CN115808667B - 一种非均匀步进频rcs测量方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种非均匀步进频RCS测量方法，其为基于非均匀频率跳变的步进频RCS测量方法，可在不影响目标RCS测试精度的基础上，降低大测试距离对频率步进间隔要求的限制，快速完成测试流程的RCS测试解决方案。利用特定的非均匀频率跳变规则，对被测目标进行准确雷达散射截面（RCS）测量的方法，可以实现RCS测试场内利用更少的频点和更高的测试效率对目标的雷达散射特性进行精准测量和成像诊断，大幅缓解传统步进频测试方法在测试频点步进间隔上的限制，提高对大尺寸目标的测试效率。
Description
技术领域
本发明属于雷达目标特性测试领域，更具体地，涉及一种非均匀步进频RCS测量方法。
背景技术
实现精确、高效的雷达散射截面（Radar Cross Section，RCS）测试，是贯穿低散射目标设计、生产和后期维护整个过程的重要问题。随着测试目标尺寸的增大，实现精确且高效的目标特性测试面临重重困难。
目前的高精度雷达目标特性测试主要基于步进频雷达体制（SFCW），测量系统在每个频点进行精确的幅相测试，通过在测试带宽内进行等频率步进间隔的顺序测量，完成大带宽范围内的目标RCS测试。测试中系统的最大不模糊距离R max 取决于频率步进间隔∆f：
其中，c为电磁波的传播速度，在空气中即光速。对于步进频雷达系统，若目标或杂波所在距离超过这个最大不模糊距离，就会产生回波信号的混叠，即回波会以R max 为模值形成在时域的周期性折叠，从而无法正确区分来自不同距离范围的回波信号，影响测试精度。特别是对于大尺寸目标，测试距离的增加就要求更小的频率步进间隔。在相同的带宽范围内，这意味着更多的测试频点和更长的测试时间，很大程度上限制了大尺寸目标的RCS测试效率。虽然这一问题可一定程度上通过加入硬件距离门加以缓解，但此时频率步进间隔同样受到距离门宽度的限制。本发明所提出的基于非均匀频率跳变的步进频RCS测量方法，通过特定的非均匀跳频规则，可在一定带宽范围内利用更少的频点数实现所需的测试精度，大幅提升大尺寸目标的RCS测试效率。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提供一种非均匀步进频RCS测量方法，其为基于非均匀频率跳变的步进频RCS测量方法，可在不影响目标RCS测试精度的基础上，降低大测试距离对频率步进间隔要求的限制，快速完成测试流程的RCS测试解决方案。利用特定的非均匀频率跳变规则，对被测目标进行准确雷达散射截面（RCS）测量的方法，可以实现RCS测试场内利用更少的频点和更高的测试效率对目标的雷达散射特性进行精准测量和成像诊断，大幅缓解传统步进频测试方法在测试频点步进间隔上的限制，提高对大尺寸目标的测试效率。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种非均匀步进频RCS测量方法，具体包括以下步骤：
步骤1：按照具体测试任务确定测试频段，并根据测试要求确定测试带宽B；
步骤2：根据测试所要求的混叠信号抑制幅度S q 确定使用的总频率点数N：
式中，N为总频率点数，S q 为混叠信号抑制幅度，q为混叠抑制阶数，γ为非均匀采样中最大频率间隔和最小频率间隔比值，[·]为取整数运算符（向上或向下取整均可）；
步骤3：使用步骤1和步骤2确定的测试带宽B和总频率点数N导出所需进行测试的非均匀频点集；
步骤4：放置定标体，使用步进频雷达测试系统按照所选非均匀频率采样分布函数进行定标数据采集；
步骤5：在数据处理中对加权后的定标体回波信号进行非均匀逆傅里叶变换，得到定标体时域一维距离像；
步骤6：在定标体时域一维距离像上加入距离窗，滤除杂波所在的距离范围；
步骤7：对定标体时域数据进行傅里叶变换，得到定标体频域数据S cailbrator (f)；
步骤8：用被测目标替换定标体，使用步进频雷达测试系统按照定标体测试所选非均匀频率采样分布函数进行目标数据采集；
步骤9：在数据处理中对加权后的目标回波信号进行非均匀逆傅里叶变换，得到目标时域一维距离像；
步骤10：在目标时域一维距离像上加入距离窗，滤除杂波所在的距离范围；
步骤11：对目标时域数据进行傅里叶变换，得到目标频域数据S target (f)；
步骤12：若测试距离为近场，则对定标体和目标频域数据进行近远场变换处理；
步骤13：同时利用定标体和目标频域数据计算目标RCS，采用以下公式关系：
