一种多功能内场散射成像测量系统、方法及应用

1.本发明属于电子与科学应用技术领域，尤其涉及一种多功能内场散射成像 测量系统、方法及应用。主要内容是微波暗室中的电磁波测量系统的改造，改 造涉及到的装置主要包括放置待测物体的转台和固定雷达的天线支架，涉及到 的相关实验有rcs测量实验、极化rcs测量实验、sar成像实验、极化sar 成像实验以及条带式sar成像实验。


背景技术：

2.目前，微波暗室又被称为无回波室，它的内部墙壁覆盖了一层可以吸收电 磁波的物质，称为吸波材料，最常见的吸波材料是聚氨酯吸波海绵sa。一般来 说，微波暗室内壁所使用的吸波材料多为海绵状锥形吸收体，并且锥顶上有涂 层。有了吸波材料，就人为制造出了一个“自由空间”条件，这给模拟测量室 外条件下物体的rcs及sar成像提供了一个理想的电磁环境。雷达散射截面 (radar cross section,rcs)是在天线发展过程中依照惯例转移到雷达目标特性的众多概念之一，它并不是真实存在的面积，是假想出来的。rcs是用于描述物体被雷达信号照射后反射回来的信号强度的物理量。可以这样理解：在物体的相同位置放置一个理想导体球，当理想导体球面对相同环境，相同雷达信号时得到的回波信号强度和目标的回波信号强度相同时，rcs就是这个理想导体球的投影面积。合成孔径雷达(synthetic aperture radar,sar)的首次使用是在20世纪50年代后期，装载在几种战略侦察飞机上。它利用雷达的运动把较小孔径的雷达合成出大孔径雷达。因为雷达孔径越大，成像的分辨率越高，所以sar成像一经提出就迅速的发展了起来。
3.微波暗室技术从上世纪50年代初出现后，在国外发展迅速，光美国就搭建 了400多间微波暗室。目前国外著名的微波暗室有美国的贝尼菲尔德微波暗室 俄亥俄州立大学rcs测试场、佐治亚技术研究所和波音公司的毫米波系统等。国 内的微波暗室起步较晚，国家对雷达的要求更高更好，因此我国很多企业、电子类 的高校和研究所都开始了微波暗室的研究和建造。通常情况下，微波暗室的测量系 统包括载物平台、天线支架、屏蔽墙、控制系统、连接电缆和测量软件。载物平台 的作用是放置待测物体，实现物体的转动。载物平台直接和待测物体接触的支撑物 是泡沫，使用泡沫是为了尽量减少周围环境对回波信号的影响；天线支架的作用是 支撑天线、达到喇叭天线需要的极化状态、自由移动，完成某些实验(如条带sar 成像)的轨道移动等作用；屏蔽墙的作用是隔开载物平台和天线支架，尽量减少载 物平台对电磁回波的影响；控制系统主要控制载物平台的转动角度，喇叭天线信号 的收发；连接电缆连接实验需要用到的仪器，比如信号发射器，喇叭天线和功放 等；测量软件保存、分析实验数据。微波暗室的优点主要有：不需要担心有室外条 件下的气候影响；实验的可重复性强，不用担心待测目标的移动，节省了约三分之 一靶场时间；由于是室内环境，外部电磁信号无法进入，所以无辐射干扰，而且室 内的电磁波也不会传到外边，不会受到电磁辐射监管的限制；外部探测器探测不到 室内的电磁信号，保密程度高。
4.雷达的常用极化方式有四类，分别是hh、vv、vh、hv，前两个是同向 极化，后两个是正交极化。其中h表示水平，v表示垂直。则hh表示水平发 射水平接收，vv表示垂直发射垂直
接收，vh表示垂直发射水平接收，hv表 示水平发射垂直接收。不同极化下相同物体的回波信号不同，显示的物体特征 也不相同。比如，在对海洋目标物体测量时，l波段在hh极化下作用更好；对 于草地和道路，水平极化测量出来的数据更好一些。各种极化测量配合，就可 以更完整的显示物体的各项信息。
5.现有的微波暗室测量系统进行物体rcs测量实验或者sar成像实验的具体 步骤如下：准备工作，使用激光器发出的激光找到载物平台正对着的天线支架 的中心点，然后载物平台和天线的横向位置保持不动；实验人员松动天线支架 上的转动手柄，以人工的方式调整支架的上下移动，使得支架的横杆调整至和 载物平台同一水平线；水平移动喇叭天线，使其中心位置正好对准载物平台； 完成喇叭天线的对准工作后，还要调整喇叭天线的水平度，先松动喇叭天线后 的螺丝，使其可以稍微自由转动，将调平仪器放置在天线上，观察气泡位置， 等调平后将天线喇叭固定；最后，将待测物体放置在载物平台上，根据测量的 要求进行天线的极化取向以及测试软件其它参数的设置，开始测量。在上述测 量过程中，前期的调整校准工作通常要花费大量的时间，主要总结出以下几个 原因：第一，装载天线的横杆有一端固定，另一端由另外一个可调节的立柱支 撑，另一端的立柱如果调节高度不到位，天线支架的重量就会主要由这个立柱 上支撑，这就导致了横杆变得不水平，需要借助激光器检查是否平行，然后再 人工微调高度。固定横杆的立柱和横杆是一体的，有一定的重量，实验人员调 整高度时需要手动移动，极难移动到需要的位置。第二，在调整喇叭天线水平 的时候，要在立柱上操作，立柱本身具有一定高度，调平仪器使用起来十分不 易。第三，载物平台上放置物体的泡沫是非固定的，在物体的放置过程，实验 人员常常碰到泡沫，导致泡沫移位，校准工作又得重新开始。
