CN107783092A

CN107783092A - 基于链条关系式的近场后向rcs测量***及方法

Info

Publication number: CN107783092A
Application number: CN201710856834.6A
Authority: CN
Inventors: 何国瑜; 李志平; 武建华; 王正鹏
Original assignee: Beihang University
Current assignee: Beihang University
Priority date: 2017-09-21
Filing date: 2017-09-21
Publication date: 2018-03-09
Anticipated expiration: 2037-09-21
Also published as: CN107783092B

Abstract

本发明公开了一种基于链条关系式的近场后向RCS测量***及方法。利用与地面垂直的线源产生柱面波，柱面场仅在高度方向满足远场条件。为减小侧墙干扰杂波，设计了一种“锥形”的微波暗室。柱面场后墙的回波电平比紧缩场小10dB，有利于将暗室大门开在后墙，方便目标运输。本发明提出了一种用于近场RCS测量的雷达***，包括目标与环境部分，微波振幅和相位测量部分以及进行NFFFT和高分辨率成像的部分。还提出了近场RCS测量的实施方法，包括支架与环境的矢量背景对消、测量近场散射系数F_N的定标、NFFFT以及在NFFFT过程中的第二次定标等。具有优点：①NFFFT变换从二维简化为一维；②目标上只有水平方向的多次绕射会引起误差；③暗室地面、屋顶缝隙和台阶产生的干扰杂波小。

Description

基于链条关系式的近场后向RCS测量***及方法

技术领域

本发明属于低可观测技术和雷达技术领域，特别涉及一种基于链条关系式的近场后向雷达散射截面(RCS)测量***及方法。

背景技术

RCS静态测量的传统方法是外场和紧缩场。外场占地大，成本高，环境干扰源多，受气候影响测量效率低。紧缩场在室内工作，克服了外场的缺点，但紧缩场成本随静区尺寸成立方而增长，目前它还主要在缩比模型和部件的RCS测试中得到应用。

近场RCS测量***占地小，在室内工作，其成本远低于紧缩场，适合于超大型目标RCS 测量，因此受到国内外的关注。近年来，近场RCS测量***已步入实际应用状态，但这些***在技术和指标方面存在很多缺点，亟待进行改进和提高。

近场远场变换(简称NFFFT)是近场RCS测量***的核心技术。当前近场RCS测量***采用的NFFFT方法基于：①SAR或ISAR的成像技术；②光学傅里叶变换理论；③机械扫描的平面波综合技术。这些方法的根据主要是物理概念和工程技术。

链条关系式在理论上建立了近场散射系数F_N(θ,φ)和远场散射系数F₀(θ,φ)之间严格的数学解析式(见式[1])。该解析式成立的充分必要条件是，当被测目标中存在多次绕射时，需要完整的双站信息(参见“电磁散射的计算和测量”，2006年，北京航空航天大学出版社)。

式(1)的链条关系式中没有雷达工作频率的参数，实际上NFFFT完全不依赖于扫频以及 SAR或ISAR的这些成像技术。故基于链条关系式的NFFFT不存在成像分辨率带来的误差。

与近场天线扫描不同，基于链条关系式的近场RCS测量不依赖于空间的机械扫描(平面扫描、柱面扫描或球面扫描)，因此避免了机械扫描带来的截断误差以及测量效率低的问题。

在非卷积形式链条关系式中，用空域电场分布代替角域中的平面波角谱(PWS)，解决了抽象的PWS的计算问题。另外，用除法和傅里叶变换代替反卷积运算，解决了反卷积的数学难题。由此该公式可在近场RCS测量***中直接得到应用。

当前近场RCS测量***采用点源近场，发射机和接收机天线产生球面波。照射目标的电磁场在方位角φ和俯仰角θ方向均不满足远场条件。如果在(θ,φ)的二维角域进行NFFFT, 则工作量过大；如果对“扁平”目标，忽略θ方向的近场效应，只进行φ方向的一维角域NFFFT，将存在变换误差。

