CN117805754A - 基于幅相电控技术的高效近场rcs测试方法及系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法及系统，属于雷达目标特性测试领域，在二维平面布置多个馈源天线；通过衰减器和移相器控制馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度，模拟扫描设备任意位置的电磁波发射；接收回波信号时，所有馈源天线通过接收端多通道开关切换至接收通道，将相邻两个接收通道接收到的回波信号进行相位叠加，作为当前点位采集的回波信号数据；获取所有需要点位的回波信号数据后，通过三维成像算法进行SAR成像；根据SAR成像获取散射中心分布，利用散射中心分布与RCS之间的关系，获取最终需要的RCS结果。本发明通过幅相电控技术实现不同测量点位的电切换功能，实现三维目标的近场RCS快速测量。

Description

基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法及系统

技术领域

本发明属于雷达目标特性测试领域，具体涉及一种基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法及系统。

背景技术

随着雷达技术的迅速发展，人们不仅希望得到雷达目标的位置信息，还期望获得目标的形状、体积和表面电磁参数等特征信息。经过若干年的发展，雷达隐身技术获得了突破性的进展，各种隐身武器相继出现，隐身与反隐身技术在现代化信息战争中起着重要作用。因此，对目标电磁散射特性的研究受到广泛关注。

对于隐身目标的测量，由于目标尺寸较大，因此进行RCS（雷达散射截面积）测量时，室内测试一般难以达到远场条件，通常的做法是采用外场测试或紧缩场测试，但是外场测试需要建造庞大的测试场，同时面临着易受外界环境干扰且相对暗室测量背景噪声较高的问题。紧缩场测试虽然避免了上述问题，但是由于需要通过紧缩场反射面实现球面波到平面波的转换，反射面作为紧缩场的核心，其质量直接决定了一个紧缩场的优劣，因此对反射面的工艺要求十分严苛，造价往往也十分高昂。于是近场测量技术便应运而生，近场测量则是直接在近场对目标进行测量，通过算法处理得到目标远场结果，由于近场测试可以在较小的暗室内进行，其具有效率高、精度高、建设成本小等优点，具有良好的应用前景。

对于目标纵向尺寸较小的目标通常采用二维测量即可获取二维成像和RCS结果。当目标纵向尺寸较大时，需要获取目标的三维信息，因此需要三维测量。传统的三维测量方式采用机械扫描，即研制一种平面扫描设备，安装发射和接收天线，利用天线与目标相对运动，通过分时相干测试的方式合成一个虚拟的天线阵列。使用雷达对待测目标进行高分辨成像诊断，完成目标SAR（合成孔径雷达）成像和近远场变换技术获取目标RCS。这种测量方式的缺点是所消耗的时间会很长，随着目标尺寸变大，需要的采样间隔会越小，对于固定尺寸的扫描设备，测量点位就会变多，测量效率将大大降低。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法及系统，以克服现有技术存在的问题，本发明通过幅相电控技术实现不同测量点位的电切换功能，最后实现三维目标的近场RCS快速测量。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：

基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法，包括以下步骤：

在二维平面布置多个馈源天线；

通过衰减器和移相器控制馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度，模拟扫描设备任意位置的电磁波发射；

接收回波信号时，所有馈源天线通过接收端多通道开关切换至接收通道，将相邻两个接收通道接收到的回波信号进行相位叠加，作为当前点位采集的回波信号数据；

获取所有需要点位的回波信号数据后，通过三维成像算法进行SAR成像；

根据SAR成像获取散射中心分布，利用散射中心分布与RCS之间的关系，获取最终需要的RCS结果。

进一步地，所述通过衰减器和移相器控制馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度，模拟扫描设备任意位置的电磁波发射，具体为：

以某个馈源天线为基准，通过衰减器和移相器对其他馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度进行校正，使所有馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度分别一致，最终模拟扫描设备任意位置的电磁波发射。

