一种等离子腔测试背景消除方法与流程

本发明涉及激波等离子散射特性测试领域，特别涉及一种等离子腔测试背景消除方法。

背景技术：

当超高速目标飞行于稀薄大气层时，由于目标高超声速飞行对其头部大气压缩等作用，将进一步提高目标周围电子密度，同时将加速大气分子与电子等复合、离解反应，使稀薄大气层内超高速目标的电磁环境更为复杂，等离子体环境导致超高速目标特性发生变化、对探测雷达工作频率选择、参数设计等十分关键。

当前利用实验室内等离子体模拟系统，开展可控的等离子环境下超高速目标电磁特性模拟测量研究是一种有效实用的方法。

因电磁波的发射和接收天线处于密闭腔体外，如何精确测量获取置于充满等离子体的密闭腔体内的超高速目标的电磁散射特性是目前开展等离子环境下目标电磁散射特性模拟测试的难点之一。通过一种基于成像及多点标定方法消除等离子体腔体多路径干扰的方法，可以有效解决以上不足，为临近空间超高速流场模拟及等离子鞘包覆下目标散射特性的测量提供新的手段。

目前，发明专利“一种低温等离子体中电磁波传播特性测试装置”(专利号：cn201610652548.3)中提及采用低气压下辉光放电产生的等离子体内部无电势差的技术，使产生的等离子体稳定期延长，从而利于研究各频段电磁波在等离子体中的传播特性；发明专利“等离子体包覆材料的雷达反射特性测量装置及方法”(专利号：cn201210257142.7)中提及雷达散射截面测量机构固定在微波暗室内，大面积均匀非磁化等离子体产生单元由吸波材料包围在一个空间内，吸波材料有一个窗口，使大面积均匀非磁化等离子体产生单元的被测材料板直面雷达散射截面测量机构，它是一种能够在被测材料表面包覆等离子，并进一步实现等离子厚度可调以及消弱本体的雷达回波反射，从而满足开展等离子包覆材料的雷达反射特性实验测量的装置及方法；发明专利“一种测量脉冲放电等离子体鞘层温度的方法”(专利号：cn201210523847.9)中提及利用光谱法准确的测量出正柱区的气体温度，再利用小孔光阑阴影法，准确的测量放电后激波的波速，再用正柱区温度与激波波速计算出薄鞘层温度。

当前没有见到有关采用基于成像及多点标定方法，开展包覆等离子体超高速目标电磁散射特性测试过程中，消除等离子体腔体内背景及多路径干扰的相关专利。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种利用扫频成像及多点标定方式开展包覆等离子体的超高速目标电磁散射特性测试方法，利用标定数据消除由密闭腔体带来的多路径干扰，为实现在实验室内进行等离子包覆目标的电磁散射测试背景消除提供基础，为获取等离子环境中目标电磁散射特性地面模拟测量提供手段，进而在实验室内获取等离子包覆目标的电磁散射特性数据。

为了实现以上目的，本发明是通过以下技术方案实现的：

一种等离子腔测试背景消除方法，其特点是，包含如下步骤：

s1，基于宽带扫频测试，分别获取密闭且充满等离子腔中放置目标和不放置目标情况下的电磁散射特性数据；

s2，将等离子腔中放置目标和不放置目标情况下的电磁散射特性数据进行矢量相减，进行背景消除处理；

s3，将经过背景消除处理后获得的包覆等离子体的目标幅度和相位回波信号，经二维傅里叶变换，获得多路径干扰下的二维散射图像，并提取所述的二维散射图像中强散射点位置；

s4，在对应的二维散射图像中强散射点位置处放置金属小球，对之进行宽带扫频标定测试得到多组标定数据，并对二维散射图像进行标定处理，修正多路径耦合对密闭等离子体腔中目标测试的误差。

所述的步骤s1包含：

s1.1，将被测目标置于密闭等离子腔中，待密闭腔充满等离子体后，设置目标旋转角度和每次旋转的角度步进间隔，设置电磁波起始发射频率、终止发射频率和频率增量，在设定的角度上测量采集被测目标与密闭等离子腔的宽带幅度和相位回波信号；

s1.2，将被测目标取出，待密闭腔充满等离子体后，设置旋转角度和每次旋转的角度步进间隔，设置电磁波起始发射频率、终止发射频率和频率增量，在设定的角度上测量采集密闭等离子腔的宽带幅度和相位回波信号。