为克服上述问题，本发明采用线源近场，代替点源近场。线源近场中，发射机天线产生柱面波。照射目标的电磁场在俯仰角θ方向满足远场条件，在方位角φ不满足远场条件。故此时只需要在φ方向做一维角域NFFFT。

本发明中，采用抛物柱面，在其焦线上放置球面波点源，可以产生柱面波。特殊单柱面紧缩场的设计使其口面利用率达到150％，降低了制造成本。

当前近场RCS测量***采用常规的矩形微波暗室，其侧墙的反射对静区背景电平影响严重。为了克服这一问题，采用了新的“锥形暗室”设计技术。

小型的RCS测量***中多采用通用的微波矢量网络分析仪作为测量的仪表。对于大型的RCS测量***，通用仪器的已经无法满足需要。本发明提出了一种专用的测量仪表，包括高稳定的发射机、相参接收机、专用的NFFFT和高分辨率成像诊断的信号处理***。

外场和紧缩场RCS测量***均为直接测量***，近场RCS测量***为间接测量***。对使用更复杂的近场RCS测量***，本发明提出了***的具体实施方法。

发明内容

本发明要解决的技术问题为：如何在室内近场条件下，进行后向RCS测量，包括实现的***和实现的方法。

本发明采用的技术方案为：一种基于链条关系式的近场后向RCS测量方法，在50～200m 的近距离内采用线源照射尺寸20m左右的目标，进行近场的复数散射系数F_N的测量，然后直接根据一个解析的数学关系式(称链条关系式，参见何国瑜等编著“电磁散射的计算和测量”，北京航空航天大学出版社，2006年)计算目标的远场RCS。

进一步地，远场散射系数F₀(θ,φ)与目标的远场雷达散射截面σ(θ,φ)的关系为：

σ(θ,φ)＝20log|F₀(θ,φ)|

式中(θ,φ)分别为被测目标的俯仰角和方位角。

进一步地，远场散射系数F₀(θ,φ)与近场散射系数F_N(θ,φ)的关系为：

在近场RCS测量***中，雷达处于O’点位置，固定不动。被测目标围绕转台旋转中心 O进行俯仰角θ和方位角φ转动。直角坐标系为x,y,z的原点为O，y坐标与地面垂直，x坐标与地面平行，并与直线OO’正交，见图5。

Eⁱ(x,y)为按照几何光学计算的x,y平面上的电场分布。2DFFT为二维傅里叶变换，2DIFFT为二维逆傅里叶变换。这些变换实现空域(x,y)和角域(θ,φ)之间的变换。

在近场RCS测量***中，采用链条关系式进行近场远场变换是本发明的核心技术。该技术精度高，无需进行成像运算和宽带测量，变换方法简单、方便。

进一步地，本发明采用线源照射目标。线源是产生柱面波的一种发射源。与球面波不同，它在高度方向的射线为平行射线，满足远场条件。在水平方向产生发散的射线。因此RCS 测量必须的近场远场变换(简称为NFFFT)只需要在水平方向(方位角φ方向)进行，或者说近远场变换一半采用物理方法(抛物柱面)，一半采用数学方法(链条关系式)完成。

在这种情况下，进行NFFFT的链条关系式简化为：

式中F₀(φ)为远场散射系数，F_N(φ)为近场散射系数，Eⁱ(x)为按照几何光学计算的x坐标方向的电场分布，φ被测目标的方位角，FFT为傅立叶变换，IFFT为逆傅立叶变换；

显然，上式的近远场变换从二维变换简化为一维变换。

在柱面场照射下，平面xy上的电场分布只是坐标x的函数，与坐标y无关。该场分布为

式中S(x)为线源O’点到x点的距离，d(x)＝S(x)-R，见图5。

进一步地，本发明采用单柱面紧缩场(单柱面CR)产生等效的线源。单柱面紧缩场由抛物柱面和馈源组成，它在近距离内将馈源生产的球面波变换为柱面波，见图2。单柱面CR产生线源的机理见图3和图4。由图3可见，经抛物柱面作用，点源产生的球面波在高度方向变换为与xz平面平行的射线(满足远场条件)。由图4可见，经抛物柱面水平截线的反射作用，在水平方向产生发散的射线，并在“镜像点”形成线源。

