一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法

1.本发明涉及目标电磁散射与声散射技术领域，具体为一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法。


背景技术：

2.电磁散射是入射电磁波在目标体表面形成感应电流后进行二次辐射的电磁波，散射电磁波包含有目标的信息特征，是目标信息的载体，在散射电磁波的基础上可进一步获得目标电磁散射特征，目标电磁散射特征在雷达探测、隐身设计和电子对抗中具有重要的意义，尤其是用于现代雷达自动目标识别中具有不可或缺的作用。
3.目前，目标电磁散射特征的实际测试主要有微波暗室法、紧缩场测试法和外场测试法，虽然实际测试的精度较高，但测试成本较高、技术难度大、对测试环境的要求较高，此外，目标电磁散射特征测试还存在室内测试空间限制性高，外场测试保密性差的问题，并且现有技术中目标电磁散射特征实际测试重成本较高、技术难度大、对测试环境的要求较高，故而，提出一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法来解决上述问题。


技术实现要素：

4.(一)解决的技术问题
5.针对现有技术的不足，本发明提供了一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法，具备检测结果精度较高等优点，解决了现有技术中目标电磁散射特征实际测试重成本较高、技术难度大、对测试环境的要求较高的问题。
6.(二)技术方案
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法，包括以下步骤：
8.1)确定需要评估的三维目标的电磁散射频率，对应的电磁波频率，脉冲宽度，扫频带宽与三维目标性质，取缩比系数为r1；
9.2)确定通过三维目标声散射评估电磁散射中声散射测试的声波频率、声信号脉冲宽度、扫频带宽与对应声学性质的三维目标；
10.3)对应声学性质的三维目标，并安装于消声水池中测试；
11.4)当需要获得通过三维目标声散射评估目标单站电磁散射的结果时，则进行单频点声散射测试，则继续进行操作，当需要获得通过三维目标声散射评估目标的一维距离像和isar的结果时，则需要进行具有一定带宽的线性扫频声散射测试；
12.5)三维目标声散射单个角度测试过程为，信号源产生发射信号，信号放大后发射，接收目标散射的回波信号，回波信号线性放大、滤波和存储；
13.6)根据步骤4，与所需要的步进角度，完成不同角度范围内的三维目标的声散射测试；
14.7)如果为单频点声散射，则在采集的每个角度的回拨信号中截取目标声散射信
号，并进行fft计算，则可得三维目标的单站声散射测试结果，此结果为通过三维目标声散射评估目标单站电磁散射的结果；
15.8)对采集的单个角度的回拨信号进行脉冲压缩处理，则得到被测目标的对应角度的一维距离像结果，此结果为通过目标声散射评估目标电磁散射一维距离像的结果；
16.9)采用r-d算法对步骤6中采集的多角度的散射回波信号进行处理，获得目标的isar成像结果，此结果为通过目标声散射评估目标电磁散射二维成像的结果。
17.进一步，所述步骤2)中确定通过三维目标声散射评估电磁散射中声散射测试的声波频率、声信号脉冲宽度、扫频带宽与对应声学性质的三维目标的方法为：
18.a.当目标物为导体时，对应进行声学测试的目标应为刚性图或绝对弹性体，体积尺度缩小r1倍；
19.b.当目标物为介质体时，其介质体对应的电磁波的反射系数为v1，则对应进行声学测试的目标材质应为一般弹性体，其声学反射系数必须为v1，同时体积尺度缩小r1倍；
20.c.当需要评估的电磁波频率为(f
e1-f
e2
)(ghz)，脉冲时间为t
e1
时，则对应声波的频率为(f
s1-f
s2
)(khz)，声波脉冲时间为t
s1
＝2
·
105·
t
e1
/r1，其中， f
s1
＝5
·
r1·fe1
，f
s2
＝5
·
r1·fe2
，当f
e1
＝f
e2
时，d
s1
＝f
s2
，为单频点测试。
21.进一步，所述步骤7)中使用傅里叶变换方法对每个角度采集到的测试信号进行处理，s(m，f)＝fftn(sr(m，t))，然后截取对应频率的幅度值进行幅度归一化处理，可得对应角度m
·
δθ的单站声散射值r(m
·
δθ)＝normal(s(m，f1))，循环计算所有角度的r(m
·