6.通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：
7.(1)载物平台上直接支撑待测物体的泡沫不固定，做准备工作时经常误触， 容易导致校准工作的多次重复。在做实验时，载物台往往需要根据实验的需求 进行转动，如果载物平台上的泡沫转动过程中移动，前期的校准就失去了意义。
8.(2)载物平台和天线支架不在同一水平线，载物平台的高度只有固定的几 个高度，天线支架的调整过程复杂费力，导致载物平台和天线调平时浪费时间 且精确度不高。
9.(3)载物平台和天线支架的距离固定，无法进行不同距离的测量。
10.(4)喇叭天线的极化方式单一，且支架上没有刻度，满足不了多极化或不 同俯仰角度情况下的测量。
11.(5)天线支架上下调整时还需要人工调整，费时费力并且精确度不高。
12.解决以上问题及缺陷的难度为：微波暗室对暗室内壁的要求很严格，在改 造时需要在保证所有微波暗室支持完成的实验都可以实现的情况下减少测量系 统对电磁波信号的影响。并且改动项目过多，需要对整个测量系统重新进行设 计，需要考虑的问题很多、工作量大、复杂程度很高。
13.解决以上问题及缺陷的意义为：对微波暗室进行改造，首先，可以简化目 前测量过程的准备工作；其次，改造后的微波暗室测量系统，由于天线支架和 载物平台提前固定在同一条线，所以在精确度上有了很大的提升。最后，改造 后的天线可以相对载物平台前后移动，天线喇叭也可以根据提前预设的刻度进 行不同极化，不同俯仰角度的设置，大大提升了微波暗室实验室的测量内容， 可进行的实验增加了很多。


技术实现要素：

14.针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多功能内场散射成像测量系 统、方法及应用。
15.本发明是这样实现的，一种多功能内场散射成像测量系统，所述多功能内 场散射成像测量系统设置有：
16.载物平台；
17.所述载物平台上方增加由螺丝固定的凹槽，凹槽上方有一固定的空心管， 空心管带有内螺纹，再上方是一个外螺纹的支柱，支撑着一个平板；
18.天线喇叭固定在一个平板上，平板后有一个连接装置，将平板和滚珠丝杠 连接起来；
19.调整极化的装置设置角度的标刻；滚珠丝杠主体下方设置一个环球回转工 作台，工作台和轨道连接，轨道中心和载物平台预先对齐的。
20.进一步，所述外螺纹的支柱的直径40mm。
21.进一步，所述平板上放置泡沫锥台。
22.进一步，所述平板距离空心管的最大极限高度为320mm，物体距离地面的 最大高度为2114mm。
23.进一步，所述平板和上方直接支撑物体的泡沫锥台是锯齿状，相互咬在一 起。
24.进一步，所述平板后有一个连接装置，将平板和滚珠丝杠连接，通过下方 一个1800转每分钟的电机来实现天线喇叭的上下自由移动。
25.本发明的另一目的在于提供一种所述多功能内场散射成像测量系统在不同 距离的rcs测量实验中的应用，包括：
26.rcs的电场定义式为：
[0027][0028]
其中，r表示测量雷达到待测物体的距离，ei和hi表示发射端发射出去的 入射信号电磁波强度，es(r)和hs(r)表示收集端测量到的回波信号电磁场强度。 rcs是一个标量，单位为m2，通常情况下写成对数形式，称为分贝平方米，记 为dbsm：
[0029]
σ
dbsm
＝10lgσ(r)；
[0030]
目标rcs测量的数据处理方法是先测量得到回波信号，通过雷达距离方程 反算出目标rcs的值，雷达距离方程如下：
[0031][0032]
其中，pr为接收功率，p
t
为发射功率，g为天线增益；式中除了pr和σ之外， 其他的各项参数不变时，rcs的值仅和接收功率成正比；rcs和接收功率的关 系如下：
[0033][0034]
其中，σ0为标定目标的rcs值，p0为在同样的测量条件下，对标定目标测 量时的接收功率；采用标准的金属圆球或者金属平板作为标定目标，式中的σ0和 p0对于某一个给顶
的测量系统，在同一实验中都是已知的量，所以对于需要测量 的任何目标，只要测出pr就换算出目标的rcs值；
[0035]
在实际的实验测量系统中，由用电压代替功率：
[0036][0037]
计算机处理后，绘制出目标的rcs的曲线图。
[0038]
