低雷达散射截面金属支架总散射场计算方法

摘要

本发明提供一种低雷达散射截面金属支架总散射场计算方法，包括：计算得到金属端帽的第一总散射场；计算得到组合体的第二总散射场，其中，组合体包括金属支架及安装在金属支架顶端的金属端帽；根据第一总散射场和第二总散射场，计算得到金属支架的第三总散射场。本发明提供的低雷达散射截面金属支架总散射场计算方法，通过在金属支架顶端加装一个经过合理外形设计的低散射金属端帽，并从金属支架与端帽组合体的散射场中滤除金属端帽的散射场，得到金属支架的散射场，且该得到的金属支架的散射场模拟反映了真实目标测量状态下，目标安装在支架顶端时金属支架的散射场，为最终目标的RCS的精确测量提供了保证。

说明书

技术领域

本发明涉及通信技术，尤其涉及一种低雷达散射截面金属支架总散射场 计算方法。

背景技术

在现代隐身目标的设计、研制和试验过程中，常需对所设计的目标雷达 散射截面（Radar Cross-Section，以下简称RCS）值，即总散射场，进行诊断 测量和评估，为改进设计和隐身性能评估提供参考依据。其中，缩比目标和 全尺寸目标的总散射场测量是低可探测性目标RCS测试、改进与性能评估的 重要手段之一。总散射场是物体本身的性质之一。在RCS测试试验中，需要 设置金属支架，金属支架用于支撑目标，目标比如为金属端帽，金属端帽用 于模拟隐形机等实体。金属支架和金属端帽都具有各自的总散射场。为尽量 减小金属支架对目标的影响，要求金属支架的总散射场尽量小。

在金属支架的低散射设计中，需要在设计过程中对金属支架的总散射场 进行分析和预估计算，为设计改进和定型提供依据。在现有技术中，对金属 支架总散射场的预估和计算一般采用两种方法：

(1)几何绕射理论(Geometrical Theory of Diffraction，以下简称GTD)，根 据GTD分析，可得到金属支架总散射场的解析表达式，表达式如下：

${\sigma }_{\mathrm{VV}}=\frac{4L^2}{\pi {\left[n\sin (\pi /n)\right]}^2}{\left[\frac{\sin \left(\mathrm{kL}\sin \tau \right)}{\mathrm{kL}\tan \tau }\right]}^2---\left(1\right)$

${\sigma }_{\mathrm{HH}}=\frac{4L^2}{\pi {\left[n\tan (\pi /n)\right]}^2}{\left[\frac{\sin \left(\mathrm{kL}\sin \tau \right)}{\mathrm{kL}\tan \tau }\right]}^2---\left(2\right)$

其中，σ_VV和σ_HH分别为垂直极化和水平极化下金属支架的总散射场； 为波数，λ为雷达波长；L为金属支架高度；n=2-β/π，β为金属支架 前棱边的内劈角；τ为金属支架前棱边的倾斜角。根据上述表达式进而可得 到金属支架的总散射场。

(2)采用矩量法(Method of Moment，以下简称MoM)等数值方法或其他电 磁散射计算技术对金属支架的总散射场进行计算，通过精确几何造型以及 MoM数值分析，可以完成任意形状支架总散射场的计算和分析。

现有技术至少存在以下问题：在上述两种计算方法中，都没有考虑真实 测量条件下目标安装在支架顶端时对支架背景电平的影响，采用上述两种方 法计算得到的总散射场不够准确。

