CN114415140A - 基于近场平面扫描三维波数域成像的目标rcs测量方法 - Google Patents

基于近场平面扫描三维波数域成像的目标rcs测量方法 Download PDF

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CN114415140A CN202210096540.9A CN202210096540A CN114415140A CN 114415140 A CN114415140 A CN 114415140A CN 202210096540 A CN202210096540 A CN 202210096540A CN 114415140 A CN114415140 A CN 114415140A
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姜文
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Abstract

本发明公开了一种基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，通过平面宽频带扫描和三维波数域成像获取目标的高分辨率的三维雷达图像，进而反演得到目标的高精度RCS值。在平面扫描合成孔径雷达***中，包括初始化参数；获取目标散射回波数据；获取目标的三维雷达图像；提取目标的等效散射中心；外推得到目标的远场散射场；用同样的方法对定标体进行测量；定标计算目标的真实RCS。该方法在目标的散射近场进行测量，基于成像机理，成像公式不受合成孔径大小的限制，既能得到目标的三维高分辨率空间散射图像，又能计算出目标在一定空间立体角域内的RCS值，可以更加快速、准确的反映目标的电磁散射特性。

Description

基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法
技术领域
本发明属于电磁测量技术领域，更进一步涉及电磁测量技术领域中的一种基于近场平面扫描三维波数域成像的目标雷达散射截面(Radar Cross Section，简称RCS)测量。
背景技术
根据RCS测量***的不同架构，目标RCS特征的实际测量可分为远场测量、紧缩场测量和成像测量三种类型。前两类方法在测量目标RCS特征中都存在一定的限制和不足：对于电大目标，远场测量RCS要求非常长距离的测试场地和高功率测试设备，需要在外场进行，保密性差，并且测量精度容易受到测试环境的影响。紧缩场测量可大大缩短测试距离，但抛物面造价高昂，设备运行及维护费用较高。传统远场测量、紧缩场测量只能获得目标整体RCS，难以分析目标各局部结构对RCS的贡献。
近年来，对目标雷达散射截面积测量的精度要求越来越高。基于三维成像的RCS测量是近年新兴的一种灵活、高效的测量技术，利用成像技术实现目标与环境分离，大大提高了RCS的测量精度，三维成像的RCS测量可以获得目标散射系数在三维空间中的分布，且相比于一维、二维的成像算法，三维成像算法更有利于目标各个部分特征的分别提取，且更有利于消除环境噪声和背景杂波的干扰。
目前，经典的基于成像的RCS测量方法主要是使用时域后向投影(BP)算法获得三维近场散射图像，当目标场景很大时，时域算法需要耗费大量的时间。因此，亟需一种缩短成像时间，更加准确、更快的获取目标的散射特性的三维波数域成像的测量方法。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于提供一种基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，通过平面扫描采集数据和波数域三维成像算法可以得到目标的高分辨率三维散射图像；根据特殊的成像机理，成像公式没有任何近似，且相比于时域成像算法可以大大缩短成像时间，可以更加准确、更快的获取目标的散射特性，更准确的反演得到目标的RCS值。
本发明是通过下述技术方案来实现的。
本发明一种基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，初始化测量***参数；
S102，采集回波数据；
在二维扫描平面上通过阵元移动，等效合成二维平面阵列，每个阵元通过发射步进频率信号获得三维散射回波数据；
S103，对目标回波进行波数域三维高分辨成像处理；
对采集到的三维散射回波数据沿观测平面作二维傅里叶变换，得到测量信号的空间谱域数据；
构造匹配滤波函数，对信号的空间谱域数据进行匹配滤波；
通过Stolt变换得到目标沿三维波数域均匀分布的三维空间波谱；
对三维空间波谱作三维逆傅里叶变换，获取目标的三维高分辨率图像；
S104，提取目标雷达图像中的等效散射中心；
