CN115792835A - 基于探头补偿和相位中心补正的目标rcs近场测量方法 - Google Patents

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CN115792835A CN202211480281.6A CN202211480281A CN115792835A CN 115792835 A CN115792835 A CN 115792835A CN 202211480281 A CN202211480281 A CN 202211480281A CN 115792835 A CN115792835 A CN 115792835A
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张依轩
翦璋
焦永昌
张玉
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Abstract

本发明提出了一种基于探头补偿和相位中心补正的目标RCS近场测量方法，实现步骤为：获取待测目标和定标体的回波信号；对回波信号进行相位中心补正；对补正后的回波信号进行时间通选和范围补偿；获取待测目标和定标体的波谱展开系数；对波谱展开系数进行扫描探头补偿；获取目标RCS近场测量结果。本发明在获取目标RCS近场测量结果的过程中，对回波信号进行相位中心补正，并对波谱展开系数进行扫描探头补偿，避免了现有技术头采样会存在延迟和扫描探头自身具有的辐射特性对采样过程中获取的数据产生影响，导致远场外推结果产生误差的缺陷，有效提高了测量精度。

Description

基于探头补偿和相位中心补正的目标RCS近场测量方法
技术领域
本发明属于电磁测量技术领域，涉及一种雷达电磁散射截面积(RCS)测量方法，具体涉及一种基于探头补偿和相位中心补正的目标RCS近场测量方法，可用于各类飞行器的设计、研发与维护。
背景技术
电磁散射测量主要用于测量目标的散射特性，而目标的散射特性通常用雷达散射截面(RCS)来衡量。随着雷达技术发展，各类飞行器和电磁器材的研究和设计都离不开RCS的测量技术。RCS测量按测量场地的不同，一般可以分为远场测量法、紧缩场测量法和近场测量法，对于电大目标，远场测量RCS要求非常长距离的测试场地和高功率测试设备，且测量精度容易受到测试环境的影响；紧缩场测量可大大缩短测试距离，但所需的抛物面造价高昂，设备运行及维护费用较高；近场测量方法作为一种新兴技术，具有测试距离短、投资成本低、可在室内进行、保密性强、测量精度高、信息量大、可全天候工作等优点。近场测量方法是在目标的辐射近区内通过扫描探头进行散射数据录取，然后通过一定的数据处理方式进行数据外推获得目标的远场RCS。
然而，目前学界所提出的RCS近场测量方法中,扫描探头的影响并未被重视，在测试理论中，扫描探头常被认为是理想探头，其辐射特性忽略不计，但实际测试中，探头自身具有的辐射特性会对采样过程中获取数据产生影响，在数学表达上体现为场的叠加，即构成扫描探头的天线的方向图与测量数据产生叠加，这会导致远场外推时产生误差；同时在进行采样时，相对于理想情况，探头采样会存在延迟，在将带延迟数据变换为连续信号会导致得到的回波信号的相位中心偏移从而影响后续数据处理的准确性。例如贺新毅、童广德、徐秀丽、廖意在2021年11月02日申请号为202111020081.8的专利申请“一种近场局部照射目标散射近远场转换方法”中，公开了一种近场局部照射目标散射近远场转换方法，该方法首先将目标分割成P个散射区域，依序对各个散射区域进行2D平面采样，获取每个采样点的2D近场散射数据，再获取2D近场测试天线接收回波信号表达式，对散射区域的所述2D近场散射数据进行远场外推，获取该散射区域的2D远场散射特征量，将各散射区域的2D远场散射特征量进行总场合成，基于RCS关系式计算得到目标总体RCS。该方法能够将目标分割与近远场转换一体化实现、可进行三维到二维降维化简，从而快速便捷的获取目标RCS，但是其存在的不足在于：获取近场数据后没有考虑延迟问题，直接对采样数据进行处理，会导致回波信号表达式存在相位偏移，在进行远场外推前没有考虑探头自身具有的辐射特性会对采样过程中获取数据产生影响，会导致最终的目标RCS近场测量存在误差。
发明内容
本发明的目的在于针对上述现有技术的不足，提出一种基于探头补偿和相位中心补正的目标RCS近场测量方法，用于解决现有技术中存在的因忽略扫描探头影响和探头采样会存在延迟导致的测量精度降低的技术问题。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：
(1)获取待测目标和定标体的回波信号：
(1a)初始化扫描探头位于以
Figure BDA0003958954950000021
