人机移动速度数据，记录速度方向与无人机和天线连线之间的夹角，记录第二组频率数据。

(5.6)控制无人机随机移动，此时目标速度存在横向分量，保存无人机移动速度，记录无人机和天线连线与无人机运动方向之间的夹角，记录第三组频率数据。

(6)数据处理

(6.1)保存地物谱数据，测量多种场景后，绘图总结各个场景的电磁特性。各个场景分别进行组内和组间数据的对比。

(6.2)RCS值计算

目标RCS值由下式计算，该方法需要已知定标体的RCS值，无需天线增益、损耗系数等参数。

其中σ₁为金属球RCS值，σ₂为目标RCS值，S₀为背景回波功率，S₁为金属球回波功率，S₂为目标回波功率。根据双站角变化绘制其RCS方向图，观察分析目标不同角度下的RCS 分布。

而对于极化天线，目标的RCS值会受到发射和接收天线极化的影响。将电场分解为两个极化分量：

其中E_t为入射波电场，E_tv为其垂直极化分量，E_th为其水平极化分量；E_r为回波电场， E_rv为其垂直极化分量，E_rh为其水平极化分量；γ_t为入射波电场方向与垂直方向的夹角，γ_r为回波电场与垂直方向的夹角。使用散射系数将入射波电场分量与回波电场分量相联系：

其中各个S分量为散射矩阵的元素：

RCS散射矩阵由下式得出：

σ_ij＝|S_ij| (16)

本案例得出的结果如表3所示。可知天线极化方式虽然有角度上的改变，但都为线极化，对RCS值测量影响较小；双站角越大，RCS值越低。定标体金属球为对称结构，受双站角变化影响较小；目标为不规则结构，收双站角变化影响较大。

表3 RCS测量信息数据存储表

(6.3)多普勒测速

设波源与目标之间的距离为R，波源发射的电磁波波长为λ，本实验中发射天线与接收天线为同一天线，则从天线发射电磁波至接收到回波的过程中，共有2R/λ个完整周期的波。目标不移动时，两端路程产生的总相位变化为

当目标相对天线径向运动时，路程和相位都会发生时变，则对于路程和相位求时间的导数，即角频率为：

其中v_R为径向速度，f_d为多普勒频移，f_d＝f′-f，f′为接收频率，f为发射频率。多普勒频移的正负性与目标移动方向有关，目标靠近天线移动，则接收到的频率增加，多普勒频移为正；目标远离天线移动，则接收到的频率降低，多普勒频移为负。

整理式(17)，径向速度为：

使用式(19)计算第一组数据，与无人机记录结果基本吻合。

实际情况下往往目标不是恰好径向移动。当目标平行于导轨移动时，其在移动路线上两点分别接收电磁波，两点之间的路径差为Δl＝d cosθ＝vΔt cosθ，期间的总相位变化为

仍对路程和相位求时间的导数，则得到角频率为：

其中v为目标速度。整理为：

使用式(19)计算第一、二组数据，与无人机记录结果基本吻合。导入目标速度方向与目标和天线之间夹角数据，导入回波频率，利用式(20)，借助计算机计算目标速度，结果与无人机记录结果基本吻合。

数据量较大，下表给出为第三组数据中的一部分。

表4多普勒测速信息数据存储表

θ(°)	f<sub>d</sub>(Hz)	v(m/s)	v(真实速度)(m/s)
				15	75.30	0.95	1.00
30	180.80	2.23	2.00
				50	352.70	4.32	5.00

瓷砖回波功率如图6所示，草地回波功率如图7所示。双站RCS测量示意图如图8所示，移动测试平台如图9所示，方位俯仰结构如图10所示，导轨及底部平衡螺母如图11所示，外场测试架总装如图12所示。