进一步地，所述散射中心分布与RCS之间的关系，具体为：

式中，表示测试频率，/>表示方位角，/>表示远场散射系数，/>是与测试距离、测试频率有关的常量，/>表示以自然常数/>为底的指数函数，/>表示测试距离，/>表示光速，/>表示被积分的区域，/>表示散射中心分布函数，/>表示虚数单位，表示横坐标，/>表示纵坐标；

令，得到：

在获取后，根据远场所需的测试频率与方位角，利用/>求解对应的/>与/>的值。

进一步地，所述在获取后，对/>进行插值得到/>。

进一步地，所述插值的方法为双二次插值或二维三次样条插值。

进一步地，所述获取最终需要的RCS结果，具体公式为：

。

基于幅相电控技术的高效近场RCS测试系统，包括布置在二维平面上的若干馈源天线，每个馈源天线均依次通过极化开关、衰减器和移相器连接至发射端多通道开关，所述发射端多通道开关通过功率放大器连接至矢网；

所述极化开关均连接至接收端多通道开关，所述接收端多通道开关通过低噪声放大器连接至矢网。

进一步地，所述衰减器和极化开关之间设置有电子开关。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

现有技术中机械扫描是通过机械运动实现馈源天线位置的变化，机械运动时间相对较慢，一般在秒级以上，本发明是通过增加射频链路通道，并且通过多通道开关实现通道的切换，一般切换时间在微秒级或者毫秒级，从而大大的节省了测试时间，在生产单位具有一定的实用价值。

假设现有技术中，机械测量点位M个，所需要的时间为T，在一个维度安装多副馈源天线时，大概需要时间为，当本发明在整个面安装多个馈源天线时，大概需要时间，由此看出大大的节省了测试时间，提高测试效率。

附图说明

说明书附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。

图1为三维目标测量设备扫描平面示意图，其中，表示相邻馈源天线之间的间隔。

图2为基于幅相电控技术的高效近场RCS测试系统的射频连接图。

图3为近远场变换原理图。

具体实施方式

以下结合附图及具体实施例对本发明进行进一步详细说明。

为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，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的实施例，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，都应当属于本发明保护的范围。

应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。

实施例一

本发明提供一种基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法，包括以下步骤：

在二维平面布置多个馈源天线；

通过衰减器和移相器控制馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度，模拟扫描设备任意位置的电磁波发射；

接收回波信号时，所有馈源天线通过接收端多通道开关切换至接收通道，将相邻两个接收通道接收到的回波信号进行相位叠加，作为当前点位采集的回波信号数据；

获取所有需要点位的回波信号数据后，通过三维成像算法进行SAR成像；

根据SAR成像获取散射中心分布，利用散射中心分布与RCS之间的关系，获取最终需要的RCS结果。

实施例二

本发明提供一种基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法，依靠平面阵列天线（通过在二维平面布置多个馈源天线获得）实现目标原始信息获取。该方法是采用等效法模拟任意位置的馈源天线，因此在辐射功率和移相器满足一定的指标条件下，阵列天线可以布置的密集，也可布置的比较稀疏，三维目标测量设备扫描平面如图1所示，其中，表示相邻馈源天线之间的间隔。馈源天线按照等间距布置形成阵列天线，阵列天线布局越稀疏，采样时间越短，获取目标真实信息越少；阵列天线布局越密，采样时间越长，获取目标真实信息越多，经过算法处理后得到的RCS结果越接近真实。

射频链路中包括失网（矢量网络分析仪）、功率放大器、低噪声放大器、发射端多通道开关、接收端多通道开关、移相器、衰减器、电子开关和极化开关。矢量网络分析仪完成射频信号的产生和目标回波信号数据的采集；功率放大器和低噪声放大器用于提供目标信杂比；发射端多通道开关和接收端多通道开关完成不同馈源天线之间的切换；移相器补偿相位，保证所有馈源天线发射电磁波的初始相位；衰减器用于保证所有馈源天线发射电磁波的幅度一致；电子开关实现发射通道和接收通道切换；极化开关用于馈源天线极化方式切换。具体信号流向如图2中箭头指向所示。

