一种弱散射目标的RCS测量方法与流程

本发明涉及微波散射测量领域，尤其是涉及一种弱散射目标的RCS测量方法，用于对缝隙、台阶等弱散射目标进行测量。

背景技术：

缝隙、台阶等低可探测目标一般是作为次级散射源在紧缩场微波暗室中测量。在紧缩场中进行目标RCS测量时，被测目标(例如飞机模型)通过低散射泡沫支架或低散射金属支架置于静区中，如图1所示。在紧缩场静区中，电磁波以平面波形式传播，不随距离变化发生衰减，在这种情况下，替代定标法很方便。以金属球作为定标体为例，测量目标前，先进行背景电平测量，然后在目标支架上放置金属球进行定标体测量，最后再架设目标进行目标测量。不考虑系统噪声因素，扫频测量时目标和定标体的信号可以分别表示为：

S_T(f)＝T(f)+B(f) (1)

和

S_C(f)＝C(f)+B(f) (2)

式中，S_T(f)和S_C(f)分别表示测量目标和测量定标体时雷达接收到的回波信号，其中包含杂波背景；T(f)表示目标真实回波；C(f)表示定标体真实回波；B(f)表示由目标支架及测试场等其它杂散回波构成的背景回波。上述回波信号均为复数矢量。

为提高RCS测量精度，一般在定标中采用背景矢量相减技术处理，目标散射函数的定标方程为：

式中，σ_T(f)为目标散射函数，是需要测量和定标的量；σ_C(f)为定标体的散射函数，是可通过精确理论计算得到的已知量。

由式(3)可见，当背景回波B(f)能够被测得、并通过背景相减技术处理后，就能消除其对目标RCS测量与定标的影响，实现对目标RCS的精确测量与定标。

缝隙、台阶等目标不能独立存在，一定是依附于某种类型的载体上。例如，在一块金属平板上开缝，如果没有平板存在，也就没有缝隙存在，此时平板就是缝隙的载体。如果载体无限大，除缝隙自身散射外，没有耦合现象的发生。这种情况下，缝隙可等效为表面电磁流，用矩量法进行求解。但是对于实际使用和测量的缝隙目标来说，一定是依附于有限尺寸的载体，这种情况下，总散射可以主要分为三部分：(a)缝隙本身的散射；(b)载体本身的散射；(c)载体边缘与缝隙的耦合。(参见文献：张振利；倪维立缝隙及其与边缘的相互作用对目标散射的影响[期刊论文]-电波科学学报2001(03).)

这样一来，在紧缩场中进行目标测量时，目标信号可以表示为

S_T(f)＝T_G(f)+T_ZT(f)+T_EC(f)+B(f) (4)

式中，S_T(f)表示测目标时雷达接收到的回波信号，包含杂波背景；T_G(f)表示缝隙本身回波；T_ZT(f)表示载体本身回波；T_EC(f)表示载体边缘与缝隙耦合产生的回波；B(f)表示由目标支架及测试场等其它杂散回波构成的背景回波。上述回波信号均为复数矢量。

按照常规测量方法，进行背景对消处理后即获得目标RCS。实际上，如如此得到的RCS结果中包含了缝隙本身、载体本身以及载体边缘与缝隙的耦合三部分的散射贡献，即T(f)＝T_G(f)+T_ZT(f)+T_EC(f)。针对这种情况，研究目标缺陷测量的工程师做了大量工作使测量结果能够尽量接近缝隙本身的散射结果。从已经发表的成果看，研究工作的重点实际上放在降低载体本身散射上。边缘绕射本身属于一种弱散射源，如果载体本身是低散射的，那么边缘与缝隙的耦合也很小。

现有的测量方法之一是，采用竖直放置的平板作为缝隙载体。该技术利用竖直放置的平板作为缝隙载体，如图2所示。竖直放置的平板被选作缝隙载体，一是因为其在一定条件下具有低散射特性，二是因为成本比较低廉。例如，在一定频率下，竖直放置的平板在30～90度方位角内的RCS均值可达-35dBsm(参见：黄沛霖，刘战合.飞行器表面缝隙电磁散射特性研究[J].航空学报，2008，29.DOI：doi：10.3321/j.issn：1000-6893.2008.03.023.高旭，刘战合，武哲.缝隙目标电磁散射特性试验[J].航空学报，2008，29：1497-1501.DOI：doi：10.3321/j.issn：1000-6893.2008.06.014.)。