发明内容

本发明提供一种低雷达散射截面金属支架总散射场计算方法，用以提高 金属支架总散射场的计算精度。

本发明提供一种低雷达散射截面金属支架总散射场计算方法，其中，包 括：

计算得到金属端帽的第一总散射场；

计算得到组合体的第二总散射场，其中，组合体包括金属支架以及安装 在所述金属支架顶端的金属端帽；

根据所述第一总散射场和所述第二总散射场，计算得到所述金属支架的 第三总散射场。

如上所述的方法，其中，所述根据所述第一总散射场和所述第二总散射 场，计算得到所述金属支架的第三总散射场包括：

将所述第二总散射场和所述第一总散射场相减，得到所述第三总散射场。

如上所述的方法，其中，还包括：

对所述第三总散射场滤波处理，得到所述金属支架的最终总散射场。

如上所述的方法，其中，所述对所述第三总散射场滤波处理，得到所述 金属支架的最终总散射场，包括：

对所述第一总散射场傅里叶变换，得到所述金属端帽的第一一维高分辨 距离像；

对所述第二总散射场傅里叶变换，得到所述组合体的第二一维高分辨距 离像；

根据所述第一一维高分辨距离像和第二一维高分辨距离像，计算得到所 述金属支架对应的距离门；

根据所述距离门对所述第三总散射场滤波处理，得到所述金属支架的最 终总散射场。

如上所述的方法，其中，所述根据所述距离门对所述第三总散射场滤波 处理，得到所述金属支架的最终总散射场，包括：

根据所述距离门直接对所述第三总散射场滤波处理，得到所述金属支架 的最终总散射场。

如上所述的方法，其中，所述根据所述距离门对所述第三总散射场滤波 处理，得到所述金属支架的最终总散射场，还可以包括：

对所述第三总散射场傅里叶变换，得到所述金属支架的第三一维高分辨 距离像；

根据所述距离门，对所述第三一维高分辨距离像滤波处理，得到所述金 属支架的最终一维高分辨距离像；

对所述最终一维高分辨距离像进行傅里叶逆变换，得到所述最终总散射 场。

本发明实施例提供的低雷达散射截面金属支架总散射场计算方法，通过 在金属支架顶端加装一个经过合理外形设计的低散射金属端帽，并从金属支 架与端帽组合体的散射场中滤除金属端帽的散射场，得到金属支架的散射场， 且该得到的金属支架的散射场模拟反映了真实目标测量状态下，目标安装在 支架顶端时金属支架的散射场，为最终目标的RCS的精确测量提供了保证。

附图说明

图1为本发明一实施例提供的低RCS金属支架总散射场计算方法的流程 图；

图2为本发明又一实施例提供的低RCS金属支架总散射场计算方法的流 程图；

图3为本发明再一实施例提供的低RCS金属支架总散射场计算方法流程 示意图；

图4a为本发明实施例提供的低RCS低散射金属端帽的散射场随频率的 变化特性；

图4b为图4a所对应的一维高分辨率距离像特性；

图5a为本发明实施例提供的低RCS金属支架与端帽组合体的散射场随 频率的变化特性；

图5b为图5a所对应的一维高分辨率距离像特性；

图6a为本发明实施例提供的低RCS金属支架的散射场随频率的变化特 性；

图6b为图6a所对应的一维高分辨率距离像特性；

图7a为本发明实施例提供的组合体垂直极化下一维高分辨率距离像及距 离门；

图7b为本发明实施例提供的组合体水平极化下一维高分辨率距离像及 距离门；

图7c为本发明实施例提供的加距离门后金属支架垂直极化下一维高分辨 率距离像；

图7d为本发明实施例提供的加距离门后金属支架水平极化下一维高分 辨率距离像；

图7e为本发明实施例提供的加距离门后金属支架的最终散射场。

具体实施方式

图1为本发明一实施例提供的低RCS金属支架总散射场计算方法的流程 图。如图1所示，该金属支架总散射场计算方法可以包括以下步骤：

步骤101：计算得到金属端帽的第一总散射场。

在本步骤中，可以首先设计一个合理的低散射金属端帽的几何外形，然 后对该低散射金属端帽的总散射场进行计算。具体地，可以利用MoM或其 他电磁散射计算技术对该低散射金属端帽的电磁散射随频率的变化的特性进 行计算和分析，由此，得到该低散射金属端帽自身的电磁散射场：第一总散 射场E_cap(f)。进一步地，还可以对该低散射金属端帽随频率变化的第一总散 射场E_cap(f)进行快速傅里叶变换，来得到其对应的一维高分辨率距离像 I_cap(r)，从而可以对该低散射金属端帽进行一维高分辨率距离像（One  Dimensional High Resolution Range Profile，以下简称1-D HRRP）分析。

