一种柱面近场测量RCS的方法及装置与流程

一种柱面近场测量rcs的方法及装置
技术领域
1.本发明涉及一种室内近场、柱面扫描方式测量目标rcs的方法。


背景技术：

2.rcs（radar cross section，雷达截面积，也称雷达散射截面）是目标（被测物）在雷达接收方向上反射雷达信号能力的度量，目标的rcs特性是衡量目标隐身性能的关键性指标。现阶段，目标rcs特性的测量方法主要有室内（近场、紧缩场、远场）、室外（远场）测量。其中室内近场测量的方式相比较紧缩场与远场具有测量空间尺寸小、建设费用低等优势。
3.现阶段室内近场测量rcs主要采用近场平面成像的方法进行，首先获得目标的二维或者三维像。二维像是指在平面上成的雷达像，在测量中主要对应一维扫描的情况。三维像是指在三维空间中成的雷达像，在测量中主要对应二维扫描的情况。然后通过各类算法外推获得目标的rcs特性。这种平面近场测量rcs的方法具有如下缺点。第一，在获得目标的二维或者三维像的步骤中需要获得大量测试数据进行推演，在此过程中需要占用大量的计算资源以及存储资源。第二，平面式的测量方法获得的目标rcs特性视角有限。具体来说，由于平面扫描方式得到的数据在角度上相对目标来说永远小于
±
90
°
（工程上往往只能做到
±
60
°
左右），无法获得目标360
°
全向的信息。


技术实现要素：

4.本发明所要解决的技术问题是提出一种柱面近场测量目标rcs的方法，相比较平面近场测量方式具有更广的视角，相比较现有的近场rcs测量手段可以有效地避开大规模数据计算和存储要求，提高测试硬件资源的利用效率。
5.为解决上述技术问题，本发明公开了一种柱面近场测量rcs的方法，包括如下步骤。步骤s1：使用仅一个探头正对目标，探头与目标之间的距离符合近场测试的要求，通过转台和垂直扫描架使得探头相对于目标不断变换位置，探头相对于目标构成的近场扫描面为圆柱面的一部分，实现单个探头对目标的柱面近场扫描，获得目标的近场测量数据。步骤s2：由目标的近场测量数据获得目标的原始rcs特性。步骤s3：对目标的原始rcs特性进行探头数据补偿。步骤s4：对进行探头数据补偿后的目标的原始rcs特性进行距离修正，获得目标的rcs特性的计算值。或者，所述步骤s3和步骤s4的顺序同时进行或者任一在前。步骤s5：对标准体采用步骤s1至步骤s4进行测量和处理，获得标准体的rcs特性的计算值；再利用标准体的rcs特性的计算值与实际值之间的关系，根据目标的rcs特性的计算值推算出目标的rcs特性的实际值。
6.进一步地，所述步骤s1中，通过单个探头相对于目标在柱面形状的近场扫描面上的不同位置进行测量和计算，模拟出远场的辐射波；所模拟的远场辐射波在与波的传播方向垂直的截面上与平面波具有相同特性；在波的传播方向上呈现幅度衰减、相位周期变化的特点，且在同等频率下相位变化速度是平面波的相位变化速度的两倍。
7.进一步地，所述步骤s1中，对探头的发射信号在幅度和相位上均加权，等同于对接
收到的目标的近场测量数据加权。
8.进一步地，所述步骤s2中，目标的原始rcs特性与近场测量数据之间的关系如公式一所示。
9.公式一为。
10.其中，表示符号两边为正比例关系；左端项表示目标的原始rcs特性；ρ表示当前测试位置的探头与z轴之间的距离，z轴是探头的所有测试位置构成的柱面的近场扫描面的中心轴，也是贯穿目标的中心点的中心轴；θ表示“所模拟的远场辐射波的位置和原点的连线”与z轴的夹角；表示“当前测试位置的探头与原点的连线”与x轴的夹角；表示所模拟的远场辐射波在近场扫描面弧度方向的加权系数；z表示当前测试位置的探头的z轴坐标；az表示所模拟的远场辐射波在z轴方向的加权系数；表示步骤s1中由单个探头测量得到的目标的近场数据，其中k表示波数；表示目标各散射点在进行距离修正之前的散射系数；表示目标各散射点以圆柱坐标系表示的坐标；ρ
t
表示目标中某个散射点与z轴之间的距离；表示“目标中某个散射点与原点的连线”与x轴的夹角；z
t
表示目标中某个散射点的z轴坐标；表示所模拟的远场辐射波的传播方向；dv代表微分算子。
