CN113702939B - 一种近场局部照射目标散射近远场转换方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种近场局部照射目标散射近远场转换方法，包含步骤：S1、将目标分割成P个散射区域；S2、依序对各个散射区域进行2‑D平面采样，获取每个采样点的2‑D近场散射数据；S3、基于2‑D近场测试天线接收电压的表达式，对散射区域的所述2‑D近场散射数据进行近远场转换，获取该散射区域的2‑D远场散射特征量；S4、将各散射区域的2‑D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。本发明还提供一种近场局部照射目标散射近远场转换方法，适用于3‑D空间采样下获取目标总体RCS。

Description

一种近场局部照射目标散射近远场转换方法

技术领域

本发明涉及电磁散射与逆散射技术领域，尤其涉及一种近场局部照射目标散射近远场转换方法。

背景技术

近年来发展活跃的RCS(Radar Cross section雷达散射截面)近场测试技术，是指在不满足远场条件的近场进行测试，再通过近远场转换得到目标RCS的一种测试与计算结合的技术。当目标电尺寸较大时，远场条件变得异常苛刻，难以在实验场实现。近场测试仅需要在几倍目标尺寸的有限实验场进行，具有低廉便捷的特点。但近场测试需要对测试数据进行近远场转换处理才能得到远场RCS数据，所以近远场转换算法是上述近场测试技术的关键。

目标RCS近场测试与远场地平场测试、紧缩场测试不同，是指在目标散射菲涅尔区进行测试，所得测试结果经过近远场转换得到RCS。目前成熟的RCS近场测试方法都是让待测目标完全处于测试天线方向图照射区域中，通过双站扫描或者单站采样及相应地近远场转换算法得到远场RCS。

现有近远场转换方法支持的近场测试形式固定和单一，不能实现近场局部照射目标近远场转换。现有近远场转换方法分为基于平面波综合和基于目标成像两大类。基于平面波综合的方法需要进行发射和接收双重平面波综合，只有当目标整体处于有效平面波合成区域时，测量才有效。如果只有目标的局部处于平面波合成区域，则产生边缘效应，合成平面波被破坏。该方法测试量巨大，不满足现场快速测试需求。综上，基于平面波综合的近远场转换方法不适合近场局部照射条件。基于目标成像的近远场转换方法，只需单站近场测试即可获取RCS，但存在散射场线性近似误差。如果使用传统的基于目标近场SAR/ISAR成像的方法处理近场局部照射问题，需要先分割目标区域，再经过图像拼接合成远场，由于目标散射图像对姿态的敏感性，成像中心对准问题将成为测试及数据处理中的难题。

国内外近年来开展了以单站近远场转换方法为主的相关研究，比如基于近场成像的近场测试及近远场转换方法，卷积外推单站近远场转换方法，耦合目标的局部双站近远场转换方法，二维单站近远场转换方法的矫正算法等。然而，以上方法都基于待测目标完全处于测试天线方向图照射区域中。

因此，亟需一种方法基于对目标进行近场局部测试并进行近远场转换，以得到目标RCS特性。

发明内容

本发明的目的是提供一种近场局部照射目标散射近远场转换方法，能够将目标分割与近远场转换一体化实现、可进行三维(3-D)到二维(2-D)降维化简、天线任意、近场采样方式灵活，从而快速便捷的获取目标RCS。

为了达到上述目的，本发明提供一种近场局部照射目标散射近远场转换方法，包含步骤：

S1、将目标分割成P个散射区域；

S2、依序对各个散射区域进行2-D平面采样，获取每个采样点的2-D近场散射数据；

S3、基于2-D近场测试天线接收电压的表达式，对散射区域的所述2-D近场散射数据进行近远场转换，获取该散射区域的2-D远场散射特征量；

S4、将各散射区域的2-D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。

可选的，步骤S2包含：

S21、确定散射区域内近场散射数据的采样平面；

S22、在所述采样平面上，以采样平面的中心为圆心，在最近半径和最远半径所确定的圆环内，使用任意天线在该圆环的任意位置进行采样，记录每个采样点的天线接收电压及采样点位置。

