專利名稱：艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明涉及艦船目標寬帶雷達散射特性的測量方法，具體是一種艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法。
背景技術(shù)：
隨著雷達在軍事裝備上的廣泛應用，獲取和分析艦船目標的電磁散射特性就成為艦船隱身設計、艦船探測和識別等方面的重要工作。目標的雷達散射特性不僅與目標的大小、形狀、結(jié)構(gòu)、探測信號的波形及頻率等因素有關，還與觀測角度、目標運動狀態(tài)及所處的環(huán)境等因素有關。因此定量地測量各種典型艦船目標的雷達散射特性如窄帶RCS (雷達散射特性)及寬帶HRRP (高分辨距離像)，在軍事上的重要性是不言而喻的。獲得雷達目標散射特性的最直接方法是測量來自真實目標本身的雷達回波，但由于存在前面提到的多種隨機因素的影響，使定量測量受多方面的干擾，帶有很大的不確定性。在室環(huán)境下模擬測量，可以彌補外場測量中遇到的多種因素干擾的困難。目前最常用的方式是微波暗室測量，即在微波暗室內(nèi)對目標縮比模型進行緊湊場電磁特性的測量。但如果要是對艦船這類大體積的目標進行縮比模型測量，為保持目標電尺寸的不變性，必須將工作信號參數(shù)按照同一比例放大或縮小，這樣對測量設備和環(huán)境要求過于苛刻，并且其無法模擬出海面起伏環(huán)境對艦船目標電磁特性的影響。鑒于微波暗室在寬帶高頻段電大尺寸目標測量，特別是海面艦船目標測量存在的困難，急需一種可替代微波暗室的的測量方法。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提供一種可操作性好、干擾小、計算精確的艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法。本發(fā)明的艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于執(zhí)行以下步驟(一 )、將被測艦船目標的縮比模型倒置于消聲水池中；( 二)、在消聲水池水面上模擬海面起伏效果；(三)、發(fā)射信號到被測艦船目標的縮比模型，采集反射的回波信號；(四)、調(diào)整被測艦船目標縮比模型的轉(zhuǎn)動角度，重復執(zhí)行步驟(三)；(五)、對采集的回波信號進行處理，計算出被測目標的一維距離像數(shù)據(jù)。進一步地，在步驟(一)中，將被測艦船目標的縮比模型倒置于消聲水池中，調(diào)整發(fā)射換能器和接收換能器與艦船目標的縮比模型的水平距離，使其滿足遠場條件，同時調(diào)整發(fā)射換能器和接收換能器在消聲水池中的深度，使其滿足預設的發(fā)射波束的掠射角，將被測艦船目標的縮比模型轉(zhuǎn)動至待測量方向上；進一步地，在步驟(二)中，對水面進行吹風，控制吹風強度，使得實驗條件下即界面起伏的瑞利數(shù)(Pa 8^10)/入3與實際雷達探測條件下海面的瑞利數(shù)(l·^ 8 ηθ)/λΓ-致，其中ya，μ ^為水聲實驗和實際雷達探測下海面起伏的均方值，Xa，λ ^為聲波和電磁波的波長，θ為波束照射目標的掠射角，以此來模擬艦船目標的縮比模型與水的分界面處不規(guī)則海浪，使艦船目標的縮比模型產(chǎn)生前后顛簸和左右搖擺的效果。進一步地，在步驟(三)中，采用信號源產(chǎn)生信號，設置信號源產(chǎn)生中心頻率為 1. 9-2. 1MHz、帶寬為200KHZ、脈沖寬度為1ms、脈沖重復周期為50ms的LFM線性調(diào)頻脈沖信
號上述的信號源產(chǎn)生的信號經(jīng)放大后加到發(fā)射換能器的發(fā)射端，并以聲信號的形式輻射出去。上述接收換能器將被測艦船目標的縮比模型反射的回波輸送到放大電路，放大電路進行功率放大后濾波處理，將濾波后的信號輸出到數(shù)字波形存儲示波器顯示。進一步地，在步驟(五)中，采用脈沖壓縮技術(shù)對艦船目標不同角度上的回波信號進行處理，得到被測目標的一維距離像數(shù)據(jù)。上述脈沖壓縮技術(shù)計算目標一維距離像數(shù)據(jù)的具體計算方法是采用匹配濾波處理后輸出的信號作為目標一維距離像數(shù)據(jù)，匹配濾波處理輸出信號的計算式子為=y(t) = IFFT(S(f)*H(f)*wins)。式中:S(f)為接收信號sr(t)的頻率響應S(f) =FFT(sr(t))；H(f)為發(fā)射換能器的發(fā)射端的發(fā)射信號St (t)的系統(tǒng)響應函數(shù)H(f) = COnj(FFT(St(t)))，其中FFT ( · )，IFFT ( ·)分別為快速傅里葉變換與逆