δθ)值，可得目标声散射测试评估目标单站电磁散射计算结果。
22.进一步，所述步骤8)中使用脉冲压缩算法计算目标一维距离像的具体方法是：对采集到的测试信号进行匹配滤波处理，y(t)＝ifft(s(f)
·
h(f)
·
wins)，即目标声散射评估目标电磁散射一维距离像计算结果，其中，s(f)为接收信号 sr(t)的傅里叶变换s(f)＝fft(sr(t))，h(f)＝conj(fft(s
t
(t)))为发射信号的系统相应函数s
t
(t)的系统相应函数，fft(
·
)、ifft(
·
)和conj(
·
)分别为快速傅里叶变换、傅里叶逆变换和复共轭计算，wins为hamming窗函数。
23.进一步，所述步骤(九)中，使用r-d算法作为目标电磁散射二维成像计算方法，即分别对距离和方位进行二维傅里叶变换，假设原始接收到的测量数据为sr(m，n)，其中m为方位向采样角度数，n为时间域的距离像采样数，在距离向进行ifft处理，可得不同方位上的目标距离向数据ifftn(sr(m，n))；然后在方位向进行fft处理，可得目标的二维成像结果fftm(ifftn(sr(m，n)))，即目标声散射评估目标电磁散射二维成像结果。
24.(三)有益效果
25.与现有技术相比，本发明提供了一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法，具备以下有益效果：
26.1、该通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法，通过确定需要评估的三维目标的电磁散射频率与目标媒质的性质，然后根据缩比关系确定目标声散射测试所需的声波信号频率、脉冲宽度、扫频频率宽度、目标的性质与尺寸体积等，然后将声散射测试所需目标安装于水声紧缩场或者常规水池中进行目标不同角度的声散射测试，采集不同角度的声散射回波信号并存储，最后采用幅度计算、脉冲压缩和r-d二维成像算法处理声散射回波信号，可以到目标电磁散射特征结果。
27.2、该通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法，通过目标声散射特征的仿真与测试评估该目标的电磁散射特征，目标电磁散射特征包括：目标单站电磁散射、目标电磁散射一维距离像的结果和目标电磁散射二维成像，本发明适用于一般水声测试与水声紧缩场测试，可对应于电磁环境中的一般点对点微波暗室与微波紧缩场测试工作，本发明可有效降低目标电磁散射特征测试的成本与技术难度、拓展目标电磁散射特征评估的技术方法，用频率较低的声波散射特性反演频率较高的电磁散射特性，本发明通过对三维目标声散射测试与目标电磁散射测试的对比，验证了本发明所提出的通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法具有较高的精度，在目标电磁散射的模拟测试与评估的研究与应用中具有广泛用前景。
附图说明
28.图1为本发明提出的一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法流程图；
29.图2为本发明提出的一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法目标声散射测试流程框图；
30.图3为本发明提出的一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法电磁散射评估中的被测物示意图；
31.图4为本发明提出的一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法声散射特征测试的接收波形示意图；
32.图5为本发明提出的一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法声散射特征测试的声散射信号提取结果示意图；
33.图6为本发明提出的一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法目标声散射测试评估目标单站电磁散射结果示意图。
具体实施方式
34.下面将结合本发明的实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.声波是一种纵波，如同电磁散射一样，声散射也包含了目标物的大小、结构、形状和材质等信息，目标体的声散射测量也可以获得目标体的各种信息，声散射是各种声学理论研究和声探测应用技术的基础，虽然，电磁波和声波是两种完全不同性质的波，但对比两种波的波动方程和边界条件等，会发现其在一定条件下具有近似的表达形式，基于此相似性，一些理论与技术在跨电磁波与声波领域的共同应用已经广泛存在，如超材料技术、相控阵与多波束技术、散射理论、成像技术等，这为目标物电磁散射特征的声散射评估方法提供了部分理论基础。
