外场目标与背景复合散射特性的测量方法、系统及应用

摘要

本发明属于目标散射特性测量技术领域，公开了一种外场目标与背景复合散射特性的测量方法、系统及应用。所述外场目标与背景复合散射特性的测量方法提出土壤、海面以及沙地等试验背景的选择标准；首次应用强绿光5线水平仪用于校准，消除实验背景的变化对实验精度的影响，减小实验误差；设计的外场实验测试架，能够实现不同的θ角和角的转动，满足不同的实验场地的要求；对实验的误差舍去提出了特定范围，幅值只差的绝对值小于幅值的20％视为实验成功。最后将土壤和沙地背景条件下的角反射器的散射系数与理论值进行比较，土壤背景条件和沙地背景条件与理论值误差分别小于10％和1％，与理论值很好的吻合，具有一定的参考价值。

说明书

技术领域

本发明属于目标散射特性测量技术领域，尤其涉及一种外场目标与背景复合散射特性的测量方法、系统及应用。

背景技术

目前：雷达被发明于1935年，广泛应用于二战，随着电子信息技术的发展，以雷达技术为依托的电子对抗等领域得到了突飞猛进的发展，对于大型军舰、隐身飞机以及特种作战车辆等目标与复杂战场环境的散射特性测量的研究日益迫切，需要不断的进行仿真模拟实验研究新的技术理论。对上述目标的测量一般分为两种方式：内场和外场。内场以微波暗室为代表，微波暗室对杂波有很好的吸收效果，便于测量单一频率特定环境下的目标散射特性，由于其不具备外场复杂的环境，导致测量的结果与外场实际情况下的结果严重不符，不具有真实性。因此，通常情况下测量干扰物与背景的散射特性宜在外场进行。

由于外场环境条件极其复杂，如风速、海浪等影响目标的测量有很大的影响，不能保持被测目标处于静止状态，从而影响定标；另外，由于实验环境的背景条件复杂，会有很大的系统杂波，会后续的数据处理影响很大。对目标的散射特性测量精度影响巨大，因此到目前为止，关于外场目标与背景散射特性测量的方法及理论极少，造成外场实验整体流程的详细介绍的空白，导致外场实验的理论缺失，进而造成软件模拟仿真的真实性，严重影响科研。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：目前关于外场目标与背景散射特性测量的方法及理论极少，造成外场实验整体流程的详细介绍的空白。

解决以上问题及缺陷的难度为：在于测量背景的选取以及外场实验的定标。

解决以上问题及缺陷的意义为：填补外场干扰物与背景散射特性的空白，为后续外场实验奠定理论基础，促进电磁测量的发展。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种外场目标与背景复合散射特性的测量方法、系统及应用。

本发明是这样实现的，一种外场目标与背景复合散射特性的测量方法，所述外场目标与背景复合散射特性的测量方法包括：

选定实验背景条件，实验环境条件以实际需求为依据，大体分为土壤、海洋、沙地以及雪地；

实验仪器的准备，校准矢量网络分析仪，提高测试精度。校准完成后将矢量网络分析仪连接到一体化电脑；

将天线安装到测试架上，并调整测试架的摆臂高度以及旋转角度；

通过射频线将矢量网络分析仪、功率放大器以及天线连接在一起，并连接实验转台、转台控制箱以及一体化电脑，将实验仪器通过外场移动电源进行供电；

进行定标，选定实验背景环境之后，将转台置于在该背景条件下，并用激光水平仪和电子水平仪辅助校准；

测量定标球，在特定实验背景环境下，采用特定频率进行测量，测量误差小于视为成功定标成功；

测量目标，讲转台旋转至0位置，之后设置扫频角度范围，设置天线的频率；

对同一目标在同一背景环境、同一频率下测量三组数据，每组数据的最大与最下的幅值小于即视为测量成功；

数据的处理，将测量得到的数据提取出来，根据公式转换为RCS，并通过绘图软件绘制出RCS图像；

对处理后数据图像的分析。

进一步，所述外场目标与背景复合散射特性的测量方法的实验背景环境条件的选取指标：

(1)土壤的主要组成成分为水分、空气以及固体物质的混合物；其中土壤的含水量对其散射特性的影响起主要的作用，土壤的含水量不同，其散射特性差别很大，以土壤的含水量作为选取实验场地的主要依据；军用雷达的频率主要为C、X、Ku和Ka波段，同时考虑到实际应用的背景，选择土壤容重为1.20～1.40g/cm