在上述实施例中，可以全部或部分地通过软件、硬件、固件或者其任意组合来实现。当使用全部或部分地以计算机程序产品的形式实现，所述计算机程序产品包括一个或多个计算机指令。在计算机上加载或执行所述计算机程序指令时，全部或部分地产生按照本发明实施例所述的流程或功能。所述计算机可以是通用计算机、专用计算机、计算机网络、或者其他可编程装置。所述计算机指令可以存储在计算机可读存储介质中，或者从一个计算机可读存储介质向另一个计算机可读存储介质传输，例如，所述计算机指令可以从一个网站站点、计算机、服务器或数据中心通过有线(例如同轴电缆、光纤、数字用户线(DSL)或无线(例如红外、无线、微波等)方式向另一个网站站点、计算机、服务器或数据中心进行传输)。所述计算机可读取存储介质可以是计算机能够存取的任何可用介质或者是包含一个或多个可用介质集成的服务器、数据中心等数据存储设备。所述可用介质可以是磁性介质(例如软盘、硬盘、磁带)、光介质(例如DVD)、或者半导体介质(例如固态硬盘Solid StateDisk(SSD)) 等。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法，其特征在于，所述导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法包括以下步骤：

方案一，地物谱测量：对多种场景地面杂波进行测量，建立地物谱数据库；

方案二，目标双站RCS测量：基于雷达散射截面计算原理，利用全自动同步协调系统保证在测量过程中天线和目标实时协同，测量多种天线极化方式和不同双站角下的目标RCS值；

方案三，多普勒测速：基于多普勒原理，利用全自动同步协调系统，借助无人机悬吊目标，对目标径向、横向以及随机速度的测量。

2.如权利要求1所述的导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法，其特征在于，方案一中，所述地物谱测量，包括：

(1)选取实验地点，确定实验对象；每一组实验的测量目标一般选取单一种类的粗糙面；

(2)选取边长为2.1m的样方，使用锥形吸波材料铺满，中心处预留边长为0.7m的不放置吸波材料的小样方，使测试场地裸露；

(3)使用激光水平仪进行校准，调节测试架导轨底部平衡螺母直至导轨水平；

(4)将天线安装到旋臂前端的可调节圆盘上；

(5)使用激光进行校准，保证天线中心对准样方中心；

(6)连接天线与移动测试平台上放置的仪器，所述仪器包括功率放大器与频谱仪；

(7)设置频谱仪，模式选择S21，根据天线输出频率和功率放大器效果选择频率显示范围，采样点数选择401，自动调节幅值量度，开始测量并保存数据；

(8)调节测试架旋臂，转动旋臂与支架之间的旋钮，按刻度改变天线俯角；每种材质的粗糙面分别测天线垂直接收和45°俯角接收两组数据；

(9)更换测量目标，即更换小样方内的材质，重复步骤(3)至步骤(8)，分别测量吸波材料、草地、沙地和公路的回波数据；

(10)进行数据处理。

3.如权利要求2所述的导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法，其特征在于，所述手持频谱的设置步骤，包括：

1)使用细线连接样方两对角线，确定样方中心；将激光发射器垂直于地面固定在样方中心点上，旋转支架旋臂，保证天线竖直向下，水平转动旋臂，保证激光照射在天线中心；

2)发射天线连接功率放大器“output”接口，该功率放大器的“input”接口连接频谱仪接口1；接收天线连接另一功率放大器“input”接口，该功率放大器的“output”接口连接频谱仪接口2；

3)使用校准件对频谱仪进行校准，频谱仪开机后，选择模式S21，模式“Mode”>矢量网络“NA”>“S21”；根据天线输出频率、接收频率和功率放大器效果选择频率显示范围，频率“Freq/Dist”>设置开始频率“Start”>终止频率“Stop”；选择采样点数，有201、401、801三种选项，兼顾精确性和计算效率，选择401，扫频“Sweep”>“Resolution”>“401”；选择幅值范围，范围“Scale”>自动选取范围“Autoscale”；开始测量第一组数据；

