CN102401893A - 一种近场目标对称极化rcs测试方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及目标电磁散射特性测量技术。所要解决的技术问题在于提供一种有效可行的近场目标对称极化RCS测试方法。本发明通过观测天线沿圆周轨迹转动扫描，改变其位置及姿态，组合模拟对称极化非均匀照射场，并依次进行多次目标散射测量并相干合成，实现了近场目标对称极化RCS的测量，弥补了近场目标极化电磁散射数据测量不全的不足。

Description

一种近场目标对称极化RCS测试方法

技术领域

本发明涉及目标电磁散射特性测量技术。

技术背景

近距离情况下，目标雷达散射截面(RCS)可分为垂直、水平和对称等基本极化类型，与实际喇叭天线相关的近场目标电磁散射数据均可表示为这些基本极化RCS(含幅度和相位信息)的组合。由于对称极化RCS主要针对近程窄波束雷达的非均匀照射情况，其测量要求被测目标处于理想偶极子轴向附近的非均匀照射区域，即要求目标所在区域的照射电场在等相位面上的幅度满足sinθ的变化关系(其中θ为与偶极子轴向的夹角)；同时，由于对称极化RCS值具有随观测距离的增加而减小的特点，其测量实现的难度较大。

目前，国内外目标电磁散射特性的相关研究中，针对目标垂直或水平极化RCS的研究较多，相关的测试***及测试方法也较成熟，但针对近场目标对称极化RCS的研究较少，且均为仿真计算研究，相关测试方法未见报道。

由于目标对称极化RCS的测量需满足对称极化非均匀照射条件，若采用偶极子探针天线直接测量，待测目标将处于喇叭天线增益较小的非均匀照射区域，暗室等背景将被喇叭天线主波束直接照射，测试背景的干扰较大；同时，近场目标对称极化RCS幅度随测试距离的增加而减小，在10m测试距离处，近场目标对称极化RCS通常比垂直或水平同极化RCS小2个量级以上，这要求探测天线具有较高的增益。可见，近场目标对称极化RCS的测试须解决测试背景干扰的减少、低RCS测量能力的提高等问题，采用偶极子探针天线直接测量难以满足要求。

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于提供一种有效可行的近场目标对称极化RCS测试方法。

为实现以上目的，本发明采用以下技术方案：

一种近场目标对称极化RCS测试方法，其特征在于：采用沿圆周轨迹N点等间隔分布的观测天线组合模拟偶极子轴向附近的对称极化非均匀照射场，N≥8；且扫描过程中观测天线主波束指向目标，以减少测试背景的干扰；同时，选取等间隔的天线转动扫描位置，开展多次近场目标散射特性测量，再对多次测量结果进行标定及相干叠加处理，实现近场目标对称极化RCS的测试。

步骤一：观测天线圆周轨迹转动扫描控制及目标装订

利用步进马达驱动观测天线进行离轴转动，实现观测天线的圆周轨迹转动扫描：观测天线与步进马达转轴间以连杆固定，且观测天线主波束指向轴与步进马达转轴平行，两轴间距离记为ρ；扫描测试过程中，计算机控制步进马达旋转一周，使得观测天线实现以步进马达转轴为中心、ρ为半径的圆周轨迹转动扫描测量；

同时，将待测目标装订至目标转台，且调整观测天线转动平台高度及姿态，使步进马达转轴水平指向目标转台中心；

步骤二：对称极化非均匀照射场的模拟

采用沿圆周轨迹N点等间隔分布的观测天线组合模拟生成对称极化非均匀照射场，观测天线转动扫描半径ρ和等间隔采样点数N，N≥8；目标转台中心与观测天线间距离为R，待测目标局部偏离转台中心的最大距离为L，则观测天线转动扫描半径需满足以下的近似条件：

ρ＜0.006R/L    (1)

同时，与偶极子对称极化照射场相比，模拟对称极化非均匀照射场的相对放大系数γ近似为

γ≈104Nρ      (2)

步骤三：多次全方位目标散射回波测量

先设定天线步进马达转动扫描的起始位置，并在后续步骤的测量中保持不变；再通过计算机控制天线步进马达每次转动某一等间隔角度即360°/N，沿圆周轨迹改变观测天线位置及相对姿态，并依次开展待测目标不同方位的散射测量；对观测天线的每次转动进行如下测量计算：

a)利用目标转台将待测目标旋转一周，并等角度间隔采样测量获取目标全方位的散射回波数据，记为λ_i，i＝1，…，N；

b)利用激光全站仪测定被测目标与天线的位置，并计算两者间观测距离R_i；

步骤四：背景抵消及幅度标定

取下被测目标，重复步骤三的测量过程，获取观测天线不同转动扫描位置时的背景测试数据λ_Bi，并与目标散射回波测试数据分别相减进行背景抵消：

χ_i＝λ_i-λ_Bi    (3)

再将定标体置于目标转台中心，重复步骤三的测量过程，获取观测天线不同转动扫描位置时的定标体散射回波λ_Di，再分别对不同观测天线位置时被测目标的散射回波幅度进行标定。