(2)海洋测试场地的选取以海面的粗糙度作为依据，影响海面粗糙度的因素主要是风速和波浪状态，，选取低风速状态海面浪高为1.54～2.76m，风速为5～12m/s，任意风向的海况为海洋测试场地；

(3)对于沙地测试场地的选取依据为沙地起伏程度，依据Jacqucmoud等提出的包含有6个自由参数的计算公式；其中，沙地的双向反射系数表示为：

式中各部分表示为：

公式中，i表示太阳入射天顶角，e为观测天顶角，

选取ω范围在0.4149～0.6458之间的沙地为测试场地。

进一步，所述外场目标与背景复合散射特性的测量方法实验前的仪器，对矢量网络分析仪进行校准，具体步骤如下：

(1)选择适用于该测量电缆的校准套件。选择校准套件85032F，“Cal”>“Cal Kit”>85032F；

(2)将校准类型设置为全2端口校准，使用测试端口1和2；“Cal”>“Calibrate”>“2-Port Cal”>“SelectPortsl-1-2”；

(3)将开路标准连接至测量电缆的另一端，测量测试端口1处的开路校准数据；测量开路校准数据后，将在“Port 1Open”菜单的左侧显示选中标记；“Cal”>“Calibrate”>“2-Port Cal”>“Reflection”>“Port1 Open”；

(4)测量测试端口1处短路/负载标准的校准数据；

(5)测量测试端口2处开路/短路负载标准的校准数据。

进一步，所述外场目标与背景复合散射特性的测量方法根据测试场地以及测试的频率选择合适的同型号的两个天线，并将天线安装到测试架上，之后调节测试架摆臂上的旋转圆盘，使两个天线尽可能的靠近，两个天线一个作为发射天线，另一个作为接受天线；

(1)调整天线与测试目标的距离，根据具体实验的背景环境条件，选取不同的测试距离；

(2)调节仪器架摆臂的翻转机构。

进一步，所述外场目标与背景复合散射特性的测量方法连接实验仪器成为一个整体系统，将射频线通过矢量网络分析仪的发射口接出，连接到低频功率放大器的接受口；另一个射频线经过低频功率放大器的输出口接出连接到发射天线；从接受天线的端口接出射频线连接到高频功率放大器的接受端口，经过高频功率放大器的发射端口接出射频线连接到矢量网络分析仪的接受端口，形成一整个闭环；

将一体化电脑、转台控制箱以及实验转台连接在一起，通过定制软件控制转台的旋转以及倾斜的角度，并通过外场移动电源给上述实验仪器供电。

进一步，所述外场目标与背景复合散射特性的测量方法转台和天线的对准，将强绿光5线水平仪置于实验转台上，将垂直激光对准于发射和接受天线的中线处，完成天线与测试目标的水平对准；同样的方法，将水平激光对准于天线的中心处，完成垂直对准；将水平仪置于转台上，保证实验转台水平放置。

进一步，所述外场目标与背景复合散射特性的测量方法测试定标球，将直径为40mm的金属球放置在实验转台上，并固定好，打开矢量网络分析仪以及功率放大器，并预热五分钟；

测量实验目标。完成定标之后，开始测量实验目标，将实验目标置于转台上，测量开始前，通过转台控制箱将转台寻“0”，看到转台控制箱的指示灯亮起，即为寻“0”成功；通过特定软件设置旋转角度，为-180°～+180°，通过矢量网络分析仪设置天线的采样频率，并设置采样点数，为801个采样点。

进一步，所述外场目标与背景复合散射特性的测量方法将得到的数据结果去平均值；

实验采用相对标定法的原理测量目标散射系数：使用RCS已知的标准金属球作为定标体，通过测量定标体与目标的回波功率来计算地面散射系数为：

式中，P

实验中接收天线到被照射背景和定标球的距离是相同的，公式化简为：

将P

σ

绘图并分析结果，将得到的RCS数据提取出来，并绘制图像，通过图像能够分析测试目标的特征。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述外场目标与背景复合散射特性的测量方法的外场目标与背景复合散射特性的测量系统，所述外场目标与背景复合散射特性的测量系统包括：