4)轴向旋转测试架旋臂，依照刻度将天线从垂直测量改变为45°测量；测量第二组数据；

所述数据处理步骤，包括：

1)在垂直测量和45°斜测量实验中测量多组数据，取平均值减小误差；

2)进行数据处理，将同一地物特征不同天线角度的数据视为同组不同序号，然后使组内数据相对比，得出该种场景对不同波段的反射波谱；在天线角度相同的情况下，不同测试地表特征相互对比，得出多种场景的异同；进行绘图，直观分析不同场景的地物谱特征。

4.如权利要求1所述的导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法，其特征在于，方案二中，所述目标双站RCS测量，包括：

(1)选取测量目标；

(2)使用激光水平仪进行校准，调节测试架导轨底部平衡螺母直至导轨水平；

(3)将天线安装到旋臂前端的法兰盘上，使用激光校准，保证天线对准目标；

(4)连接天线与移动测试平台上的设备，所述设备包括功率放大器、频谱仪以及外场移动电源；

(5)设置频谱仪：选择频谱仪的矢网模式NA，通道模式选择S21；根据天线输出频率和功率放大器效果选择频率显示范围，兼顾数据处理速度与精度，采样点数选择401；自动调节幅值量度，开始测量并保存数据；

(6)测量背景杂波的回波功率；

(7)放置目标，测量目标与导轨间的垂直距离，收集天线位置信息；

(8)调试驱动装置，使得天线波束始终照射测试目标；

(9)使用已知RCS的金属球进行定标，测定其回波功率，记录数据；

(10)测量目标回波功率，记录数据；

(11)改变天线极化方向，分别测量水平极化、垂直极化、45°极化，重复步骤(7)至步骤(9)；

(12)进行数据处理，计算目标RCS值，得出RCS测量值与角度的关系。

5.如权利要求4所述的导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法，其特征在于，所述目标双站RCS测量，还包括：

1)将驱动装置安装在法兰盘、旋臂与支架衔接处和支架底座，以自动调节接收天线和发射天线自动对准目标，旋转法兰盘调整天线方向，轴向转动旋臂调整天线朝向，水平转动旋臂调整天线位置；

2)采用功率放大器发射和接收信号，采用频谱仪进行雷达散射截面数据采集和存储后，在计算机上进行数据处理；发射天线连接功率放大器“output”接口，该功率放大器的“input”接口连接频谱仪接口1；接收天线连接另一功率放大器“input”接口，该功率放大器的“output”接口连接频谱仪接口2；

3)频谱仪开机后，选择模式S21，模式“Mode”>矢量网络“NA”>“S21”；根据天线输出频率、接收频率和功率放大器效果选择频率显示范围，频率“Freq/Dist”>设置开始频率“Start”>终止频率“Stop”；选择采样点数，有201、401、801三种选项，兼顾精确性和计算效率，选择401，扫频“Sweep”>“Resolution”>“401”；选择幅值范围，范围“Scale”>自动选取范围“Autoscale”；

4)不设置任何目标，驱动两天线在导轨上以相同速度匀速靠近，记录双站角的变化，同时测量背景回波功率，记录数据；

5)放置定标体金属球，测量金属球与导轨间的垂直距离，导入计算机，键入双站角角度，测试双站角分别为90°、45°以及近似0°时得到的RCS值；

6)设置金属球与天线协同，利用自动对准装置，获取目标位置，驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线对准金属球，开始定标，测量金属球回波功率，记录数据；

7)设置测量目标与天线协同，利用自动对准装置获取目标位置，驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线对准目标；测量目标回波功率，记录数据；

8)旋转法兰盘即可改变天线极化方向，实验开始时天线为水平极化，将法兰盘顺时针旋转45°，重复步骤1)至步骤7)，得到45°极化天线的测量结果，记录第二组数据；继续顺时针旋转法兰盘45°，重复步骤1)至步骤7)，得到垂直极化天线的测量结果，记录第三组数据；