步骤102：计算得到组合体的第二总散射场。

具体地，本步骤中，组合体可以包括金属支架以及安装在金属支架顶端 的金属端帽。在步骤101的基础上，可以进一步地设计一个合理的低散射金 属支架的几何外形，并将步骤101中所设计的低散射金属端帽以合理的方式 安放在该金属支架顶端，以模拟目标安放在金属支架顶端，从而形成金属支 架与端帽的组合体；然后对该组合体的总散射场进行计算。具体地，可以利 用MoM或其他电磁散射计算技术对该组合体的电磁散射随频率的变化特性 进行计算和分析，由此，得到该组合体的电磁散射场：第二总散射场E_comb(f)。 进一步地，还可以对该组合体随频率变化的第二总散射场E_comb(f)进行快速傅 里叶变换，来得到其对应的一维高分辨率距离像I_comb(r)，从而可以对该组合 体进行一维高分辨率距离像分析。

步骤103：根据第一总散射场和第二总散射场，计算得到金属支架的第 三总散射场。

具体地，由于在全尺寸目标的静态RCS测量过程中，目标会对金属支架 本身的RCS特性造成一定的影响。因此，在本实施例中，可以利用金属端帽 来模拟目标架设在金属支架的顶端，以此来获得目标可能对金属支架本身的 RCS的影响。在此基础上，可以从金属支架和金属端帽的组合体的散射场中 滤除金属端帽的散射场，即可得到金属支架的散射场。且该获得的金属支架 的散射场中包括金属支架本身的散射场以及金属端帽对金属支架散射场的影 响。亦即，根据第一总散射场和第二总散射场，计算得到金属支架的第三总 散射场，具体可以为从第二总散射场中滤除金属端帽自身的散射场，所得到 的第三总散射场可以包括金属支架本身的散射场以及金属端帽对金属支架散 射场的影响。

在具体要滤除金属端帽的散射场并获得金属支架的第三总散射场时，可 以根据不同的方法。如，当认为金属支架与端帽组合体的电磁散射场E_comb(f) 是由低散射金属端帽的散射场E_cap(f)同金属支架的散射场E_pylon(f)两部分矢 量叠加构成的，则可对E_comb(f)和E_cap(f)进行矢量相减，得到金属支架的散射 场；另外，也可以利用距离门等技术，对金属支架本身散射场以外的散射场 进行滤除。

本发明实施例提供的低RCS金属支架总散射场计算方法，通过在金属支 架顶端加装一个经过合理外形设计的低散射金属端帽，并从金属支架与端帽 组合体的散射场中滤除金属端帽的散射场，得到金属支架的散射场，且该得 到的金属支架的散射场模拟反映了真实目标测量状态下，目标安装在支架顶 端时金属支架的散射场，为最终目标的RCS的精确测量提供了保证。

在上述实施例中，步骤103优选地可以为：将第二总散射场和第一总散 射场相减，得到第三总散射场。

具体地，可以认为金属支架与端帽组合体的电磁散射场，即第二总散 射场E_comb(f)，是由低散射金属端帽的散射场——第一总散射场E_cap(f)同金属 支架的散射场——第三总散射场E_pylon(f)两部分矢量叠加构成的，则有

E_comb(f)=E_cap(f)+E_pylon(f)                   （3）

由于第二总散射场E_comb(f)和第一总散射场E_cap(f)均已由MOM等方法计 算得到，故二者可直接采用矢量进行相减，即从金属支架与端帽组合体的电 磁散射场中滤除金属端帽的散射场，提取出金属支架的散射场。此处，该金 属支架的散射场用进行表示，如下：

$E_{\mathrm{pylon}}^1\left(f\right)=E_{\mathrm{comb}}\left(f\right)-E_{\mathrm{cap}}\left(f\right)---\left(4\right)$

在上述结果的基础上，还可以进一步地对该金属支架的散射场进行高分 辨率成像分析，从而得到金属支架自身的

上述实施例通过对金属支架和金属端帽组合体中金属端帽的散射场的滤 除，得到了包含有金属支架与金属端帽的耦合散射的金属支架散射场，为最 终精确测量目标散射场提供了保证。

图2为本发明又一实施例提供的低RCS金属支架总散射场计算方法的流 程图。如图2所示，在上述实施例的基础上，本实施例的金属支架总散射场 计算方法，在步骤103之后，还可以包括：

