基于模式滤波的目标散射分离方法与流程

本发明属于电磁技术领域，特别涉及一种目标散射分离方法，可用于目标分区域散射测量。

背景技术：

通过对飞机的散射测量是判断飞机机身涂层故障的主要方法之一，飞机在执行一次飞行任务后可能会造成某一部位涂层损伤，导致散射性能变化，传统上可以对机身进行区域划分，分多次对上述区域进行检测，分别对比执行任务前后的各区域的散射性能，以判断涂层的损伤区域。然而这种方法可能会在拆卸和运输检测过程中造成二次损伤。当在室外测量散射时，会由于电磁环境恶劣形成巨大测量误差。

例如，申请公布号为cn201910767035.0，名称为“一种时域门变换方法和装置”的专利申请，公开了一种用于分离并去除目标区域外杂散影响的方法，该方法主要基于时域门技术，通过采集待测目标的频域rcs数据，依据频域时域变换方法将所述频域rcs数据转换为时域rcs数据，获取用于时域选通的时域门函数，将所述时域门函数施加在所述时域rcs数据得到时域选通数据，依据时域频域变换方法将所述时域选通数据转换为频域数据，对所述频域数据进行重归一化处理以去除数据走样，但该技术需要宽频带电磁测量数据才能分离并去除目标区域外杂散影响，分离效果受到测量带宽的影响，特别是对于uhf/vhf这些绝对带宽较窄的测量场景，很难分离目标区域外的杂散影响。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的缺陷，提出一种基于模式滤波的目标散射分离方法，旨在解决通过单频点测量对目标各区域散射进行精确分离的问题，同时提高各区域的散射测量效率。

为实现上述目的，本发明采取的技术方案包括如下步骤：

(1)对整个散射体的散射场数据进行采样，得到覆盖部分球面区域的散射场数据的远场方向图对远场方向图进行坐标平移操作和方向图补零操作，获得全空间上的远场方向图其中，θ为测量空间直角坐标系中的俯仰角，为测量空间直角坐标系中的方位角；

(2)对全空间上的远场方向图基于球面波展开，获得球面波模式展开系数：

(2a)对全空间上的远场方向图基于球面波展开，展开表达式为：

其中，s表示出射波，a表示入射波，m为取值为0～∞的模式项标记，n为取值为1～∞的模式项标记,为横电波te出射波的m·n项球面波展开系数，为te入射波的m·n项球面波展开系数，为横磁波tm出射波的m·n项球面波展开系数，为tm入射波的m·n项球面波展开系数，为m·n项te出射波模式，为m·n项te入射波模式，为m·n项tm出射波模式，为m·n项tm入射波模式，j为虚数符号；

(2b)截取上述的球面波展开表达式中的a项和b项，获得能够包含待分离目标散射体的完整散射信息远场方向图

其中，b＝2^nextpow2(mn)，mn＝[kr0]+u，a＝2b，u为自设整数，r0是以测量坐标原点为中心且包围待分离目标的最小球体的半径；

(2c)对上述包含待分离目标散射体的完整散射信息远场方向图进行展开，获得te波的球面波展开系数和tm波的球面波展开系数

其中,i＝s或a，k为波数；

(3)滤除球面波高阶模式项，获得滤波后待分离目标的远场方向图

(3a)获得球面波函数的截断模式数n0：n0＝[kr1]+v，

其中，[kr1]为kr1向上取整的整数，r1是以待分离目标口径中心为原点且包围待分离目标的最小球的半径，v为自设整数；

(3b)选取模式滤波器filter(n)，滤除上述te波的球面波展开系数和tm波的球面波展开系数中的高阶模式系数，获得表征待分离目标的te波模式系数和tm波模式系数

(3c)截取上述包含待分离目标散射体的完整散射信息远场方向图球面波展开表达式中的2n0²项，获得滤波后待分离目标的远场方向图

(4)获取待分离目标在阵中的远场方向图并将滤波后待分离目标的远场方向图和待分离目标在阵中的远场方向图进行对比，当两者的水平截面方向图曲线或者垂直截面方向图曲线能够吻合时，表示成功从整个散射体的散射场中将待分离目标的散射场分离出来。