11.公式一中，是一个复数，包括幅度和相位两部分；幅度部分amp如公式二所示；相位部分phase如公式三所示。
12.公式二为。
13.公式三为；其中，λ表示所模拟的远场辐射波的波长。
14.进一步地，所述步骤s1中，通过调整所模拟的远场辐射波的传播方向，实现调整所模拟的远场辐射波在传播方向的加权系数，从而得到目标不同方向的原始rcs特性。
15.进一步地，所述步骤s3中，所述探头数据补偿是指：在公式一中由替换，同时由替换az；其中，表示探头的方向性参数，θ
p
表示“探头在探头坐标系中产生的辐射方向图与原点的连线”与探头坐标系的正z轴之间的极角；表示“探头在探头坐标系中产生的辐射方向图与原点的连线在xoy平面的投影线”与探头坐标系的正x轴之间的方位角；所述探头坐标系是指原点设为探头中心点、且跟随探头位置变动的直角坐标系；探头坐标系与原点设为目标中心点的目标坐标系的关系为：探头坐标系的z轴平行于目标坐标系的z轴，且探头坐标系的x轴与目标坐标系的z轴有交点。
16.进一步地，所述步骤s4中，所述距离修正是指：在公式一中由替换；表示进行距离修正后的目标各散射点的散射系数，如公式四所示。
17.公式四为；其中，r1表示补偿参数，如公式五所示。
18.公式五为。
19.优选地，当目标在所模拟的远场辐射波的传播方向上的物理尺寸小于测试距离的1/5时，省略步骤s4，直接使用步骤s3得到的探头数据补偿后的目标的原始rcs特性作为目标的rcs特性的计算值。
20.本发明还公开了一种柱面近场测量rcs的装置，包括柱面近场测量单元、原始rcs计算单元、探头补偿单元、距离修正单元和实际rcs计算单元。所述柱面近场测量单元用于使用仅一个探头正对目标，探头与目标之间的距离符合近场测试的要求，通过转台和垂直扫描架使得探头相对于目标不断变换位置，探头相对于目标构成的近场扫描面为圆柱面的一部分，实现单个探头对目标的柱面近场扫描，获得目标的近场测量数据。所述原始rcs计算单元用于由目标的近场测量数据获得目标的原始rcs特性。所述探头补偿单元用于对目标的原始rcs特性进行探头数据补偿。所述距离修正单元用于对进行探头数据补偿后的目标的原始rcs特性进行距离修正，获得目标的rcs特性的计算值。或者，所述探头补偿单元和距离修正单元同时处理或者任一在前。所述实际rcs计算单元用于对标准体采用柱面近场测量单元、原始rcs计算单元、探头补偿单元、距离修正单元进行测量和处理，获得标准体的rcs特性的计算值；再利用标准体的rcs特性的计算值与实际值之间的关系，根据目标的rcs特性的计算值推算出目标的rcs特性的实际值。
21.优选地，当目标在所模拟的远场辐射波的传播方向上的物理尺寸小于测试距离的1/5时，省略距离修正单元，直接使用探头补偿单元得到的探头数据补偿后的目标的原始rcs特性作为目标的rcs特性的计算值。
22.本发明取得的技术效果是：第一，由单个探头相对于目标采用柱面形状的近场扫描面，相对传统平面近场扫描的方式，可获得更广的视角。平面近场扫描方式中，探头只能采集目标
±
90度之内的信息。本发明采用的柱面近场扫描方式中，探头可采集目标
±
180
°
的信息。实际测试时，基本都是目标转动，因此能实现探头采集目标360
°
的信息。第二，当目标的尺寸满足特定条件时，可省略距离修正，从而节省大量的存储和计算资源。
附图说明
23.图1是本发明提出的柱面近场测量rcs的方法的流程示意图。
24.图2是柱面形状的近场扫描面的示意图。
25.图3是本发明模拟的远场辐射波在传播方向的横截面上的幅度变化示意图。
26.图4是本发明模拟的远场辐射波在传播方向的横截面上的相位变化示意图。
27.图5是本发明模拟的远场辐射波在传播方向上的幅度变化示意图。
28.图6是目标与柱面的近场扫描面的位置示意图。
29.图7是本发明提出的柱面近场测量rcs的装置的结构示意图。
30.图中附图标记说明：1为柱面近场测量单元、2为原始rcs计算单元、3为探头补偿单元、4为距离修正单元、5为实际rcs计算单元。