本发明的另一目的在于提供一种所述多功能内场散射成像测量系统在不同 极化下的rcs测量实验中的应用，包括：
[0039]
测得目标的rcs值，是取决于发射和接收天线的极化的，任意方式发射和 接收极化被分解成为两个互相正交的极化分量，如下式：
[0040]et
＝e
tv
cosγ
t
+e
th
sinγ
t
[0041]er
＝e
rv
cosγr+e
rh
sinγr；
[0042]
式中，e
t
和er是任意的，γ
t
和γr发射和接收信号电场方向与垂直方向的夹角， 角标t和r表示发射和接收信号，v和h表示垂直和水平极化；用入射波的场分 量表示接收场的分量，变换系数构成散射矩阵：
[0043]erv
＝s
vvetv
+s
hveth
[0044]erh
＝s
vhetv
+s
hheth
；
[0045]
式中，每个s都是复数，散射矩阵是一组四个无量纲的复数：
[0046][0047]
电场散射矩阵的元素与rcs散射矩阵元素的关系为：
[0048]
σ
ij
＝|s
ij
|；
[0049]
两式中矩阵皆由四个复数组成，需要测量八个量，分别是四个幅度和四个 相位；首先，考虑到入射波和散射波的传播距离，在雷达处的频率相位只能是 相对意义上的测量；其次，在没有绝对相位调准时，将四个元素间的相位关系 中的一个作为参考；最后，由于互易交叉极化项(σ
vh
和σ
hv
)必须相等，描述雷 达散射截面矩阵的必要的独立参数减少到五个。
[0050]
本发明的另一目的在于提供一种所述多功能内场散射成像测量系统在不同 极化下sar成像实验中的应用，包括：先对距离向和方位向进行解耦处理，将 两部分看作是两个一维处理分别完成；具体包括：
[0051]
(1)rd算法的距离向处理
[0052]
线性调频脉冲信号的复数表达式为：
[0053][0054]
其中，f0为初始载频，τ为信号脉宽，k为调频斜率；
[0055]
将目标的回波信号写成如下形式：
[0056]
s(τ,ta)＝σ*h1(τ,ta)*
τ
h2(τ)；
[0057]
其中，
[0058][0059][0060]
其中，τ为时间t的快时间分量，ta为时间t的慢时间分量，*为卷积符号，h1表示的是方位向的调制，h2表示的是距离向的调制；距离向的匹配函数为：
[0061]gr
(τ)＝s0(-τ)exp[-jπkrτ2]；
[0062]
距离向处理后的信号：
[0063]
sr(τ,ta)＝σ*h1(τ,ta)*
τar
(τ)；
[0064]
其中，ar(τ)为距离向处理后的包络，发射信号的包络不同，距离向处理后 信号的包络也随之改变，是一个sinc函数；
[0065]
(2)距离徙动校正处理
[0066]
进行解耦然后分成两个一维信号处理，得解耦，距离徙动校正处理；
[0067]
距离向处理后的信号改写为：
[0068][0069]
进行距离徙动校正时，将上式改写为：
[0070][0071]
其中，r
ref
为不随慢时间变化的参考距离，对改写前信号中的r(ta)做二阶泰 勒展开，则该式又改写为如下形式：
[0072][0073]
对进行方位向的傅里叶变换，得到方位向频域信号：
[0074][0075]
(3)rd算法的方位向处理：
[0076]
方位向匹配函数：
[0077][0078]
处理后的信号为：
[0079][0080]
其中，aa(ta)为处理结果的包络，是一个sinc函数。
[0081]
本发明的另一目的在于提供一种微波暗室中的电磁波测量系统，所述微波暗 室中的电磁波测量系统使用所述多功能内场散射成像测量系统。
[0082]
结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明主 要解决现有微波暗室各项实验过程中出现的问题；主要针对天线支架和载物转 台：主要解决方案是：(1)针对载物平台不能自由上下移动以及泡沫不固定的 问题，用螺纹升降台和齿状咬合的方法进行了改造。(2)针对天线支架极难调 整且喇叭天线极化方式单一的问题，选择了重新设计支架主体，给调整极化的 装置添加角度标刻的方法进行改造。(3)针对天线和待测物体不好对准的问题， 用一个预先固定的导轨进行了预定位。(4)增加了喇叭天线的俯仰角度调整功 能。本发明解决了现有微波暗室测量系统进行试验时所遇到的问题，提高了实 验调整过程中的精确性。同时，丰富了实验室可完成的实验内容，测量系统可 满足不同距离的rcs测量实验、不同极化下的rcs测量实验、条带sar成像 实验即不同极化下sar成像实验。
[0083]
本发明针对实验过程中遇到的问题，在原有的微波暗室测量系统基础上进 行了改进，比如载物平台的自由升降等；通过给极化调整和俯仰调整添加角度 标刻提升实验准确性；通过预先调整测量系统的位置(比如导轨和载物平台的 预先对准)，缩减了实验准备环节的用时；增加了微波暗室可以完成的实验项 目，比如条带sar成像实验、极化rcs测量实验等。