所述数据处理步骤，包括：

1)雷达散射截面是表征回波强度的物理量，定义式为：

雷达散射截面与回波功率的关系如下所示：

其中，R_T为目标距发射天线的距离，R_R为目标距接收天线的距离，L为损耗系数，G_T为发射天线的增益，G_R为接收天线的增益，P_T为发射功率，P_R为接收功率，λ为波长；测量已知RCS值的金属球的回波功率，即可求出回波功率与RCS值的关系；虽然目标与金属球的RCS值不相同，但对于相同的双站测试系统，二者的回波功率与RCS值之间的关系是相同的；测量时一定要保证天线对准金属球，计算时使用的增益一般是天线主方向上的增益，偏离会导致误差增大；金属球是对称结构，如果进行单站测量，金属球的RCS值不会随角度的变化而变化，但在双站测量中，双站角会影响测量得到的金属球RCS值；

2)目标RCS值由下式计算：

其中，σ₁为金属球RCS值，σ₂为目标RCS值，S₀为背景回波功率，S₁为金属球回波功率，S₂为目标回波功率；根据双站角变化绘制其RCS方向图，观察分析目标不同角度下的RCS分布；使用式(3)计算则不需要式(2)中的损耗系数、天线增益等参数；

而对于极化天线，目标的RCS值会受到发射和接收天线极化的影响；将电场分解为两个极化分量：

其中，E_t为入射波电场，E_tv为其垂直极化分量，E_th为其水平极化分量；E_r为回波电场，E_rv为其垂直极化分量，E_rh为其水平极化分量；γ_t为入射波电场方向与垂直方向的夹角，γ_r为回波电场与垂直方向的夹角；使用散射系数将入射波电场分量与回波电场分量相联系：

其中，各个S分量为散射矩阵的元素为：

RCS散射矩阵由下式得出：

σ_ij＝|S_ij| (7)

6.如权利要求1所述的导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法，其特征在于，方案三中，所述多普勒测速，包括：

(1)选取无人机悬吊测试目标，采用刚性材料悬吊测试目标以保证无人机和测试目标二者在运动过程中保持相对静止状态，避免加速和空气阻力等使无人机和测试目标的非同步的现象产生；

(2)使用激光水平仪进行校准，调节测试架导轨底部平衡螺母直至导轨水平；

(3)安装驱动装置，连接移动电源，以驱动天线在测试过程中始终对准目标，同时根据测试需要驱动天线在导轨上移动；

(4)使用自动对准装置，通过无人机定位系统实时获取目标位置和速度信息，根据信息自动对准装置驱动天线底部转盘和测试架旋臂转动，保证天线时刻对准目标；

(5)开始测速，先控制无人机带动目标向天线方向径向移动，保存无人机移动速度，作为目标真实速度，记录第一组频率数据；

(6)控制无人机横向移动，即控制无人机沿平行于导轨方向移动，记录无人机运动轨迹以及无人机与天线之间的连线与无人机运动方向间的夹角，保存无人机移动速度数据，记录第二组频率数据；

(7)控制无人机随机移动，此时目标速度分解为平行于导轨的水平分量以及垂直于导轨的径向分量，而测量速度时用到的是径向分量，得到目标运动方向和导轨的夹角，即可获得目标的真实移动速度；记录无人机轨迹以及无人机和天线的相对位置，保存无人机移动速度，记录无人机和天线连线与无人机运动方向之间的夹角，记录第三组频率数据；

(8)处理数据。

7.如权利要求6所述的导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法，其特征在于，所述实验仪器准备工作，包括：

1)实验选取无人机悬吊目标，可记录无人机移动速度，即得到目标真实移动速度；为避免无人机影响目标的散射，将目标悬吊在无人机下方，并相距一定距离；悬吊时需使用刚性材料，避免加速时目标加速延后或空气阻力使目标速度改变，进而导致验证结果不准确；