经过特殊设计，本发明的单柱面具有150％的口径利用系数。该反射面的成本只有同样静区紧缩场反射面成本的五分之一。

进一步地，采用单柱面CR的优点还有：

①减小了微波暗室屋顶和地面上缝隙和台阶等干扰杂波电平；

②由于高度方向满足远场条件，在该方向的多次绕射在NFFFT中不产生变换误差。

进一步地，采用锥形的微波暗室设计，见图2。这个设计的优点有：

①减小了微波暗室侧墙上缝隙和台阶等干扰杂波电平；

②柱面波照射到锥形暗室后墙吸收材料平面的电磁波的反射远小于紧缩场后墙的反射。有利于将目标进入暗室的的大门开在后墙上。

③在相同测试静区条件下，本发明的锥形暗室面积只有紧缩场暗室的面积65％。

进一步地，设计了近场RCS测量的***，见图7。该***由目标与环境、微波振幅和相位测量***以及信号处理***三个部分组成。

进一步地，在线源情况下，给出了近场RCS测量的具体实施方法。该实施方法包括：

●支架和环境的矢量背景对消方法；

●近场散射系数F_N测量的实时定标方法；

●依照链条关系式进行NFFFT的方法；

在NFFFT变换中的第二次定标技术等。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明NFFFT从二维变换简化为一维变换，大大提高了变换效率。

(2)本发明在目标上高度方向的多次绕射不会引起变换误差；只有水平方向的多次绕射会引起误差。

(3)本发明暗室地面、屋顶缝隙和台阶产生的干扰杂波小。

(4)本发明设计出了一种“锥形”的微波暗室，减小了侧墙干扰杂波电平，柱面场后墙的回波电平比紧缩场小10dB,这个结果有利于将暗室大门开在后墙，方便目标运输。

附图说明

图1为点源近场后向RCS测试***示意图；

图2为线源近场后向RCS测量方法利用的测试***示意图；

图3为单柱面CR的侧视图；

图4为单柱面CR的俯视图；

图5为柱面波的几何光学场的示意图；

图6为线源情况下，由F_N计算F₀的框图；

图7为近场RCS测试***的框图。

具体实施方式

下面结合附图以及具体实施方式进一步说明本发明。

图1为当前国际上点源近场后向RCS测试***的示意图。图中矩形回波室尺寸约：40m(W)×60m(L)×25m(H)，面积2400平米。雷达发射天线发射球面波，接收天线和发射天线相同，并放置在同一点。

被测目标的典型尺寸为：长度20m，高度5m。当工作频率为8GHz时，水平与垂直方向的远场条件分别为：

近场RCS测量***的测试距离约50m～200m，无论水平方向(φ方向)还是垂直方向(θ方向)，都难于满足上述远场条件。

NFFFT的链条关系式为：

式中符号“*”表示卷积，符号表示反卷积。F_N和F₀为近场散射系数和远场散射系数，C₁为常数项。S_T(θ,φ)和S_R(θ,φ)分别为发射天线和接收天线的平面波角谱。θ和φ为照射角，θ′和φ′为散射角。

式(1)表明，远场散射系数F₀正比于近场散射系数F_N与***冲击响应函数 [S_T(θ,φ)*S_R(θ,φ)]的反卷积。

雷达散射截面σ的定义为：

散射系数F的定义为：

雷达散射截面σ是一个远场意义的变量，它是一个标量。散射系数F与雷达到目标的距离R有关。R→∞，为远场散射系数F₀，否则为近场散射系数F_N。散射系数为复数，有振幅和相位。雷达散射截面σ与远场散射系数F₀的关系为：