附图说明
[0084]
图1是本发明实施例提供的多功能内场散射成像测量系统的结构示意图。
[0085]
图2是本发明实施例提供的多功能内场散射成像测量方法的流程图。
[0086]
图3是本发明实施例提供的三种sar成像的扫描模式示意图。
[0087]
图4是本发明实施例提供的rd算法流程图。
[0088]
图5是本发明实施例提供的rcs实验测量接线图。
[0089]
图6是本发明实施例提供的微波暗室改造后可自由升降的载物平台示意图。
[0090]
图7是本发明实施例提供的微波暗室改造后由电机控制自由升降的天线支 架示意图。
[0091]
图8是本发明实施例提供的微波暗室改造后连接喇叭天线和滚珠丝杠的装 置示意图。
[0092]
图9是本发明实施例提供的微波暗室改造后带有角度标刻的天线支架示意 图。
具体实施方式
[0093]
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例， 对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以 解释本发明，并不用于限定本发明。
[0094]
针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种多功能内场散射成像测量系 统、方
法及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。
[0095]
如图1所示，本发明提供的多功能内场散射成像测量系统包括：载物转台、 天线支架和导轨等。
[0096]
本发明提供的多功能内场散射成像测量系统业内的普通技术人员还可以采 用其他的步骤实施，图1的本发明提供的多功能内场散射成像测量系统仅仅是 一个具体实施例而已。
[0097]
如图2所示，本发明提供的多功能内场散射成像测量方法包括以下步骤： 实验准备、实验仪器接线、频谱仪参数设置、测量空背景、测量定标体、测量 待测物体以及后续实验需要的其他极化状态和不同距离下的测量。
[0098]
下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。
[0099]
如图1-图9所示，本发明针对载物平台不能自由上下移动以及泡沫不固定 的问题本发明做了如下改进：在原本的平台上方增加了一个由螺丝固定的凹槽， 凹槽上方有一固定的空心管，空心管带有内螺纹。再上方是一个直径40mm的 外螺纹的支柱，支撑着一个平板，平板上可以放置泡沫锥台。空心内螺纹管和 外螺纹支柱配合起来就可以实现载物平台的上下移动，平板距离空心管的最大 极限高度为320mm，物体距离地面的最大高度为2114mm，可以满足平时实验 室测量的要求。平板和上方直接支撑物体的泡沫锥台设计的是锯齿状，可以相 互咬在一起，在进行实验准备工作的时候，即使实验人员不小心碰到了泡沫锥 台，也不会发生移位，载物平台转动时，泡沫锥台也不会轻易发生移动。
[0100]
针对天线支架存在的有关问题本发明做了如下改进：首先，将天线喇叭固 定在一个平板上，平板后有一个连接装置，将平板和滚珠丝杠连接起来，通过 下方一个1800转每分钟的电机来实现天线喇叭的上下自由移动。其次，在平板 上固定天线喇叭的地方也做了改进，由于在做各项试验的时候，往往需要测量 不同喇叭天线在不同极化状态下的数据。所以，固定喇叭天线的装置可以转动。 测量系统改进之前实验人员在调整极化时，只能选择水平或垂直极化，并且还 需要耗费功夫调整。本发明给调整极化的装置添加了角度的标刻，在进行极化 调整的时候更加方便，并且给实验提供了更多不同极化角度的选择，丰富了实 验内容。在雷达发展初期，技术水平还不够发达的时候，雷达的作用往往只是 对目标定位。而雷达发展至今，随着科技水平的增长，对雷达的要求也多了起 来，不仅要求能探知目标的位置，还想知道目标的形状等等。所以待测目标从 点目标变成了扩展目标，在对扩展目标进行测量时，雷达在不同角度上探测到 的数据都会是不同的，实验人员在进行室内试验时也要充分考虑这一点。因此， 本发明在给固定天线喇叭的装置添加了上下俯仰的功能，同样也是标有刻度的， 这样满足了对目标不同俯仰角度下的回波信号测量实验的要求。最后，滚珠丝 杠主体下方是一个环球回转工作台，工作台和轨道连接，轨道中心和载物平台 是预先对齐的，由于轨道和载物平台都是固定在地面的，不会因为外力轻易挪 动，免去了做实验前准备工作时的纵向调准工作，简化了校准步骤。整个滚珠 丝杠主体是可以做360度旋转的，同时也带动其上的喇叭天线的旋转，这样只 需要将待测物体放在导轨侧面固定的位置，喇叭天线随着滚珠丝杠在轨道上的 移动，就可以进行条带sar成像的实验。通过上述改造，本暗室测量系统可以 更好的完成以下实验：
