基于成像提取的rcs精确测量方法研究-李南京.pdf

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1、第38卷第l期2017年1月仪器仪表学 报Chinese Jo啪al of Scientific InstmmemV0138 No1J锄2017基于成像提取的RCS精确测量 方法研究术李南京1，徐志浩1”，胡楚锋1，党娇娇12，郭淑霞1(1西北工业大学无人机特种技术重点实验室西安710065；2西北工业大学电子信息学院西安710072)摘要：高精度雷达散射截面(Rcs)测量对背景环境具有较高要求，当背景环境存在较强干扰时，通过背景矢量对消难以消除杂波影响。提出基于成像提取的高精度Rcs测量方法，从背景杂波中分离和提取出目标的散射信号，从而提高了测量的精度。首先推导了像与RcS的数学关系，然后利

2、用转台模式下的测量回波进行成像处理，得到目标区域的二维像；从成像区域中提取目标的二维像，通过波谱变换和定标获得目标的RCS。仿真结果表明，该方法对于具有干扰情况下的RCS测量，可以改善35 dB的测试精度，并且能够对弱散射目标进行测量。实验结果表明了成像提取方法的有效性和准确性。关键词：雷达散射截面；微波成像；成像提取；成像分辨率中图分类号：TN95 TH86 文献标识码：A 国家标准学科分类代码：51070lhsearch on accurate radar cross section measurement methodba鸵d on ima西ng e】|【tractionLi N删in9

3、1，Xu Zhiha01”，Hu Ch血n91，Dang J酬ia01”，Guo Shuxial(J幻MZ研k60删。可Sc如，lce。以死如加幻影Dn踟删肌ed Ae蒯池，0n胁e丌l Po加ecn讹Z踟觇rs缈，瓜口n7JDD酊，吼iM；2瓜胁叭e旷Efe以ro玮泌n蒯坳丌加渤n，o疗眦stem Po巧钯cn如z溉船妙，舡on 7J0072，仍iM)Ak；n甚ct：Highprecision radar cmss section(RCS)measurement h鹊high requirement for backgmund envimnment It is dimcult toeIimi

4、nate the cluuer efkct through backgmund vector canceUing when strong intederence exists in backgmund envir0砌emThis paperpmposes a high accuracy RCS me踮urement method based on imaging extIaction to separate and extract tlle target scattering sigIlal f南mbackground clutter，thereby tlle measurement accu

5、racy is improvedFirsdy，tlle mathematical relationsllip between the image and Rcs isderived，then the echo measured in the revolving stage mode is utilized t0 conduct the ima百ng pmcessing and obtain the 2-D imqge of thetarget areaThen，the 2一D image of the taIget is extracted f南m the imaging area，and t

6、lle RCS of the target is obtained山rough spectnlmtransfo珊and calibmtionThe simulation reslllts show that in RCS me踮urement under imeerence the proposed metllod c粕impmve themeasurement accuracy by 35 dB，and me船ure the taI伊t with weak scaneringExperiment results show the e娲ctiveness and accuracyof the

7、ima西ng ex仃action methodKeywords：radar cross section(RCS)；microwave imaging；imaging extraction；im呼ng resolution1 引 言随着现代战争中各种武器装备隐身技术的发展，为了验证目标的隐身性能，需要精确测量目标的雷达散射截面(radar cross section，Rcs)。目前Rcs的定量获取方法主要分为理论预估和实际测量。Rcs的实际测量始于雷达发展的初期，但因其军工背景，直到20世纪60年代都难以获知其发展程度。1965年，IEEE论文集出版了雷达散射特刊，提出了一些先进的RCS测量概述

8、及技术要求，在此之后随着开源文献越来越多，更多的高校和研究人员开始投身于这一领域。接下来的一段时期，基于电磁散射理论，出现了很多算法和工具，如矩量法(metlod of moments，MOM)、几何绕射理论(geometricaltheory of dimaction，GTD)和物理光学法(physical optics，PO)，奠定了电磁散射数值计算的基础。同一时期人们收稿日期：2016_07 Received Date：2016旬7基金项目：国家自然科学基金(61371023、61201320、61571368)项目资助万方数据第1期 李南京等：基于成像提取的Rcs精确测量方法研究 75