具体实施方式
31.请参阅图1，本发明提出的柱面近场测量rcs的方法包括如下步骤。
32.步骤s1：使用仅一个探头正对目标，探头与目标之间的距离符合近场测试的要求，该距离一般是6-10个波长（对应于探头中心频率）。通过转台和垂直扫描架使得探头相对于
目标不断变换位置，实现单个探头对目标的柱面近场扫描，获得目标的近场测量数据。其中，柱面是指不断变换位置的探头相对于目标构成的近场扫描面为圆柱面（cylindrical surface）的一部分。
33.步骤s2：由目标的近场测量数据获得目标的原始rcs特性。
34.步骤s3：对目标的原始rcs特性进行探头数据补偿。在工程应用中，无论采用哪种技术都需对探头的数据进行补偿。但由于采用的技术不同，相应的探头数据补偿方法也不同。
35.步骤s4：对进行探头数据补偿后的目标的原始rcs特性进行距离修正，获得目标的rcs特性的计算值。
36.所述步骤s3和步骤s4的顺序没有严格限制，可以同时进行，或者任一在前。例如，可以先对目标的原始rcs特性进行距离修正，再对进行距离修正的目标的原始rcs特性进行探头数据补偿，获得目标的rcs特性的计算值。通过步骤s3的探头数据补偿和步骤s4的距离修正可从目标的原始rcs特性获得目标的rcs特性的计算值。
37.步骤s5：对标准体采用步骤s1至步骤s4进行测量和处理，以获得标准体的rcs特性的计算值。标准体的rcs特性的实际值已知。利用标准体的rcs特性的计算值与实际值之间的关系，根据目标的rcs特性的计算值推算出目标的rcs特性的实际值。
38.请参阅图2，这是柱面形状的近场扫描面的示意图。步骤s1的第一种实现方式是：目标不动，探头由转台以及垂直方向扫描架实现柱面的近场扫描面。一方面，探头由转台带动而转动，运动轨迹是xoy平面上的圆弧。另一方面，探头由垂直扫描架带动，而在垂直方向（平行于z轴）上下运动。步骤s1的第二种实现方式是：目标由转台带动而转动，运动轨迹是xoy平面上的圆弧或圆。探头由垂直扫描架带动，而在垂直方向（平行于z轴）上下运动。探头相对于目标的近场扫描面为柱面。无论是哪一种实现方式，探头在每一个位置通过信号的分时发射和接收获得一份测量数据，通过探头不断变换位置，最终获得柱面的近场扫描面上所有网格点的测量数据，也就完成了目标的近场数据采集。
39.理论上，无穷远处的辐射波是平面波。在rcs测量领域，通常使用两个探头在不同位置相互配合进行测量和计算，模拟出远场的平面波，称为平面波综合技术。本发明由于仅使用单个探头，因此无法模拟出远场的平面波。但是本发明通过单个探头相对于目标在柱面形状的近场扫描面上的不同位置进行测量和计算，模拟出远场的辐射波类似于平面波。所述“类似于平面波”是指某些特性与平面波相同，另一些特性则与平面波不同。本发明模拟的远场辐射波在数学表达上与平面波比较类似，因此可以应用平面波的一些特性，例如静区概念、等相位面等，并且在与波的传播方向垂直的截面上与平面波具有相同特性。但在波的传播方向上，平面波主要呈现幅度相等、相位周期变化的特点；本发明所模拟的远场辐射波则呈现幅度成一定规律衰减、相位周期变化的特点，且在同等频率下相位变化速度是平面波的相位变化速度的两倍。
40.例如，当本发明模拟的远场辐射波的入射方向（即传播方向）为x轴方向时，yoz平面就是与波的传播方向垂直的截面，在yoz平面的幅度变化如图3所示（单位为db），在yoz平面的相位变化如图4所示（单位为度），在x轴方向的幅度变化如图5所示。图3和图4表示出本发明模拟的远场辐射波形成的静区。在工程实践中，静区的概念并非需要幅度和相位完全相同（也无法达到），在一定范围里保持幅度基本相同和相位基本相同即可。图5表示出本发
明模拟的远场辐射波在传播方向上的幅度随距离而衰减，这是本发明模拟的远场辐射波和平面波不同之处。