[0101]
一、rcs测量。雷达散射截面(rcs)是一个假设出来的面积，用来描述 目标的回波强度，可以将雷达散射截面理解成为一个与雷达目标产生相同散射 效果的金属球的投影
面积。
[0102]
不管是简单或者复杂形体的rcs的预测，一直以来都是一个难题，所以， 测试目标的rsc是非常重要的。影响雷达散射截面的因素有：待测目标的物理 特性，即电磁特性；目标的外形和姿态；入射波的各项电磁参数；雷达收发的 位置以及极化状态。rcs的电场定义式为：
[0103][0104]
其中，r表示测量雷达到待测物体的距离，ei和hi表示发射端发射出去的 入射信号电磁波强度，es(r)和hs(r)表示收集端测量到的回波信号电磁场强度。 rcs是一个标量，单位为m2，通常情况下写成对数形式(称为分贝平方米，记 为dbsm)，即：
[0105]
σ
dbsm
＝10lgσ(r)；
[0106]
上述公式适用于理论计算物体的rcs值。而在试验中，一般目标rcs测量 的数据处理方法是先测量得到回波信号，然后通过雷达距离方程反算出目标 rcs的值。雷达距离方程如下：
[0107][0108]
其中，pr为接收功率，p
t
为发射功率，g为天线增益。该式中除了pr和σ之 外，其他的各项参数不变时，rcs的值仅和接收功率成正比。rcs和接收功率 的关系如下：
[0109][0110]
其中，σ0为标定目标的rcs值，p0为在同样的测量条件下，对标定目标测 量时的接收功率。一般情况下，本发明采用标准的金属圆球或者金属平板作为 标定目标，因为它们的rcs值可以用理论计算的方法精确求出。上式中的σ0和 p0对于某一个给定的测量系统，在同一实验中都是已知的量，所以对于需要测量 的任何目标，只要测出pr就可以换算出目标的rcs值。
[0111]
而在实际的实验测量系统中，由于测量电压的输出比直接测量接收功率容 易得多，所以用电压来代替功率：
[0112][0113]
这样，计算机处理后，就可以绘制出目标的rcs的曲线图了。实验室改造 后，不仅在测量rcs时的距离有了更灵活的选择，而且可以通过调整天线喇叭 的俯仰角度，测量不同角度照射待测物体的rcs值。因为一般情况下本发明的 待测物体都不会是标准的金属球或金属板，所以进行不同俯仰角度的rcs测量 是很有必要的。
[0114]
(2)极化rcs测量。测得目标的rcs值，是取决于发射和接收天线的极 化的。任意方式发射和接收极化都可以被分解成为两个互相正交的极化分量， 如下式：
[0115]et
＝e
tv
cosγ
t
+e
th
sinγ
t
[0116]er
＝e
rv
cosγr+e
rh
sinγr；
[0117]
式中，e
t
和er是任意的，γ
t
和γr发射和接收信号电场方向与垂直方向的夹角， e
tv
,e
th
,e
rv
和e
rh
都是电场的不同分量，角标t和r表示发射和接收信号，v和h表 示垂直和水平极化。如果用入射波的场分量来表示接收场的分量，变换系数构 成散射矩阵：
[0118]erv
＝s
vvetv
+s
hveth
[0119]erh
＝s
vhetv
+s
hheth
；
[0120]
式中，每个s都是复数，散射矩阵是一组四个无量纲的复数，即：
[0121][0122]
电场散射矩阵的元素与rcs散射矩阵元素的关系为：
[0123]
σ
ij
＝|s
ij
|；
[0124]
上面两式中矩阵皆由四个复数组成，一般来说需要测量八个量，分别是四 个幅度和四个相位。但是，并不是所有的量都绝对需要，首先，考虑到入射波 和散射波的传播距离，在雷达处的频率相位只能是相对意义上的测量。其次， 在没有绝对相位调准时，可以将四个元素间的相位关系中的一个作为参考。最 后，由于互易交叉极化项(σ
vh
和σ
hv
)必须相等，独立参数进一步缩减。所以， 描述雷达散射截面矩阵的必要的独立参数减少到五个。实验室改造后，由于有 了角度的标刻，本发明在旋转喇叭天线的极化角度时有了更多的选择，可以更 好地进行极化rcs的测量。
[0125]