所述的步骤s2具体为：

将设定角度下被测目标与密闭等离子腔的宽带幅度和相位回波信号按照公式(1)减去密闭等离子腔的宽带幅度和相位回波信号进行背景消除处理，获取包覆等离子体的目标幅度和相位回波信号

所述的步骤s3具体为：

将背景消除后获得的包覆等离子体的目标幅度和相位回波信号，依据微波逆孔径成像原理，生成二维散射图像，利用clean迭代算法，找出目标散射图像中幅度的最大点，把该最大点作为第一个强散射点，然后从散射图像的原始采样数据中减去该强散射点产生的散射场得到新的采样数据，再从新的采样数据中找到一个新的强散射点，依次类推，直到达到预设的门限为止。

所述的步骤s4包含：

s4.1，选取雷达散射截面量级相当的金属球，分别依次置于二维散射图像的各个强散射点位置处，进行宽带扫频测试，获取金属球幅度和相位回波信号；

s4.2，在所述的二维散射图像上，每个强散射点采用对应的金属球幅度和相位回波信号并通过公式(2)进行标定修正多路径耦合对密闭等离子体腔中目标测试的误差：

式中，σt为定标后目标雷达散射截面的散射矢量；σo为定标体理论的散射矢量；为固定背景消除后的目标回波信号矢量；为固定背景消除后的定标体回波信号矢量。

在所述的步骤s4.2后还包含：

从定标后目标雷达散射截面的散射矢量中，采用基于散射图像的目标雷达散射截面重构技术，提取中心频率下随角度变化的包覆等离子的目标雷达散射截面。

本发明与现有技术相比，具有以下优点：

本发明以角度旋转宽带扫频和矢量相减为基础，消除密闭等离子腔等固定背景对电磁波的影响，获取密闭腔体内包覆等离子的目标二维电磁散射图像，研究图像中目标及多路径干扰下的强散射点分布，通过在各强散射点处分别放置金属球开展标定测试，利用标定数据消除由密闭腔体带来的多路径干扰，为实现在实验室内进行等离子包覆目标的电磁散射测试背景消除提供基础，为获取等离子环境中目标电磁散射特性地面模拟测量提供手段，进而在实验室内获取等离子包覆目标的电磁散射特性数据。

附图说明

图1为本发明一种等离子腔测试背景消除方法的流程图；

图2为本发明未固定背景消除的散射图像；

图3为本发明目标回波强散点的示意图。

具体实施方式

以下结合附图，通过详细说明一个较佳的具体实施例，对本发明做进一步阐述。

如图1所示，一种等离子腔测试背景消除方法，包含如下步骤：

s1，基于宽带扫频测试，分别获取密闭且充满等离子腔中放置目标和不放置目标情况下的电磁散射特性数据；

s2，将等离子腔中放置目标和不放置目标情况下的电磁散射特性数据进行矢量相减，进行背景消除处理；

s3，将经过背景消除处理后获得的包覆等离子体的目标幅度和相位回波信号，经二维傅里叶变换，获得多路径干扰下的二维散射图像，并提取所述的二维散射图像中强散射点位置；

s4，在对应的二维散射图像中强散射点位置处放置金属小球，对之进行宽带扫频标定测试得到多组标定数据，并对二维散射图像进行标定处理，修正多路径耦合对密闭等离子体腔中目标测试的误差。