9、对降低军用目标RCS的需求，推动了散射测量技术的快速发展，使人们开始追求精确测量低散射目标的Rcs1。随着测量技术的不断提高，RCS测量技术已经发展得相当成熟，包括常规的室内、室外RcS测试场测量口，抛物面紧缩场缩距测量H，利用时域门的时间分离法和角度滤波的空间分离法提高信噪比，利用高分辨率系统和逆合成孔径技术进行散射点识别的成像测量技术旧，利用时域测量系统测试目标的瞬态响应、以及太赫兹Rcs测量等先进技术一1，均已发展到相当成熟的阶段，误差甚至可小于1 dB，而且正在向更高的测试精度和更完善的测试功能发展。当目标的Rcs量级较大时，对测试系统及测试方法的要求较低，使用常规的Rcs测试方法就能

10、够获得较准确的结果。但当被测目标的RCS量级较低时，如测量一40 dBsm的目标，要满足1 dB的误差，背景电平需要达到一60 dBsm，弱散射目标的高精确测量对测试系统和测试方法提出了更高的要求。一般暗室的测试环境可以通过选用合适的器材、妥善布置吸波材料，对杂波进行对消，并加时域窗以降低、消除收发天线间耦合和暗室后墙等强散射杂波干扰影响，提高测量精度。但是对消技术对于测试环境(主要是支架)与测试目标互相耦合产生的干扰信号的优化效果有限，且随着时间推移对固有强散射点的对消效果会逐渐变差m。为了获得精确的RCS，还需要测量定标体，对目标的回波数据进行定标处理，以补偿系统特性对目标测量的影响，但定

11、标并不能消除背景噪声的干扰“。紧缩场可以有效解决远场测试距离的问题，产生的平面波将聚集在平行波束内，暗室内4个侧壁的照射电平很低，从而降低了对暗室的要求。但当测试的频率较低时，紧缩场存在严重的边缘绕射，极大地影响了测试精度，且同样难以消除互耦产生的杂波干扰44“。即使改变转台的形状，或全部包覆吸波材料，仍然会存在部分干扰信号，严重影响测试精度。针对测量弱散射目标时的背景杂波难以消除，以及需要测量某一目标局部区域RCs的情况，提出了采用成像提取的方法改善Rcs测量精度。首先推导了像和Rcs的关系，采用高分辨率微波成像算法，从回波中获得目标和背景的二维像；然后从二维像中提取出目标像并反演RCS；最

12、后通过仿真和实验证明此方法可以有效消除环境噪声，获取弱散射点的散射特性。与一般的RCS测量方法相比，通过成像提取能够提高Rcs测量的准确性，能从背景环境中分离和提取出感兴趣目标的散射特性，数据处理过程直观，具有较高的测量精度。2像与RCS的关系如图l所示，发射天线沿着距目标中心凡的距离做圆周移动，0B间的距离为JR伽，这种运动方式与转台模式是等效的。当雷达的测试距离为R，偏离角为p，则其方位坐标为(Rsin一，一Rcos日)，对应的单位矢量为(sin口，一cosp)。若测试距离满足远场条件，从雷达到目标上任意一点(z。，)的距离为：R(并，)，)；=JRo+JRo口=Ro+cos日一石osin

13、p (1)， 、照免历向方向F嗡 。(sln口，cos日)淤卜J。 、一援收目Ln芷槲j一图1转台成像模型Fig1 Revol“ng stage iInaging model天线接收到的雷达波信号的回波为n 7|：E。(，口)=f fy(菇，y)e州4嘶+F耐。湖出dy(2)式中：y(菇，y)是目标的空间反射率分布，即目标的二维像，是天线频率，和方位角p的函数。标准球的反射率分布为：y(并，y)=6(0，0) (3)相应的接收信号为：E。U，p)=f f6(o，o)e刊4删趾缈枷以dy=e 1H嘶减 (4)为消除系统的频率特性影响，在成像之前，将目标与标准球的数据相比：E盯，p)=E。(厂，p

14、)E，(，日)=J f y(埘)e。嘶H删一砌出dy (5)令琏=2sinA，K=一2cosA，则式(5)可写为：E(K，巧)=J f y(石，)e鼬“出dy (6)式(6)满足傅里叶变换关系式，当E(K，K)已知时，可通过逆傅里叶变换得到：万方数据76 仪器仪表学报 第3 8卷y(戈，y)=f f E(K，K)e叫2州缸“7dKd巧 (7)则像与回波电场是傅里叶变换对：y(戈，y)E(疋，K，) (8)式中：E(K，K，)是相应的波谱，它将目标的像与目标散射联系起来。而由入射功率和回波功率可计算出目标区域的RCS，从而建立起像与RCS之间的关系。3成像算法由消除系统频率特性后的式(5)，令|