(3)sar成像。初期的雷达都是真实孔径雷达(rar)，但是由于成像分 辨率与雷达天线的孔径(也就是长度)成正比，与波长和观测距离成反比，要 想得到的目标回波信号图像分辨率更高，只能增加天线的长度，可这并不现实， 于是合成孔径雷达(sar)被发明了出来。合成孔径雷达依次发射、收集电磁 波，将电磁波信号数字化后储存。由于接收信号发生在不同的时间，不同的位 置，接收信号这种有序的排列构成了比原本天线长的多的虚拟天线，这也是它 被称为“合成孔径”的原因。以工作方式划分，sar成像可分为条带式，聚束式， 扫描式，它们的成像模式如图3所示。条带sar成像：最常见的一种扫描模式， 工作时天线指向方向保持不变，扫描区域随平台而运动，天线波束匀速扫描， 形成扫描带。扫描sar：在平台运动时，波束顺着距离方向周期性扫描，有多 个扫描带，扫描区域也相应增加。聚束sar：在平台运动时，天线的指向随时 间变化，始终指向同一个区域。其中条带式sar成像是这集中成像模式中比较 基础的一种成像模式。根据天线的方向不同，条带式sar成像又可分为正侧视、 斜侧视和前斜视成像。下边介绍一种最成熟、最经典的合成孔径雷达成像算法， 距离多普勒算法，也叫rd算法。rd算法主要包括距离压缩处理和方位压缩处 理，还有一个距离徙动校正处理作为辅助处理，算法流程如图4所示。rd算法 的根本思想是先对距离向和方位向进行解耦处理，然后将两部分看作是两个一 维处理分别完成，接下来分别介绍。
[0126]
(3.1)rd算法的距离向处理
[0127]
线性调频脉冲信号是sar成像系统中最常见的发射信号，这种调频信号很 好的解决了普通脉冲带宽和脉宽不能同时增大的问题，提高了分辨率。线性调 频脉冲信号的复数表达式为：
[0128]
[0129]
其中，f0为初始载频，τ为信号脉宽，k为调频斜率。
[0130]
线性调频脉冲信号是sar成像中最常用的一种信号，雷达接受回波信号的 过程，可以看作是目标反射的信号通过一个线性系统的过程，而回波信号又和 物体的后向散射系数有关。因此，本发明可以将目标的回波信号写成如下形式：
[0131]
s(τ,ta)＝σ*h1(τ,ta)*
τ
h2(τ)；
[0132]
其中，
[0133][0134][0135]
其中，τ为时间t的快时间分量，ta为时间t的慢时间分量，*为卷积符号，h1表示的是方位向的调制，h2表示的是距离向的调制。距离向的匹配函数为：
[0136]gr
(τ)＝s0(-τ)exp[-jπkrτ2]；
[0137]
距离向处理后的信号：
[0138]
sr(τ,ta)＝σ*h1(τ,ta)*
τar
(τ)；
[0139]
其中，ar(τ)为距离向处理后的包络，发射信号的包络不同，距离向处理后 信号的包络也随之改变，通常情况下是一个sinc函数。
[0140]
(3.2)距离徙动校正处理
[0141]
距离徙动这一产生的原因是回波信号的距离向分量和方位向分量发生了耦 合，要进行解耦然后分成两个一维信号处理，就必须得解耦，也即距离徙动校 正处理。
[0142]
距离向处理后的信号改写为：
[0143][0144]
进行距离徙动校正时，将上式改写为：
[0145][0146]
其中，r
ref
为不随慢时间变化的参考距离。对改写前信号中的r(ta)做二阶泰 勒展开，则该式又可改写为如下形式：
[0147][0148]
对该式中的进行方位向的傅里叶变换，就可得到方位向频域信 号：
[0149]
[0150]
(3.3)rd算法的方位向处理
[0151]
方位向匹配函数：
[0152][0153]
处理后的信号为：
[0154][0155]
其中，aa(ta)为处理结果的包络，通常情况下也是一个sinc函数。
[0156]
通过以上描述可知道sar测量系统可看作是“一步一停”的工作模式。然而， 在天线运动中进行信号的收发对测量系统的要求很高。因此，在实际实验中， 实验人员常常是在天线平台的运动轨迹上设计若干测量点来测量，这很好的模 拟了真实天线的工作模式，也简化了实验。同时，相比于单极化sar，全极化 sar测出的散射信息更全面，在农业，海洋等应用领域潜力非常大，所以做不 同极化情况下的sar成像实验是很有必要的。实验室改造后，测量系统用来固 定天线的滚珠丝杠可以以自身为轴整体360度转动，配合丝杠下方的轨道，可 以模拟机载sar成像系统在航线上的运动，实现了“一步一停”收发信号的测量 模式。由于喇叭天线极化方式的多样性，本测量系统也能满足不同极化的sar 成像实验。
[0157]
下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。
[0158]
本发明针对实验过程中的问题，对实验测量系统进行了改造，下面将结合 实际实验过程，对本发明做进一步详细的描述。
[0159]
(1)rcs测量实验。
[0160]
(1.1)先根据测试要求，选定定标体，确定喇叭天线的频段、计划状态以 及天线距离载物平台的长度，这里本发明使用vv极化。
[0161]