所述的步骤s1包含：

s1.1，将被测目标置于密闭等离子腔中，待密闭腔充满等离子体后，设置目标旋转角度和每次旋转的角度步进间隔，设置电磁波起始发射频率、终止发射频率和频率增量，在设定的角度上测量采集被测目标与密闭等离子腔的宽带幅度和相位回波信号，具体的，将被测目标置于密闭等离子腔中，待密闭腔充满等离子体后，设置目标初始方位角-20度，终止方位角20度，旋转角度间隔0.5度，设置电磁波起始发射频率8ghz、终止发射频率12ghz和频率增量5mhz；启动测试程序，每旋转0.5度，测量采集被测目标与密闭等离子腔的宽带幅度和相位回波信号。

s1.2，将被测目标取出，待密闭腔充满等离子体后，设置旋转角度和每次旋转的角度步进间隔，设置电磁波起始发射频率、终止发射频率和频率增量，启动测试程序，在设定的角度上测量采集密闭等离子腔的宽带幅度和相位回波信号。

上述的步骤s2具体为：

将设定角度下被测目标与密闭等离子腔的宽带幅度和相位回波信号按照公式(1)减去密闭等离子腔的宽带幅度和相位回波信号实现对固定测试干扰的消除，然后采用软件距离门，去除测试区域外的干扰信号(如图1所示为未进行固定背景消除处理的散射图像)，然后进行背景消除处理，获取包覆等离子体的目标幅度和相位回波信号

上述的步骤s3具体为：将背景消除后获得的包覆等离子体的目标幅度和相位回波信号，依据微波逆孔径成像原理，生成二维散射图像，利用clean迭代算法，找出目标散射图像中幅度的最大点，把该最大点作为第一个强散射点，然后从散射图像的原始采样数据中减去该强散射点产生的散射场得到新的采样数据，再从新的采样数据中找到一个新的强散射点，依次类推，直到达到预设的门限为止。如图2所示标注为①的点(幅度为-41db、x轴0.2m、y轴-0.5m)，把该最大点作为第一个强散射点，然后从散射图像的原始采样数据中减去该强散射点产生的散射场得到新的采样数据，再从新的采样数据中找到一个新的强散射点②(幅度为-44db、x轴0.25m、y轴0.6m)，依次类推分别获得点③(幅度为-50db、x轴-0.8m、y轴0.65m)、④(幅度为-51db、x轴-0.5m、y轴0m)、⑤(幅度为-56db、x轴1.2m、y轴0.1m)，直到达到预设的门限(-70db)为止，如图2所示。

上述的步骤s4包含：

s4.1，选取雷达散射截面量级相当的金属球，分别依次置于二维散射图像的各个强散射点位置处，进行宽带扫频测试，获取金属球幅度和相位回波信号；即，选取直径5cm的金属球，分别依次置于①、②、③、④、⑤点位置处，各完成一次8ghz～12ghz的宽带扫频测试，获取金属球幅度和相位回波信号。

s4.2，在所述的二维散射图像上，每个强散射点采用对应的金属球幅度和相位回波信号并通过公式(2)进行标定修正多路径耦合对密闭等离子体腔中目标测试的误差：

式中，σt为定标后目标雷达散射截面的散射矢量；σo为定标体理论的散射矢量；为固定背景消除后的目标回波信号矢量；为固定背景消除后的定标体回波信号矢量，该目标雷达散射截面为二维散射图像上的像素点。

在第四步获得的包覆等离子体的目标散射图像上，①散射点区域采用第五步在①点处测量获取的金属球回波信号，依据公式(2)开展标定，②散射点区域采用第五步在②点处测量获取的金属球回波信号开展标定，③、④、⑤点采用同样方式完成标定。

在所述的步骤s4.2后还包含：

从定标后目标雷达散射截面的散射矢量中，采用基于散射图像的目标雷达散射截面重构技术，提取中心频率下随角度变化的包覆等离子的目标雷达散射截面。

综上所述，本发明一种等离子腔测试背景消除方法，利用标定数据消除由密闭腔体带来的多路径干扰，为实现在实验室内进行等离子包覆目标的电磁散射测试背景消除提供基础，为获取等离子环境中目标电磁散射特性地面模拟测量提供手段，进而在实验室内获取等离子包覆目标的电磁散射特性数据。

尽管本发明的内容已经通过上述优选实施例作了详细介绍，但应当认识到上述的描述不应被认为是对本发明的限制。在本领域技术人员阅读了上述内容后，对于本发明的多种修改和替代都将是显而易见的。因此，本发明的保护范围应由所附的权利要求来限定。