變換，conj ( ·)為復共軛；wins為Hamming窗函數(shù)，其表達式為
{ ^ \+ = 0.54-0.46. cos 2π-，k = 0，1，· ·.，N-l。
1V ^r-U上述的數(shù)字波形存儲示波器將穩(wěn)定后的回波信號存儲后，重復執(zhí)行步驟(三)，采集每個轉(zhuǎn)動角度上的多組回波信號數(shù)據(jù)，在步驟(五)中計算被測艦船目標多組數(shù)據(jù)的平均距離像數(shù)據(jù)。進一步地，在步驟(一)中將被測艦船目標的縮比模型倒置懸掛于步進電機下，使模型的上表面與水面平齊，在步驟(四)中啟動步進電機，調(diào)整被測艦船目標的縮比模型的轉(zhuǎn)動角度。本發(fā)明采用在水介質(zhì)中聲波照射艦船目標的縮比模型并接收反射的回波信號，根據(jù)聲波的固有特點，水聲測量艦船目標寬帶雷達散射特性方法有以下優(yōu)點(1)由于聲波的波長短，因此采用更大的縮比因子來減小模型尺寸，放寬對空間尺度和設備的要求，節(jié)省費用；(2)由于電磁波的傳播速度很快，在微波暗室中目標的反射回波與暗室墻壁的反射回波很難區(qū)分開，所以微波暗室為了降低背景噪聲，需要貼敷吸波材料來降低反射，而超聲波的速度比電磁波低5個數(shù)量級，因此可以很容易地通過控制采樣時間，將背景反射回波的影響消除，因此對測試環(huán)境要求較低。(3)利用水_空氣的分界面，可以方便地模擬海面的起伏，艦船目標散射特性測量更接近目標的真實數(shù)據(jù)。綜上所述，本發(fā)明所提出的水聲測量方法為室條件下獲取艦船目標高分辨距離像，進而實現(xiàn)對艦船目標的遠程探測及分類識別開辟了一條新的技術(shù)途徑。該技術(shù)彌補了微波暗室測量方法的不足，可進一步推廣到地面和空中目標的電磁散射特性測量中應用，一定程度上也可替代微波暗室測量方法，具有較好的可實現(xiàn)性和可操作性，同時對設備和環(huán)境要求較低，成本低和經(jīng)濟效益顯著。


圖1為本發(fā)明流程圖；圖2為本發(fā)明測量原理框圖；圖3為本發(fā)明的一個具體實施例中發(fā)射信號波形圖；圖4為本發(fā)明的一個具體實施例中接收信號波形圖；圖5為本發(fā)明的一個具體實施例中艦船目標模型距離像波形圖。
具體實施例方式以下結(jié)合附圖和具體實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，執(zhí)行以下步驟先將被測艦船目標的縮比模型倒置于消聲水池中；在消聲水池水面上模擬海面起伏效果；然后發(fā)射信號到被測艦船目標的縮比模型，采集反射的回波信號；調(diào)整被測艦船目標縮比模型的轉(zhuǎn)動角度，重復執(zhí)行上一步驟；最后對采集的回波信號進行處理，計算出被測目標的一維距離像數(shù)據(jù)。
具體實施方式
，如圖1所示，艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量流程，首先建立測試的基本條件將被測艦船目標的縮比模型倒置于消聲水池中，調(diào)整發(fā)射換能器和接收換能器與艦船目標的縮比模型的水平距離，使其滿足遠場條件，同時調(diào)整發(fā)射換能器和接收換能器在消聲水池中的深度，使其滿足預設的發(fā)射波束的掠射角，將被測艦船目標的縮比模型轉(zhuǎn)動至待測量方向上；再模擬水面產(chǎn)生海浪效果，具體的實施例中，采用電風扇對水面進行吹風，通過控制風扇的數(shù)量及吹風強度調(diào)整分界面吹風強度，模擬出艦船目標的縮比模型與水的分界面處不規(guī)則海浪，使艦船目標的縮比模型產(chǎn)生前后顛簸和左右搖擺的效果；然后使信號源產(chǎn)生信號，設置信號源產(chǎn)生中心頻率為1.9-2. 