为极坐标轴角度坐标的极坐标系原点的距离为Rmea，扫描探头的工作频率为f，其发射端、接收端的远场切面方向图分别为ET、ER；测量所需球状定标体的半径为rsph，其在频率f下的远场雷达散射截面积为
Figure BDA0003958954950000022
待测物体和定标体在测量时位于极坐标系的原点位置；
(1b)扫描探头以极坐标系的原点为圆心，以Rmea为半径对待测目标、定标体和空背景分别进行L次均匀圆周采样，得到待测目标、定标体和空背景的S21数据U0＝{U01,U02,...,U0l,...,U0L}、U1＝{U11,U12,...,U1l,...,U1L}和U2＝{U21,U22,...,U2l,...,U2L}，其中l∈{1,2,...,L}，L≥100；
(1c)分别计算每个待测目标的S21数据U0l、每个定标体的S21数据U1l与其对应的空背景的S21数据U2l的差，得到待测目标的离散回波数据U'0＝{U'01,U'02,...,U'0l,...,U'0L}、定标体的离散回波数据U'1＝{U'11,U'12,...,U'1l,...,U'1L}，并通过奈奎斯特定理分别将U'0、U'1变换为连续的待测目标的回波信号
Figure BDA0003958954950000023
定标体的回波信号
Figure BDA0003958954950000024
(2)对回波信号进行相位中心补正：
计算待测目标和定标体的回波信号的相位偏移量Rdel，并通过Rdel对待测目标回波信号
Figure BDA0003958954950000025
定标体的回波信号
Figure BDA0003958954950000026
分别进行相位中心补正，得到补正后的待测目标回波信号
Figure BDA0003958954950000031
定标体回波信号
Figure BDA0003958954950000032
Figure BDA0003958954950000033
Figure BDA0003958954950000034
其中p∈{0,1}，c为真空中的光速，e为自然对数，j为虚数，tpeak为从采样指令发出到接收到回波数据的时间长度；
(3)对补正后的回波信号进行时间通选和范围补偿：
(3a)采用汉明窗函数Ham(·)对补正后的待测目标回波信号
Figure BDA0003958954950000035
定标体回波信号
Figure BDA0003958954950000036
进行时间通选，得到时间通选后的的待测目标回波信号
Figure BDA0003958954950000037
定标体回波信号
Figure BDA0003958954950000038
Figure BDA0003958954950000039
其中R0表示能包围待测物体的边长为D的最小正方体的几何中心到扫描探头距离；
(3b)采用门函数G(R0)对补正后的待测目标回波信号
Figure BDA00039589549500000310
定标体回波信号
Figure BDA00039589549500000311
进行范围补偿，得到距离补偿后的待测目标回波信号
Figure BDA00039589549500000312
定标体回波信号
Figure BDA00039589549500000313
Figure BDA00039589549500000314
Figure BDA00039589549500000315
其中Rgate为范围阈值，a为补偿系数，a∈[0,2]；
(4)获取待测目标和定标体的波谱展开系数：
对距离补偿后的待测目标回波信号
Figure BDA00039589549500000316
定标体回波信号
Figure BDA00039589549500000317
分别进行傅里叶逆变换，得到待测目标、定标体的波谱展开系数B0＝{B0-N,...,B0n,...,B0N}、B1＝{B1-N,...,B1n,...,B1N}，其中n表示待测目标和定标体的波谱展开阶数，N表示待测目标和定标体的截断阶数，且
Figure BDA0003958954950000041
(5)对波谱展开系数进行扫描探头补偿：
(5a)对扫描探头的发射端和接收端的远场切面方向图ET和ER进行积分变换，并对积分变换得到的局部坐标下的波谱展开系数
Figure BDA0003958954950000042
进行转移变换，得到全局坐标下的探头波谱展开系数
Figure BDA0003958954950000043
其中m表示扫描探头的波谱展开阶数，M表示扫描探头的截断阶数，且
Figure BDA0003958954950000044
(5b)通过全局坐标下的扫描探头波谱展开系数PTR对待测目标、定标体的波谱展开系数B0、B1分别进行探头补偿，得到补偿后的待测目标、定标体的波谱展开系数
Figure BDA0003958954950000045
其中每个波谱展开系数的计算公式为：
Figure BDA0003958954950000046