获取目标三维空间的原始采样信息后，通过成像算法实现目标三维成像，再通过直角坐标系的提取算法获取球坐标系的远场散射分布，此时获取的不一定是由公式直接计算得到的点，需要进行插值，通过有确切数值的点估算出需要求解的点，插值方法一般选取双二次插值、二维三次样条插值等。

实施例三

本发明将通过幅相电控技术实现不同测量点位的电切换功能，最后实现三维目标的近场RCS快速测量，主要体现在以下几个方面：

1、利用移相器和衰减器实现扫描平面内任意位置的电磁波发射；

2、利用多通道电控技术实现三维目标的快速测量；

3、利用近远场变换技术实现三维目标RCS重构。

具体地，通过移相器和衰减器调节发射端的幅度和相位，保证不同扫描点位的测量信号可进行相干累加。后面再接功率放大器、发射端多通道开关、接收端多通道开关、极化开关和馈源天线，通过软件切换通道完成不同位置测量，获取三维目标不同位置的回波信号数据。

典型的三维扫描设备是将馈源天线通过机械运动到每个测量点位，在每个测量点位发射电磁波并接收三维目标的回波信号数据，通过数字采样获取目标信息。这种采样方式需要花费的时间极其长，为了节省测试时间，也有将扫描平面的一个维度安装多个馈源天线，另一个维度通过机械运动方式，最终实现整个三维平面的测量，最后通过算法修正完成不同点位的同相叠加，这种测量方式能降低测量时间，但时间较长。为了彻底解决三维目标测量的时间问题，本发明提出了在二维平面布置多个馈源天线的方式，通过衰减器和移相器控制馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度，模拟扫描设备任意位置的电磁波发射，从而实现三维目标的快速测量。

二维平面内的所有馈源天线必须经过校正，保证所有馈源天线相同频率下的初始相位一致，以某个馈源天线为基准，通过衰减器和移相器对其他馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度进行校正，使所有馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度均一致，最终模拟扫描设备任意位置的电磁波发射。当接收回波信号时，所有馈源天线通过多通道开关切换至接收通道，将相邻两个接收通道接收到的回波信号进行相位叠加，作为当前点位采集的回波信号数据。

参见图3，获取所有需要点位的回波信号数据后，通过三维成像算法进行SAR成像，根据SAR成像获取散射中心分布，最后利用散射中心分布与RCS之间的关系，获取最终需要的RCS结果。

散射中心分布与RCS之间的关系具体为：

式中，表示测试频率，/>表示方位角，/>表示远场散射系数，是与测试距离、测试频率有关的常量，可以在定标过程中消除，在推导过程中可以省略，/>表示以自然常数/>为底的指数函数，/>表示测试距离，/>表示光速，/>表示被积分的区域，/>表示散射中心分布函数，/>表示虚数单位，/>表示横坐标，/>表示纵坐标。

令，能够得到：

在获取后，根据远场所需的测试频率与方位角（一般与近场测试相同），利用上述公式的转换关系求解对应的/>与/>的值。此时获取的/>不一定是由公式直接计算得到的点，需要对/>进行插值得到/>，插值方法一般选取双二次插值、二维三次样条插值等。

最终获取需要的RCS结果，具体公式为：

。

实施例四

如图2所示，本发明提供一种基于幅相电控技术的高效近场RCS测试系统，用于上述的基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法，包括布置在二维平面上的若干馈源天线，每个馈源天线均依次通过极化开关、电子开关、衰减器和移相器连接至发射端多通道开关，所述发射端多通道开关通过功率放大器连接至矢网；

所述极化开关均连接至接收端多通道开关，所述接收端多通道开关通过低噪声放大器连接至矢网。

本领域内的技术人员应明白，本发明的实施例可提供为方法、系统、或计算机程序产品。因此，本发明可采用完全硬件实施例、完全软件实施例、或结合软件和硬件方面的实施例的形式。而且，本发明可采用在一个或多个其中包含有计算机可用程序代码的计算机可用存储介质（包括但不限于磁盘存储器、CD-ROM、光学存储器等）上实施的计算机程序产品的形式。

