一种外场地物散射时域回波采集及谱分析方法及系统

摘要

本发明属于目标散射特性测量分析技术领域，公开了一种外场地物散射时域回波采集及谱分析方法及系统，所述外场地物散射时域回波采集及谱分析系统包括：环境搭建模块、设备连接模块、测试架调整模块、定标模块、目标测量模块、数据采集模块、时域回波谱分析模块；本发明依据外场地物时域回波测量设备，选用不同的地面测量其时域回波，并给出一种外场地面目标测量的搭建方法，采用圈定区域的方法，实现外场环境搭建的简易便捷化。本发明分析天线有效照射面积的理论计算公式，提出垂直入射，降低高度，结合搭建的外场测量环境快速近似得出天线有效照射面积，并解决了外场实验的对准问题。

说明书

技术领域

本发明属于目标散射特性测量分析技术领域，尤其涉及一种外场地物散射时域回波采集及谱分析方法及系统。

背景技术

目前，雷达在进行目标探测时，雷达发射电磁波探测目标，经散射回来接收到的电磁波信号中包含了探测目标的散射信号及环境噪声的信号。对外场地物目标的散射回波测量可以获得大量的地物目标散射特征数据，进一步建立目标的散射特性数据库，通过对地物背景散射特性测量建立地形地域的散射特征数据库能够为目标识别和仪器制导提供有效参量。

无论在军事还是民用领域，所建立的外场目标散射特性数据库都具有广泛的应用前景和显著的学术价值。在军用领域，目标雷达进行探测时，由于各种背景噪声的存在，接收到的回波信号中包含大量的杂波，会很大程度上影响雷达对目标的准确识别，要解决杂波问题，首先要进行地物的散射特性测量实验，建立目标散射特性数据库，对不同的地物散射特性进行谱分析，找出地物背景散射特性的规律，去除杂波，从而提高雷达对目标的识别精度。在民用领域，通过对农作物区进行散射系数的测量实验，能根据测量得到的散射系数来反演植物和土壤的含水量，对农作物的生长进行准确的监控和预测预报，对季节性变化的环境信息，如杂草虫害，土壤湿度情况进行监测。

地物散射研究的方法有实验和仿真两种方法，仿真方法由于对水泥地面、沙土、雪地等地物目标建模困难，进行仿真实验得到的散射特性数据实用价值相对较低。所以，采取具体的地物散射特性测量实验是进行地物散射研究最有效的方法，通过实验方法得到的地物散射特性数据具有更高的实用价值。

根据实验环境的不同，地物散射特性研究实验一般分为内场测量和外场测量。目前，主要的内场测量以微波暗室测量为主，微波暗室的测量条件苛刻，对环境的吸波能力要求极高，因此有很好的杂波过滤效果，但同时这样的实验环境也导致了暗室测量的结果与实际情况不符合。所以，对地物散射特性研究而言，采用外场实验进行测量才能达到最理想的效果。

根据测量系统制式的不同，可将散射测量实验分为频域测量系统和时域测量系统两类。频域测量系统测量时发射的是单频谐波信号，其散射强度通过接收到的回波包络确定。时域测量系统发射的是脉冲信号，对目标的脉冲响应进行高速宽频采样，这样可以获得地物目标的瞬态响应，在经过一次傅里叶变换以后能够得到具有一定频宽的目标散射信息。与频域系统相比，时域测量系统的测量效率更高，更适合于外场实验。

在进行外场实验时，由于外场实验的复杂环境，实验条件受到各种约束，同时又要根据测量的地物目标不同设计不同的实验方案，这就导致外场地物散射特性实验的具体实验方案稀缺，对采集到的时域回波进行谱分析的具体方法也少之又少。

通过上述分析，现有技术存在的问题及缺陷为：

(1)关于地物散射时域回波采集的实验理论较少，测量技术方面还有很多难题有待解决，测量实验的整体设计方案较少，详细实验流程的介绍空白。

(2)对外场测量得到的时域回波信号进行谱分析的方法较少，没有一个系统的、详尽的理论来处理时域回波信号，提取其中的有用信息来对不同地物目标进行特征区分。

解决以上问题及缺陷的难度为：外场实验的条件下，进行测量系统的校准问题；实验背景的选取，对时域回波信号进行谱分析。

解决以上问题及缺陷的意义为：本发明填补外场地物时域回波信号采集实验的空白，提出一种时域回波信号的谱分析方法，为后续的实验奠定一定的理论基础，促进电磁测量实验的发展。

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地物散射时域回波采集及谱分析方法及系统。

本发明是这样实现的，一种外场地物散射时域回波采集及谱分析方法，所述外场地物散射时域回波采集及谱分析方法，包括：

步骤一，搭建适宜实验的外场条件，外场条件需以实际的地物目标需求来搭建，地物目标大体上分为水泥地面、裸土、及草地等；在搭建环境时，选取一定范围的地面环境后，在其周围铺满吸波材料来限定喇叭的照射区域，进行计算有效照射面积。其积极作用在于为外场地物测量实验提供良好的测量条件，使测量实验便于实现；

步骤二，实验仪器的准备，将时域测量系统一体化电脑与电脑显示屏进行连接。其积极作用在于检查测量实验的核心设备是否正常运转；

步骤三，将测试架平稳放置，保持测试架横轴与地面水平，然后将喇叭天线安装到测试架上。其积极作用在于使喇叭相对于待测地面的位置达到实验要求的条件；

步骤四，进行整个测量系统的线路连接，连接过程需严格按步骤进行，在接线完成后，使用便携式移动电源对系统进行供电。其积极作用在于保证整个测量系统能正常连接和运转；

步骤五，在实验环境搭建完成及时域测量系统准备就绪后，将测试地面用吸波材料进行覆盖，在喇叭天线的正下方放置定标球进行定标，测得的时域回波信号，将其进行傅里叶变换后抖动小于3dB则视为定标成功。其积极作用在于校验时域测量系统的测量误差，使误差达到允许的范围内再进行实验；