41.请参阅图6，这是xoy平面上的一张示意图。目标的中心点作为直角坐标系、圆柱坐标系和球坐标系的原点o。探头符号和黑色圆点表示探头的不同测试位置。探头的所有测试位置构成柱面形状的近场扫描面，以直角坐标系的z轴作为柱面的近场扫描面的中心轴。在图6所示的xoy平面中，探头的所有测试位置构成一个圆周形状。ρ表示当前测试位置的探头（即当前测试点）与z轴之间的距离。由于近场扫描面为柱面，因此各个测试位置的探头的ρ值相等。表示本发明模拟的远场辐射波的传播方向。ρ
t
表示目标上的某点a与z轴之间的距离。r
t
表示目标上的某点a和当前测试位置的探头的距离。r2表示目标上的某点a和某个测试位置的探头的距离，该测试位置与a点的连线平行于本发明模拟的远场辐射波的传播方向。表示“当前测试位置的探头与原点o的连线一”与x轴的夹角。表示“目标上的某点a与原点o的连线二”与x轴的夹角。表示连线三与连线四的夹角。连线三是目标上的某点a和某个测试位置的探头的连线，该测试位置与a点的连线平行于本发明模拟的远场辐射波的传播方向；连线四是原点o和该测试位置的探头的连线。以上各个符号的含义在各个公式中保持不变。
42.所述步骤s1中，对探头的发射信号在幅度和相位上均加权，在柱面的近场扫描面上的不同位置的探头进行测量和计算就模拟出远场的辐射波。理论上步骤s1得到的目标的近场测量数据=发射数据
×
目标的近场特性。发射数据和接收数据（目标的近场测量数据）之间是线性关系，若对发射数据加权，接收到的数据就不需要加权。因此对发射数据加权等同于对接收到的测试数据加权。
43.所述步骤s2中，目标的原始rcs特性与近场测量数据之间的关系如公式一所示。
44.（公式一）。
45.公式一中，表示符号两边为正比例关系，该运算符左边、右边的部分分别称为左端项、右端项。左端项与右端项之间存在固定系数的比例关系。左端项表示目标的原始（即修正之前的）rcs特性。ρ表示当前测试位置的探头与z轴之间的距离，z轴是探头的所有测试位置构成的柱面的近场扫描面的中心轴，也是贯穿目标的中心点的中心轴。θ表示“本发明模拟的远场辐射波的位置和原点o的连线”与z轴的夹角。表示“当前测试位置的探头与原点o的连线一”与x轴的夹角。表示本发明模拟的远场辐射波在近场扫描面弧度方向（在图6中用两端有箭头的弧形虚线表示）的加权系数。z表示当前测试位置的探头的z轴坐标。az表示本发明模拟的远场辐射波在z轴方向（垂直方向）的加权系数。表示步骤s1中由单个探头测量得到的目标的近场数据，其中k表示波数。当前测试位置的探头的坐标用圆柱坐标系表示为。表示目标各散射点在进行距离修正之前的散射系数。目标各散射点是雷达成像中的概念，对目标进行尺度离散，进而目标的总散射场可表示为目标中各散射点所产生的散射场线性叠加效果。目标中各散射点的坐标用圆柱坐标系表示为。ρ
t
表示目标中某个散射点与z轴之间的距离。表示“目标中某个散射
点与原点o的连线二”与x轴的夹角。z
t
表示目标中某个散射点的z轴坐标。表示本发明模拟的远场辐射波的传播方向。dv代表微分算子。
46.公式一中，本发明模拟的远场辐射波在传播方向的加权系数是一个复数，包括幅度和相位两部分。
47.（公式二）。
48.公式二中，amp表示本发明模拟的远场辐射波在传播方向的加权系数的幅度部分。
49.（公式三）。
50.公式三中，phase表示本发明模拟的远场辐射波在传播方向的加权系数的相位部分。λ表示本发明模拟的远场辐射波的波长。
51.通过调整本发明模拟的远场辐射波的传播方向，就可以调整本发明模拟的远场辐射波在传播方向的加权系数，从而得到目标不同方向的原始rcs特性。当为0时，本发明模拟的远场辐射波是往x轴负方向传播的，该远场辐射波可在目标位置产生一静区位置（和平面波的静区概念相同），该静区位置在yoz平面的一定范围内幅度基本保持相等，相位也基本保持相等，沿x轴负方向成距离衰减模式，分别如图3、图4、图5所示。
52.公式一、公式二、公式三主要是对探头的发射信号加权后的数值与目标各散射点的散射系数（未进行距离修正之前）之间建立关系。公式一中，右端项表示目标各散射点在进行距离修正之前的散射系数在无穷远处的叠加效果，反映目标的原始rcs特性。右端项与远场测试时的散射公式形式一致，这间接说明特定的加权值可在目标位置获得类似于平面波的状态，即本发明模拟的远场辐射波在目标位置可产生静区（与平面波相同）。