该步骤描述时很简单，但在实验实际操作过程中，往往是耗时最大的一项。 原因如下：一，载物平台不固定，晃动导致校准工作的重复；二，载物平台和 天线喇叭对齐的过程，不仅需要横向移动，还需要纵向移动，很难校准；三， 天线支架属于半固定状态，容易晃动；四，载物平台高度固定。改造后的暗示 测量系统，因为预先将载物平台和天线支架中心对准，省去了横向对准的工作， 又因为本发明将载物平台和固定天线喇叭的平板都设计为可上下自由调整，简 化了对准这一步的操作。
[0162]
(1.2)测量系统连线，开机准备。
[0163]
对应天线喇叭的频率范围(18.5～26.5ghz)选择相匹配的功放，按照信号 的传输路线连接好线路。一般情况下，因为离门口距离远，受到的电磁辐射影 响小一点，本发明在实验测量的时候要保证接收到的信号准确性，所以选择靠 近门口的喇叭天线作为发射雷达，另一个为接收雷达。接线的顺序如下，发射 端：频谱仪由端口2发射信号，连接到功率放大器的in端口预热，再从out 端口引出，连接到发射天线。接收端：从接受喇叭引出，到放大器的in端口， 再从out端口引出到频谱仪的1端口，线路图如图5所示。然后打开频谱仪和 两个信号放大器，预热大约10mins，使发射信号以及所有的仪器工作稳定。
[0164]
(1.3)参数设置。
[0165]
在每次实验测试之前，都需要对频谱仪的以下参数进行设置。
[0166]
收发信号线路：一般使用s21模式，即2端口发出信号，1端口接收信号。
[0167]
扫频范围：根据实验所使用的天线喇叭的规格选取相匹配的扫频范围，这 里本发明选取18.5～26.5ghz频率范围。
[0168]
扫描点数：扫描点数从201～1001不等，扫描点数越多，得到的数据点数越 密集。但并不是扫描点数多久好，有时候点数过多会导致数据处理难度加大， 所以应当选取合适的扫描点数，这里本发明选择601个采样点数。
[0169]
(1.4)测量空背景。
[0170]
在进行内场rcs测量时，需要对环境的电磁特性进行校准，这一步是很重 要的。校准的结果不准，整个实验的准确度也不高。测量空背景的时候要保证 微波暗室内所有与实验无关的物品全部被清空，一个很小的物体对回波信号的 影响都是巨大的。测量空背景和测量定标物体的顺序可以调换，只要在整个实 验过程中，微波暗室内的总体环境没有变化即可。
[0171]
(1.5)测量定标物体。
[0172]
测量定标物体的rcs值的关键是对准载物平台和天线喇叭的位置，然后测 量。由于本发明预先将载物平台和导轨对准，所以在对准这一步简化了很多。 测量定标物体的时候，要保证微波暗室内的环境同(1.4)中测量空背景的环境 保持一致，避免其他因素对回波信号的影响。
[0173]
(1.6)测量待测目标。
[0174]
同样，在保证微波暗室内部环境不变的情况下，将待测目标放置在载物平 台上，对准。通过频谱仪发射脉冲信号，记录回波信号，获得想要的数据后点 击保存按钮。在大部分实验中，实验人员要测量的不仅仅是单个角度的rcs值， 也需要不同角度下待测物体的rcs值，可以通过计算机控制载物平台的转动， 然后进行测量。需要说明的是，这里的不同角度下的测量，和上述提到的不同 俯仰角度的测量是不同的，这里的是水平方向改变的角度，俯仰角度指的是竖 直方向改变的角度。
[0175]
(1.7)不同距离的rcs测量。
[0176]
部分实验要求进行不同距离的rcs的测量，因此本发明给微波暗室测量系 统增加了一个导轨，使其满足进行不同距离的rcs测量的条件。在进行不同距 离rcs测量实验时，本发明只需要用滚珠丝杠下方的回转工作台调整距离。把 雷达平台主体调整到本发明所需要的位置，然后固定。在这个调整过程中，微 波暗室内的其他环境是保持不变的。调整结束后，按照上述(1.1)～(1.6)实 验步骤进行测量，如果需要多个距离下的测量数据。实验人员可以在不改变喇 叭天线和待测物体状态的情况下进行距离的调整，减少了影响。需要说明的是， 本发明的轨道长度并不是固定的，轨道是由长度相等的短导轨拼接而成的。因 此，若实验有需求，并且微波暗室内条件允许的话，导轨可以根据需求相应的 增加长度，不会存在导轨固定导致不满足实验要求的情况。
[0177]
(1.8)不同极化的rcs测量。
[0178]
通过技术背景部分对天线极化状态的描述，可以知道不同的极化取向对目 标的回波信号的影响是很大的，所以在实验中对天线不同极化下回波信号的测 量也是必不可少的。本发明在之前的调整设备上进行了改进，增加了角度标刻。 在进行测量时，只需要根据预先标刻好的角度表示进行调整即可。调整好喇叭 天线的极化状态后，按照上述(1.1)
～(1.6)实验步骤进行测量。
[0179]
(2)sar成像实验。
[0180]