σ target (f)=S target (f)+σ cailbrator (f)－S cailbrator (f)
其中，σ cailbrator (f)为定标体在各频点的RCS数值，通过理论计算获得；σ target (f)为被测目标在各频点的RCS。
进一步地，所述步骤2中， q=1，γ=2。
进一步地，所述步骤3中，使用以下三种非均匀频率函数导出所需进行测试的非均匀频点集：
（1）二次分布频率采样函数：
二次分布频率采样分布函数形式为：
其中，f[n]为频率序列中第n个频点的频率，N为总频点数，f 0为最小测量频率；
最大频率采样间隔∆f max和参数a定义为：
其中，B为测试带宽。
（2）指数分布频率采样函数：
指数分布频率采样函数形式为：
其中，f[n]为频率序列中第n个频点的频率，N为总频点数，f 0为最小测量频率，B为测试带宽，γ取值2，exp为以自然常数e为底的指数函数；
（3）加权平方根分布采样函数：
加权平方根采样函数形式为：
其中，f[n]为频率序列中第n个频点的频率，N为总频点数，I[n]为对应频点的幅度加权值，f 0为最小测量频率，B为测试带宽，γ取值2。
进一步地，在所述步骤4之后还包括：如果所选择的非均匀频率分布要求幅度加权，则在数据处理中对定标体回波信号进行频率维度上的幅度加权，权值为I[n]。
进一步地，所述步骤8之后还包括：如果所选择的非均匀频率分布要求幅度加权，则在数据处理中对目标回波信号进行频率维度上的幅度加权，权值为I[n]。
进一步地，所述步骤5和步骤9中，所述非均匀逆傅里叶变换采用非均匀快速逆傅里叶变换算法（NUFFT）。
进一步地，所述定标体采用标准金属球，放置于低散射泡沫支架上。
进一步地，所述步骤12中，所述近远场变换采用基于散射中心的变换方法。
有益效果：
（1）本发明所采用的基于非均匀跳频规则的步进频测试方法，可显著降低步进频系统测量频点总数，降低测试时间，提升总体测量效率；
（2）本发明所采用的基于非均匀跳频规则的步进频测试方法，与传统均匀频率步进测试方法相比，在相同频点总数的条件下，可实现对杂波混叠信号的有效抑制。例如：测量频点总数为100点时，可对混叠信号实现18.24dB抑制；测量频点总数为500点时，可对混叠信号实现25.23dB抑制；测量频点总数为1000点时，可对混叠信号实现28.24dB抑制；
（3）本发明所采用的非均匀跳频步进频测试方法，实现简单，无需增加额外的硬件设置；
（4）本发明所采用的非均匀跳频步进频测试方法，不需要事先预知干扰目标位置，具有较强通用性；
（5）本发明所采用的非均匀跳频步进频测试方法，可获得与均匀采样时相同的目标距离响应，与其它非均匀采样形式相比，具有低零深、主瓣无展宽的优势，可在提高测试效率的同时保证目标RCS的测试精度。
附图说明
图1为混叠信号抑制幅度与总频率点数关系图；
图2为非均匀频率函数图。
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，以下结合附图及实施例，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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
本发明涉及一种非均匀步进频RCS测量方法，具体包括以下步骤：
步骤1：按照具体测试任务确定测试频段，并根据测试要求确定测试带宽B；
步骤2：根据测试所要求的混叠信号抑制幅度S q 确定使用的总频率点数N：
式中，N为总频率点数，S q 为混叠信号抑制幅度，q为混叠抑制阶数，γ为非均匀采样中最大频率间隔和最小频率间隔比值，[·]为取整数运算符（向上或向下取整均可）；
步骤3：使用步骤1和步骤2确定的测试带宽B和总频率点数N导出所需进行测试的非均匀频点集。可使用以下三种非均匀频率函数：
（1）二次分布频率采样函数。
二次分布频率采样分布函数形式为：
其中，f[n]为频率序列中第n个频点的频率，N为总频点数，f 0为最小测量频率；
最大频率采样间隔∆f max和参数a定义为：
其中，B为测试带宽。
（2）指数分布频率采样函数。
指数分布频率采样函数形式为：
其中，f[n]为频率序列中第n个频点的频率，N为总频点数，f 0为最小测量频率，B为测试带宽，γ取值2，exp为以自然常数e为底的指数函数；
（3）加权平方根分布采样函数。
加权平方根采样函数形式为：
其中，f[n]为频率序列中第n个频点的频率，N为总频点数，I[n]为对应频点的幅度加权值，f 0为最小测量频率，B为测试带宽，γ取值2。