36.请参阅图1-6，一种通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法，包括以下步骤：
37.1)确定需要评估的三维目标的电磁散射频率，对应的电磁波频率，脉冲宽度，扫频带宽与三维目标性质，取缩比系数为r1；
38.2)确定通过三维目标声散射评估电磁散射中声散射测试的声波频率、声信号脉冲宽度、扫频带宽与对应声学性质的三维目标；
39.3)对应声学性质的三维目标，并安装于消声水池中测试；
40.4)当需要获得通过三维目标声散射评估目标单站电磁散射的结果时，则进行单频点声散射测试，则继续进行操作，当需要获得通过三维目标声散射评估目标的一维距离像和isar的结果时，则需要进行具有一定带宽的线性扫频声散射测试；
41.5)三维目标声散射单个角度测试过程为，信号源产生发射信号，信号放大后发射，接收目标散射的回波信号，回波信号线性放大、滤波和存储；
42.6)根据步骤4，与所需要的步进角度，完成不同角度范围内的三维目标的声散射测试；
43.7)如果为单频点声散射，则在采集的每个角度的回拨信号中截取目标声散射信号，并进行fft计算，则可得三维目标的单站声散射测试结果，此结果为通过三维目标声散射评估目标单站电磁散射的结果；
44.8)对采集的单个角度的回拨信号进行脉冲压缩处理，则得到被测目标的对应角度的一维距离像结果，此结果为通过目标声散射评估目标电磁散射一维距离像的结果；
45.9)采用r-d算法对步骤6中采集的多角度的散射回波信号进行处理，获得目标的isar成像结果，此结果为通过目标声散射评估目标电磁散射二维成像的结果。
46.需要说明的是，步骤2)中确定通过三维目标声散射评估电磁散射中声散射测试的声波频率、声信号脉冲宽度、扫频带宽与对应声学性质的三维目标的方法为：
47.a.当目标物为导体时，对应进行声学测试的目标应为刚性图或绝对弹性体，体积尺度缩小r1倍；
48.b.当目标物为介质体时，其介质体对应的电磁波的反射系数为v1，则对应进行声学测试的目标材质应为一般弹性体，其声学反射系数必须为v1，同时体积尺度缩小r1倍；
49.c.当需要评估的电磁波频率为(f
e1-f
e2
)(ghz)，脉冲时间为t
e1
时，则对应声波的频率为(f
s1-f
s2
)(khz)，声波脉冲时间为t
s1
＝2
·
105·
t
e1
/r1，其中， f
s1
＝5
·
r1·fe1
，f
s2
＝5
·
r1·fe2
，当f
e1
＝f
e2
时，f
s1
＝f
s2
，为单频点测试。
50.同时，步骤7)中使用傅里叶变换方法对每个角度采集到的测试信号进行处理，s(m，f)＝fftn(sr(m，t))，然后截取对应频率的幅度值进行幅度归一化处理，可得对应角度m
·
δθ的单站声散射值r(m
·
δθ)＝normal(s(m，f1))，循环计算所有角度的r(m
·
δθ)值，可得目标声散射测试评估目标单站电磁散射计算结果。
51.并且，步骤8)中使用脉冲压缩算法计算目标一维距离像的具体方法是：对采集到的测试信号进行匹配滤波处理，y(t)＝ifft(s(f)
·
h(f)
·
wins)，即目标声散射评估目标电磁散射一维距离像计算结果，其中，s(f)为接收信号sr(t)的傅里叶变换s(f)＝fft(sr(t))，h(f)＝conj(fft(s
t
(t)))为发射信号的系统相应函数s
t
(t)的系统相应函数，fft(
·
)、ifft(
·
)和conj(
·
)分别为快速傅里叶变换、傅里叶逆变换和复共轭计算，wins为hamming窗函数。
52.需要说明的是，步骤(九)中，使用r-d算法作为目标电磁散射二维成像计算方法，即分别对距离和方位进行二维傅里叶变换，假设原始接收到的测量数据为sr(m，n)，其中m为方位向采样角度数，n为时间域的距离像采样数，在距离向进行ifft处理，可得不同方位
上的目标距离向数据ifftn(sr(m，n))；然后在方位向进行fft处理，可得目标的二维成像结果fftm(ifftn(sr(m，n)))，即目标声散射评估目标电磁散射二维成像结果。