S105，基于散射中心信息外推目标的远场散射场；
S106，对定标体进行测量；
重复S103-S105，对定标体进行成像处理和外推定标体的远场散射场；
S107：根据定标体的远场散射场和定标体的三维RCS理论值，通过定标的方法计算目标的RCS值。
作为优选，S101中，初始化测量***参数，包括：
设目标几何中心位于坐标原点，所占空间区域为V，且能包围目标的最小立方体的尺寸为Dx、Dy和Dz，目标上所有的散射中心都分布在[-Dx/2,Dx/2]，[-Dy/2,Dy/2]，[-Dz/2,Dz/2]的空间之内。
扫描平面x'o'y'到目标中心平面xoy的垂直距离为z0，扫描面大小为Lx×Ly，所有采样点都局限在[-Lx/2,Lx/2]、[-Ly/2,Ly/2]范围内；
设置距离向的起始频率和信号带宽，根据目标距离向尺寸计算频率采样间隔和采样点数；再根据扫描面的尺寸计算方位向和高度向的采样间隔和采样点数。
作为优选，设置频率采样间隔为Δf，方位向和高度向的采样间隔分别为Δx和Δy，计算采样间隔。
作为优选，设置距离向的起始频率为f0，信号带宽为B，频率采样点数为Nz，方位向和高度向采样点数分别为Nx和Ny，计算采样点数。
作为优选，S103中，对目标回波进行波数域三维高分辨成像处理，包括：
步骤301：对测量到的三维散射回波数据S(x',y',kr；z＝z0)沿扫描平面x'o'y'二维傅里叶变换，将信号变换到z＝z0平面的空间波数域kx、ky，得到测量信号的空间谱域数据Sf(kx,ky,kr；z＝z0)；
步骤302：构造匹配滤波函数
Figure BDA0003491004770000031
步骤303：对Sf(kx,ky,kr；z＝z0)进行匹配滤波处理，补偿相位，达到一致聚焦的目的，得到目标散射分布函数的三维空间谱Γ(kx,ky,kr)；
步骤304：对Γ(kx,ky,kr)进行kr→kz变量代换，并用Stolt插值算法将波数域数据变换为沿kx-ky-kz方向都均匀分布的三维空间谱Γ(kx,ky,kz)，达到补余聚焦的目的。
步骤305：对均匀分布的空间波谱Γ(kx,ky,kz)进行三维逆傅里叶变换，重构出目标的散射强度空间分布图像σ(x,y,z)，即目标的三维雷达图像。
作为优选，S107中，定标处理中设
Figure BDA0003491004770000041
为定标体的远场散射场，
Figure BDA0003491004770000042
为定标体的三维RCS理论值，通过定标的方法计算目标的RCS值。
本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：
本发明方法通过平面宽频带扫描和三维波数域成像获取目标的高分辨率的三维雷达图像，进而反演得到目标的高精度RCS值。该方法在目标的散射近场进行测量，由于其特殊的成像机理，成像公式没有任何近似，不受合成孔径大小的限制，既能得到目标的三维高分辨率空间散射图像，又能计算出目标在一定空间立体角域内的RCS值，可以更加清晰、全面的反映目标的电磁散射特性。本发明目标RCS测量方法能够应用于目标雷达散射截面积测量中。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：
图1为本发明方法的流程图；
图2为三维成像***模型图；
图3为实施例在FEKO中采集近场数据的模型图；
图4为实施例目标物体在一定角域内RCS随不同方位角度变化的测量曲线。
具体实施方式
下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。
如图1所示，实施例提供的基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，包括以下步骤：
步骤1：初始化测量***参数。
步骤1.1：设目标几何中心位于坐标原点，所占空间区域为V，且能包围目标的最小立方体的尺寸为Dx、Dy和Dz，目标上所有的散射中心都分布在[-Dx/2,Dx/2]，[-Dy/2,Dy/2]，[-Dz/2,Dz/2]的空间之内。扫描平面x'o'y'到目标中心平面xoy的垂直距离为z0，扫描面大小为Lx×Ly，所有采样点都局限在[-Lx/2,Lx/2]、[-Ly/2,Ly/2]范围内；
步骤1.2：设置距离向的起始频率为f0，频率采样间隔为Δf，采样点数为Nz，发射步进频率信号的带宽为B。方位向和高度向的采样间隔分别为Δx和Δy，采样点数分别为Nx和Ny，采用公式(1)、公式(2)和公式(3)计算采样间隔；
Figure BDA0003491004770000051
Figure BDA0003491004770000052
Figure BDA0003491004770000053