在后向(单站)RCS情况下，照射角等于散射角，且S_T(θ,φ)＝S_R(θ,φ)＝S(θ,φ)。式(1)简化为式(5)，

对给定天线，S(θ,φ)为已知函数，F_N(θ,φ)为测量的近场散射系数。经过二维的反卷积变换得到远场散射系数F₀(θ,φ)。

测量F_N(θ,φ)时，方位角采样点为m点，俯仰角采样点为n点，F_N的总采样点为m×n。采样点非常大，且NFFFT的工作量也非常大。

理论上，点源近场通过两维NFFFT，可根据近场散射系数F_N计算出远场散射系数F₀。但是点源近场时采样太多，飞机测量时间过长。被测目标的长时间转动将会影响到目标的安全性。

为此人们实际上不得不忽略高度方向不满足远场条件的事实，只进行水平方向的一维 NFFFT变换。此时的“点源近场”其实只是“线源近场”的一种近似。

点源近场的缺点还有：①屋顶和地面的杂散电平高；②垂直方向的多次绕射和水平方向多次绕射均会引起误差。

本发明采用单柱面紧缩场产生线电流源，由此照射目标的电磁波为柱面波，而不是球面波。

线源近场RCS测试***的示意图见图2。图2中单柱面CR(即单柱面紧缩场)由一个抛物柱面和馈源构成。

图3为单柱面CR的侧视图。在yz平面上，抛物柱面的截线为抛物线，抛物线的焦线为 A，焦距为F。放在A点的馈源产生的球面电磁波经过抛物线反射后形成与z轴平行的射线。 A点对y平面的“镜像点”为A1。通过A1点，并与y轴平行的直线电流源(简称线源)产生的射线与抛物线产生的射线重合。

图4为单柱面紧缩场的俯视图。在xz平面上，抛物柱面的截线为直线。放在A点的馈源产生的球面电磁波经过“直线”反射后，在xz平面上形成发散的射线。这些发散的射线与“镜像点”A1上的线源产生的发散的射线一致。

因此，本发明中，采用单反射面紧缩场产生一个线电流源，该线源产生柱面波。

线源(或者说单柱面CR)在高低方向满足远场条件，在水平方向不满足远场条件大大简化了测量的采样工作量和NFFFT的变换复杂性。

图2中，转台旋转中心为目标坐标系的原点，通过两个支杆和一条吊绳将目标安放到制定位置。支杆固定在转台上，带动目标产生方位角φ转动。通过位于转台旋转轴线的吊绳的伸缩，可以改变目标的俯仰角θ。

发射机发射微波信号照射被测目标。转台和支吊***在一个给定俯仰角θ情况下，使转台转动，接收机对方位角φ的目标回波做m点采样，得到目标的近场散射信号F_N(φ)|_θ(近场散射系数)。与点源近场比较，线源近场的采样点减少了n倍。

图5为计算单柱面CR产生的几何光学场的示意图。由图可见，

d(x)＝S(x)-R

振幅与电磁波传播的距离S的关系是：

由此，在x轴上的电场分布为：

Eⁱ(x)＝A(x)exp[-jφ(x)] (6)

式(5)简化为：

根据非卷积形式的链条关系式，

式(8)的计算框图见图6。

根据被测的F_N(φ)|_θ和式(6)得到的Eⁱ(x)，由式(8)计算出要求的远场散射系数F₀(φ)|_θ。这个NFFFT只是在方位角φ方向进行一维的变换，比点源近场的二维NFFFT的速度快n倍。

当被测目标不是孤立散射体的集合，存在角反射器、腔体、爬行波等多次绕射时，近场 RCS测量中的NFFFT将出现由于采集信息不完整造成的误差。柱面近场在高度方向上满足远场条件，在这个方向上的多次绕射的误差得到抑制。只有水平方向多次绕射的变换误差。这是柱面近场的第二个重要优点。

