本發(fā)明屬微波測量領(lǐng)域，具體涉及一種修正天線方向圖對單站近場回波散射數(shù)據(jù)的影響，并外推獲取目標(biāo)RCS的方法。

背景技術(shù)：

為了更好的設(shè)計(jì)和評估武器的隱身性能，需要能夠精準(zhǔn)的測量目標(biāo)的RCS。測量RCS需要在測試距離上滿足遠(yuǎn)場測量條件。常規(guī)的RCS測量方法主要包括室外RCS測試場測量、緊縮場縮距測量和室內(nèi)微波暗室測量，均已發(fā)展到相當(dāng)成熟的階段。大型室外場和緊縮場均可以滿足測量目標(biāo)RCS所需的遠(yuǎn)場測試距離。但是室外場受天氣和環(huán)境的影響較大，保密性不強(qiáng)；緊縮場的拋物面反射器要求很高的加工精度，使得系統(tǒng)的代價(jià)非常昂貴。室內(nèi)微波暗室測量具有很強(qiáng)的抗干擾性，保密性好，測試效率高，已成為很多研究機(jī)構(gòu)獲取目標(biāo)散射特性的主要方法。由于微波暗室的空間有限，對于電大目標(biāo)往往難以滿足遠(yuǎn)場測量條件，需要對接收到的目標(biāo)近場測試數(shù)據(jù)進(jìn)行近遠(yuǎn)場變換。文獻(xiàn)“外推和幾何修正在天線方向圖修正中的應(yīng)用，國外電子測量技術(shù)，2013，Vol32(7)，p41-43”公開了一種利用近場測量數(shù)據(jù)外推目標(biāo)散射特性的方法。該方法根據(jù)電磁基本理論，用矢量磁位表示回波電場，通過一系列的數(shù)學(xué)推演，實(shí)現(xiàn)了對近場數(shù)據(jù)的外推。該文獻(xiàn)的天線方向圖修正考慮的是目標(biāo)沒有準(zhǔn)確放在轉(zhuǎn)臺中心時(shí)所造成的誤差，并針對此誤差進(jìn)行幾何相位修正，在實(shí)際測量過程中可以通過準(zhǔn)確的擺放予以避免。此外，文獻(xiàn)所述方法假設(shè)收發(fā)天線是各項(xiàng)同性的，通過對柱面波展開實(shí)現(xiàn)外推。實(shí)際測量中測試距離越短，天線的方向圖對回波功率造成的影響越難以忽略，不考慮天線方向圖的影響單純的進(jìn)行外推，可能會造成較大的誤差，不具有實(shí)用性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為了克服現(xiàn)有方法不能修正天線方向圖影響的問題，本發(fā)明提供一種基于天線方向圖修正計(jì)算目標(biāo)RCS的方法。該方法以基于成像的近遠(yuǎn)場變換方法為基礎(chǔ)，借用微波成像的思想，建立起目標(biāo)的二維像與近場回波、目標(biāo)遠(yuǎn)場散射的關(guān)系，無需在處理過程中成像，能夠?qū)崿F(xiàn)近場數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確外推。

一種基于天線方向圖修正計(jì)算目標(biāo)RCS的方法，其特征在于步驟如下：

步驟一：確定近似的天線方向圖：

在天線照射目標(biāo)角域內(nèi)，利用三角函數(shù)10^{A·((B*cos(Cψ)-B)/10)}對測試天線的方向圖函數(shù)進(jìn)行近似，通過改變A、B、C的值得到近似的天線方向圖函數(shù)A(ψ)，滿足近似誤差小于0.5dB；其中，ψ為天線到目標(biāo)上任意一點(diǎn)與天線最大輻射方向的夾角；

步驟二：構(gòu)建預(yù)處理數(shù)據(jù)：

首先，在微波暗室中對目標(biāo)進(jìn)行單站轉(zhuǎn)臺測量，并考慮天線方向圖影響，得到目標(biāo)的單站近場回波散射為：

其中，為以轉(zhuǎn)臺中心為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系下天線的轉(zhuǎn)角，k為波數(shù)，按k＝2πf/c計(jì)算，f為天線的測試頻率，c為光速，為目標(biāo)區(qū)域的二維像，為目標(biāo)上任意一點(diǎn)的極坐標(biāo)，ρ′表示這個點(diǎn)到轉(zhuǎn)臺中心的距離，表示這個點(diǎn)在極坐標(biāo)系下的角度，為天線到點(diǎn)的距離，ρ₀為天線到轉(zhuǎn)臺中心的距離。