(6)获取目标RCS近场测量结果：
对补偿后的待测目标、定标体的波谱展开系数
Figure BDA0003958954950000047
分别进行远场外推，得到待测目标、定标体的远场雷达散射截面积
Figure BDA0003958954950000048
并通过
Figure BDA0003958954950000049
对
Figure BDA00039589549500000410
进行定标校准，得到待测目标的远场雷达散射截面积
Figure BDA00039589549500000411
即为待测目标的RCS近场测量结果：
Figure BDA00039589549500000412
本发明与现有技术相比，具有如下优点：
1.本发明通过待测目标和定标体的回波信号的相位偏移量对待测目标回波和定标体的回波信号分别进行相位中心补正，并采用汉明窗函数对补正结果进行时间通选，然后采用门函数对时间通选结果进行范围补偿，以获取待测目标和定标体的波谱展开系数，避免了现有技术直接对采样数据进行处理导致的回波信号表达式存在相位偏移对波谱展开系数准确性的影响，有效提高了测量精度。
2.本发明通过对待测目标回波和定标体的回波信号分别进行相位中心补正所获取的波谱展开系数进行扫描探头补偿后，对补偿结果进行远场外推，以获取目标RCS近场测量结果，避免了直接采用波谱展开系数进行远场外推因扫描探头自身具有的辐射特性对采样过程中获取的数据产生影响，确保远场外推结果的准确性，进一步提高了测量精度。
附图说明
图1是本发明的实现流程图；
图2是本发明所获得的的RCS近场测量结果与仿真结果对比图。
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，以下结合附图和具体实施例，对本发明作进一步详细描述。
参照图1，本发明包括如下步骤：
步骤1)获取待测目标和定标体的回波信号：
(1a)初始化扫描探头位于以
Figure BDA0003958954950000053
为极坐标轴角度坐标的极坐标系原点的距离为Rmea，扫描探头的工作频率为f，其发射端、接收端的远场切面方向图分别为ET、ER；测量所需球状定标体的半径为rsph，其在频率f下的远场雷达散射截面积为
Figure BDA0003958954950000054
待测物体和定标体在测量时位于极坐标系的原点位置，本实施例中待测物体采用锥形球体，f＝10GHz，rsph＝200.7mm，Rmea＝2.5m；
(1b)扫描探头以极坐标系的原点为圆心，以Rmea为半径对待测目标、定标体和空背景分别进行L次均匀圆周采样，得到待测目标、定标体和空背景的S21数据U0＝{U01,U02,...,U0l,...,U0L}、U1＝{U11,U12,...,U1l,...,U1L}和U2＝{U21,U22,...,U2l,...,U2L}，其中l∈{1,2,...,L}，本实施例中L＝180；
(1c)分别计算每个待测目标的S21数据U0l、每个定标体的S21数据U1l与其对应的空背景的S21数据U2l的差，得到待测目标的离散回波数据U'0＝{U'01,U'02,...,U'0l,...,U'0L}、定标体的离散回波数据U'1＝{U'11,U'12,...,U'1l,...,U'1L}，并通过奈奎斯特定理分别将U'0、U'1变换为连续的待测目标的回波信号
Figure BDA0003958954950000051
定标体的回波信号
Figure BDA0003958954950000052
变换公式为：
Figure BDA0003958954950000061
其中，π为圆周率，
Figure BDA0003958954950000062
为扫描探头采样间距，且
Figure BDA0003958954950000063
本实施例中
Figure BDA0003958954950000064
步骤2)对回波信号进行相位中心补正：
计算待测目标和定标体的回波信号的相位偏移量Rdel，并通过Rdel对待测目标回波信号
Figure BDA0003958954950000065
定标体的回波信号
Figure BDA0003958954950000066
分别进行相位中心补正，得到补正后的待测目标回波信号
Figure BDA0003958954950000067
定标体回波信号
Figure BDA0003958954950000068
相对于理想情况，探头采样会存在延迟，在将带延迟数据变换为连续信号会导致得到的回波信号的相位中心偏移从而影响后续数据处理的准确性，但是延迟难以直接测量得出，因此通过计算整个采样时间相对应的光的传播长度，再减去采样的实际距离，来得出延迟所对应的相位偏移量：
Figure BDA0003958954950000069
Figure BDA00039589549500000610