其中，c为电磁波传播速度，λ为波长。
采用公式(4)、公式(5)和公式(6)计算采样点数，包括如下公式：
Figure BDA0003491004770000054
Figure BDA0003491004770000055
Figure BDA0003491004770000056
步骤2：获取回波数据：在二维扫面平面上通过阵元的移动，等效合成二维的平面阵列，每个阵元通过发射步进频率信号来获得回波数据。
步骤3：对目标回波进行波数域三维高分辨成像处理。
步骤3.1：通过公式(7)对测量到的三维散射回波数据S(x',y',kr；z＝z0)沿扫描平面x'o'y'二维傅里叶变换，将信号变换到z＝z0平面的空间波数域kx、ky，得到测量信号的空间谱域数据Sf(kx,ky,kr；z＝z0)；
Figure BDA0003491004770000057
其中，kr＝2k，k＝2π/λ表示波数，kx、ky和kz分别为kr沿x、y和z方向的分量，FT2为二维傅里叶变换，j为虚数单位，R为目标散射点与天线扫描位置点之间的距离。
步骤3.2：通过公式(8)构造匹配滤波函数
Figure BDA0003491004770000061
Figure BDA0003491004770000062
步骤3.3：通过公式(9)对Sf(kx,ky,kr；z＝z0)进行匹配滤波处理，补偿相位，达到一致聚焦的目的，得到目标散射分布函数的三维空间谱Γ(kx,ky,kr)；
Figure BDA0003491004770000063
步骤3.4：对Γ(kx,ky,kr)进行kr→kz变量代换，并用Stolt插值算法将波数域数据变换为沿kx-ky-kz方向都均匀分布的三维空间谱Γ(kx,ky,kz)，达到补余聚焦的目的。
步骤3.5：对均匀分布的空间波谱Γ(kx,ky,kz)进行三维逆傅里叶变换，重构出目标的散射强度空间分布图像σ(x,y,z)，即目标的三维雷达图像。
步骤4：提取目标雷达图像中的等效散射中心。
步骤5：利用公式(10)，基于散射中心信息外推目标的远场散射场；
Figure BDA0003491004770000064
其中Ai表示提取出来的目标第i个散射中心的散射强度，(xi,yi,zi)是第i个散射中心的三维空间位置，k为入射频率所对应的波数，
Figure BDA0003491004770000065
为方位观测角，θ俯仰观测角，N为总的散射中心个数。
步骤6：对定标体进行测量，重复步骤3到步骤5，对定标球进行成像处理和外推定标球的远场散射场。
步骤7：定标处理：设
Figure BDA0003491004770000066
为远场散射场，
Figure BDA0003491004770000067
为定标体的远场散射场，
Figure BDA0003491004770000068
为定标体的三维RCS理论值，通过定标的方法计算目标的
Figure BDA0003491004770000071
值；
Figure BDA0003491004770000072
将式(11)取对数可得到式(12)：
Figure BDA0003491004770000073
下面通过具体实施例进一步说明本发明效果。
本发明主要采用仿真实验的方法进行验证，所有步骤、结论都在电磁仿真软件FEKO 2020和数学计算软件Matlab 2018b上验证正确。
将图2中的目标物体设定为金属平板，在FEKO中建立仿真模型如图3中所示，采集近场回波数据，利用本发明算法计算其RCS随方位角度变化的曲线，并用FEKO直接计算出的目标真实RCS作为参考曲线，具体实施步骤如下：
1.初始化测量***参数。
1.1：将目标几何中心置于坐标原点，所占空间区域为V，且能包围目标的最小立方体的尺寸为0.3m×0.05m×0.1m。扫描平面x'o'y'到目标中心平面xoy的垂直距离z0为1.6m，扫描面Lx×Ly大小为0.8m×0.8m。
1.2：设置距离向的起始频率为f0＝10GHz，频率采样间隔为Δf＝100MHz，采样点数为Nz＝51，发射步进频率信号的带宽为5GHz，分辨率为δz＝0.03m。方位向和高度向的采样间隔分别为Δx＝0.01m和Δy＝0.01m，采样点数分别为Nx＝81和Ny＝81。
2.获取回波数据。
在二维扫描平面上通过天线的移动，等效合成二维的平面阵列，天线在每个扫描位置处发射上述带宽信号，测量并记录相对应的回波数据S(x',y',kr；z＝z0)。
3.对目标回波进行波数域三维高分辨成像处理。
3.1通过公式(1)对测量到的三维散射回波数据S(x',y',kr；z＝z0)沿扫描平面x'o'y'二维傅里叶变换，将信号变换到z＝z0平面的空间波数域kx、ky，得到测量信号的空间谱域数据Sf(kx,ky,kr；z＝z0)；