在sar成像系统的实际应用中，雷达平台往往是在不断运动的。而现有的 试验系统不具备在运动中收发信号的能力，所以本发明采用的是“一步一停”的收 发方式。这种收发方式即考虑到了测量系统的条件，又很好的模拟了真实合成 孔径雷达的工作方式。
[0181]
本发明设计的天线支架可以整体旋转，实验人员只需将天线转动90
°
，使得 固定喇叭天线的平板同导轨上下平行，再将物体放置到导轨侧方合适的位置上， 就可以实现条带式sar成像实验。sar成像实验具体步骤如下：
[0182]
(2.1)天线性能测试。
[0183]
在进行天线性能测试时，先将发射天线放到待测物体的位置，用接收天线 来模拟雷达的运动，得到方位向的天线辐射特性并以此作为方位向压缩的匹配 滤波函数。在上述sar成像原理中，方位向的匹配滤波函数是由发射信号得出 的。在实际实验中，本发明可以通过上述方法得到该实验所对应的匹配滤波函 数，用该匹配滤波函数来进行方位向信号的处理是很准确的。本发明还可以从 上述过程中得到天线发射信号的波瓣宽度，以此来确定方位向的扫描范围。
[0184]
(2.2)天线与目标坐标定位。
[0185]
测量目标到轨道的直线距离，根据天线波瓣宽度确定合成孔径长度。这里 本发明选择的合成孔径长度要小于天线的波瓣宽度，保证所有位置发射出去的 信号通过物体散射后的回波信号都能被接受雷达接受到。确定合成孔径长度的 过程，同时也是确定喇叭天线在轨迹上的停靠点(要进行“一步一停”的收发操作) 的过程，收发信号的点确定了，入射角度自然也确定下来。
[0186]
(2.3)扫描参数设置。
[0187]
同样的，在进行sar成像实验前，需要对以下参数进行设计：
[0188]
扫频范围：首先需要设置中心频率，为了保证成像效果，目标的尺寸相对 于入射波波长应该属于电大尺寸。为了提高距离向分辨率以显示目标的结构特 征，应该尽可能设置较大的带宽。
[0189]
采样点数：采样点数越多，距离向显示的范围越大。如果采样点数太少， 目标的高分辨距离像会发生堆叠，无法完整的显示目标。采样数越多，又会导 致测量数据过多，处理不方便。
[0190]
方位向扫描范围：扫描范围要大于覆盖目标的一个合成孔径长度。
[0191]
方位向扫描间隔：方位向扫描间隔和天线的实际孔径有关，一般选择天线 孔径的六分之一或八分之一。
[0192]
(2.4)条带式扫描。
[0193]
做好一切准备后，需要沿着方位向按照预设的测量点移动天线，模拟条带 式sar成像。测量系统会按照设置好的参数发射信号并且收集数据。
[0194]
(2.5)不同极化的条带sar成像。
[0195]
和不同极化下的rcs测量一样，不同的极化取向对目标的回波信号的影响 是很大的，对sar成像形成的sar图像来说这种影响更明显。实验人员在进行 不同极化的测量时，同样也是只需要将喇叭天线的极化状态按照实验要求调整 好，然后按照上述(2.1)～
(2.4)步骤进行测量。
[0196]
以上描述的两项实验只是本发明可以实现的基础实验，通过上文的描述， 本发明可以清楚的知道：在进行rcs测量实验和sar成像实验的时候，往往需 要改变不同的天线极化状态来获得实验预期得到的效果，而本发明对喇叭天线 的极化做了角度的标刻，不仅极大的方便了改变极化时的操作，而且还对精度 有了很大的提升，同时极化的角度也有了更多的选择，可以满足未来做圆极化 实验的要求。在进行实验校准工作的时候，由于本发明预先将导轨和载物平台 对准并且固定，节省了实验的准备时间也提高了精确度。
[0197]
在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上； 术语“上”、“下”、“左”、“右”、“内”、“外”、“前端”、“后端”、
ꢀ“
头部”、“尾部”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关 系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元 件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明 的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于描述目的，而不 能理解为指示或暗示相对重要性。
[0198]
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于 此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明 的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的 保护范围之内。