15、=矽c，可得：E(七，日)=f f y(石，y)e。2诎踟。”岫d石dy (9)将式(9)做二维逆傅里叶变换，由于在实际测试中频率范围和转角是有限的，得到近似的转台成像基本公式为：y(z，)，)=I旭(|，口)e口州声妒枷d|dp (10)；因式(10)的积分限不满足快速傅里叶逆变换(IFFT)条件，在实际的运算中需要对J|频移J|。；。令B为空间频率矗的带宽，且f=ycosp一菇sinp，得：P。(f)=I(忌+后血。)E(七+|。i。，日)e2删d| (11)6y(并，)，)=f匕(f)e伽一dp (12)屯由于系统发射的是步进频率信号，频率点是离散的，根据采样的频率点数，对后进行离散化：

16、I|=n曰一1，其中n=0，1，2，一1，于是式(11)改写成：蹦z)=薹(嵩n吨油)跏，班时wz(13)将投影线Z按照距离分辨率c2日进行等间距离散化2。=m“72曰=mB，其中m=0，1，一1，令E日(n)=(B 7n(一1)+矗。；。)E(凡，口)，则式(13)可表示为：P。(z。)=E。(n)e口”南=IFFTE。(n) (14)式中：只(f。)是在相应f。点上得到的投影值。积分过程中的投影线2随p变化，对于空间任一点的y(髫，y)，每个p对应不同的f，故只(f)是离散的f处的投影值，需通过对匕(f。)进行插值获得匕(f)：尸a(f)=P口(f。一1)+(fZ。一1)tana (15)

17、tana=P。(f。)一P。(f。一。)(z。一f。一。) (16)插值后即可对角度进行积分：y(算，y)=IP口(z)e正砒一d日=Pp(f)e业诎_(17)通过IFFr、插值、角度积分3步，便完成了对回波的成像处理过程，得到了被测目标的二维图像。4像的提取及RCS反演方法提取出被测目标的反射率分布后，根据目标散射源在二维图像中区域，用半径为n的二维窗函数此对区域反射率分布进行截取，得到新的二维像为：“”)=黔几芸 (18)对新的二维像进行二维傅里叶变换，得到目标的谱域数据为：E(K，K)=yo(戈，)，)e伽眯”鼢如d)， (19)与式(6)对比可知K和K是谱域的横轴和纵轴，积分范围对应7

18、。(戈，y)所在二维平面的上下限。对E(E，K)进行插值，得到随频率和角度变化的E(，9)，插值公式为：，=(c2)鹾+ (20)口=一tan。(EK) (21)同样测试一个RCS为盯。的定标体，对其反射率分布进行二维傅里叶变换，得到随频率和角度变化的金属球谱域数据(，p)。将目标与金属球的谱域数据相比，最终得到被测目标的RCS：盯=E(，p)一E。(，p)+盯。 (22)5仿真分析为了验证基于成像提取的Rcs精确测量方法，用FEKO仿真软件仿真了在远场测试条件下3种情况的测量结果。1)目标干扰的消除精度；2)弱散射目标Rcs测量精度；3)可进行成像提取目标的最小间隔。51 目标干扰消除精度若

19、被测目标周围存在强散射源，将对目标回波产生影响，使计算的目标RCs与真实值产生严重偏差。RCS的测量误差主要由目标与背景环境的回波功率比决定，产生的最大差可表示为：盯=一20lg(110一棚) (23)式中：s表示目标与背景环境的回波功率比。为了验证方法的效果，仿真了直径为150 mm的金属球，与球心间距200 mm处放置直径为50 mm金属球作为背景干扰，仿真模型如图2所示。万方数据第1期 李南京等：基于成像提取的Rcs精确测量方法研究 77图2球间距200 mm的大球(直径150 mm)与小球(直径50-nm)的仿真模型Fig2 Simulation model of the big ba

20、儿(the di啪eter 0f150 mm)and tIle small ball(the di砌eter of 50 mm)witll tlle distance of200咖印an首先使用成像算法对目标回波进行处理，根据所成的二维像，提取大球的像消除小球干扰，并根据150 mm定标球的散射数据反演目标的RCS。目标区域的二维像、提取的目标像、干扰下的大球RCS、消除干扰后的大球RCS与真实RCS的对比分别如图35所示。消除干扰后的大球RCS与大球理论RCS基本吻合，图5中金属球的RCS起伏已小于1 dB，可以看出采用该方法消除了背景环境的干扰，RCS的测量精度改善35 dB。图3目标区域