步骤4：放置定标体，使用步进频雷达测试系统按照所选非均匀频率采样分布函数进行定标数据采集；
可选的，步骤5：如果所选择的非均匀频率分布要求幅度加权，则在数据处理中对定标体回波信号进行频率维度上的幅度加权，权值为I[n]；
步骤6：在数据处理中对加权后的定标体回波信号进行非均匀逆傅里叶变换，得到定标体时域一维距离像；
步骤7：在定标体时域一维距离像上加入距离窗，滤除杂波所在的距离范围；
步骤8：对定标体时域数据进行傅里叶变换，得到定标体频域数据S cailbrator (f)；
步骤9：用被测目标替换定标体，使用步进频雷达测试系统按照定标体测试所选非均匀频率采样分布函数进行目标数据采集；
可选的，步骤10：如果所选择的非均匀频率分布要求幅度加权，则在数据处理中对目标回波信号进行频率维度上的幅度加权，权值为I[n]；
步骤11：在数据处理中对加权后的目标回波信号进行非均匀逆傅里叶变换，得到目标时域一维距离像；
步骤12：在目标时域一维距离像上加入距离窗，滤除杂波所在的距离范围；
步骤13：对目标时域数据进行傅里叶变换，得到目标频域数据S target (f)；
步骤14：若测试距离为近场，则对定标体和目标频域数据进行近远场变换处理；
步骤15：同时利用定标体和目标频域数据计算目标RCS，采用以下公式关系：
σ target (f)=S target (f)+σ cailbrator (f)－S cailbrator (f)
其中，σ cailbrator (f)为定标体在各频点的RCS数值，可通过理论计算获得。σ target (f)为被测目标在各频点的RCS。
本发明具有的以下优点：通过采用特定的非均匀跳频规则的步进频RCS测试方法，可在一定带宽范围内利用更少的频点数实现所需的测试精度，大幅提升大尺寸目标的RCS测试效率，提供了一种可对大尺寸目标RCS进行精确且高效测量的方法。
下面结合附图对本发明作进一步描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。
本实施例以8~12GHz频段的目标RCS测试为例，包括以下步骤：
步骤1：测试频段确定为8~12GHz，并根据测试要求确定测试带宽B为4GHz；
步骤2：根据测试需求，混叠信号抑制幅度S q 需要在-18.3dB（分贝值）以上。按照下式所绘制的总频率点数N与混叠信号抑制幅度S q 关系曲线，如图 1所示。
式中，q为混叠抑制阶数，取1；γ为非均匀采样式最大频率间隔和最小频率间隔比值，取2；图1中黑色实线为所对应的混叠信号抑制幅度与总频率点数的关系曲线。
根据测试所要求的混叠信号抑制幅度S q 可估算所需的总频率点数N：
式中，N为总频率点数，S q 为混叠信号抑制幅度，q为混叠抑制阶数，γ为非均匀采样中最大频率间隔和最小频率间隔比值，[·]为取整数运算符（向上或向下取整均可）。为了达到-18.3dB（分贝值）的混叠抑制幅度，所需的总频率点数确定为N=101；
步骤3：使用步骤1和步骤2确定的测试带宽B和总频率点数N导出所需进行测试的非均匀频点集，本实施例所采用的非均匀频率函数为加权平方根分布采样函数，其频点分布函数f[n]和所对应的幅度加权值I[n]如下：
式中，f 0为最小测量频率，为8GHz；B为测试带宽，为4GHz；γ取2；总频率点数N为101; 所得到的非均匀频率函数曲线如图2所示。
步骤4：放置定标体，使用步进频雷达测试系统按照所选非均匀频率采样分布函数进行定标数据采集；
步骤5：在数据处理中对定标体回波信号进行频率维度上的幅度加权，权值为I[n]；
步骤6：在数据处理中对加权后的定标体回波信号进行非均匀逆傅里叶变换，得到定标体时域一维距离像；
步骤7：在定标体时域一维距离像上加入距离窗，滤除杂波所在的距离范围；
步骤8：对定标体时域数据进行傅里叶变换，得到定标体频域数据S cailbrator (f)；
步骤9：用被测目标替换定标体，使用步进频雷达测试系统按照定标体测试所选非均匀频率采样分布函数进行目标数据采集；
步骤10：在数据处理中对目标回波信号进行频率维度上的幅度加权，权值为I[n]；
步骤11：在数据处理中对加权后的目标回波信号进行非均匀逆傅里叶变换，得到目标时域一维距离像；
步骤12：在目标时域一维距离像上加入距离窗，滤除杂波所在的距离范围；
步骤13：对目标时域数据进行傅里叶变换，得到目标频域数据S target (f)；
步骤14：若测试距离为近场，则对定标体和目标频域数据进行近远场变换处理；
步骤15：同时利用定标体和目标频域数据计算目标RCS，采用以下公式关系：
σ target (f)=S target (f)+σ cailbrator (f)－S cailbrator (f)