1MHz、帶寬為 200KHz、脈沖寬度為1ms、脈沖重復周期為50ms的LFM線性調(diào)頻信號；信號源產(chǎn)生的信號經(jīng)放大后加到發(fā)射換能器的發(fā)射端，并以聲信號的形式輻射出去；接收目標反射回波信號，即接收換能器將被測艦船目標的縮比模型反射的回波輸出到放大電路，放大電路進行功率放大后濾波處理，將濾波后的信號輸出到數(shù)字波形存儲示波器顯示； 調(diào)整被測艦船目標的縮比模型的轉(zhuǎn)動角度，重復執(zhí)行上述步驟采集艦船目標縮比模型在所有轉(zhuǎn)動角度上的多組回波信號數(shù)據(jù)；最后，采用脈沖壓縮技術(shù)對在不同轉(zhuǎn)動角度上的目標回波信號進行處理得到被測艦船目標一維距離像數(shù)據(jù)。
具體實施例水聲測量艦船目標寬帶雷達散射特性，即獲取艦船目標高分辨距離像，本發(fā)明采用的具體實施方法是，根據(jù)被測艦船目標模型設置水池大小，選取水池長寬深分別選為10 米、4米、1.8米左右。為了盡可能地模擬出水面艦船目標的真實狀態(tài)，中需要配置一定的造波設備，以產(chǎn)生隨機起伏的界面、艦船的隨機擺動，以及界面對傳播的多路徑效應。圖2中所示的為利用水聲測量方法測量水面處艦船目標寬帶高分辨距離像回波的原理圖，所用到的設備儀器有交流凈化源(JJW5KW)、穩(wěn)壓源(KN1718)、信號源(AFG320)、 高頻功率放大器(JYH100A)、數(shù)字存儲示波器(WR6501)、發(fā)射換能器、接收換能器、前置低噪聲放大器、帶通濾波器、步進電機和風機等。兩個換能器均是圓面活塞型，可以發(fā)射和接收聲波信號，其軸向聲波波束開角5. 8°。發(fā)射和接收換能器距離艦船目標模型的長度L要滿足聲散射的遠場條件，距離水面的高度H用來確定入射波的掠射角度。中對發(fā)射和接 收信號波形數(shù)據(jù)的觀察及采集是由數(shù)字存儲示波器完成。在水池池面附近配置4臺可調(diào)速風機，中將風吹向水面用于產(chǎn)生起伏的波浪。要測量的艦船目標縮比模型相對于真實艦船其縮比因子為1 200。將艦船縮比模型倒置懸掛于步進電機下，使得模型的上表面與水面基本平齊，由于步進電機是帶刻度的，通過步進電機的轉(zhuǎn)動就可以控制目標在水平面上的轉(zhuǎn)角，以此來測量艦船目標模型在不同視線方向上的回波數(shù)據(jù)。水聲測量采用的發(fā)射信號為LFM脈沖信號，其中LFM信號中心頻率為2MHz，頻率范圍是1. 9-2. 1MHz，脈沖寬度為1ms，脈沖重復周期為50ms，對應的理論分辨率可達3. 75mm。 帶通濾波器設計為雙二次型有源帶通濾波器，選取四階切比雪夫濾波器類型，具體參數(shù)為中心頻率2MHz，帶寬400KHz，增益為30。根據(jù)上述的艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量步驟測量出回波數(shù)據(jù)存儲到數(shù)字波形存儲示波器中，假設發(fā)射信號為st(t)，接收信號為\(t)，為降低副瓣的影響加入窗函數(shù)wins，則匹配濾波的步驟為計算系統(tǒng)響應函數(shù)的FFT，即H(f) =(30舊_爾卩11(\(0))，其中卩卩11(·)為快速傅里葉變換，conj(·)為復共軛；計算接收信號的頻率響應S (f) = FFT (sr (t))；匹配濾波輸出y (t) = IFFT (S (f) *H(f) *wins)。利用本次設備采集到的發(fā)射信號如圖3所示(縱坐標單位為200mV)，接收信號波形如圖4所示(縱坐標單位為50mV)。式中，窗函數(shù)選擇為Hamming窗，其表達式為
( Ji \w(眾+ 1) = 0.54 —0.46-COS 2π- , k = 0，1，...，N-I