21、的二维像F嘻3 2一D image o“he target area图4提取目标的二维像Fig4 2一D image o“he extracted ta唱et磊一l 5兽访基一20小球十扰下的RCS理论Rcs提取球的RCS八pji，、，一i，一、j。；、jji、|。；fj，图5小球干扰下的大球RCS、消除干扰后的大球RCS与理论RCS的对比F培5 Predicted RCS of the b培ball underthe small ballinterference，tlle big baU RCS af【er eliminating theinteIference compared with

22、tIle tlleoretical RCS52弱散射目标RCS测量精度弱散射目标的RCS通常要低于一40 dBsm，在高精度的Rcs测量时，容易受到背景杂波的干扰，精确测量弱散射目标的RCS往往比较困难。以测量直径为10 mm金属球(理论值为一41 dBsm)为例，与球心间距200 mm处放置直径为150 mm的金属球作为干扰，仿真模型如图6所示。使用成像算法对目标回波进行成像，提取小球的二维像，并根据定标球的散射数据反演目标的Rcs。目标区域的二维像、提取的目标像、反演得到的小球Rcs与真实RCS的对比分别如图79所示。图6球间距200 mm的大球(直径150 mm)与小球(直径10 mm)

23、的仿真模型F谤6 Simulation model of the b唔ball(the diameter of150 mm)and the small ball(fhe diameter of 10 mnl)with the distan(、e of 200 mm apart图7目标区域的二维像F谤7 2一D jm89e offhe ta曙et area万方数据78 仪器仪表学报 第3 8卷图8提取目标的二维像Fig8 2一D image of the extracted ta唱et图9反演得到的小球Rcs与理论RcS的对比Fig9 Colp矗son between the retrieved

24、 smallbaU RCS and the tlIeoretical RCS由图9可知，反演得到的小球RCS与理论RCS基本吻合，表明基于成像提取的目标RCs反演方法可以准确测量弱散射源的Rcs。53成像提取目标的最小间隔理论上，在仿真和实际测量中，散射源的间距不能小于成像分辨率。成像分辨率分为纵向分辨率和横向分辨率，其中纵向分辨率酊=c2B，c为光速，曰为测量的频率带宽；横向分辨率缸=A2p，A为波长，9为孔径角。由于在成像过程中，未经加窗处理会引起很高的旁瓣，故一般成像都会采用加窗处理。但是加窗会使的主瓣展宽，影响分辨率。仿真两个直径为20一的金属球验证可进行成像提取的目标最小间隔，频率范

25、围为812 GHz，步进频率为5 MHz，转角从一115。115。，角度间隔02。，使纵向分辨率和横向分辨率大致相等。两球分别纵向和横向摆放，取球间距为n倍分辨率，成像结果如图10和“所示。通过仿真数据可知，目标间距为2倍分辨率时恰好可以分辨。由于没有系统架设和环境的影响，在纵向分辨率和横向分辨率一致的情况下，成像的纵向成像效果与横向基本一致。3。2 5r垒2o沙1。5岛曼l 0 0 5 0 O 5Wm(c)n=2图10纵向排列间距为n倍分辨率时的两球的二维像Fig10 2一D images o“he venically arranged twoballs with the distance

26、of n times of the resolution apan万方数据第l期 李南京等：基于成像提取的Rcs精确测量方法研究 79(d)，I 2 5图ll横向排列间距为n倍分辨率时的两球的二维像Fig1l 2一D images of山e horizontally aanged h帅baUs witll tlle distance of n times 0f tIle resolution印an6实验结果在微波暗室中分别测试5个直径为53 mm的金属球(见图12(a)，及一个直径53 mm的金属球(见图12(b)，测试的频率范围为8一12 GHz，频率间隔为5MHz。转动角度一250一250

27、，角度间隔020。以两种对比方案说明方法的有效性和准确性。1)对5个金属球成像，提取与图12(b)中位置相同的金属球的二维像，并对这个金属球的RCs进行反演；2)直接测试图12(b)中金属球的RCS，经直径为150 mm的金属球定标，得到金属球的RCs。比较通过两种方案获得的单个金属球的RCS(a1 5个金属球a1 Five metal balls(b11个金属球b、Onemetal bal图12五个金属球与一个金属球Fig12 Five metal balls肌d one metal ball首先，对5个金属球进行成像处理，如图13(a)所示，提取对应位置金属球的二维像，如图13(b)所示：

28、毛10耋iNE 10室i(a)5个金桶球的：维像a)2一D image of 6Ve me词ball5(b)提取的1个金槿球的：维像(b)2一D image of extracted one meIal ba图13五个金属球和提取后一个金属球的二维像Fig13 2-D images of6Ve metal balls锄dextmcted one metal ball万方数据仪器仪表学报 第3 8卷对提取的目标金属球的二维像分布进行波谱变换，经过反演和定标得到目标金属球的RCS，如图14中实线所示。直接测试图12(b)中的金属球，得到的目标金属球RCS如图14中虚线所示。从结果可知，测试角域内两