另一种测量方法是，采用水滴形低散射载体或杏仁体作为缝隙载体。该技术利用水滴形低散射载体，杏仁体作为缝隙载体，如图3所示。这两种载体都在一定条件下具有低散射特性，例如，在一定频率下，水滴形载体和杏仁体在0～30度方位角内的RCS均值可达-40dBsm(参见：桑建华，张宗斌，王烁等.低RCS飞行器表面弱散射源研究[J].航空工程进展，2012，3(3)：257-262.DOI：10.3969/j.issn.1674-8190.2012.03.002.柴建忠，高旭，刘学强等.几种载体表面缝隙对雷达目标特性的影响[J].南京航空航天大学学报，2014，46(4)：567-572.DOI：10.3969/j.issn.1005-2615.2014.04.012.)。

现有技术中进行缝隙或台阶等弱散射目标的RCS测量方法的特点在于，由于缝隙、台阶等目标本身必须依附于某一种载体而存在，而载体本身的散射无法保证比缝隙、台阶等被测目标的散射低很多，因此采用传统的矢量背景对消技术，将测量场地的环境杂波作为背景信号进行背景对消后，只能获得缝隙、台阶等目标以及载体的总散射，无法获得准确的缝隙、台阶等被测目标的散射。例如，当载体RCS值达到-35dBsm的情况下，如果缝隙的RCS值为-15dBsm，则测量不确定度为±1dB；如果缝隙的RCS值为-25dBsm，则测量不确定度为±3dB。但是，载体的RCS一般都有频率特性，频率变低时其RCS一般会增加，从而导致缝隙的测量不确定度增加。因此，现有技术的实际应用受到一定限制。因此，如何分离缝隙、台阶等被测目标的散射和载体的散射，是实现此类目标RCS准确测量的关键。

即，现有的各种方法限定了缝隙、台阶等弱散射目标的测量精度，同时还限制了低散射载体的尺寸，导致所研究的缝隙、台阶等弱散射目标尺寸过小。

技术实现要素：

有鉴于此，本发明的目的是提高弱散射目标的测量精度，去除对弱散射目标载体形状的限制，增加被测缝隙、台阶等弱散射目标的尺寸，同时降低载体的设计加工成本，具有很好的实用化前景。

为了达到以上目的，本发明提出了一种弱散射目标的RCS测量方法，包括以下步骤：

步骤1：环境背景测量：测量包含目标支架在内的微波暗室背景，获得目标支架及其它杂散回波构成的环境背景回波B(f)；

步骤2：定标体测量：在目标支架上放置定标体，雷达接收到的定标体的回波信号S_C(f)；

步骤3：目标背景测量：将弱散射目标的载体置于目标支架上，将弱散射目标用替代物遮住以确保该区域基本不产生散射，获得用于对所述载体进行对消处理的目标背景信号B_T(f)；

步骤4：进行目标测量：保持所述载体姿态不变，去除所述替代物露出待测的所述弱散射目标，测量获得目标信号S_T(f)；

步骤5：定标处理：采用背景矢量相减技术，对所述目标信号和所述定标体的回波信号分别应用各自对应的所述目标背景信号和所述环境背景回波，获得所述弱散射目标的RCS测量结果。

进一步，在步骤2中雷达接收到的定标体的回波信号S_C(f)为：S_C(f)＝C(f)+B(f)，其中C(f)表示定标体真实回波；在步骤3中，获得用于对所述载体进行对消处理的目标背景信号B_T(f)为：B_T(f)＝T_ZT(f)+B(f)，其中T_ZT(f)表示所述载体本身回波；在步骤4中，获得目标信号S_T(f)：S_T(f)＝T_G(f)+T_ZT(f)+T_EC(f)+B(f)，其中T_G(f)表示所述弱散射目标本身的回波；T_ZT(f)表示载体本身回波；T_EC(f)表示载体边缘与弱散射目标耦合产生的回波，上述回波信号均为复数矢量。