2)外场测试架设计时考虑其他测量设备的线路问题，故加装移动测试平台，用于搭载功率放大器、频谱仪、移动电源等设备，且其底部装有滑轮，与天线一起在导轨上移动；在法兰盘、旋臂与支架连接处安装驱动装置，以配合自动对准装置保证天线对准目标，在支架底部安装驱动装置，保证天线沿导轨移动；

所述数据处理步骤，包括：

1)在无损耗的情况下，当目标静止不动时，波源产生的入射波和接收到的反射波具有相同频率；相比目标静止不动的情况，当目标靠近波源时，在相同的时间内，目标接收到的波数更多，反射波的频率增高；当目标远离波源时，在相同的时间内，目标接收到的波数更少，反射波的频率降低；当波源移动时也是同理；

设波源与目标之间的距离为R，波源发射的电磁波波长为λ，发射天线与接收天线为同一天线，则从天线发射电磁波至接收到回波的过程中，共有2R/λ个完整周期的波；目标不移动时，两端路程产生的总相位变化为

当目标相对天线径向运动时，路程和相位都会发生时变，则对于路程和相位求时间的导数，即角频率为：

其中，v_R为径向速度，f_d为多普勒频移，f_d＝f′-f，f′为接收频率，f为发射频率；多普勒频移的正负性与目标移动方向有关，目标靠近天线移动，则接收到的频率增加，多普勒频移为正；目标远离天线移动，则接收到的频率降低，多普勒频移为负；

整理式(8)，径向速度为：

使用式(9)计算第一组数据，与无人机记录结果基本吻合；

2)实际情况下往往目标不是恰好径向移动；当目标平行于导轨移动时，其在移动路线上两点分别接收电磁波，两点之间的路径差为Δl＝dcosθ＝vΔtcosθ，期间的总相位变化为

仍对路程和相位求时间的导数，角频率为：

其中，v为目标速度；整理为：

使用式(11)计算第二组数据，与无人机记录结果基本吻合；

3)导入目标速度方向与目标和天线之间夹角数据，导入回波频率，利用式(11)，借助计算机计算目标速度，结果与无人机记录结果基本吻合。

8.一种实施权利要求1～7任意一项所述的导轨式外场目标、环境雷达特征获取方法的导轨式外场目标、环境雷达特征获取系统，其特征在于，所述导轨式外场目标、环境雷达特征获取系统由导轨、移动测试平台、天线支架三大部分组成；

其中，所述导轨底部装有平衡螺母，配合水平仪使测试架在各种凹凸不平的地面亦能保持水平；所述移动测试平台用于搭载实验设备，且其底部装有滑轮，使测试平台与天线支架同步运动，避免射频线长度不足情况下，在天线支架移动时损坏天线与射频线的转接头的安全问题；天线支架在衔接处采用可动设计：天线连接处为法兰盘，可轴向旋转，改变天线极化方向；旋臂既可轴向转动也可水平转动，其水平转动调节天线的φ角，轴向转动可改变天线θ角，支架底座采用可拆卸设计，可改变天线支架在移动测试平台的位置。

9.一种计算机设备，其特征在于，所述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，所述计算机程序被所述处理器执行时，使得所述处理器执行如下步骤：

地物谱测量：对多种场景地面杂波进行测量，建立地物谱数据库；目标双站RCS测量：基于雷达散射截面计算原理，利用全自动同步协调系统保证在测量过程中天线和目标实时协同，测量多种天线极化方式和不同双站角下的目标RCS值；多普勒测速：基于多普勒原理，利用全自动同步协调系统，借助无人机悬吊目标，对目标径向、横向以及随机速度的测量。

10.一种信息数据处理终端，其特征在于，所述信息数据处理终端用于实现如权利要求8所述的导轨式外场目标、环境雷达特征获取系统。

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