一种基于二维微波成像的低散射共形天线RCS测试方法

摘要

本发明涉及一种基于二维微波成像的低散射共形天线RCS测试方法，其特征在于步骤如下：对装机状态下的金属蒙皮及共形天线进行RCS测试，得到二维微波像；对新的二维微波像进行二维傅立叶变换，得到目标谱域的数据；对一个RCS已知的金属球进行RCS测试，得到二维微波像对二维微波像进行二维傅立叶变换，得到金属球的散射场随频率和角度变化的数据G0(f，θ)，最终可得：共形天线的RCS＝共形天线数据G1(f，θ)-金属球数据G0(f，θ)+金属球RCS。本发明提出的方法，基于二维微波成像技术获取装机状态下共形天线的RCS测试方法，经过实践，所得的效果良好，具有极大的工程推广价值。

说明书

技术领域

本发明涉及一种基于二维微波成像的低散射共形天线RCS测试方法，是借助二维 微波成像技术，分离和提取出装机状态下共形天线的RCS。这是一种低散射目标RCS 测量的新方法，属于微波技术领域。

背景技术

雷达是一种有效的远程探测设备，它通过发射电磁波并且接收目标反射的回波来 精确定位，雷达所收到的回波大小跟目标的有效截面积有关，我们把这个有效截面积 称为雷达散射截面(简称RCS)。

随着电子战的迅猛发展，隐身武器的大规模使用是现代战争的一个显著特征。例 如美国的第三代隐身战斗机F-117A，其雷达散射截面仅为0.001-0.01m²。由于我国的 隐身飞行器处于起步阶段，因而低散射目标的测试成为目前RCS测量遇到的新问题， 尤其是如何获取装机状态下共形天线所贡献的RCS，成为人们所关注的焦点。

如图一所示，在机体表面，天线通过一块介质板与机体形成共形，由于入射电场 E入射角小，天线安装在机体内侧，天线大部分结构(特别是天线结构的外侧)均未 暴露给入射电场。因此，天线的RCS贡献主要由安装结构内腔产生。因此，如何界定 嵌入机体区域天线的RCS是我们必须解决的问题。

目前国内外通常采用的方法如图二所示，天线发射步进频率宽带信号，对回波的 频率响应作逆傅立叶变换后得到目标的一维距离像，即目标的散射中心随距离的分布 情况，不同的强散射点会在不同的距离上体现出峰值，通过时域加门截取目标区的回 波，定标后，最终得到目标中心频点的RCS。

该方法是通过成一维像后提取RCS，但在一维像合成的过程中，实质上是将整个 横向区域内的散射信息全部叠加到一起，如图一中的一维像，除了包含目标的散射信 息，还包含着B1和B2区域的散射，如果B1和B2区域的散射大于目标区域的散射， 那么通过一维像提取的目标RCS具较大的误差。

因此，低散射天线装机状态的RCS特性分离和提取存在以下困难：

1)天线嵌入机体结构内，给常规的RCS测试带来了新问题，难以区分；

2)低散射天线的RCS值与机体结构的RCS值在同一量级，必须区分出来，才能 获得共形天线可信的RCS。

发明内容

要解决的技术问题

为了避免现有技术的不足之处，本发明提出一种基于二维微波成像的低散射共形 天线RCS测试方法。

技术方案

一种基于二维微波成像的低散射共形天线RCS测试方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对装机状态下的金属蒙皮及共形天线进行RCS测试，得到二维微波像 其中，就是估计的 x-y平面二维图像。k是波数，k＝4πf/c，与频率f相关，k_min与k_max对应扫频的最小频 率和最大频率，θ是转台转角，θ_min与θ_max分别对应最小和最大转角，G(k，θ)是测试频 点和转角的目标回波复数数据；

步骤2：在二维微波像上保留共形天线所在几何区域的反射率分布，区域外的反 射率设置为零，形成新的二维微波像：所述几何区域的半 径等于共形天线最大半径a；

步骤3：对新的二维微波像进行二维傅立叶变换，得到目标谱域的数据：

$G_1(K_x,K_y)=\underset{y_1}{\overset{y_2}{\int }}\underset{x_1}{\overset{x_2}{\int }}{\hat{g}}_1(x,y)\exp [-(j2\pi K_{x}x+j2\pi K_{y}y)]\mathrm{dxdy}$

K_x，K_y分别是谱域的横轴和纵轴，x₁、x₂，y₁、y₂分别对应目标像所在x-y 平面的上下限范围。对G₁(K_x，K_y)进行均匀插值，得到随频率和角度变化的谱域数据 G₁(f，θ)，其中，θ＝tan^-1(K_y/K_x)；

步骤4：对一个RCS已知的金属球进行RCS测试，得到二维微波像对 二维微波像进行二维傅立叶变换，得到金属球的散射场随频率和角度变化的数据 G₀(f，θ)，最终可得：共形天线的RCS＝共形天线数据G₁(f，θ)-金属球数据G₀(f，θ)+金 属球RCS。

有益效果

本发明提出的一种基于二维微波成像的低散射共形天线RCS测试方法，基于二维 微波成像技术获取装机状态下共形天线的RCS测试方法，经过实践，所得的效果良好， 具有极大的工程推广价值。

经过试验的测试目标为一个直径为75mm的金属球，采用直径为150mm的金属球 定标，测试频段为8-12GHz，转动角度为360度，选取80度的数据进行二维微波成像， 比较常规方法和本方法的RCS。