式中，Γ_i为标定后被测目标的散射回波，包含幅度和相位信息；

为定标体的散射回波测量峰值；σ_D为定标体对应的RCS理论值；

步骤五：相干处理获取对称极化RCS

根据各次全方位扫描测量中观测天线与被测目标间相对距离的变化，对式(4)幅度标定后的各组散射回波测量数据进行相位修正并叠加；此时，近场目标对称极化RCS的测量值可写为：

$\mathrm{\σ}={\left|\frac{1}{\mathrm{\γ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_i\exp \right[\mathrm{ik}(R_i-R]|}^2---\left(5\right)$

式中，k为入射电磁波波数。

本发明将带来以下有益效果：

本发明通过观测天线沿圆周轨迹转动扫描，改变其位置及姿态，组合模拟对称极化非均匀照射场，并依次进行多次目标散射测量并相干合成，实现了近场目标对称极化RCS的测量，弥补了近场目标极化电磁散射数据测量不全的不足。这主要有以下几方面的意义：

首先，利用本发明方法测量获取的近场目标对称极化RCS，有利于建立完备的近场目标特性数据库，实现近场目标静态RCS至动态多普勒回波数据的转换，为引信仿真、引战配合等提供高效的输入数据源，提高近场目标散射特性数据的可重用性，降低动态多普勒回波数据的测量成本；其次，利用本发明方法的测量结果，与其它垂直及水平极化RCS一起，可组成完整的近场极化散射矩阵，有利于提取新的特征信息，提高近场目标的识别概率，为毁伤点选择、最大价值目标打击等提供有效途径；

再次，利用本发明方法的测量结果，可为近场目标对称极化RCS计算模型提供验模数据，有利于近场电磁散射建模研究的发展。

附图说明

图1观测天线圆周轨迹转动扫描的控制流程图

图2二面角组合体相对位置及姿态示意图

图3二面角组合体极化RCS测量结果图

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。

以二面角组合体目标为例，说明近场目标对称极化RCS测量的具体实施方式(其中电磁波频率取16GHz，发射采用对称极化，接收采用垂直极化)：

步骤一：观测天线圆周轨迹转动扫描控制及目标装订

与通常RCS测试中保持固定的观测天线位置不同，这里对称极化RCS测量将利用步进马达驱动观测天线进行离轴转动，实现观测天线的圆周轨迹转动扫描：观测天线与步进马达转轴间以连杆固定，且观测天线主波束指向轴与步进马达转轴平行，两轴间距离记为ρ；扫描测试过程中，计算机控制步进马达旋转一周，使得观测天线实现以步进马达转轴为中心、ρ为半径的圆周轨迹转动扫描测量，控制实现过程如图1所示。

同时，将待测目标装订至目标转台，且调整观测天线转动平台高度及姿态，使步进马达转轴水平指向目标转台中心。

调整观测天线转动平台的高度及姿态，使天线步进马达转轴水平指向目标转台中心，即天线转动平面垂直于地面。通过计算机设定天线步进马达的起始转动角，这里设定观测天线处于最顶端时为起始转动角，并在后续测量中保持起始转动角不变。

同时，将待测目标装订至目标转台并固定，如图2所示，两个边长为0.15m的直二面角轴线均垂直于地面，其中心分别位于(0，-0.2m，0)、(0，0.2m，0.26m)，分别记为角反射器A、角反射器B。

步骤二：对称极化非均匀照射场的模拟

采用沿圆周轨迹N点等间隔分布的观测天线组合模拟偶极子轴向附近的对称极化非均匀照射场；其中心区域照射场分布近似满足sinθ的变化关系。模拟控制参数主要有观测天线转动扫描半径ρ和等间隔采样点数N(为近似符合对称极化照射场的圆对称性，通常要求N≥8)。若目标转台中心与观测天线间距离为R，待测目标局部偏离转台中心的最大距离为L，则观测天线转动扫描半径需满足以下的近似条件：

ρ＜0.006R/L    (1)

同时，与偶极子对称极化照射场相比，模拟对称极化非均匀照射场的相对放大系数γ近似为

γ≈104Nρ      (2)

为减少近似误差，还可通过建立实际观测天线的仿真模型，利用照射场的计算结果获取γ值；该放大系数将有效提高低RCS测量能力。

本实施例中二面角组合体偏离目标转台中心的最大线尺寸约为0.4m，测试距离约为12m，则根据式(1)给出的观测天线转动半径约束条件(ρ＜0.18m)，这里取ρ＝0.05m。

观测天线采用喇叭天线，其口径大小约为0.1m，转动扫描的等间隔采样点数取N＝8，则根据式(2)，模拟对称极化非均匀照射场的相对放大系数γ≈42。

步骤三：多次全方位目标散射回波测量

通过计算机控制天线步进马达每次转动45°，并依次测量待测目标全方位的散射回波λ_i(i＝1，…，8)，共8次；同时，利用激光全站仪测定每次全方位扫描测量后被测目标与观测天线的位置，计算两者间的相对距离R_i。