29、种测试方法相差不超过05 dB，说明通过成像提取目标散射源再反演获取目标Rcs的方法是可行的。图14两种情况获取RCS的对比图F培14 Comparison of the RCSs obtained in two c鹊es为了提高飞行器的隐身性能，在飞机设计时，对天线和光电吊舱等外装部件采用共形式安装。进行Rcs测试时，入射电场与这些部件基本处于平行的状态，因此它们在机体表面形成了弱散射源。对一个装机状态下的共形天线进行测量，如图15(a)所示。将天线嵌入模拟机体的金属蒙皮中，金属蒙皮的周围包裹吸波材料，确保金属蒙皮边缘的散射尽可能小。测试频段为911 GHz，频率间隔为5 MHz。转动角度为

30、一450450，角度间隔为020。通过微波成像算法得到金属蒙皮区域的二维图像，如图15(b)所示。从中提取出共形天线区域的二维反射率分布，如图15(c)所示。经过波谱变换得到目标的谱分布如图15(d)所示。经过金属球定标之后，选取出频率为10 GHz的RCS，如图16所示。(a)Jk彤人线ral The collfonnal m1Iellfl3c)0I盯7i线的|。1乏H：分f(c)The 2一D renectiVitydismbutiondisbution：霉j0蓁爹图15低散射共形天线的测试F酶15 The test of co舶mlal a11tenna wim low scatteri

31、ng图16几种测试处理结果的比较Fig16 Comp撕son of several test resUdts图16中，点线是采用常规RCS测试方法得到的结果，它包含了机体蒙皮和共形天线的散射。实线是先对整体区域进行二维微波成像，直接反演获得的Rcs。两者在全角域范围内吻合良好，说明通过微波成像反演RCS与常规测试方法获得的Rcs是等效的。两条曲线在角域范围内有一定的波动，其主要原因是机体蒙皮表面的散射所引起的。提取共形天线区域的反射率分布，进行波谱变换后获得的天线RCS如虚线所示。它比前两者低35 dB，而且也变得光滑。说明了采用这种成像提取的方法较好地分离了共形天线和机体蒙皮的散射，提高了弱

32、散射源的测试精度。7结 论针对一般的散射测量方法难以有效消除环境噪声，测量弱散射源的RCS，推导了目标像与RcS的数学关系，采用微波成像算法获取目标的散射源分布，通过成像提取和波谱变换精确反演目标的RcS，消除了目标周围的环境干扰。还讨论了测量弱散射目标Rcs的有效性，以及成像提取时目标的最小间隔。结果表明成像提取的方法可以精确测量目标的Rcs，具有较强的工程应用价值。参考文献1 HESS D wIntroduction to RCS measurementscAnte衄asPmpagation Co山rence，2008：37掣2刘密歌，张麟兮，李南京基于矢量网络分析仪的RcS测量系统及应用

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34、y of mlllti-path interference suppression in outdoor RCSmeasurementJ Tr柚sactions of Beijing Instimte ofTechnolo盱，201l，31(5)：598J602周国锋，李晓星，栾京东，等大型紧缩场边缘干涉误差检测及拼缝修正J北京航空航天大学学报，2014，40(2)：166171ZHOU G F，U X X，LUAN J DEdges inte矗rencee肿r detection and renector gaps correction for largescalecompact r绷geJ

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44、ing：China Aemspace Press，2009：100一113作者简介Xu刁m啪(Conesponding锄tllor)received his BScde铲eein 2014舶m N叫hwestem Polytechnical UIliVersity；now，he is am鹊ter candidate in Nomlwest唧BDlytechIlical Ullive璐ity Hismain reseah interest is radar target characteristics悟怛胡楚锋，分别在2004年、2007年和2010年于西北工业大学获得学士学位、硕士学位和博士

45、学位，现为西北工业大学无人机特种技术重点实验室副教授，主要研究方向为微波测量及雷达成像、微波遥感。Email：huchufen91982163comHu Chufeng received his BScin 2004 aIld Mscin 2007蛐d PhD in 2010 all from Nonhwestem PolvtechnicalUnjve璐ityNow，he is an鹊sociate pmfessor in National KeyIJab0咖0fscience粕d Technolo舒on UAV， NordlweslemPolytec“cal UIlivers吼 His main research irIterest iIlcludesmicrowave measurement锄d rad盯imaging锄d IIlicmwave阳motesensing万方数据