然后，按下式構(gòu)建目標(biāo)的預(yù)處理數(shù)據(jù)為：

其中，表示成像距離，Δf是轉(zhuǎn)臺測量的步進(jìn)頻率。

步驟三：計(jì)算單站遠(yuǎn)場散射方向圖：

根據(jù)目標(biāo)的預(yù)處理數(shù)據(jù)，按下式計(jì)算目標(biāo)的單站遠(yuǎn)場散射方向圖為：

其中，N≥2ka_ant+10，為目標(biāo)單站模式下的截取范圍，a_ant為柱坐標(biāo)下包圍目標(biāo)的最小半徑，P_n(2kρ₀)為天線的響應(yīng)恒量，按計(jì)算，M≥2ka_ant，為第一類n+m階漢克爾函數(shù)，T是近似天線方向圖函數(shù)A(ψ)的周期。

步驟四：計(jì)算定標(biāo)體的單站遠(yuǎn)場散射方向圖：以定標(biāo)體為目標(biāo)，重復(fù)步驟二和三，計(jì)算得到定標(biāo)體的單站遠(yuǎn)場散射方向圖

步驟五：計(jì)算目標(biāo)的RCS：

根據(jù)目標(biāo)和定標(biāo)體的單站遠(yuǎn)場散射方向圖，由下式定標(biāo)計(jì)算得到目標(biāo)的RCS：

其中，σ為目標(biāo)的RCS，σ₀為定標(biāo)體的RCS。

本發(fā)明的有益效果是：由于在計(jì)算單站近場回波回波散射時(shí)考慮了天線方向圖的影響，因而對目標(biāo)近場數(shù)據(jù)的表述更為準(zhǔn)確；使用近似天線方向圖函數(shù)代替真實(shí)天線方向圖函數(shù)，且在外推過程中對天線方向圖的影響給予修正，簡化了構(gòu)建方向圖函數(shù)的復(fù)雜度，并減小了計(jì)算目標(biāo)RCS的誤差。

附圖說明

圖1是本發(fā)明的一種基于天線方向圖修正計(jì)算目標(biāo)RCS的方法的基本流程圖。

圖2是本發(fā)明的一種基于天線方向圖修正計(jì)算目標(biāo)RCS的方法中測量近場數(shù)據(jù)的轉(zhuǎn)臺測量模型示意圖。

圖3是本發(fā)明的一種基于天線方向圖修正計(jì)算目標(biāo)RCS的方法中喇叭天線的近似天線方向圖函數(shù)示意圖。

圖4是本發(fā)明的一種基于天線方向圖修正計(jì)算目標(biāo)RCS的方法的計(jì)算效果示意圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明進(jìn)一步說明，本發(fā)明包括但不僅限于下述實(shí)施例。

1、確定近似的天線方向圖

對已知的測試天線的方向圖函數(shù)進(jìn)行近似處理，使近似函數(shù)能夠在天線照射目標(biāo)的角域內(nèi)與方向圖函數(shù)的最大誤差小于0.5dB，一般可利用三角函數(shù)10^{A·((B*cos(Cψ)-B)/10)}對測試天線的方向圖函數(shù)進(jìn)行近似，通過改變的A、B、C的值得到近似的天線方向圖，近似精度越高修正得越準(zhǔn)確。

本實(shí)例使用喇叭天線作為測量系統(tǒng)的收發(fā)天線，用周期函數(shù)10^{4·((17*cos(4ψ)-17)/10)}作為近似的方向圖函數(shù)A(ψ)帶入到下面近場回波數(shù)據(jù)的表達(dá)式中，ψ為天線到目標(biāo)上任意一點(diǎn)與天線最大輻射方向的夾角，可見近似函數(shù)在照射角域內(nèi)與實(shí)際天線方向圖的誤差在0.3dB以內(nèi)。

2、構(gòu)建預(yù)處理數(shù)據(jù)：

首先，采用單站轉(zhuǎn)臺測量的方法得到目標(biāo)的單站近場回波散射數(shù)據(jù)。在微波暗室中通過矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，由單站轉(zhuǎn)臺測量得到目標(biāo)的單站近場回波散射數(shù)據(jù)。由于本專利的方法不涉及降噪處理，若測試背景噪聲較大則需事先對回波進(jìn)行背景對消和加窗降噪處理。由于RCS多用于衡量軍用目標(biāo)的隱身特性，當(dāng)目標(biāo)的縱向尺寸足夠小時(shí)，測試距離在垂直方向上滿足遠(yuǎn)場條件，天線發(fā)射的球面波可以近似為柱面波計(jì)算。目標(biāo)的單站近場回波散射可以表示為：

其中

考慮天線方向圖的影響時(shí)，式(5)變?yōu)?/p>

其中，三維柱坐標(biāo)系在縱坐標(biāo)等于零時(shí)為一個二維平面的極坐標(biāo)系，表示目標(biāo)的單站近場回波散射，為以轉(zhuǎn)臺中心為原點(diǎn)的極坐標(biāo)系下的天線的轉(zhuǎn)角，k為波數(shù)，按k＝2πf/c計(jì)算，f為天線的測試頻率，c為光速，為目標(biāo)區(qū)域的二維像，即空間的散射率分布函數(shù)，為目標(biāo)上任意一點(diǎn)的極坐標(biāo)，ρ′表示這個點(diǎn)到轉(zhuǎn)臺中心的距離，表示這個點(diǎn)在極坐標(biāo)系下的角度，R為天線到點(diǎn)的距離，ρ₀為測試天線到轉(zhuǎn)臺中心的距離，即測試距離。當(dāng)天線為各項(xiàng)同性時(shí)，A(ψ)＝1。