步骤104：对第三总散射场滤波，得到金属支架的最终总散射场。

具体地，由于上述实施例中得到的第三总散射场中，虽然包含了金属支 架与金属端帽的耦合散射，但忽略了真实测量条件下，金属支架安装时良好 接地对底部散射的消除作用。因此，为了得到更精确的金属支架的散射场， 还可进一步地将此部分的散射场滤除。具体地，可以对第三总散射场进行滤 波处理，将该部分的散射场电波滤除，从而得到金属支架的最终总散射场。

进一步地，在上述实施例的基础上，步骤104优选地可以包括：

对第一总散射场傅里叶变换，得到金属端帽的第一一维高分辨距离像；

对第二总散射场傅里叶变换，得到组合体的第二一维高分辨距离像；

根据第一一维高分辨距离像和第二一维高分辨距离像，计算得到金属支 架对应的距离门；

根据距离门对第三总散射场滤波处理，得到金属支架的最终总散射场。

具体地，对金属支架的第三总散射场中金属支架底部的散射场进行滤除， 可以使用带通滤波时域距离门处理。距离门处理主要是滤除距离门以外的散 射场。具体地，在本实施例中，由于要对金属支架底部的电磁散射进行滤除， 而所设计的金属支架为低RCS金属支架，其前端的尖角很小，故该金属支架 前端的绕射也非常小，因此，整个金属支架所剩余的电磁散射就主要发生的 支架的顶端，也即其强散射中心集中在金属支架的顶端。因此，本实施例中， 所设计的距离门应该为金属支架顶端所对应的距离门。

由于距离门处理一般为时域处理，所以，在具体进行距离门设计的时候， 可以首先分别对第一总散射场和第二总散射场进行傅里叶变换，得到金属端 帽对应的第一一维高分辨距离像和金属支架与端帽组合体对应的第二一维高 分辨距离像。然后对该第一一维高分辨距离像和第二一维高分辨距离像进行 时域比对分析，找出金属支架顶端所对应的距离门，亦即金属支架强散射中 心所对应的距离门。然后，根据该距离门利用软件编程设计相应的带通滤波 器对第三总散射场进行滤波处理，以滤除该距离门以外的散射中心，得到金 属支架的最终总散射场。该最终总散射场滤除了金属支架底部的散射，且包 含了金属支架与金属端帽的耦合散射，较好地模拟了真实测量状态下金属支 架上的各种散射作用，为目标RCS的精确测量提供了保证。

可替换地，在此步骤中，也可在得到距离门后，直接根据距离门对第二 总散射场进行滤波处理，得到金属支架的最终总散射场。

在上述实施例的基础上，其中，根据距离门对第三总散射场滤波处理， 得到金属支架的最终总散射场，可以包括：

根据距离门直接对第三总散射场滤波处理，得到金属支架的最终总散射 场。

具体地，在对第一一维高分辨距离像和第二一维高分辨距离像进行时域 比对分析，找出金属支架顶端所对应的距离门，并根据该距离门利用软件编 程设计相应的带通滤波器后，可以直接对该第三总散射场进行滤波处理。该 滤波处理滤除了金属支架顶端的强散射中心之外的散射场，得到金属支架的 最终总散射场。该最终总散射场滤除了金属支架底部的散射，且包含了金属 支架与金属端帽的耦合散射，较好地模拟了真实测量状态下金属支架上的各 种散射作用，为目标RCS的精确测量提供了保证。

上述实施例提供的低RCS金属支架总散射场计算方法，通过从金属支架 与端帽组合体的散射场中滤除金属端帽的散射场，并使用距离门技术对金属 支架底部的散射的滤除，最终得到的金属支架的散射场包含了支架表面波等 散射的影响，并对金属支架安装时良好接地对底部散射的进行了消除，从而 模拟反映了真实目标测量状态下，目标安装在金属支架顶端时金属支架的散 射场，为最终目标的RCS的精确测量提供了保证。

图3为本发明再一实施例提供的低RCS金属支架总散射场计算方法流程 示意图。本实施例与上述实施例的不同之处在于，根据距离门对第三总散射 场滤波处理，得到金属支架的最终总散射场的具体实现方式不同，在本实施 例中，具体采用下述方式计算得到金属支架的最终总散射场：