设备校准模块，用于校准矢量网络分析仪，校准完成后将矢量网络分析仪连接到一体化电脑；

摆臂调整模块，用于将天线安装到测试架上，并调整测试架的摆臂高度以及旋转角度；

设备连接模块，用于通过射频线将矢量网络分析仪、功率放大器以及天线连接在一起，并连接实验转台、转台控制箱以及一体化电脑；将实验仪器通过外场移动电源进行供电；

定标模块，用于选定实验背景环境之后，将转台置于在该背景条件下，并用激光水平仪和电子水平仪辅助校准；

定标球测量模块，用于在特定实验背景环境下，采用特定频率进行测量，测量误差小于视为成功定标成功；

目标测量模块，用于将讲转台旋转至0位置，设置扫频角度范围，设置天线的频率；

数据处理模块，用于对同一目标在同一背景环境、同一频率下测量三组数据，每组数据的最大与最下的幅值小于即视为测量成功；将测量得到的数据提取出来，根据公式转换为RCS，并通过绘图软件绘制出RCS图像；

图像分析模块，用于对处理后数据图像的分析。

本发明的另一目的在于提供一种雷达，所述雷达安装有所述的测量方法的外场目标与背景复合散射特性的测量系统。

结合上述的所有技术方案，本发明所具备的优点及积极效果为：本发明依据外场实验设备，选取不同的干扰物以及背景测量其复合散射特性，并给出选取背景的方法及理论依据。本发明主要解决了外场实验的对准问题、精度问题以及如何选取测量场地问题。本发明结合理论公式，提出了土壤、海面以及沙地如何选取测量场地的方法；将强绿光5线水平仪首次应用于外场实验的对准，保证天线的波束始终能照射到被测目标；为外厂实验设计的测试架能够满足实验测试不同角度和高度的要求，能够适应于多中外场实验的基本要求；为外场实验设计的转台，通过实现转台平台的倾斜角度，满足不同的实验场地需求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对本申请实施例中所需要使用的附图做简单的介绍，显而易见地，下面所描述的附图仅仅是本申请的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的外场目标与背景复合散射特性的测量方法流程图。

图2是本发明实施例提供的外场目标与背景复合散射特性的测量系统的结构示意图；

图2中：1、设备校准模块；2、摆臂调整模块；3、设备连接模块；4、定标模块；5、定标球测量模块；6、目标测量模块；7、数据处理模块；8、图像分析模块。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

针对现有技术存在的问题，本发明提供了一种外场目标与背景复合散射特性的测量方法、系统及应用，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明提供的外场目标与背景复合散射特性的测量方法包括以下步骤：

S101：选定实验背景条件，实验环境条件以实际需求为依据，大体分为土壤、海洋、沙地以及雪地；

S102：实验仪器的准备，校准矢量网络分析仪，提高测试精度。校准完成后将矢量网络分析仪连接到一体化电脑；

S103：将天线安装到测试架上，并调整测试架的摆臂高度以及旋转角度；

S104：通过射频线将矢量网络分析仪、功率放大器以及天线连接在一起，并连接实验转台、转台控制箱以及一体化电脑，将上述实验仪器通过外场移动电源进行供电；

S105：进行定标，选定实验背景环境之后，将转台置于在该背景条件下，并用激光水平仪和电子水平仪辅助校准；

S106：测量定标球，在特定实验背景环境下，采用特定频率进行测量，测量误差小于视为成功定标成功；

S107：测量目标，讲转台旋转至0位置，之后设置扫频角度范围，设置天线的频率；

S108：对同一目标在同一背景环境、同一频率下测量三组数据，每组数据的最大与最下的幅值小于即视为测量成功；

S109：数据的处理，将测量得到的数据提取出来，根据公式转换为RCS，并通过绘图软件绘制出RCS图像；

S110：对处理后数据图像的分析。

本发明提供的外场目标与背景复合散射特性的测量方法业内的普通技术人员还可以采用其他的步骤实施，图1的本发明提供的外场目标与背景复合散射特性的测量方法仅仅是一个具体实施例而已。