步骤四：背景抵消及幅度标定

取下被测目标，重复步骤三的测量过程，获取观测天线不同转动扫描位置时的背景测试数据λ_Bi；再将金属平板定标体置于目标转台中心，重复步骤三的测量过程，获取观测天线不同转动扫描位置时的定标体散射回波λ_Di；并利用式(3)、(4)分别对不同观测天线位置时的被测目标全方位散射回波进行背景抵消及幅度标定。

步骤五：相干处理获取对称极化RCS

根据各次测量中观测天线平台与被测目标间相对距离的变化，对幅度标定后的各组散射测量数据进行相位修正并叠加，并利用式(5)获取近场目标对称极化RCS的测量值。

图3给出了16GHz频率时二面角组合体极化RCS测试曲线，其中标记S表示对称极化，V表示垂直极化。可见，180°方位角附近VV极化RCS的起伏变化较快，这主要由两个角反射器散射回波的干涉引起；而对SV极化RCS，由于对称极化照射场的对称性，角反射器A的回波为零，因此SV极化RCS曲线无明显干涉现象，这说明近场对称极化RCS是独立的可观测量，且与理论分析相符合。

Claims (2)

1.一种近场目标对称极化RCS测试方法，其特征在于：采用沿圆周轨迹N点等间隔分布的观测天线组合模拟偶极子轴向附近的对称极化非均匀照射场，N≥8；且扫描过程中观测天线主波束指向目标，以减少测试背景的干扰；同时，选取等间隔的天线转动扫描位置，开展多次近场目标散射特性测量，再对多次测量结果进行标定及相干叠加处理，实现近场目标对称极化RCS的测试。

2.按照权利要求1所述的一种近场目标对称极化RCS测试方法，其特征在于：包括以下步骤：

步骤一：观测天线圆周轨迹转动扫描控制及目标装订

利用步进马达驱动观测天线进行离轴转动，实现观测天线的圆周轨迹转动扫描：观测天线与步进马达转轴间以连杆固定，且观测天线主波束指向轴与步进马达转轴平行，两轴间距离记为ρ；扫描测试过程中，计算机控制步进马达旋转一周，使得观测天线实现以步进马达转轴为中心、ρ为半径的圆周轨迹转动扫描测量；

同时，将待测目标装订至目标转台，且调整观测天线转动平台高度及姿态，使步进马达转轴水平指向目标转台中心；

步骤二：对称极化非均匀照射场的模拟

采用沿圆周轨迹N点等间隔分布的观测天线组合模拟生成对称极化非均匀照射场，观测天线转动扫描半径ρ和等间隔采样点数N，N≥8；目标转台中心与观测天线间距离为R，待测目标局部偏离转台中心的最大距离为L，则观测天线转动扫描半径需满足以下的近似条件：

ρ＜0.006R/L    (1)

同时，与偶极子对称极化照射场相比，模拟对称极化非均匀照射场的相对放大系数γ近似为

γ≈104Nρ      (2)

步骤三：多次全方位目标散射回波测量

先设定天线步进马达转动扫描的起始位置，并在后续步骤的测量中保持不变；再通过计算机控制天线步进马达每次转动某一等间隔角度即360°/N，沿圆周轨迹改变观测天线位置及相对姿态，并依次开展待测目标不同方位的散射测量；对观测天线的每次转动进行如下测量计算：

a)利用目标转台将待测目标旋转一周，并等角度间隔采样测量获取目标全方位的散射回波数据，记为λ_i，i＝1，…，N；

b)利用激光全站仪测定被测目标与天线的位置，并计算两者间观测距离R_i；

步骤四：背景抵消及幅度标定

取下被测目标，重复步骤三的测量过程，获取观测天线不同转动扫描位置时的背景测试数据λ_Bi，并与目标散射回波测试数据分别相减进行背景抵消：

χ_i＝λ_i-λ_Bi    (3)

再将定标体置于目标转台中心，重复步骤三的测量过程，获取观测天线不同转动扫描位置时的定标体散射回波λ_Di，再分别对不同观测天线位置时被测目标的散射回波幅度进行标定。

式中，Γ_i为标定后被测目标的散射回波，包含幅度和相位信息；

为定标体的散射回波测量峰值；σ_D为定标体对应的RCS理论值；

步骤五：相干处理获取对称极化RCS

根据各次全方位扫描测量中观测天线与被测目标间相对距离的变化，对式(4)幅度标定后的各组散射回波测量数据进行相位修正并叠加；此时，近场目标对称极化RCS的测量值可写为：

$\mathrm{\σ}={\left|\frac{1}{\mathrm{\γ}}\underset{i=1}{\overset{N}{\mathrm{\Σ}}}{\mathrm{\Γ}}_i\exp \right[\mathrm{ik}(R_i-R]|}^2---\left(5\right)$

式中，k为入射电磁波波数。

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