I N-IJ通過匹配濾波處理后得到的目標一維距離像數(shù)據(jù)如圖5所示。所得到的是水聲條件下艦船目標縮比模型的高分辨距離像波形，利用水聲和電磁的相似性準則，上述所得的歸一化距離像數(shù)據(jù)與雷達在電磁環(huán)境下所獲得的真實艦船目標高分辨距離像數(shù)據(jù)是一致的。因此，水聲測量數(shù)據(jù)可以等效為真實艦船目標寬帶電磁散射的回波數(shù)據(jù)。本發(fā)明采用水聲測量方法測量艦船目標寬帶雷達散射特性的理論依據(jù)為用水聲學方法代替電磁學方法測量目標散射特性系用標量波代替矢量波，這種替換的理論依據(jù)就是物理光學。對于一些物理尺寸遠超過波長的目標，亦即在高頻范圍內(nèi)同一個物體上標量場與矢量場的反射強度變化規(guī)律近似一致。物理光學為測量和計算特性尺寸比波長大得多的一些目標散射場提供了可以接受的精度保證。這個條件幾乎對所有艦船等強反射目標的表 面都能滿足。由此可以得出這樣的結(jié)論，水聲測量方法在物理光學范圍內(nèi)是正確的。 下面說明用聲波等效電磁波的相似性準則?？紤]一維情況，聲波和電磁波的每一個分量均滿足線性波動方程式
ρ φ ⑴式中，X為笛卡爾坐標，c為場波傳播速度。在波動方程式(1)中每一項都乘上某個常數(shù)m，方程式仍然保持不變。這個運算相當于把式(1)中的變量換成
XClI= 一 、=一(2)
mm式中下標“m”即是縮比模型中采用的變量，m是比例系數(shù)，它決定著模型中所有的線性尺寸，包括高度、距離，以及界面的起伏尺度。將式⑵改寫成
χCl^=—州=——(3)
JlC ^utrmil
M ？W式(3)是縮比模型應遵循的相似判據(jù)方程式。當方程式(3)成立時，可確保模型的散射場與實際目標的散射場數(shù)值上相似。如果雷達探測采用脈沖寬度為T、載波頻率為& 的脈沖信號測量實際艦船的散射特性，則在式(3)中瞬時特性參數(shù)為T和1/%。將這些參數(shù)代入式(3)，有
X λ cT ΛΛ = —= —= ^ir(4)
Χ Λ CK ^K式(4)表明，當用電磁模擬時，不僅頻率要相應提高m倍，由于Cm = c，模擬信號脈沖寬度Tm還應當縮小m倍。對于艦船模型，當m取100時，通常脈沖寬度在T = 0. 1 1 μ s的雷達信號，相應電磁模擬信號的脈寬應當縮小到Tm = 1 IOns范圍內(nèi)，這在實現(xiàn)上是非常困難的。而當采用水聲測量時，由于Cm << c,同樣在m = 100時，水聲測量信號的脈沖寬度要比實際雷達探測信號的脈沖寬度放大2000倍，這無疑給水聲測量帶來了方便。 另外，在雷達暗室中難以模擬的海面起伏效應，在水聲環(huán)境中也變得容易實現(xiàn)。所以說用水聲方法測量艦船目標電磁散射特性的最大特點在于其可實現(xiàn)性和經(jīng)濟性。
權(quán)利要求
1.艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于執(zhí)行以下步驟(一)、將被測艦船目標的縮比模型倒置于消聲水池中；(二)、在消聲水池水面上模擬海面起伏效果；(三)、發(fā)射信號到被測艦船目標的縮比模型，采集反射的回波信號；(四)、調(diào)整被測艦船目標縮比模型的轉(zhuǎn)動角度，重復執(zhí)行步驟(三)；(五)、對采集的回波信號進行處理，計算出被測目標的一維距離像數(shù)據(jù)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于 步驟(一)中，將被測艦船目標的縮比模型倒置于消聲水池中，調(diào)整發(fā)射換能器和接收換能器與艦船目標的縮比模型的水平距離，使其滿足遠場條件，同時調(diào)整發(fā)射換能器和接收換能器在消聲水池中的深度，使其滿足預設的發(fā)射波束的掠射角，將被測艦船目標的縮比模型轉(zhuǎn)動至待測量方向上。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于， 步驟(二)中，對水面進行吹風，控制吹風強度，使得實驗條件下即界面起伏的瑞利數(shù)(Pa sin θ)/Xa與實際雷達探測條件下海面的瑞利數(shù)(μ ^ sin θ)/λ ^—致，其中^，^為水聲實驗和實際雷達探測下海面起伏的均方值，λ3, λ ^為聲波和電磁波的波長，θ為波束照射目標的掠射角，以此來模擬艦船目標的縮比模型與水的分界面處不規(guī)則海浪，使艦船目標的縮比模型產(chǎn)生前后顛簸和左右搖擺的效果。