进一步，在步骤5中，采用背景矢量相减技术，对目标信号和标准体信号分别应用各自对应的背景信号，目标散射函数的定标方程为：

式中，σ_T(f)为目标散射函数，是需要测量和定标的量；σ_C(f)为定标体的散射函数。

进一步，步骤2中的定标体为金属球。

进一步，所述弱散射目标为缝隙或台阶。

通过本发明所提出的在低可探测目标雷达散射截面(RCS)测量中的背景测量与抵消处理方法，实现了缝隙、台阶等弱散射目标和载体的散射分离，大大提高了弱散射目标的测量精度；由于不依赖于超低散射载体，不需要将载体设计成水滴形、橄榄形等形状，从而可以大大增加被测缝隙、台阶等弱散射目标的尺寸，同时降低了载体的设计加工成本。

附图说明

图1给出了紧缩场中目标RCS测量示意图。

图2给出了现有技术中采用竖直放置的金属板作为测量载体。

图3给出了现有技术中采用水滴形载体、杏仁体作为测量载体。

图4给出了目标为带有锯齿缝的圆锥载体。

图5给出了采用铝箔粘贴锯齿缝后的圆锥载体。

图6给出了采用常规测量方法获得的锯齿缝二维成像图。

图7给出了采用本发明提出的载体背景对消方法获得的锯齿缝的二维成像图。

图8给出了常规测量方法及采用本发明提出的载体背景对消方法载体本身的RCS测试曲线。

图9给出了常规测量方法及采用本发明提出的载体背景对消方法锯齿缝的RCS测试曲线。

图10给出了采用本发明提出的载体背景对消方法锯齿缝与背景电平RCS测试曲线。

图11给出了本发明提出的一种弱散射目标的RCS测量方法。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本发明，并非用于限定本发明的范围。

本发明公开了一种弱散射目标的RCS测量方法，用于对缝隙、台阶等弱散射目标进行测量，该方法可涵盖但不限于现有的通过低散射、超低散射测量载体测量。本发明的原理在于，将各种不同的测量载体作为目标背景看待，将不含缝隙、台阶等弱散射目标的载体测量数据作为背景数据。

如图11所示，下面以缝隙为弱散射目标来说明本发明所提出的RCS测量方法，该方法具体步骤为：

步骤1：环境背景测量。按照常规RCS测量方法，测量包含目标支架在内的微波暗室背景，获得目标支架及测试场等其它杂散回波构成的背景回波B(f)。

步骤2：进行定标体测量。在目标支架上放置标准体，例如金属球，进行定标体测量，用于RCS测量的定标。由于定标体并不依赖于载体，因此，对应于定标体的背景信号仍然为传统的测试场地环境杂波信号B(f)，雷达接收到的定标体的回波信号S_C(f)为：

S_C(f)＝C(f)+B(f) (5)

其中C(f)表示定标体真实回波。上述回波信号均为复数矢量。

步骤3：进行目标背景测量。将具有缝隙的载体置于目标支架上，将缝隙区域用无缝金属板替代或者粘贴铝箔，确保该区域基本不产生散射；由于缝隙不存在，此时也不存在载体边缘与缝隙的耦合。在这种情况下，测得测量获得用于载体对消处理的目标背景信号B_T(f)为：

B_T(f)＝T_ZT(f)+B(f) (6)

其中T_ZT(f)表示载体本身回波。上述回波信号均为复数矢量。

步骤4：进行目标测量。保持载体姿态不变，去除无缝金属板或者铝箔露出待测的缝隙目标，测量获得目标信号S_T(f)：

S_T(f)＝T_G(f)+T_ZT(f)+T_EC(f)+B(f) (7)

其中T_G(f)表示缝隙本身回波；T_ZT(f)表示载体本身回波；T_EC(f)表示载体边缘与缝隙耦合产生的回波。上述回波信号均为复数矢量。

步骤5：定标处理。采用背景矢量相减技术，对对所述目标信号和所述定标体的回波信号分别应用各自对应的背景信号，得到目标散射函数的定标方程为：

式中，σ_T(f)为目标散射函数，是需要测量和定标的量；σ_C(f)为定标体的散射函数，是可通过精确理论计算得到的已知量。

由此可见，当把载体作为目标背景进行测量时，可以分别获得场地背景回波B(f)，以及包括载体在内的目标背景回波B_T(f)，在进行背景对消和定标处理后，可以得到包含缝隙以及载体边缘和缝隙的耦合散射，完全排除了载体本身的散射。由于载体边缘属于弱散射源，与缝隙的耦合作用进一步减弱，因此耦合作用对缝隙散射的影响较小。这样，把载体作为目标背景进行测量，并通过背景相减技术处理后，就能消除其对目标RCS测量的影响，从而实现对缝隙等弱散射类目标RCS的精确测量。