53.所述步骤s3中，所述探头数据补偿是指对探头的方向性进行补偿。具体是指：公式一中的两个加权系数与az需要乘以，即探头数据补偿后的目标的原始rcs特性是在公式一的基础上由替换，同时由替换az。其中，表示探头的方向性参数，θ
p
（在替换项中是θ）表示“探头在探头坐标系中产生的辐射方向图与原点的连线”与探头坐标系的正z轴之间的极角（polar angle）。（在替换项中是）表示“探头在探头坐标系中产生的辐射方向图与原点的连线在xoy平面的投影线”与探头坐标系的正x轴之间的方位角（azimuth angle）。所述的含义与图6中的含义仅为表述方式不同，实际含义相同。所述探头坐标系是指原点设为探头中心点、且跟随探头位置变动的直角坐标系。探头坐标系与图6所示的原点设为目标中心点的目标坐标系的关系为：探头坐标系的z轴平行于目标坐标系的z轴，且探头坐标系的x轴与目标坐标系的z轴有交点。
54.由于本发明模拟的远场辐射波在传播方向上幅度并非完全相等，而是随距离而衰减，如图5所示，因此所述步骤s4中需要进行距离修正，如公式四和公式五所示。
55.（公式四）。
56.（公式五）。
57.其中表示进行距离修正后的目标各散射点的散射系数。r1表示补偿参数。距离修正后的目标的原始rcs特性是在公式一的基础上由替换。
58.优选地，当目标在本发明模拟的远场辐射波的传播方向上的物理尺寸小于测试距离ρ的1/5时，未进行距离修正产生的误差大约为0.2db，此误差可满足大部分工程应用，因此可以不进行距离修正，直接使用步骤s3得到的进行探头数据补偿后的目标的原始rcs特性作为目标的rcs特性的计算值，这样无需存储大量的数据（距离修正通常需要用到成像的原理，需要大量存储以及计算），可节省大量测量、存储及计算资源。
59.请参阅图7，本发明提出的柱面近场测量rcs的装置包括柱面近场测量单元1、原始rcs计算单元2、探头补偿单元3、距离修正单元4和实际rcs计算单元5。图7所示装置对应于图1所示方法。
60.所述柱面近场测量单元1用于使用仅一个探头正对目标，探头与目标之间的距离符合近场测试的要求，通过转台和垂直扫描架使得探头相对于目标不断变换位置，探头相对于目标构成的近场扫描面为圆柱面的一部分，实现单个探头对目标的柱面近场扫描，获得目标的近场测量数据。
61.所述原始rcs计算单元2用于由目标的近场测量数据获得目标的原始rcs特性。
62.所述探头补偿单元3用于对目标的原始rcs特性进行探头数据补偿。
63.所述距离修正单元4用于对进行探头数据补偿后的目标的原始rcs特性进行距离修正，获得目标的rcs特性的计算值。
64.所述探头补偿单元3和距离修正单元4的位置没有严格限制，可以同时进行，或者任一在前。例如，可以先对目标的原始rcs特性进行距离修正，再对进行距离修正的目标的原始rcs特性进行探头数据补偿，获得目标的rcs特性的计算值。
65.所述实际rcs计算单元5用于对标准体采用柱面近场测量单元1、原始rcs计算单元2、探头补偿单元3、距离修正单元4进行测量和处理，以获得标准体的rcs特性的计算值。标准体的rcs特性的实际值已知。利用标准体的rcs特性的计算值与实际值之间的关系，根据目标的rcs特性的计算值推算出目标的rcs特性的实际值。
66.优选地，当目标在本发明模拟的远场辐射波的传播方向上的物理尺寸小于测试距离ρ的1/5时，可以省略距离修正单元4，直接使用探头补偿单元3得到的进行探头数据补偿后的目标的原始rcs特性作为目标的rcs特性的计算值。
67.本发明主要采用类似于平面波综合、探头数据补偿、距离修正等技术实现rcs特性的柱面近场测量，与传统平面近场扫描的方式相比可获得更广的视角，在特定条件下还能节省大量的存储和计算资源。
68.以上仅为本发明的优选实施例，并不用于限定本发明。对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。