可选的，步骤S3中所述2-D近场测试天线接收电压的表达式为：

其中，U_m是P个散射区域内所有采样点的天线接收电压之和；U_i为入射电压；Z表示自由空间的波阻抗；r_A是测试天线所在位置矢量；r_p是目标上第p个散射区域的中心坐标；r_Ap是第p个散射区域的中心到测试天线之间的矢量；T_N是转移算子，k表示入射波矢，k和/>分别是波数和波矢方向，/>是二维波矢方向，β是波矢/>在二维极坐标系中的角度；ξ_p(k)表示第p个散射区域的远场散射特征量。

可选的，T_N的表达式为：

是第二类球Hankel函数。

可选的，步骤S4包含：

S41、对各散射区域的2-D远场散射特征量进行总场合成，获取目标总体远场散射特征量ξ：

S42、计算得到目标总体RCS：

σ表示目标总体RCS。

本发明还提供一种近场局部照射目标散射近远场转换方法，包含步骤：

H1、将目标分割成P个散射区域；

H2、依序对各个散射区域进行3-D空间采样，获取每个采样点的3-D近场散射数据；

H3、基于3-D近场测试天线接收电压的表达式，对散射区域的所述3-D近场散射数据进行近远场转换，获取该散射区域的3-D远场散射特征量；

H4、将各散射区域的3-D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。

可选的，步骤H2包含：

H21、确定散射区域内近场散射数据的采样空间；

H22、在所述采样空间内，以采样空间的中心为圆心，在最近半径和最远半径所确定的球层内，使用任意天线在该球层的任意位置进行采样，记录每个采样点的天线接收电压及采样点位置。

可选的，步骤H3所述基于3-D近场测试天线接收电压的表达式为：

其中，U_m是P个散射区域内所有采样点的天线接收电压之和；k是波数；U_i为入射电压；Z表示自由空间的波阻抗；r_A是测试天线所在位置矢量；r_p是目标上第p个散射区域的中心坐标；r_Ap是第p个散射区域的中心r_p到测试天线之间的矢量；T_L是转移算子；ξ_p(k)表示第p个散射区域的远场散射特征量；k和/>分别是波数和波矢方向。

可选的，T_L的表达式为：

是第二类球Hankel函数，P_l是勒让德多项式。

可选的，步骤H4包含：

H41、对各散射区域的3-D远场散射特征量进行总场合成，获取目标总体远场散射特征量ξ：

H42、计算得到目标总体RCS：

σ表示目标总体RCS。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

本发明的近场局部照射目标散射近远场转换方法，通过测试天线方向图控制实现目标近场局部照射，可用于非暗室环境有限空间中的目标散射测量；对目标分割方法没有严格要求；采样方式灵活，采样点不固定，既可进行3-D空间自由采样，也可在2-D平面上进行采样；可处理全极化散射数据。

附图说明

为了更清楚地说明本发明技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一个实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图：

图1为实施例一中，本发明的近场局部照射目标散射近远场转换方法流程图；

图2为实施例二中，本发明的近场局部照射目标散射近远场转换方法流程图；

图3为本发明实施例中的目标分割及目标散射模型中的位置矢量关系图。

具体实施方式

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，都属于本发明保护的范围。

本发明的近场局部照射目标散射近远场转换方法，可以处理灵活采样的近场测试数据，解决近场局部照射问题，实现利用非完全照射天线对目标进行近场采样(2-D及3-D)，通过基于多层平面波分解的快速近远场转换方法获取目标远场电磁散射特性。

本发明的原理如下：

目标进入局部照射区域后，相对于传统的远场照射，目标散射特性与天线方向图的关系更加密切。对目标与天线间的相对距离更加敏感，目标表面电流分布更加复杂，目标散射回波变化更加剧烈，目标上不同散射源对散射总场贡献的差异也更大。本发明基于一阶Born近似，根据目标散射特征量的线性叠加性原理，认为目标总的散射特征量是目标上不同部分散射特征量的线性组合。首先将目标分割成P个散射区域，分别进行基于多层平面波分解的单站RCS近远场转换，最后进行总场合成，获取目标整体RCS。