Figure BDA0003491004770000081
3.2通过公式构造匹配滤波函数
Figure BDA0003491004770000082
Figure BDA0003491004770000083
3.3通过公式(3)对Sf(kx,ky,kr；z＝z0)进行匹配滤波处理，补偿相位，达到一致聚焦的目的，得到目标散射分布函数的三维空间谱Γ(kx,ky,kr)；
Figure BDA0003491004770000084
3.4对Γ(kx,ky,kr)进行kr→kz变量代换，并用Stolt插值算法将波数域数据变换为沿kx-ky-kz方向都均匀分布的三维空间谱Γ(kx,ky,kz)，达到补余聚焦的目的。
3.5对均匀分布的空间波谱Γ(kx,ky,kz)进行三维逆傅里叶变换，重构出目标的散射强度空间分布图像σ(x,y,z)，即目标的三维雷达图像。
4.利用Clean算法提取雷达图像中的等效散射中心。
5.利用公式(4)，基于散射中心信息外推目标远场散射场；
Figure BDA0003491004770000085
其中Ai表示提取出来的目标第i个散射中心的散射强度，(xi,yi,zi)是第i个散射中心的三维空间位置，k为入射频率所对应的波数，
Figure BDA0003491004770000086
为方位观测角，θ俯仰观测角，N为总的散射中心个数。
6.对定标体进行测量；
选取半径为0.05m的金属小球作为定标球。重复步骤3到步骤5，对定标球进行成像处理和外推定标球的远场散射场。
7.定标处理：设
Figure BDA0003491004770000091
为定标体的远场散射场，
Figure BDA0003491004770000092
为定标体的三维RCS理论值，通过定标的方法计算目标的
Figure BDA0003491004770000093
Figure BDA0003491004770000094
将(5)式取对数可得到式(6)：
Figure BDA0003491004770000095
实验结果：图4所示是对成像结果进行反演得到的在中间频率处，目标RCS随方位角度变化的曲线和参考曲线对比图，反演结果表明，本发明方法在一定角域内具有很高的精确度。
综上所述，本发明基于平面宽频带扫描和三维波数域成像获取目标的高分辨率的三维雷达图像，进而反演得到目标的高精度RCS值。该方法在目标的散射近场进行测量，既能得到目标的三维高分辨率空间散射图像，又能计算出目标在一定空间立体角域内的RCS值，可以更加清晰、全面的反映目标的电磁散射特性。
本发明并不局限于上述实施例，在本发明公开的技术方案的基础上，本领域的技术人员根据所公开的技术内容，不需要创造性的劳动就可以对其中的一些技术特征作出一些替换和变形，这些替换和变形均在本发明的保护范围内。

Claims (10)

1.一种基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
S101，初始化测量***参数；
S102，采集目标散射回波数据；
在二维扫描平面上通过阵元移动，等效合成二维平面阵列，每个阵元通过发射步进频率信号获得三维散射回波数据；
S103，对目标回波进行波数域三维高分辨成像处理；
对采集到的三维散射回波数据沿观测平面作二维傅里叶变换，得到测量信号的空间谱域数据；
构造匹配滤波函数，对信号的空间谱域数据进行匹配滤波；
通过Stolt变换得到目标沿三维波数域均匀分布的三维空间波谱；
对三维空间波谱作三维逆傅里叶变换，获取目标的三维高分辨率图像；
S104，提取目标雷达图像中的等效散射中心；
S105，基于散射中心信息外推目标的远场散射场；
S106，对定标体进行测量；
重复S103-S105，对定标体进行成像处理和外推定标体的远场散射场；
S107：根据定标体的远场散射场和定标体的三维RCS理论值，通过定标的方法计算目标的RCS值。
2.根据权利要求1所述的一种基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，其特征在于，S101中，所述初始化测量***参数，包括：
设目标几何中心位于坐标原点，所占空间区域为V，且能包围目标的最小立方体的尺寸为Dx、Dy和Dz，目标上所有的散射中心都分布在[-Dx/2,Dx/2]，[-Dy/2,Dy/2]，[-Dz/2,Dz/2]的空间之内；
扫描平面x'o'y'到目标中心平面xoy的垂直距离为z0，扫描面大小为Lx×Ly，所有采样点都局限在[-Lx/2,Lx/2]、[-Ly/2,Ly/2]范围内；
设置距离向的起始频率和信号带宽，根据目标距离向尺寸计算频率采样间隔和采样点数；再根据扫描面的尺寸计算方位向和高度向的采样间隔和采样点数。