如图2所示，本发明提供的外场目标与背景复合散射特性的测量系统包括：

设备校准模块1，用于校准矢量网络分析仪，校准完成后将矢量网络分析仪连接到一体化电脑；

摆臂调整模块2，用于将天线安装到测试架上，并调整测试架的摆臂高度以及旋转角度；

设备连接模块3，用于通过射频线将矢量网络分析仪、功率放大器以及天线连接在一起，并连接实验转台、转台控制箱以及一体化电脑；将实验仪器通过外场移动电源进行供电；

定标模块4，用于选定实验背景环境之后，将转台置于在该背景条件下，并用激光水平仪和电子水平仪辅助校准；

定标球测量模块5，用于在特定实验背景环境下，采用特定频率进行测量，测量误差小于视为成功定标成功；

目标测量模块6，用于将讲转台旋转至0位置，设置扫频角度范围，设置天线的频率；

数据处理模块7，用于对同一目标在同一背景环境、同一频率下测量三组数据，每组数据的最大与最下的幅值小于即视为测量成功；将测量得到的数据提取出来，根据公式转换为RCS，并通过绘图软件绘制出RCS图像；

图像分析模块8，用于对处理后数据图像的分析。

下面结合附图对本发明的技术方案作进一步的描述。

本发明基于微波暗室的测量系统及实验设备搭建外场测量平台，进行干扰物与复杂背景的复合测量，将干扰物(箔条、角反射器等)与外场背景(房屋建筑、草地树木等)进行复合，测量其RCS，可用于模拟实际情况下的目标、干扰物以及复杂背景复合情况。

本发明提供的外场目标与背景复合散射特性的测量方法包括以下步骤：

(1)实验背景环境条件的选取指标。

(1.1)土壤的主要组成成分为水分、空气以及固体物质的混合物。其中土壤的含水量对其散射特性的影响起主要的作用，土壤的含水量不同，其散射特性差别很大，因此，以土壤的含水量作为选取实验场地的主要依据。军用雷达的频率主要为C、X、Ku和Ka波段，同时考虑到实际应用的背景，选择土壤容重为1.20～1.40g/cm

(1.2)海洋的面积为3.61×10

(1.3)对于沙地测试场地的选取依据为沙地起伏程度。沙地的起伏程度大，会对目标的造成半遮掩，严重影响测量的准确性。因此，依据Jacqucmoud等提出的包含有6个自由参数的计算公式。其中，沙地的双向反射系数可以表示为：

式中各部分可以表示为：

上述公式中，i表示太阳入射天顶角，e为观测天顶角，

表1沙地不同角度的ω、h的值

给予上述公式推导，选取ω范围在0.4149～0.6458之间的沙地为测试场地。

(2)实验前的仪器准备工作。对矢量网络分析仪进行校准，以提高测试精度。如图1所示，具体步骤如下：

(a)选择适用于该测量电缆的校准套件。选择校准套件85032F。“Cal”(校准)>“CalKit”(校准套件)>85032F。

(b)将校准类型设置为全2端口校准(使用测试端口1和2)。“Cal”(校准)>“Calibrate”(校准)>“2-Port Cal”(2端口校准)>“Select Portsl-1-2”(选择端口-1-2)。

(c)将开路标准(包含在校准套件中)连接至测量电缆的另一端(电缆连接至测试端口1)，然后测量测试端口1处的开路校准数据。测量开路校准数据后，将在“Port 1Open”(端口1开路)菜单的左侧显示选中标记。

“Cal”(校准)>“Calibrate”(校准)>“2-Port Cal”(2端口校准)>“Reflection”(反射)>“Port1 Open”(端口1开路)。

(d)使用同样的方法，测量测试端口1处短路/负载标准的校准数据。

(e)使用与上述相同的方法，测量测试端口2处开路/短路负载标准的校准数据。

(3)根据测试场地以及测试的频率选择合适的同型号的两个天线，本案例以12GHz天线为例，并将天线安装到测试架上，之后调节测试架摆臂上的旋转圆盘，使两个天线尽可能的靠近，两个天线一个作为发射天线，另一个作为接受天线，这样近似为单站雷达测量。

(3.1)调整天线与测试目标的距离。根据具体实验的背景环境条件，选取不同的测试距离。例如在以沙地为背景的测试中，依照沙地的起伏程度调节天线到测试目标的距离，沙地起伏程度越大，距离越小，总之使测试目标不被沙地遮挡即可。

(3.2)调节仪器架摆臂的翻转机构。由于仪器架与实验转台的高度不同，因此根据实验场地的不同，需要调节实验仪器翻转机构的高度以及角度。例如以海洋为背景的实验场地，将测试目标以及转台放到小船上，小船船舷的高度不能高于实验转台的高度，实验仪器架的摆臂的高度要高于目标的高度，考虑到海面的海况，小船随着波浪飘忽不定，因此天线需要一定的俯角，目的是为了保证在测量过程中天线波束一直覆盖测试目标。具体的测试角度由测试目标到天线的距离而定，距离越大，天线的俯角越小。