对于实际使用和测量的缝隙、台阶等目标来说，必须依附于有限尺寸的载体。通常，对此类目标的研究是成系列研究，例如研究宽度1mm、3mm、5mm等不同宽度的缝隙。设计缝隙、台阶模型时，通常分为两部分，一部分是尺寸较小的可替换件，其中包含要研究的缝隙、台阶模型，另一部分是尺寸较大的载体，可替换件可安装在载体上。为了较好地利用本方法，可设计一个与载体赋形的可替换件，用于载体自身散射测量。

下面通过具体的实验来验证本发明所提出的一种弱散射目标的RCS测量方法。

实测目标为一个安装在圆锥载体上的4mm宽锯齿缝，点频测量频率为10GHz，采用垂直极化，转动角度范围为-180～180度。二维成像频段为8-12GHz，方位角0度，成像孔径角20度。定标体选用直径为356.8mm的金属球，光学区RCS为-10dBsm。

通过比较常规方法以及本发明所提出的方法的锯齿缝二维成像以及点频RCS的效果。图4给出了目标为带有锯齿缝的圆锥载体，其为真实需要测量的带有缝隙的目标。图5给出了采用铝箔粘贴锯齿缝贴后的圆锥载体，用于测量缝隙目标载体背景。图6给出了采用常规测量方法获得的锯齿缝二维成像图，从图中可以看到，除了锯齿缝所在区域有散射外，在载体的前后缘都有明显的较强散射。图7给出了采用本发明提出的载体背景对消方法获得的锯齿缝的二维成像图，从图中可以看出，经过对消，载体的前后缘都获得了较大程度的降低，锯齿缝区域是主要散射源。

图8给出了常规测量方法及采用本发明提出的载体背景对消方法载体本身的RCS测试曲线，曲线1是常规测量方法获得的载体RCS曲线，曲线2是采用本发明提出的载体测量两次相互抵消获得的RCS曲线，相当于采用载体背景对消方法情况下的等效背景电平。从图中可以看出，采用载体背景对消技术后，大部分角度上的背景电平在-50dBsm以下，小部分角度范围上的背景电平在-40dBsm左右，这与转台的转动稳定性有关。

图9给出了常规测量方法及采用本发明提出的载体背景对消方法锯齿缝的RCS测试曲线，曲线3是常规测量方法获得的锯齿缝含载体散射的RCS曲线，曲线4是采用本发明提出的载体背景对消方法后获得的锯齿缝RCS曲线。从图中可以看出，由于锯齿缝散射较弱，如果不采取本方法进行载体背景对消，则锯齿缝的散射都淹没在载体散射之中，无法分析锯齿缝的散射特性。

图10给出了采用本发明提出的载体背景对消方法锯齿缝与背景电平RCS测试曲线，曲线5是采用采用本发明提出的载体背景对消方法后获得的锯齿缝RCS曲线，曲线6是采用采用本发明提出的载体背景对消方法后的背景RCS曲线。从图中可以看出，在关心的锯齿缝角度范围内，锯齿缝散射比背景电平高20dB左右，由此引起的不确定度为±1dB，可以满足分析研究需求。

综合来看，无论是二维成像结果还是点频RCS测量结果，都证明了本方法的有效性。

综上所述，本发明提出一种通用的背景测量和对消处理技术，采用该技术既可以对现有使用水滴形低散射载体、杏仁体等超低散射体作为载体进行弱散射目标RCS测量，还可以对其它载体进行弱散射目标RCS测量，同时还能提高被测目标的RCS测量准确度。即采用本发明所提出的技术，进行缝隙、台阶等弱散射目标RCS测量时，不再依赖于超低散射载体，只要载体散射不是特别高，例如低于-20dBsm，即可通过背景对消技术使载体本身的散射降低至-50dBsm以下。在进行载体设计时，不再局限于超低散射外形，可以提高载体尺寸，从而增大缝隙、台阶等被测目标的尺寸。

由于本发明提出的一种弱散射目标的RCS测量方法，将各种不同的测量载体作为目标背景看待，将不含缝隙、台阶等弱散射目标的载体测量数据作为背景数据，通过背景对消实现缝隙、台阶等弱散射目标和载体的散射分离，大大提高了弱散射目标的测量精度。经过实测，所取得的效果良好，具有极大的工程推广价值。