实施例一

本发明提供一种近场局部照射目标散射近远场转换方法，适用于2-D平面采样下获取目标总体RCS，如图1所示，所述方法包括步骤：

S1、将目标分割成P个散射区域；

S2、依序对各个散射区域进行2-D平面采样，获取每个采样点的2-D近场散射数据；

步骤S2包含：

S21、确定散射区域内近场散射数据的采样平面；

S22、在所述采样平面上，以采样平面的中心为圆心，在最近半径和最远半径所确定的圆环内，使用任意天线在该圆环的任意位置进行采样，记录每个采样点的天线接收电压及采样点位置。

S3、基于2-D近场测试天线接收电压的表达式，对散射区域的所述2-D近场散射数据进行近远场转换，获取该散射区域的2-D远场散射特征量；

步骤S3中所述2-D近场测试天线接收电压的表达式为：

其中，U_m是P个散射区域内所有采样点的天线接收电压之和；U_i为入射电压；Z表示自由空间的波阻抗；如图3所示，r_A是测试天线所在位置矢量；r_p是目标上第p个散射区域的中心坐标；r_Ap是第p个散射区域的中心r_p到测试天线之间的矢量，图2中r′是p区域中任意一点；T_N是转移算子，k表示入射波矢，k和/>分别是波数和波矢方向，/> 是二维波矢方向，β是波矢/>在二维极坐标系中的角度；ξ_p(k)表示第p个散射区域的远场散射特征量(2-D测试下)。

T_N的表达式为：

是第二类球Hankel函数。

本领域技术人员可以理解，当P＝1时，步骤S3等效于基于多层平面波分解的单站RCS近远场转换方法得到散射区域的2-D远场散射特征量。

S4、将各散射区域的2-D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。

步骤S4包含：

S41、对各散射区域的2-D远场散射特征量进行总场合成，获取目标总体远场散射特征量ξ：

S42、计算得到目标总体RCS：

σ表示目标总体RCS。

实施例二

本发明还提供一种近场局部照射目标散射近远场转换方法，适用于3-D空间采样下获取目标总体RCS，所述方法包含步骤：

H1、将目标分割成P个散射区域；

H2、依序对各个散射区域进行3-D空间采样，获取每个采样点的3-D近场散射数据；

步骤H2包含：

H21、确定散射区域内近场散射数据的采样空间；

H22、在所述采样空间内，以采样空间的中心为圆心，在最近半径和最远半径所确定的球层内，使用任意天线在该球层的任意位置进行采样，记录每个采样点的天线接收电压及采样点位置。

H3、基于3-D近场测试天线接收电压的表达式，对散射区域的所述3-D近场散射数据进行近远场转换，获取该散射区域的3-D远场散射特征量；

步骤H3所述基于3-D近场测试天线接收电压的表达式：

其中，U_m是P个散射区域内所有采样点的天线接收电压之和；k是波数；U_i为入射电压；Z表示自由空间的波阻抗；如图2所示，r_A是测试天线所在位置矢量；r_p是目标上第p个散射区域的中心坐标；r_Ap是第p个散射区域的中心r_p到测试天线之间的矢量；T_L是转移算子；ξ_p(k)表示第p个散射区域的远场散射特征量(3-D测试下)；k和/>分别是波数和波矢方向。

T_L的表达式为：

是第二类球Hankel函数，P_l是勒让德多项式。

本领域技术人员可以理解，当P＝1，步骤H3等效于基于多层平面波分解的单站RCS近远场转换方法得到各个散射区域的3-D远场散射特征量。

H4、将各散射区域的3-D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。

步骤H4包含：

H41、对各散射区域的3-D远场散射特征量进行总场合成，获取目标总体远场散射特征量ξ：

H42、计算得到目标总体RCS：

σ表示目标总体RCS。

本发明中对目标进行近场局部照射，相较于传统的近场全局照射情形，可以通过控制测试天线的波束宽度以达到抑制杂波的效果，从而使得目标RCS测试可以在非暗室环境进行。本发明对目标分割方法没有严格要求；采样方式灵活，采样点不固定，既可进行3-D空间自由采样，也可在2-D平面上进行采样；可处理全极化散射数据。