(4)连接实验仪器成为一个整体系统。将射频线通过矢量网络分析仪的发射口接出，连接到低频功率放大器的接受口；然后另一个射频线经过低频功率放大器的输出口接出连接到发射天线；从接受天线的端口接出射频线连接到高频功率放大器的接受端口，经过高频功率放大器的发射端口接出射频线连接到矢量网络分析仪的接受端口，这样形成一整个闭环。

将一体化电脑、转台控制箱以及实验转台连接在一起，通过定制软件控制转台的旋转以及倾斜的角度。并通过外场移动电源给上述实验仪器供电。

(5)转台和天线的对准。完成上述步骤后，将强绿光5线水平仪置于实验转台上。将垂直激光对准于发射和接受天线的中线处，这样便完成了天线与测试目标的水平对准；同样的方法，将水平激光对准于天线的中心处，这样便完成了垂直对准，两者结合，便可保证天线的波束照射在测试目标上。将水平仪置于转台上，保证实验转台水平放置，排除角度的影响。

(6)测试定标球。将直径为40mm的金属球放置在实验转台上，并固定好，打开矢量网络分析仪以及功率放大器，并预热五分钟，以保证实验过程中测量精度。在微波暗室内测量误差一般为3dB以下，外场实验根据测试条件、测量背景的不同，误差范围也不尽相同。通过实验经验可知，保证误差值在20％即可视为定标成功。

(7)测量实验目标。完成定标之后，开始测量实验目标，将实验目标置于转台上，测量开始前，通过转台控制箱将转台寻“0”，看到转台控制箱的指示灯亮起，即为寻“0”成功，这样的目的是为了设置旋转角度；通过特定软件设置旋转角度，一般为-180°～+180°，然后通过矢量网络分析仪设置天线的采样频率，并设置采样点数，一般为801个采样点。

(8)在上述步骤的基础上测量三组实验，将得到的数据结果去平均值，目的是排除因实验场地环境变化等偶然因素的影响。在以沙地为背景的场地测量时，由于风沙变换不断，对实验测量的精度影响很大，所以应该将测试时间尽可能的缩短，以便消除测试场地环境的变化对实验测量精度的影响。

(9)对实验数据的处理。

实验采用相对标定法的原理测量目标散射系数：使用RCS已知的标准金属球作为定标体，通过测量定标体与目标的回波功率来计算地面散射系数为：

式中，P

实验中接收天线到被照射背景和定标球的距离是相同的，此公式化简为：

为了便于计算，将P

σ

(10)绘图并分析结果。将得到的散射系数数据提取出来，并绘制图像，通过图像能够分析测试目标的特征，对其应用具有重要的参考价值。

下面结合实验对本发明的技术效果作详细的描述。

为验证本发明的可靠性，在土壤背景条件和沙地背景条件，测试角反射器的散射系数，并将得到的数据与已有的仿真数据进行了比较。试验结果如下所示。

表3不同测试背景下角反射器的散射系数

由上面的测试结果可知，测试场地的沙地散射系数与理论值的相差误差低于1％，土壤散射系数与理论值的相差误差低于10％，具有很高的参考价值。

应当注意，本发明的实施方式可以通过硬件、软件或者软件和硬件的结合来实现。硬件部分可以利用专用逻辑来实现；软件部分可以存储在存储器中，由适当的指令执行系统，例如微处理器或者专用设计硬件来执行。本领域的普通技术人员可以理解上述的设备和方法可以使用计算机可执行指令和/或包含在处理器控制代码中来实现，例如在诸如磁盘、CD或DVD-ROM的载体介质、诸如只读存储器(固件)的可编程的存储器或者诸如光学或电子信号载体的数据载体上提供了这样的代码。本发明的设备及其模块可以由诸如超大规模集成电路或门阵列、诸如逻辑芯片、晶体管等的半导体、或者诸如现场可编程门阵列、可编程逻辑设备等的可编程硬件设备的硬件电路实现，也可以用由各种类型的处理器执行的软件实现，也可以由上述硬件电路和软件的结合例如固件来实现。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，都应涵盖在本发明的保护范围之内。