其中p∈{0,1}，c为真空中的光速，e为自然对数，j为虚数，tpeak为从采样指令发出到接收到回波数据的时间长度；
步骤3)对补正后的回波信号进行时间通选和范围补偿：
(3a)采用汉明窗函数Ham(·)对补正后的待测目标回波信号
Figure BDA00039589549500000611
定标体回波信号
Figure BDA00039589549500000612
进行时间通选，得到时间通选后的的待测目标回波信号
Figure BDA00039589549500000613
定标体回波信号
Figure BDA00039589549500000616
Figure BDA00039589549500000614
其中R0表示能包围待测物体的边长为D的最小正方体的几何中心到扫描探头距离，本实施例中D＝0.5m；
(3b)采用门函数G(R0)对补正后的待测目标回波信号
Figure BDA00039589549500000615
定标体回波信号
Figure BDA0003958954950000071
进行范围补偿，得到距离补偿后的待测目标回波信号
Figure BDA0003958954950000072
定标体回波信号
Figure BDA0003958954950000073
Figure BDA0003958954950000074
Figure BDA0003958954950000075
其中Rgate为范围阈值，a为补偿系数，a∈[0,2]，本实施例中Rgate＝0.45m，a＝2；
步骤4)获取待测目标和定标体的波谱展开系数：
对回波信号进行相位中心补正可以避免在本步骤中计算波谱展开系数时，探头采样延迟产生的影响；对距离补偿后的待测目标回波信号
Figure BDA0003958954950000076
定标体回波信号
Figure BDA0003958954950000077
分别进行傅里叶逆变换，得到待测目标、定标体的波谱展开系数B0＝{B0-N,...,B0n,...,B0N}、B1＝{B1-N,...,B1n,...,B1N}，每个波谱展开系数的计算公式为：
Figure BDA0003958954950000078
其中
Figure BDA0003958954950000079
代表n阶第二类Hankel函数，其中n表示待测目标和定标体的波谱展开阶数，N表示待测目标和定标体的截断阶数，且
Figure BDA00039589549500000710
B0-N表示B0的第-N个波谱展开系数，波谱展开理论中，波谱的展开阶数是向正负无穷两端延伸，但工程实践中不能计算无穷多个展开系数，因此采用截断阶数来限制正负阶数，保证可实践性；
步骤5)对波谱展开系数进行扫描探头补偿：
(5a)对扫描探头的发射端和接收端的远场切面方向图ET和ER进行积分变换，并对积分变换得到的局部坐标下的波谱展开系数
Figure BDA00039589549500000711
进行转移变换，得到全局坐标下的探头波谱展开系数
Figure BDA00039589549500000712
变换公式分别为：
Figure BDA00039589549500000713
Figure BDA00039589549500000714
其中m表示扫描探头的波谱展开阶数，M表示扫描探头的截断阶数，且
Figure BDA0003958954950000081
Figure BDA0003958954950000082
代表n+m阶第二类Hankel函数，本实施例中M＝50；
(5b)探头自身具有的辐射特性会对采样过程中获取数据产生影响，在数学表达上体现为场的叠加，在波谱展开系数上体现为相乘，因此通过全局坐标下的扫描探头波谱展开系数PTR对待测目标、定标体的波谱展开系数B0、B1分别进行探头补偿，可以得到补偿后更加准确的待测目标、定标体的波谱展开系数
Figure BDA0003958954950000083
Figure BDA0003958954950000084
其中每个波谱展开系数的计算公式为：
Figure BDA0003958954950000085
步骤6)获取目标RCS近场测量结果：
对补偿后的待测目标、定标体的波谱展开系数
Figure BDA0003958954950000086
分别进行远场外推，得到待测目标、定标体的远场雷达散射截面积
Figure BDA0003958954950000087
计算公式为：
Figure BDA0003958954950000088
通过
Figure BDA0003958954950000089
对
Figure BDA00039589549500000810
进行定标校准，得到待测目标的远场雷达散射截面积
Figure BDA00039589549500000811
即为待测目标的RCS近场测量结果：
Figure BDA00039589549500000812