柱面场的“缺点”是需要一个抛物柱面。但与紧缩场比较，所需增加的成本是有限的。

线源或抛物柱面具有发散响应，使单柱面CR的口径利用率非常高，即η_a＝W₂/W₁＝150％(W₁为反射面宽度,W₂为静区宽度)，紧缩场的口径利用率η_b＝W₂/W₁＝50％，两者相差甚远。

静区尺寸相同时，紧缩场反射面宽度W₁为柱面场的3倍，面积是柱面场的4倍。考虑到制造因素，柱面场成本只有同样静区紧缩场的五分之一。

图2中，暗室的形状不是矩形，而是特殊的锥形。锥形暗室的设计可以得到极低的静区背景杂波干扰电平。

柱面场在在高度方向产生平行射线，使地面和屋顶的杂波干扰电平减小。线源在水平方向成发散射线，这些射线与侧墙平行，使侧墙散射得到很大改善。本发明的锥形暗室克服了点源近场存在的问题，使静区的净度得到提高。

紧缩场RCS测量***和近场RCS测试***的共同优点是室内测量。测量的数据具有很高的重复性、一致性，不受外界环境的影响，可以全天候工作，具有满意的测试效率。克服了外场的这种缺点。但是室内测量需要建设微波暗室，而且对大尺寸被测目标，暗室面积非常可观。

在相同静区尺寸情况下，本发明之锥形暗室的面积比紧缩场暗室小1.5倍，比点源近场的矩形暗室大1.5倍。

本发明的近场后向RCS测量***见图7。该***由三部分构成：①目标与环境部分；②微波振幅和相位测量部分；③信号处理部分。

目标与环境部分包括：单柱面CR、锥形暗室、被测目标和支架。发射天线产生柱面波，接收天线除去接收被测目标的反射信号外，还要收到锥形暗室、支架和从发射馈源天线直接泄漏到接收馈源天线的信号。为了消除正常的回波信号外的各种干扰信号，需要在架设目标之前，测量背景的振幅和相位信号，以便进行矢量的背景对消。

微波振幅和相位测量部分的频率需要覆盖雷达工作的频段。工作模式有点频和扫频两种，后者主要目的是进行高分辨率逆合成孔径成像(识别和诊断)。为了进行相位测量，采用相参接收机模式。

信号处理部分包括：矢量背景对消，NFFFT和微波成像。

图2所示柱面近场后向RCS测试***的具体实施方式如下。

1，测量背景和支架的复数反射信号F^B(φ)；

2，将定标体放置到静区前的支架上，测量复数反射信号F^C(φ)；

3，被测目标通过两根支杆和一条吊绳架设到测量高度。转台转动带动目标在方位角φ转动，吊绳处于转台的旋转中心，吊绳的伸缩可以改变目标的俯仰角θ；

4，给定目标的俯仰角，转台带动目标进行方位角φ转动，雷达发射一个频率的信号照射目标，接收机接收目标的复数反射信号F^T(φ)，包括振幅和相位；

5，对近场回波信号进行定标，

式中F_C为定标体的雷达散射截面σ_C对应的反射信号。

6，对F_N进行差值运算，然后做2DFFT，得到E_N，合适的差值将使E_N在x,y平面等间隔分布；

7，由式(5)的Eⁱ和E_N，利用式(4)计算，

式中NFFFT的定标系数C的确定方法：

①在近场条件下测量定标球的近场散射系数F_N(φ)；

②利用图7的框图计算定标球的远场系数F₀(φ)；

③使系数C变化，当F₀(φ)＝F_N(φ)时，C收敛。

8，由E⁰做2DIFFT和插值，得到远场散射系数F₀(φ)|，它在角域φ等间隔分布。

9，计算RCS，

σ(φ)|_θ＝20logF₀(φ)|_θ|。

Claims

1.一种基于链条关系式的近场后向RCS测量方法，其特征在于：在50～200m的近距离内采用线源照射尺寸20m左右的目标，进行近场的复数散射系数F_N的测量，然后直接根据链条关系式计算目标的远场RCS。