在上述实施例的基础上，在根据第一总散射场和第二总散射场，计算得 到金属支架的第三总散射场之后，还包括：

步骤114：对第三总散射场傅里叶变换，得到第三一维高分辨距离像；

步骤115：根据距离门，对第三一维高分辨距离像滤波处理，得到最终 一维高分辨距离像；

步骤116：对最终一维高分辨距离像进行傅里叶逆变换，得到最终总散 射场。

具体地，可对第三总散射场进行傅里叶变换，得到金属支架的第三一维 高分辨距离像。然后，在对第一一维高分辨距离像和第二一维高分辨距离像 进行时域比对分析，找出金属支架顶端所对应的距离门，并根据该距离门利 用软件编程设计相应的带通滤波器后，可以对该第三一维高分辨距离像进行 滤波处理，得到金属支架的最终一维高分辨距离像；然后可以对该最终一维 高分辨距离像进行傅里叶逆变换，得到最终总散射场。

相似地，此处，也可在得到距离门后，根据距离门对第二总散射场对应 的第二一维高分辨距离像进行滤波处理，得到金属支架的最终一维高分辨距 离像；然后可以对该最终一维高分辨距离像进行傅里叶逆变换，得到最终总 散射场。

上述实施例提供的低RCS金属支架总散射场计算方法，通过从金属支架 与端帽组合体的散射场中滤除金属端帽的散射场，并使用距离门技术对金属 支架底部的散射的滤除，最终得到的金属支架的散射场包含了支架表面波等 散射的影响，并对金属支架安装时良好接地对底部散射的进行了消除，从而 模拟反映了真实目标测量状态下，目标安装在金属支架顶端时金属支架的散 射场，为最终目标的RCS的精确测量提供了保证。

下面，用一具体实施例来说明，利用本发明的金属支架总散射场计算方 法，对一个尾部切割的低RCS金属支架在模拟真实目标安装在其顶端时的 RCS特性的测量。

首先，设计一个尾部切割的低RCS金属支架和一个低散射金属端帽。将 该低散射金属端帽架设在该金属支架的顶端，得到金属支架与端帽的组合体 外形。

其次，分析低散射端帽的RCS特性。图4a为本发明实施例提供的低 RCS低散射金属端帽的散射场随频率的变化特性，即第一总散射场随频率的 变化特性；图4b为图4a所对应的一维高分辨率距离像特性，即第一一维高 分辨距离像特性。其中，低散射金属端帽的散射场随频率的变化特性即为其 频域特性，所对应的一维高分辨率距离像特性即为金属端帽的时域特性。如 图4a和4b所示，其中，实线所示为水平极化下的RCS特性，表示为HH； 虚线所示为垂直极化下的RCS特性，表示为VV。在时域，即在金属端帽的 一维高分辨率距离像特性中，该低散射金属端帽仅在垂直极化时存在一个强 散射源，水平极化时没有强散射源存在。这有利于对金属支架与端帽组合体 外形的电磁散射分析和支架RCS提取处理。

然后，分析金属支架与端帽组合体的RCS特性。图5a为本发明实施例 提供的低RCS金属支架与端帽组合体的散射场随频率的变化特性，即第二 总散射场随频率的变化特性；图5b为图5a所对应的一维高分辨率距离像特 性，即第二一维高分辨距离像特性。如图5a和5b所示，实线所示为水平极 化下的电磁散射特性，表示为HH；虚线所示为垂直极化下的电磁散射特性， 表示为VV。在时域，即在该组合体的一维高分辨率距离像特性中，该组合体 在垂直和水平极化时均存在若干个强散射源。对比图4b和图5b可见，金属 支架与端帽组合体的散射明显高于低散射金属端帽的散射。