本发明与现有技术相比，具体以下优点：

本发明由于对整个散射体的单频点散射场数据进行采样，对散射场方向图基于球面波展开和模式滤波，因而可通过数学后处理方法获得整个散射体中的各部位的散射场，降低了对宽带测量系统的要求，提高了各部位散射测量效率与精度；同时由于降低了对宽带测量系统的要求，因而对uhf/vhf这些频段测量场景，也可分离整个散射体的各部分的散射场。

附图说明

图1是本发明实施例的实现流程图；

图2是本发明待测散射体中的三单元金属贴片阵模型图；

图3是本发明待测散射体中的三单元金属贴片阵的双站rcs截面方向图；

图4是本发明待测散射体中的三单元金属贴片阵中一个单元的阵中双站rcs截面方向图；

图5是用本发明从待测散射体中的三单元金属贴片阵中分离出的一个单元的双站rcs截面方向图；

图6是本发明待测散射体中的三单元金属贴片阵的总场方向图与一个单元的阵中方向图和从阵中分离出的该单元方向图在垂直方位面上的对比图；

图7是本发明待测散射体中的涂覆吸波材料后的三单元金属贴片阵的总场方向图与一个单元的阵中方向图和从阵中分离出的该单元方向图在垂直方位面面上的对比图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的实施例和效果作进一步详细描述。

参照图2，本实例所使用的散射体是由三维坐标系xyz下放置在xoy平面内的三个相同的金属贴片单元m,m2,m3组成的贴片阵m＝[m1,m2,m3]，其正上方是单位幅度平面波，m2单元的口径中心位于三维坐标系xyz的坐标原点，m1和m3单元的口径中心到三维坐标系xyz的坐标原点的距离为p，每个贴片单元的大小为λ×λ，其中，λ为波长。

参照图1,本发明的实现步骤如下：

步骤1，获取散射体的散射场测量数据并进行预处理，获得全空间上的远场方向图

(1a)对整个散射体的散射场数据进行采样，即对三单元金属贴片阵m的散射场数据进行采样，散射场数据的采样需要通过一种扫描方式进行区域采样：

现有的扫描方式有平面扫描、柱面扫描和球面扫描，现有的扫描区域有近场、准远场和远场，本实施例扫描方式选择采用但不限于平面扫描，采样的区域采用但不限于远场；得到三单元金属贴片阵m的远场方向图其中，θ为测量空间直角坐标系中的俯仰角，为测量空间直角坐标系中的方位角；

(1b)将远场方向图平移至待分离贴片单元的口径中心，获得的平移后的远场方向图为

其中，(x,y,z)为待分离贴片单元的口径中心坐标，表示坐标平移的相位，j为虚数符号，k为波数；

(1c)对平移后获得的远场方向图进行方向图补零操作，获得全空间上的远场方向图

步骤2，对全空间上的远场方向图基于球面波展开，获得球面波模式展开系数：

(2a)对全空间上的远场方向图基于球面波展开，即展开成一系列球面波模式项的叠加，其展开表达式为：

其中，s表示出射波，a表示入射波，m为取值为0～∞的模式项标记，n为取值为1～∞的模式项标记,为横电波te出射波的m·n项球面波展开系数，为te入射波的m·n项球面波展开系数，为横磁波tm出射波的m·n项球面波展开系数，为tm入射波的m·n项球面波展开系数，为m·n项te出射波模式，为m·n项te入射波模式，为m·n项tm出射波模式，为m·n项tm入射波模式；

上述展开表达式中的一系列球面波模式项的前a项和b项包含三单元金属贴片阵m的完整散射信息；

(2b)截取上述的球面波展开表达式中的前a项和b项，获得能够包含待三单元金属贴片阵m的完整散射信息远场方向图

其中，b＝2^nextpow2(mn)，mn＝[kr0]+u，a＝2b，u为自设整数，r0是以测量坐标原点为中心且包围待分离贴片单元的最小球体的半径；当分离m1,m3贴片单元的散射场时，当分离m2贴片单元的散射场时，