其中，σ cailbrator (f)为定标体在各频点的RCS数值，可通过理论计算获得。σ target (f)为被测目标在各频点的RCS。
在本实施例中，非均匀逆傅里叶变换采用非均匀快速傅里叶变换（NUFFT）算法，傅里叶变换采用快速傅里叶变换方法（FFT）。
在本实施例中，定标体采用标准金属球，放置于低散射泡沫支架上。
在本实施例中，近远场变换采用基于散射中心的变换方法。
以上所述仅是本发明的优选实施方式之一，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
Claims (8)
1.一种非均匀步进频RCS测量方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
步骤1：按照具体测试任务确定测试频段，并根据测试要求确定测试带宽B；
步骤2：根据测试所要求的混叠信号抑制幅度Sq确定使用的总频率点数N：
式中，N为总频率点数，
为混叠信号抑制幅度，q为混叠抑制阶数，γ为非均匀采样中最大频率间隔和最小频率间隔比值，[·]为取整数运算符；
步骤3：使用步骤1和步骤2确定的测试带宽B和总频率点数N导出所需进行测试的非均匀频点集；
步骤4：放置定标体，使用步进频雷达测试系统按照所选非均匀频率采样分布函数进行定标数据采集；
步骤5：在数据处理中对加权后的定标体回波信号进行非均匀逆傅里叶变换，得到定标体时域一维距离像；
步骤6：在定标体时域一维距离像上加入距离窗，滤除杂波所在的距离范围；
步骤7：对定标体时域数据进行傅里叶变换，得到定标体频域数据
；
步骤8：用被测目标替换定标体，使用步进频雷达测试系统按照定标体测试所选非均匀频率采样分布函数进行目标数据采集；
步骤9：在数据处理中对加权后的目标回波信号进行非均匀逆傅里叶变换，得到目标时域一维距离像；
步骤10：在目标时域一维距离像上加入距离窗，滤除杂波所在的距离范围；
步骤11：对目标时域数据进行傅里叶变换，得到目标频域数据
；
步骤12：若测试距离为近场，则对定标体和目标频域数据进行近远场变换处理；
步骤13：同时利用定标体和目标频域数据计算目标RCS，采用以下公式关系：
其中，
为定标体在各频点的RCS数值，通过理论计算获得；/>
为被测目标在各频点的RCS。
2.根据权利要求1所述的一种非均匀步进频RCS测量方法，其特征在于，所述步骤2中，q=1，γ=2。
3.根据权利要求1所述的一种非均匀步进频RCS测量方法，其特征在于，所述步骤3中，使用以下三种非均匀频率采样分布函数之一导出所需进行测试的非均匀频点集：
（1）二次分布频率采样函数：
二次分布频率采样分布函数形式为：
其中，f[n]为频率序列中第n个频点的频率，N为总频点数，
为最小测量频率；
其中，最大频率采样间隔
和参数a定义为：/>
其中，B为测试带宽；
（2）指数分布频率采样函数：
指数分布频率采样函数形式为：
其中，f[n]为频率序列中第n个频点的频率，N为总频点数，
为最小测量频率，B
为测试带宽，γ取值2，exp为以自然常数e为底的指数函数；
（3）加权平方根分布频率采样函数：
加权平方根采样函数形式为：
其中，f[n]为频率序列中第n个频点的频率，N为总频点数，
为对应频点的幅度
加权值，
为最小测量频率，B为测试带宽，γ取值2。
4.根据权利要求3所述的一种非均匀步进频RCS测量方法，其特征在于，在所述步骤4之后还包括：如果所选择的非均匀频率采样分布函数要求幅度加权，则在数据处理中对定标体回波信号进行频率维度上的幅度加权，幅度加权值为
。
5.根据权利要求3所述的一种非均匀步进频RCS测量方法，其特征在于，所述步骤8之后还包括：如果所选择的非均匀频率采样分布函数要求幅度加权，则在数据处理中对目标回波信号进行频率维度上的幅度加权，幅度加权值为
。
6.根据权利要求1所述的一种非均匀步进频RCS测量方法，其特征在于，所述步骤5和步骤9中，所述非均匀逆傅里叶变换采用非均匀快速逆傅里叶变换算法。
7.根据权利要求1所述的一种非均匀步进频RCS测量方法，其特征在于，所述定标体采用标准金属球，放置于低散射泡沫支架上。
8.根据权利要求1所述的一种非均匀步进频RCS测量方法，其特征在于，所述步骤12中，所述近远场变换采用基于散射中心的变换方法。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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