以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进行说明。
1.仿真条件和内容：
仿真采用商业电磁仿真软件FEKO完成，实际测量在标准微波暗室完成。
对本发明实施例待测目标进行仿真得到待测目标远场雷达散射截面积与本发明实际测量结果所得远场雷达散射截面积进行对比，其对比结果如图2所示。
2.仿真结果分析：
参照图2，横坐标轴表示待测目标远场RCS的角度，纵坐标表示待测目标远场RCS的增益值，图中实线表示仿真所得理论值，点线表示本方法得到的RCS近场测量结果，右下方为本实施例中采用的待测目标锥形球体，可看出理论值与测量结果基本吻合，锥形球体正面与侧面误差在0.5dB以内，锥形尾的RCS增益值非常低，但理论值与测量结果也基本吻合。
以上描述仅为本发明的具体实例，仅用以说明本发明的技术方案，而非对本发明构成任何限制，显然本领域的普通技术人员依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些在本发明思想下修改或者替换均属于本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种基于探头补偿和相位中心补正的目标雷达散射截面积RCS近场测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)获取待测目标和定标体的回波信号：
(1a)初始化扫描探头位于以
Figure FDA0003958954940000011
为极坐标轴角度坐标的极坐标系原点的距离为Rmea，扫描探头的工作频率为f，其发射端、接收端的远场切面方向图分别为ET、ER；测量所需球状定标体的半径为rsph，其在频率f下的远场雷达散射截面积为
Figure FDA0003958954940000012
待测物体和定标体在测量时位于极坐标系的原点位置；
(1b)扫描探头以极坐标系的原点为圆心，以Rmea为半径对待测目标、定标体和空背景分别进行L次均匀圆周采样，得到待测目标、定标体和空背景的S21数据U0＝{U01,U02,...,U0l,...,U0L}、U1＝{U11,U12,...,U1l,...,U1L}和U2＝{U21,U22,...,U2l,...,U2L}，其中l∈{1,2,...,L}，L≥100；
(1c)分别计算每个待测目标的S21数据U0l、每个定标体的S21数据U1l与其对应的空背景的S21数据U2l的差，得到待测目标的离散回波数据U'0＝{U'01,U′02,...,U'0l,...,U'0L}、定标体的离散回波数据U'1＝{U′11,U′12,...,U′1l,...,U′1L}，并通过奈奎斯特定理分别将U'0、U'1变换为连续的待测目标的回波信号
Figure FDA0003958954940000013
定标体的回波信号
Figure FDA0003958954940000014
(2)对回波信号进行相位中心补正：
计算待测目标和定标体的回波信号的相位偏移量Rdel，并通过Rdel对待测目标回波信号
Figure FDA0003958954940000015
定标体的回波信号
Figure FDA0003958954940000016
分别进行相位中心补正，得到补正后的待测目标回波信号
Figure FDA0003958954940000017
定标体回波信号
Figure FDA0003958954940000018
Figure FDA0003958954940000019
Figure FDA0003958954940000021
其中p∈{0,1}，c为真空中的光速，e为自然对数，j为虚数，tpeak为从采样指令发出到接收到回波数据的时间长度；
(3)对补正后的回波信号进行时间通选和范围补偿：
(3a)采用汉明窗函数Ham(·)对补正后的待测目标回波信号
Figure FDA0003958954940000022
定标体回波信号
Figure FDA0003958954940000023
进行时间通选，得到时间通选后的的待测目标回波信号
Figure FDA0003958954940000024
定标体回波信号
Figure FDA0003958954940000025
Figure FDA0003958954940000026
其中R0表示能包围待测物体的边长为D的最小正方体的几何中心到扫描探头距离；
(3b)采用门函数G(R0)对补正后的待测目标回波信号
Figure FDA0003958954940000027
定标体回波信号
Figure FDA0003958954940000028
进行范围补偿，得到距离补偿后的待测目标回波信号
Figure FDA0003958954940000029
定标体回波信号
Figure FDA00039589549400000210