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于，步驟(三)中，采用信號源產(chǎn)生信號，設置信號源產(chǎn)生中心頻率為1.9-2. 1MHz、帶寬為 200KHz、脈沖寬度為1ms、脈沖重復周期為50ms的LFM線性調(diào)頻脈沖信號。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于 所述信號源產(chǎn)生的信號經(jīng)放大后加到發(fā)射換能器的發(fā)射端，并以聲信號的形式輻射出去。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于 所述接收換能器將被測艦船目標的縮比模型反射的回波輸送到放大電路，放大電路進行功率放大后濾波處理，將濾波后的信號輸出到數(shù)字波形存儲示波器顯示。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于 步驟(五)中，采用脈沖壓縮技術(shù)對艦船目標不同角度上的回波信號進行處理，得到被測目標的一維距離像數(shù)據(jù)。
8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于 采用脈沖壓縮技術(shù)計算目標一維距離像數(shù)據(jù)的具體計算方法是采用匹配濾波處理后輸出的信號作為目標一維距離像數(shù)據(jù)，匹配濾波處理輸出信號的計算式子為=y(t) = IFFT(S(f)*H(f)*wins)。式中:S(f)為接收信號sr(t)的頻率響應S(f) =FFT(sr(t))；H(f)為發(fā)射換能器的發(fā)射端的發(fā)射信號st (t)的系統(tǒng)響應函數(shù)H(f) =COnj(FFT(St(t)))，其中FFT(.)，IFFT(·)分別為快速傅里葉變換與逆變換， conj( ·)為復共軛；wins為Hamming窗函數(shù)，其表達式為( ^ λwOt + l) = 0.54-0.46. cos 2π-，k = 0，1，· · ·，N_l。L Ar-U
9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于數(shù)字波形存儲示波器將穩(wěn)定后的回波信號存儲后，重復執(zhí)行步驟(三)，采集每個轉(zhuǎn)動角度上的多組回波信號數(shù)據(jù)，在步驟(五)中計算被測艦船目標多組數(shù)據(jù)的平均距離像數(shù)據(jù)。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的艦 船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于 在步驟(一)中將被測艦船目標的縮比模型倒置懸掛于步進電機下，使模型的上表面與水面平齊，在步驟(四)中啟動步進電機，調(diào)整被測艦船目標的縮比模型的轉(zhuǎn)動角度。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種艦船目標寬帶雷達散射特性的水聲測量方法，其特征在于采用如下步驟先將被測艦船目標的縮比模型倒置于消聲水池中，調(diào)整測量裝置及模型建立測試的基本條件，并模擬出艦船目標的縮比模型與水的分界面處不規(guī)則海浪，將信號源產(chǎn)生線性調(diào)頻信號放大后以聲信號的形式輻射出去，縮比模型反射的回波輸出信號放大濾波處理后進行存儲，然后采集各個轉(zhuǎn)動角度上的多組回波信號數(shù)據(jù)存儲；最后采用脈沖壓縮技術(shù)對被測艦船目標縮比模型在不同轉(zhuǎn)動角度上的回波信號進行處理，得到被測艦船目標一維距離像數(shù)據(jù)。本發(fā)明克服了現(xiàn)有技術(shù)對測量設備和環(huán)境要求苛刻、無法測量海面目標特性的缺陷，具有測量方法靈活、成本低易實現(xiàn)等優(yōu)點。
文檔編號G01S7/539GK102243306SQ20111006981
公開日2011年11月16日 申請日期2011年3月23日 優(yōu)先權(quán)日2011年3月23日
發(fā)明者盧建斌, 席澤敏, 張明敏 申請人:中國人民解放軍海軍工程大學