本发明是参照根据本发明实施例的方法、设备（系统）、和计算机程序产品的流程图和／或方框图来描述的。应理解可由计算机程序指令实现流程图和／或方框图中的每一流程和／或方框、以及流程图和／或方框图中的流程和／或方框的结合。可提供这些计算机程序指令到通用计算机、专用计算机、嵌入式处理机或其他可编程数据处理设备的处理器以产生一个机器，使得通过计算机或其他可编程数据处理设备的处理器执行的指令产生用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的装置。

这些计算机程序指令也可存储在能引导计算机或其他可编程数据处理设备以特定方式工作的计算机可读存储器中，使得存储在该计算机可读存储器中的指令产生包括指令装置的制造品，该指令装置实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能。

这些计算机程序指令也可装载到计算机或其他可编程数据处理设备上，使得在计算机或其他可编程设备上执行一系列操作步骤以产生计算机实现的处理，从而在计算机或其他可编程设备上执行的指令提供用于实现在流程图一个流程或多个流程和／或方框图一个方框或多个方框中指定的功能的步骤。

最后应当说明的是：以上实施例仅用于说明本发明的技术方案而非对其保护范围的限制，尽管参照上述实施例对本发明进行了详细的说明，所属领域的普通技术人员应当理解：本领域技术人员阅读本发明后依然可对发明的具体实施方式进行种种变更、修改或者等同替换，但这些变更、修改或者等同替换，均在发明待批的权利要求保护范围之内。

Claims (8)

1.基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法，其特征在于，包括以下步骤：

在二维平面布置多个馈源天线；

通过衰减器和移相器控制馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度，模拟扫描设备任意位置的电磁波发射；

接收回波信号时，所有馈源天线通过接收端多通道开关切换至接收通道，将相邻两个接收通道接收到的回波信号进行相位叠加，作为当前点位采集的回波信号数据；

获取所有需要点位的回波信号数据后，通过三维成像算法进行SAR成像；

根据SAR成像获取散射中心分布，利用散射中心分布与RCS之间的关系，获取最终需要的RCS结果。

2.根据权利要求1所述的基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法，其特征在于，所述通过衰减器和移相器控制馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度，模拟扫描设备任意位置的电磁波发射，具体为：

以某个馈源天线为基准，通过衰减器和移相器对其他馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度进行校正，使所有馈源天线发射电磁波的初始相位和幅度分别一致，最终模拟扫描设备任意位置的电磁波发射。

3.根据权利要求1所述的基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法，其特征在于，所述散射中心分布与RCS之间的关系，具体为：

式中，表示测试频率，/>表示方位角，/>表示远场散射系数，/>是与测试距离、测试频率有关的常量，/>表示以自然常数/>为底的指数函数，/>表示测试距离，/>表示光速，/>表示被积分的区域，/>表示散射中心分布函数，/>表示虚数单位，表示横坐标，/>表示纵坐标；

令，得到：

在获取后，根据远场所需的测试频率与方位角，利用/>和求解对应的/>与/>的值。

4.根据权利要求3所述的基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法，其特征在于，所述在获取后，对/>进行插值得到/>。

5.根据权利要求4所述的基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法，其特征在于，所述插值的方法为双二次插值或二维三次样条插值。

6.根据权利要求4所述的基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法，其特征在于，所述获取最终需要的RCS结果，具体公式为：

。

7.基于幅相电控技术的高效近场RCS测试系统，用于实现权利要求1-6任一项所述的基于幅相电控技术的高效近场RCS测试方法，其特征在于，包括布置在二维平面上的若干馈源天线，每个馈源天线均依次通过极化开关、衰减器和移相器连接至发射端多通道开关，所述发射端多通道开关通过功率放大器连接至矢网；

所述极化开关均连接至接收端多通道开关，所述接收端多通道开关通过低噪声放大器连接至矢网。

8.根据权利要求7所述的基于幅相电控技术的高效近场RCS测试系统，其特征在于，所述衰减器和极化开关之间设置有电子开关。