Figure FDA00039589549400000211
Figure FDA00039589549400000212
其中Rgate为范围阈值，a为补偿系数，a∈[0,2]；
(4)获取待测目标和定标体的波谱展开系数：
对距离补偿后的待测目标回波信号
Figure FDA00039589549400000213
定标体回波信号
Figure FDA00039589549400000214
分别进行傅里叶逆变换，得到待测目标、定标体的波谱展开系数B0＝{B0-N,...,B0n,...,B0N}、B1＝{B1-N,...,B1n,...,B1N}，其中n表示待测目标和定标体的波谱展开阶数，N表示待测目标和定标体的截断阶数，且
Figure FDA00039589549400000215
(5)对波谱展开系数进行扫描探头补偿：
(5a)对扫描探头的发射端和接收端的远场切面方向图ET和ER进行积分变换，并对积分变换得到的局部坐标下的波谱展开系数
Figure FDA0003958954940000031
进行转移变换，得到全局坐标下的探头波谱展开系数
Figure FDA0003958954940000032
其中m表示扫描探头的波谱展开阶数，M表示扫描探头的截断阶数，且
Figure FDA0003958954940000033
(5b)通过全局坐标下的扫描探头波谱展开系数PTR对待测目标、定标体的波谱展开系数B0、B1分别进行探头补偿，得到补偿后的待测目标、定标体的波谱展开系数
Figure FDA0003958954940000034
其中每个波谱展开系数的计算公式为：
Figure FDA0003958954940000035
(6)获取目标RCS近场测量结果：
对补偿后的待测目标、定标体的波谱展开系数
Figure FDA0003958954940000036
分别进行远场外推，得到待测目标、定标体的远场雷达散射截面积
Figure FDA0003958954940000037
并通过
Figure FDA0003958954940000038
对
Figure FDA0003958954940000039
进行定标校准，得到待测目标的远场雷达散射截面积
Figure FDA00039589549400000310
即为待测目标的RCS近场测量结果：
Figure FDA00039589549400000311
2.根据权利要求1所述的基于探头补偿和相位中心补正的目标RCS近场测量方法，其特征在于，步骤(1c)中所述的通过奈奎斯特定理分别将U'0、U'1变换为连续的待测目标回波信号
Figure FDA00039589549400000312
定标体的回波信号
Figure FDA00039589549400000313
变换公式为：
Figure FDA0003958954940000041
其中，π为圆周率，
Figure FDA0003958954940000042
为扫描探头采样间距，且
Figure FDA0003958954940000043
3.根据权利要求1所述的基于探头补偿和相位中心补正的目标RCS近场测量方法，其特征在于，步骤(4)中所述的对距离补偿后的待测目标回波信号
Figure FDA0003958954940000044
定标体回波信号
Figure FDA0003958954940000045
分别进行傅里叶逆变换，得到待测目标、定标体的波谱展开系数B0＝{B0-N,...,B0n,...,B0N}、B1＝{B1-N,...,B1n,...,B1N}，其中每个波谱展开系数的计算公式为：
Figure FDA0003958954940000046
其中
Figure FDA0003958954940000047
代表n阶第二类Hankel函数。
4.根据权利要求1所述的基于探头补偿和相位中心补正的目标RCS近场测量方法，其特征在于，步骤(5a)中所述的对扫描探头的发射端和接收端的远场切面方向图ET和ER进行积分变换，并对积分变换得到的局部坐标下的波谱展开系数
Figure FDA0003958954940000048
进行转移变换，变换公式分别为：
Figure FDA0003958954940000049
Figure FDA00039589549400000410
其中
Figure FDA00039589549400000411
代表n+m阶第二类Hankel函数。
5.根据权利要求1所述的基于探头补偿和相位中心补正的目标RCS近场测量方法，其特征在于，步骤(6)中所述的对补偿后的待测目标、定标体的波谱展开系数
Figure FDA00039589549400000412
分别进行远场外推，计算公式为：
Figure FDA0003958954940000051
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