53.本实施例中，使用有限长圆柱的声散射特征评估其电磁散射特征，其中，有限长圆柱为声学软体和电磁学金属导体，在有限长圆柱进行电磁散射测试时，使用铝箔进行覆盖，以实现金属体条件，基于上述散射对应准则，选择电磁波频率为4ghz，声波为20khz，对应电磁波与声波的波长为75mm。
54.上述目标声散射测试评估目标电磁散射特征中，需要确定对应目标和声波参数，包括目标体积尺寸、声波频率、扫频带宽和脉冲宽度。
55.需要注意的是，当目标尺寸大小不变时，取比例系数r1＝1，当需要评估的电磁波频率为(f
e1-f
e2
)(ghz)，脉冲时间为t
e1
时，则对应声波的频率为 (f
s1-f
s2
)(khz)，声波脉冲时间为t
s1
＝2
·
105·
t
e1
/
r1
。
56.其中，f
s1
＝5
·
r1·fe1
，f
s2
＝5
·
r1·fe2
，当f
e1
＝f
e2
时，f
s1
＝f
s2
，为单频点测试，由于本实施例中中单频点散射问题，因此通过上述公式可知，测试中对应的声波频率为20khz，对应声波的波长为75mm，如图4与图5为目标声散射特征测试中的接收波形与散射信号提取结果图
57.需要说明的是，目标声散射测试评估目标单站电磁散射计算方法如下：
58.(1)使用傅里叶变换方法对每个角度采集到的测试信号进行处理，
59.s(m，f)＝fftn(sr(m，t))；
60.(2)然后截取对应频率的幅度值进行幅度归一化处理，可得对应角m
·
δθ的单站声散射值：
61.r(m
·
δθ)＝normal(s(m，f1))；
62.(3)循环计算所有角度的r(m
·
δθ)值，可得目标声散射测试评估目标单站电磁散射计算结果，如图6为目标声散射测试评估目标单站电磁散射结果。
63.同时，目标声散射评估目标电磁散射一维距离像的计算方法：
64.对采集到的测试信号进行匹配滤波处理，y(t)＝ifft(s(f)
·
h(f)
·
wins)，即目标声散射评估目标电磁散射一维距离像计算结果。
65.其中，s(f)为接收信号sr(t)的傅里叶变换s(f)＝fft(sr(t))， h(f)＝conj(fft(s
t
(t)))为发射信号的系统相应函数s
t
(t)的系统相应函数， fft(
·
)、ifft(
·
)和conj(
·
)分别为快速傅里叶变换、傅里叶逆变换和复共轭计算，wins为hamming窗函数。
66.并且，目标声散射评估目标电磁散射二维成像的计算方法：
67.通过使用r-d算法作为目标电磁散射二维成像计算，分别对距离和方位进行二维傅里叶变换，假设原始接收到的测量数据为sr(m，n)，其中m为方位向采样，n为时间域的距离像采样，在距离向进行ifft处理，可得不同方位上的目标距离向数据ifftn(sr(m，n))；然后在方位向进行fft处理，可得目标的二维成像结果fftm(ifftn(sr(m，n)))，即目标声散射评估目标电磁散射二维成像结果。
68.本发明的有益效果是：
69.1、该通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法，通过确定需要评估的三维目标的电磁散射频率与目标媒质的性质，然后根据缩比关系确定目标声散射测试所需的声波信号频率、脉冲宽度、扫频频率宽度、目标的性质与尺寸体积等，然后将声散射测试所需目
标安装于水声紧缩场或者常规水池中进行目标不同角度的声散射测试，采集不同角度的声散射回波信号并存储，最后采用幅度计算、脉冲压缩和r-d二维成像算法处理声散射回波信号，可以到目标电磁散射特征结果。
70.2、该通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法，通过目标声散射特征的仿真与测试评估该目标的电磁散射特征，目标电磁散射特征包括：目标单站电磁散射、目标电磁散射一维距离像的结果和目标电磁散射二维成像，本发明适用于一般水声测试与水声紧缩场测试，可对应于电磁环境中的一般点对点微波暗室与微波紧缩场测试工作，本发明可有效降低目标电磁散射特征测试的成本与技术难度、拓展目标电磁散射特征评估的技术方法，用频率较低的声波散射特性反演频率较高的电磁散射特性，本发明通过对三维目标声散射测试与目标电磁散射测试的对比，验证了本发明所提出的通过三维目标声散射评估电磁散射特征的方法具有较高的精度，在目标电磁散射的模拟测试与评估的研究与应用中具有广泛用前景。
71.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。