本发明的近场局部照射目标散射近远场转换方法，提供了3-D和2-D近场局部照射散射测量方案及测量数据的近远场转化方法，从而得到总体目标的RCS。本发明根据目标本身散射特征和测试场条件分割待测目标，使用基于多层平面波分解的单站RCS近远场转换方法依次对每个散射区域进行近远场转换处理，最后进行总场合成得到待测目标的RCS。本发明所述方法既可处理矢量数据又可处理标量数据，即可一次性完成全极化数据的转换；另外，该方法继承了基于多层平面波分解的单站RCS近远场转换方法中天线任意、近场采样方式灵活等优点。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (4)

1.一种近场局部照射目标散射近远场转换方法，其特征在于，包含步骤：

S1、将目标分割成P个散射区域；

S2、依序对各个散射区域进行2-D平面采样，获取每个采样点的2-D近场散射数据；

S3、基于2-D近场测试天线接收电压的表达式，对散射区域的所述2-D近场散射数据进行近远场转换，获取该散射区域的2-D远场散射特征量；

步骤S3中所述2-D近场测试天线接收电压的表达式为：

其中，U_m是P个散射区域内所有采样点的天线接收电压之和；U_i为入射电压；Z表示自由空间的波阻抗；r_A是测试天线所在位置矢量；r_p是目标上第p个散射区域的中心坐标；r_Ap是第p个散射区域的中心到测试天线之间的矢量；T_N是转移算子，k表示入射波矢，k和/>分别是波数和波矢方向，/>是二维波矢方向，β是波矢/>在二维极坐标系中的角度；ξ_p(k)表示第p个散射区域的远场散射特征量；

S4、将各散射区域的2-D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；

步骤S4包含：

S41、对各散射区域的2-D远场散射特征量进行总场合成，获取目标总体远场散射特征量ξ：

S42、计算得到目标总体RCS：

σ表示目标总体RCS。

2.如权利要求1所述的近场局部照射目标散射近远场转换方法，其特征在于，步骤S2包含：

S21、确定散射区域内近场散射数据的采样平面；

S22、在所述采样平面上，以采样平面的中心为圆心，在最近半径和最远半径所确定的圆环内，使用任意天线在该圆环的任意位置进行采样，记录每个采样点的天线接收电压及采样点位置。

3.一种近场局部照射目标散射近远场转换方法，其特征在于，包含步骤：

H1、将目标分割成P个散射区域；

H2、依序对各个散射区域进行3-D空间采样，获取每个采样点的3-D近场散射数据；

H3、基于3-D近场测试天线接收电压的表达式，对散射区域的所述3-D近场散射数据进行近远场转换，获取该散射区域的3-D远场散射特征量；

步骤H3所述基于3-D近场测试天线接收电压的表达式为：

其中，U_m是P个散射区域内所有采样点的天线接收电压之和；k是波数；U_i为入射电压；Z表示自由空间的波阻抗；r_A是测试天线所在位置矢量；r_p是目标上第p个散射区域的中心坐标；r_Ap是第p个散射区域的中心r_p到测试天线之间的矢量；T_L是转移算子；ξ_p(k)表示第p个散射区域的远场散射特征量；k和/>分别是波数和波矢方向；

H4、将各散射区域的3-D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；

步骤H4包含：

H41、对各散射区域的3-D远场散射特征量进行总场合成，获取目标总体远场散射特征量ξ：

H42、计算得到目标总体RCS：

σ表示目标总体RCS。

4.如权利要求3所述的近场局部照射目标散射近远场转换方法，其特征在于，

步骤H2包含：

H21、确定散射区域内近场散射数据的采样空间；

H22、在所述采样空间内，以采样空间的中心为圆心，在最近半径和最远半径所确定的球层内，使用任意天线在该球层的任意位置进行采样，记录每个采样点的天线接收电压及采样点位置。