(2c)根据上述包含待分离目标散射体的完整散射信息远场方向图中的各个模式之间的正交性，获得te波的球面波展开系数和tm波的球面波展开系数

其中,i＝s或a。

步骤3，滤除球面波的高阶模式项，获得滤波后待分离目标的远场方向图

(3a)获得球面波函数的截断模式数n0：

(3a1)自设整数v，整数v取决于源点与场点的坐标位置关系和所需要的精度；

(3a2)获取以待分离目标口径中心为原点且包围待分离目标的最小球的半径：

(3a3)根据(3a1)和(3a2)的结果，计算出球面波函数的截断模式数n0

n0＝[kr1]+v，其中，[kr1]为kr1向上取整的整数；

(3b)选取模式滤波器filter(n)，滤除上述te波的球面波展开系数和tm波的球面波展开系数中的高阶模式系数：

现有的模式滤波器有矩形窗、余弦平方窗、汉宁窗、海明窗、布莱克曼窗等，本实施例的模式滤波器filter(n)采用但不限于矩形窗，即

通过矩形窗获得表征待分离目标的te波模式系数和tm波模式系数

(3c)截取上述(2b)中球面波展开表达式中的球面波模式前2n0²项，获得滤波后待分离贴片单元的远场方向图

步骤4，对滤波后获得的待分离贴片单元的远场方向图进行可视化分析，确定最终是否将待分离贴片单元的散射场从三单元金属贴片m的整体散射场中分离出来。

(4.1)对三单元金属贴片阵m中的待分离贴片单元的散射场数据进行采样，本实例是对三单元金属贴片阵m中的第一个单元m1单元的散射场进行采样，获得该单元在阵中的远场方向图并将其作为待分离贴片单元的散射场是否从三单元金属贴片阵m的整体散射场中分离出来的基准；

(4.2)将滤波后获得的待分离贴片单元的远场方向图与基准远场方向图进行对比，当两者的垂直方位面方向图曲线能够吻合时，表示已成功从三单元金属贴片阵m的整体散射场分离出待分离贴片单元的散射场。

以下结合仿真实验，对本发明的技术效果进一步说明：

1、实验环境：

实验软件：feko+winprop2018,matlabr2017a,

实验电脑配置：intel(r)core(tm)i7-8700kcpu3.70ghz,windows10(pro)

实验条件：将频率为2ghz的单位幅度平面波沿三维坐标系xyz的z轴正上方向向三单元金属贴片阵m照射。

2.实验内容：

实验1，利用feko+winprop2018软件对三单元金属贴片阵m的散射场进行测量，得到三单元金属贴片阵m的双站rcs截面方向图，如图3所示；

实验2，利用feko+winprop2018软件对三单元金属贴片阵m中第二个单元m2单元的散射场进行测量，得到m2单元的双站rcs截面方向图，如图4所示；

实验3，利用matlabr2017a软件，对三单元金属贴片阵m的散射场基于球面波展开和模式滤波，得到从图3中分离出的m2单元的双站rcs截面方向图，如图5所示；

将实验1、实验2和实验3获得的在垂直方位面上的远场方向图进行比较，如图6所示。

对比图4和图5，两者的阴影分布基本一致，图6中三单元金属贴片阵m中的m2单元在垂直方位面的远场方向图与从三单元金属贴片阵m中分离出的m2单元在垂直方位面上的远场方向图曲线贴合，吻合度高，表示已成功将m2单元的散射场从三单元金属贴片阵m的整体散射场中分离出来。

实验4，将三单元金属贴片阵中的m1,m3贴片单元涂覆吸波材料，重复实验1、实验2和实验3，结果如图7所示。

从图7可见，涂覆吸波材料后的三单元金属贴片阵中的m2单元在垂直方位面的远场方向图与从涂覆吸波材料后的三单元金属贴片阵中分离出的m2单元在垂直方位面上的远场方向图曲线贴合，吻合度高，表示已成功将m2单元的散射场从涂覆吸波材料后的三单元金属贴片阵的整体散射场中分离出来。