图6a为本发明实施例提供的低RCS金属支架的散射场随频率的变化特 性，即第三总散射场随频率的变化特性；图6b为图6a所对应的一维高分辨 率距离像特性，即第三一维高分辨距离像特性。具体地，该第三总散射场和 其所对应的高分辨率距离像可如步骤103所描述的方法得到。如图6a和6b 所示，实线所示为水平极化下的电磁散射特性，表示为HH；虚线所示为垂直 极化下的电磁散射特性，表示为VV。在本实施例中，由于低散射金属端帽的 RCS电平显著低于金属支架的RCS电平，故图6a、6b与图5a、5b相比，两 者十分接近。另外，根据步骤103所得到的金属支架的RCS数据，由于没有 反映出支架底部由于良好接地而使其散射被大大减小的情况，可以根据步骤 104所描述的带通滤波距离门来进一步地进行分析和处理。

在上述结果的基础上，可以进一步利用距离门处理技术对金属支架底部 的散射进行滤除。具体地，由于在本实施例中，需要获得的金属支架的电磁 散射场，且其强散射中心主要聚集在金属支架的顶端，故需要首先找到该金 属支架顶端强散射中心所对应的距离门。图7a为本发明实施例提供的组合 体垂直极化下一维高分辨率距离像及距离门；图7b为本发明实施例提供的 组合体水平极化下一维高分辨率距离像及距离门。如图7a和7b所示，其中， 实线所示为组合体在水平和垂直极化下的一维高分辨率距离像，虚线所示为 所加软件距离门的宽度。

图7c为本发明实施例提供的加距离门后金属支架垂直极化下一维高分 辨率距离像，即垂直极化下最终一维高分辨率距离像；图7d为本发明实施 例提供的加距离门后金属支架水平极化下一维高分辨率距离像，即水平极化 下最终一维高分辨率距离像。具体地，对金属支架与端帽组合体在垂直极化 和水平极化下的一维高分辨率距离像分别进行距离门处理，即可得到金属支 架垂直极化和水平极化下的最终一维高分辨率距离像，分别如图7c和7d所 示。同时，将图7c和7d分别与图7a和7b对比，可见，该最终一维高分辨 率距离像所对应的强散射中心为所加距离门内所对应的散射中心，且该最终 一维高分辨率距离像可以为将图7a和7b中所示的一维高分辨率距离像与距 离门在线性域相乘来获得。

图7e为本发明实施例提供的加距离门后金属支架的最终散射场。具体 地，该金属支架的最终散射场主要为该金属支架顶端所对应的强散射中心所 产生的散射场，且该金属支架的最终散射场的获得方式可以为组合体的第二 散射场直接进行距离门处理得到，也可以为对进行距离门处理后得到的金属 支架的最终一维高分辨率距离像进行傅里叶逆变换得到。

图7e与图6a对比可见，图7e所得到的金属支架散射场明显低于图6a 中所获得的散射场。这是由于在图7e中，直接采用了对支架顶端附近距离单 元进行的距离门选通滤波处理，因此滤除了支架底部散射中心的贡献，且包 含了金属支架与金属端帽在支架顶端附近的耦合散射以及金属支架表面波的 散射，并将目标金属支架为满足转顶俯仰而对其后截面进行的切割所带来的 对支架RCS电平的影响也计算在内。

可见，基于本发明的上述方法，并利用距离门处理技术，可以很好的模 拟在目标安装在金属支架顶端且该支架具有良好的接地状态时，金属支架的 散射场，从而很好地预估金属支架散射场对目标RCS测量的影响。

另外，利用本发明的方法得到的金属支架散射场，还可以进一步地用于 目标测量中的背景抵消处理，从而减小支架背景所造成的目标RCS测量误差， 提高测量数据的精度。

上述实施例提供的低RCS金属支架散射场计算方法，通过从金属支架与 端帽组合体的散射场中滤除金属端帽的散射场，并使用距离门技术对金属支 架底部的散射的滤除，最终得到的金属支架的散射场包含了支架表面波等散 射的影响，并对金属支架安装时良好接地对底部散射的进行了消除，从而模 拟反映了真实目标测量状态下，目标安装在金属支架顶端时金属支架的散射 场，为最终目标的RCS的精确测量提供了保证。

本领域普通技术人员可以理解：实现上述各方法实施例的全部或部分步 骤可以通过程序指令相关的硬件来完成。前述的程序可以存储于一计算机可 读取存储介质中。该程序在执行时，执行包括上述各方法实施例的步骤；而 前述的存储介质包括：ROM、RAM、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码 的介质。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对 其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通 技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并 不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。