图4给出了通过常规RCS测量获得的结果，从图中可以看出随着角度的变化，金 属球RCS的起伏约为0.7dB，并且有较大的毛刺，反映了测试背景对目标的影响。通 过二维微波成像后，提取和分离出的金属球RCS如图5所示，金属球的起伏约为0.5dB， 并且曲线的毛刺明显减小，说明了该方法的有效性。

附图说明

图1：共形天线嵌入机体安装结构示意图

图2：步进频率法测量RCS示意图

图3：本方法的信号处理与RCS提取示意图

图4：金属球RCS常规方法与二维成像后提取RCS的比较

图5：模拟装机状态下的低散射共形天线

图6：系统组成图

图7：装机状态下共形天线的二维成像

图8：天线反射率分布的波谱图

图9：几种结果的比较

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图5所示，测量装机状态下的共形天线，所采用的二维微波成像系统如图6所 示，系统发射步进频率信号，信号经过功率放大器放大后直接由标准增益天线发射出 去，回波信号通过另一个相隔很近的标准增益天线送入矢量网络分析仪接收端，转台 旋转，在间隔一定的角度下获取回波数据进行二维成像。

实验测量步骤如下：

1)测量空暗室，进行时域对消，减小杂波影响。

2)测量目标，将其变换到时域，用距离波门截取高于背景的目标区，然后反变换回频 域，记录数据。

3)测量定标体，在相同距离波门内记录其频域数据。

测量得到的场与像的关系如式(1)所示：

$\hat{g}(x,y)=\underset{{\theta }_{\min }}{\overset{{\theta }_{\max }}{\int }}\underset{k_{\min }}{\overset{k_{\max }}{\int }}\mathrm{kG}(k,\theta )\exp \left[j2\mathrm{\pi k}(y\cos \theta -x\sin \theta )\right]\mathrm{dkd\theta }---\left(1\right)$

式中x-y坐标系是固定于目标上的一组坐标，坐标原点在O点，它随目标变化而变化。 即所要恢复目标的像。

由于式(1)中积分式的积分限不满足IFFT条件，故在实际的算法实现中需要对k做 频移k_min，相当于解调过程，令B′＝k_max-k_min，B′是空间频率k的带宽，因此有

$P_{\theta }\left(l\right)=\underset{0}{\overset{B^{\prime }}{\int }}(k+k_{\min })G(k+k_{\min },\theta )\exp \left(j2\mathrm{\pi kl}\right)\mathrm{dk}---\left(2\right)$

$\hat{g}(x,y)=\underset{{\theta }_{\min }}{\overset{{\theta }_{\max }}{\int }}{P}_{\theta }\left(l\right)\exp \left(j2\pi k_{\min }l\right)\mathrm{d\theta }---\left(3\right)$

l＝ycosθ-xsinθ

(4)

系统采用的是步进频率信号，所以频率点是离散的，根据采样的频率点数N，可 以对k进行离散化，令k＝n·B′/N，n＝0，1，2，…，N-1。于是式(2)改写成：

$P_{\theta }\left(l\right)=\underset{k=0}{\overset{(N-1)B^{\prime }/N}{\Sigma }}(\frac{B^{\prime }}{N}·n+k_{\min })G(n,\theta )e^{j2\pi \frac{B^{\prime }}{N}·n·l}---\left(5\right)$

投影线l按照距离分辨率进行等间距离散化l_m＝m/B′，m＝0，1，…，N-1，令 G_θ(n)＝(B′·n/N+k_min)G(n，θ)，则式(5)可表示为：

$P_{\theta }\left(l_m\right)=\underset{n=0}{\overset{N-1}{\Sigma }}{G}_{\theta }\left(n\right)e^{j2\pi \frac{m}{N}n}=\mathrm{IFFT}\left[G_{\theta }\left(n\right)\right]---\left(6\right)$

P_θ(l_m)是在不同的l_m点上所得的投影值，但是积分过程中的投影线l是随θ角变化， 对于空间任一点的每个θ对应不同的l，因此P_θ(l)是在离散的l处得到的投影 值，所以需要通过对P_θ(l_m)进行插值来获得P_θ(l)，插值公式如下：

P_θ(l)＝P_θ(l_m-1)+(l-l_m-1)tgα     (7)

tgα＝[P_θ(l_m)-P_θ(l_m-1)]/(l_m-l_m-1)(8)

做完插值后，便可对角度进行积分，公式如下：

$\hat{g}(x,y)=\underset{{\theta }_{\min }}{\overset{{\theta }_{\max }}{\int }}{P}_{\theta }\left(l\right)\exp \left(j2\pi k_{\min }l\right)\mathrm{d\theta }=\underset{\theta }{\Sigma }{P}_{\theta }\left(l\right)e^{j2\pi k_{\min }l}---\left(9\right)$

通过信号空间变换、IFFT、插值、角度积分四步，便完成了成像的处理过程。

二维成像的结果如图7(a)所示，除了天线的反射率分布之外，二维像还包括了载 体目标的反射率分布，然后采用一个二维窗，选取出其中天线的反射率分布，如图7(b) 所示。

对提取出的天线反射率分布进行傅立叶变换，得到天线随角度和频率变化的散射 波谱图，从中提取出9.375GHz频率的曲线，即得到图9中虚线给出的曲线。对天线 仰角5度进行测试的效果分析如下：

红线是常规测试得到的RCS(含工装的全域范围)，蓝线是从目标的二维像合成 的RCS曲线(含工装的全域范围)，两者在全角域范围吻合良好；虚线是从二维像中 截取天线区域后，再合成获得的天线RCS贡献，它比前者约低3～5dB，通过这种处理 方式能进一步降低外部吸波材料工装的RCS影响。因天线外有金属工装过渡，外部吸 波材料工装的制作要求可以大大降低。