2.根据权利要求1所述的一种基于链条关系式的近场后向RCS测量方法，其特征在于：远场散射系数F₀(θ,φ)与目标的远场雷达散射截面σ(θ,φ)的关系为：

σ(θ,φ)＝20log|F₀(θ,φ)|

式中(θ,φ)分别为被测目标的俯仰角和方位角。

3.根据权利要求1所述的一种基于链条关系式的近场后向RCS测量方法，其特征在于：远场散射系数F₀(θ,φ)与近场散射系数F_N(θ,φ)的关系为：

<mrow> <msub> <mi>F</mi> <mn>0</mn> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&theta;</mi> <mo>,</mo> <mi>&phi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>=</mo> <mn>2</mn> <mi>D</mi> <mi>I</mi> <mi>F</mi> <mi>F</mi> <mi>T</mi> <mrow> <mo>(</mo> <mfrac> <mrow> <mn>2</mn> <mi>D</mi> <mi>F</mi> <mi>F</mi> <mi>T</mi> <mo>&lsqb;</mo> <msub> <mi>F</mi> <mi>N</mi> </msub> <mrow> <mo>(</mo> <mi>&theta;</mi> <mo>,</mo> <mi>&phi;</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&rsqb;</mo> </mrow> <mrow> <msup> <mi>E</mi> <mi>i</mi> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> <mo>&times;</mo> <msup> <mi>E</mi> <mi>i</mi> </msup> <mrow> <mo>(</mo> <mi>x</mi> <mo>,</mo> <mi>y</mi> <mo>)</mo> </mrow> </mrow> </mfrac> <mo>)</mo> </mrow> </mrow>

式中(θ,φ)分别为被测目标的俯仰角和方位角；

在近场RCS测量***中，雷达处于O’点位置，固定不动，被测目标围绕转台旋转中心O进行俯仰角θ和方位角φ转动，直角坐标系为x,y,z的原点为O，y坐标与地面垂直，x坐标与地面平行，并与直线OO’正交；

Eⁱ(x,y)为按照几何光学计算的x,y平面上的电场分布，2DFFT为二维傅里叶变换，2DIFFT为二维逆傅里叶变换，这些变换实现空域(x,y)和角域(θ,φ)之间的变换。

4.根据权利要求1所述的一种基于链条关系式的近场后向RCS测量方法，其特征在于：采用线源照射目标，线源是产生柱面波的一种发射源，与球面波不同，它在高度方向的射线为平行射线，满足远场条件，在水平方向产生发散的射线，因此RCS测量必须的近场远场变换(简称为NFFFT)只需要在水平方向即方位角φ方向进行，或者说近远场变换一半采用物理方法即抛物柱面方法，一半采用数学方法链条关系式完成；

在这种情况下，进行NFFFT的链条关系式简化为：

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显然，上式的近远场变换从二维变换简化为一维变换；

在柱面场照射下，平面xy上的电场分布只是坐标x的函数，与坐标y无关，该场分布为：

式中S(x)为线源O’点到x点的距离，d(x)＝S(x)-R。

5.根据权利要求1所述的一种基于链条关系式的近场后向RCS测量方法，其特征在于：采用单柱面紧缩场产生等效的线源，单柱面紧缩场由抛物柱面和馈源组成，它在近距离内将馈源生产的球面波变换为柱面波，经抛物柱面作用，点源产生的球面波在高度方向变换为与xz平面平行的射线，经抛物柱面水平截线的反射作用，在水平方向产生发散的射线，并在“镜像点”形成线源。

6.一种基于链条关系式的近场后向RCS测量***，其特征在于：该***由目标与环境、微波振幅和相位测量***以及信号处理***三个部分组成，其中，目标放置在“锥形”的微波暗室中，通过支架支撑以及由转台来实现水平面上的旋转，发射天线发射球面波，经过抛物柱面反射为柱面波并照射目标；接收天线接收目标的散射电磁波，下变频至中频进行幅相测量；幅相信息通过匹配滤波器滤波后，传给信号处理***进行信号处理，通过NFFFT变换，得到目标的RCS信息。