3.根据权利要求2所述的基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，其特征在于，设置频率采样间隔为Δf，方位向和高度向的采样间隔分别为Δx和Δy，计算采样间隔，包括如下公式：
Figure FDA0003491004760000021
Figure FDA0003491004760000022
Figure FDA0003491004760000023
其中，c为电磁波传播速度，λ为波长。
4.根据权利要求3所述的基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，其特征在于，设置距离向的起始频率为f0，信号带宽为B，频率采样点数为Nz，方位向和高度向采样点数分别为Nx和Ny，计算采样点数，包括如下公式：
Figure FDA0003491004760000024
Figure FDA0003491004760000025
Figure FDA0003491004760000026
5.根据权利要求1所述的基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，其特征在于，S103中，对目标回波进行波数域三维高分辨成像处理，包括以下步骤：
步骤301：对测量到的三维散射回波数据S(x',y',kr；z＝z0)沿扫描平面x'o'y'二维傅里叶变换，将信号变换到z＝z0平面的空间波数域kx、ky，得到测量信号的空间谱域数据Sf(kx,ky,kr；z＝z0)；
步骤302：构造匹配滤波函数
Figure FDA0003491004760000031
步骤303：对Sf(kx,ky,kr；z＝z0)进行匹配滤波处理，补偿相位，达到一致聚焦的目的，得到目标散射分布函数的三维空间谱Γ(kx,ky,kr)；
步骤304：对Γ(kx,ky,kr)进行kr→kz变量代换，并用Stolt插值算法将波数域数据变换为沿kx-ky-kz方向都均匀分布的三维空间谱Γ(kx,ky,kz)；
步骤305：对均匀分布的空间波谱Γ(kx,ky,kz)进行三维逆傅里叶变换，重构出目标的散射强度空间分布图像σ(x,y,z)，即目标三维雷达图像。
6.根据权利要求5所述的基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，其特征在于，对测量到的三维散射回波数据S(x',y',kr；z＝z0)沿扫描平面x'o'y'二维傅里叶变换通过以下公式得到：
Sf(kx,ky,kr；z＝z0)＝FT2{S(x',y',kr；z＝z0)}
＝∫∫(∫∫∫σ(x,y,z)·exp(-jkr·R)dxdydz)·exp[j(kx·x'+ky·y')]dx'dy'
其中，kr＝2k，k＝2π/λ表示波数，kx、ky和kz分别为kr沿x、y和z方向的分量，FT2为二维傅里叶变换，j为虚数单位，R为目标散射点与天线扫描位置点之间的距离，λ为波长。
7.根据权利要求5所述的基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，其特征在于，通过下式构造匹配滤波函数
Figure FDA0003491004760000032
Figure FDA0003491004760000033
目标散射分布函数的三维空间谱Γ(kx,ky,kr)为：
Figure FDA0003491004760000034
8.根据权利要求1所述的基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，其特征在于，S105中，基于散射中心信息外推目标的远场散射场，公式如下；
Figure FDA0003491004760000041
其中，Ai表示提取出来的目标第i个散射中心的散射强度，(xi,yi,zi)是第i个散射中心的三维空间位置，k为入射频率所对应的波数，
Figure FDA0003491004760000042
为方位观测角，θ为俯仰观测角，N为总的散射中心个数。
9.根据权利要求1所述的基于近场平面扫描三维波数域成像的目标RCS测量方法，其特征在于，S107中，定标处理中，设
Figure FDA0003491004760000043
为远场散射场，
Figure FDA0003491004760000044
为定标体的远场散射场，
Figure FDA0003491004760000045
为定标体的三维RCS理论值，通过定标的方法计算目标的RCS值；
Figure FDA0003491004760000046
10.一种权利要求1-9任一项所述目标RCS测量方法方法在目标雷达散射截面积测量中应用。
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