3、計(jì)算單站遠(yuǎn)場散射方向圖。

首先構(gòu)建目標(biāo)的預(yù)處理數(shù)據(jù)：

其中，表示成像距離，Δf是轉(zhuǎn)臺測量的步進(jìn)頻率。

公式(8)即為權(quán)值為R₀^3/2的傅里葉變換，可以更加快速的進(jìn)行運(yùn)算。將公式(7)的回波數(shù)據(jù)帶入，可得

將A²(ψ)用傅里葉級數(shù)展開表示為：

一般可取M≈2ka_ant+10，其中a_ant為柱坐標(biāo)下包圍目標(biāo)的最小半徑。令

在R＞a_ant的單路徑場任意空間，此等效天線可以寫作

其中，H_m⁽¹⁾是第一類m階漢克爾函數(shù)。使用漢克爾函數(shù)大宗量近似：

最終可得：

水平面上的單站遠(yuǎn)場散射方向圖可以表示為：

由于式(14)和(15)都與目標(biāo)的二維像相關(guān)，故可以以為中間變量，用表示使用柱面波展開：

得到目標(biāo)的單站遠(yuǎn)場散射方向圖為：

其中，N≥2ka_ant+10，為目標(biāo)單站模式下的截取范圍，定義天線的響應(yīng)恒量P_n(2kρ₀)為：

其中H_n+m⁽¹⁾是第一類n+m階漢克爾函數(shù)，T是近似天線方向圖函數(shù)的周期。在外推過程中式(15)起到了修正天線方向圖影響的作用。

4、計(jì)算目標(biāo)的RCS：

首先，目標(biāo)的歸一化RCS可以用下式計(jì)算得到：

其中，σ′為目標(biāo)的歸一化RCS，是的最大值，歸一化RCS可充分表征目標(biāo)的RCS在測量角域內(nèi)的分布情況，且無需測量和處理定標(biāo)體數(shù)據(jù)，節(jié)省了一半的操作流程。

如要獲得目標(biāo)具體的RCS，則需對一個RCS已知的定標(biāo)體進(jìn)行同樣的數(shù)據(jù)外推處理，即以定標(biāo)體為目標(biāo)，重復(fù)步驟2-3，計(jì)算得到定標(biāo)體的單站遠(yuǎn)場散射方向圖。目標(biāo)的RCS可經(jīng)由下式定標(biāo)得到：

其中，σ為目標(biāo)的RCS，表示定標(biāo)體的單站遠(yuǎn)場散射方向圖，σ₀為定標(biāo)體的RCS。

綜上所述，將近似天線方向圖函數(shù)A(ψ)作為真實(shí)的天線方向圖帶入計(jì)算，由式(8)和式(18)構(gòu)成了基于天線方向圖修正計(jì)算目標(biāo)RCS的方法，直接在用單站近場回波散射計(jì)算單站遠(yuǎn)場散射方向圖的過程中補(bǔ)償了天線方向圖在目標(biāo)近場回波散射測量中造成的功率衰減誤差，因而可以更加精確的算得目標(biāo)的RCS。

由于采用基于天線方向圖修正計(jì)算目標(biāo)RCS的方法外推目標(biāo)的近場回波數(shù)據(jù)，使用近似方向圖函數(shù)代替真實(shí)天線方向圖，將天線方向圖造成的回波功率衰減在用單站近場回波散射表示單站遠(yuǎn)場散射方向圖的過程中給予補(bǔ)償，降低了構(gòu)建方向圖函數(shù)的難度，可以對暗室近距離測量得到的數(shù)據(jù)進(jìn)行更準(zhǔn)確的外推處理。在距離越近或天線方向圖越窄的情況下越能體現(xiàn)出本發(fā)明對方向圖修正的效果。本實(shí)施例使用函數(shù)10^{4·((17*cos(4ψ)}-^17)/10)近似喇叭天線方向圖函數(shù)，使用一條長度為1m的線目標(biāo)，測試頻率為8～12GHz，共測試201個頻點(diǎn)，角域范圍為-30°～30°，角度間隔為0.2°，計(jì)算10GHz時(shí)目標(biāo)的RCS。目標(biāo)對應(yīng)的遠(yuǎn)場測量條件約為67m，實(shí)際測試距離設(shè)為5m。由計(jì)算結(jié)果可知，通過對天線方向圖進(jìn)行修正，計(jì)算得到的RCS準(zhǔn)確性得到了很大提高，能夠?qū)⒄`差控制在1dB以內(nèi)。