步骤六，在搭建的实验环境下，规定发射和接收喇叭的放置和旋转方向，进行不同角度下目标地面的测量，采集其时域回波信号。其积极作用在于测量不同极化方式下的地面目标的回波；

步骤七，时域回波信号的处理，将测量得到的时域回波信号进行区段傅里叶变换。其积极作用在于将杂乱的时域波形变换到频域更容易进行谱分析；

步骤八，观察其变换后的频谱特征，进行谱分析，分析不同地面目标的散射特性。其积极作用在于对不同地面的频谱进行分析能了解不同地面的散射特性。

进一步，所述步骤一中，环境搭建的指标，具体为：

(1)水泥地面在C、X、Ku、Ka频段的雷达照射下可视作粗糙面，测试场地选择比较平坦的水泥地面，使用吸波材料进行辅助搭建，使垂直照射面为边长0.5m的正方形区域；

(2)裸土地面主要由水分和固体混合物组成，不同含水量的土壤反射系数差别很大，所以，应当将裸土的含水量作为测试土地选取的主要依据，考虑到实验实际条件的限制，选取的土壤为容重1.10-1.50g/cm

(3)草地的选取，草株的高度均小于20cm，并且分布稀疏，杂草无一定的空间取向，土壤的含水量大约为20％左右。

进一步，所述步骤一中，天线有效照射面积计算方法如下：

选用的是两个平行安装的收发天线，照射到地面的面积为椭圆面积，椭圆a1和a2，其长边分别为a

式中：

其中θ

考虑到接受机中的中频滤波器的带宽Δf

式中

则存在两个限制角α

A＝2absin

其中

在天线垂直照射时，由于事先进行了测试环境的搭建，天线的高度较低，使划分好的测量地面面积控制在了天线的有效照射面积之内，因此只计算圈定区域的面积就可近似看作天线的有效照射面积。

进一步，所述步骤三中，根据测量发射的脉冲频段不同，选择对应同频段的喇叭天线进行测量，选取好天线之后，将喇叭口垂直向下安装到测试支架上，安装时需调整测试支架，使两个喇叭位于测试地面的中央正上方；

根据测试地面有效照射面积的推导，需要选取适当的距离，使整个圈定的测试地面都位于天线的有效照射面积之内，一般其高度为1.5m左右。

进一步，所述天线安装时，使用激光水平仪作为辅助，调节测试支架的轮盘，使测试支架的旋转臂水平地面，喇叭天线口垂直于地面。

进一步，所述步骤四中，整个测量系统的线路连接的具体过程为：

首先将时域测量系统一体化电脑与输出功率放大器连接，然后将输出功率放大器与发射喇叭天线进行连接，再将接收喇叭天线和接收功率放大器进行连接，最后将接收功率放大器与时域测量系统一体化电脑进行连接。

进一步，所述步骤四中，在测试前环境搭建准备工作就绪后，连接系统电路时，要确保系统电路连接走向准确无误，否则，可能会损坏功率放大器和时域测量系统，其连线步骤必须按如下步骤逐步进行：

通过射频线连接时域测量系统与发射功率放大器，发射功率放大器的选取也要根据发射脉冲的频率选择相对应的功率放大器；

连接发射功率放大器与发射天线；

连接接收天线和接收功率放大器；

连接接收功率放大器和时域测量系统；

整个测量实验的信号传输过程需形成一个闭环，在连线就绪后方可接通电源；

在电路接通无误后，对定标体及地物目标进行测量，在时域回波测量系统中保存采集结果；其中，地物目标包括：定标体及水泥地、裸土及草地目标。

进一步，所述步骤七中，将采集到的时域回波进行处理的过程，如下：

在时域平面近场测量时，有两种方法可进行时域回波信号的谱分析，得到RCS数据：

第一种是将时域散射测量得到的时域信号数据进行傅里叶变换得到频域散射数据，再经过谱展开理论进行近远场变换得到远场的散射数据，从而得到其RCS数据；

第二种是将直接将时域进场散射数据经过谱展开理论得到远场时域散射数据，再进行傅里叶变换得到远场的频域散射数据，从而得到其RCS数据；

时频域近场散射测量方程的基本推导如下：

近远场的变换对为：

首先建立谱函数

其中

再根据驻定相位法，可以得到近似其近似表达式：

再根据雷达散射界面的定义式：

式中：E

在前面所推导公式的基础上，根据傅里叶变换，设场点坐标为r

定义时谐波谱为：

可以得到时域波谱也远场电场的关系为

综上可得频域近场电场和时谐波谱的关系为：

再根据傅里叶变换可得时域近场电场与时域波谱的关系：

而时域远场电场的表达式可简化为：

则可根据RCS的定义式

进一步，所述步骤八中，观察其变换后的频谱特征，进行谱分析具体过程为：

将采集到的时域回波进行处理时，将采集到的近场数据变换到远场后，根据频域快速傅里叶变换的方程：

可编程将时域信号变换到频域，分析其频谱特征。

本发明的另一目的在于提供一种实施所述外场地物散射时域回波采集及谱分析方法的外场地物散射时域回波采集及谱分析系统，所述外场地物散射时域回波采集及谱分析系统包括：

环境搭建模块，用于搭建外场地物时域回波测量所需的实验对象；

设备连接模块，用于将整个外场时域测试系统，通过射频线连接时域测量系统一体化电脑、发射功率放大器、发射喇叭天线、接收喇叭天线及接收功率放大器，最后用便携式移动电源进行供电；

测试架调整模块，用于调整安装于测试架上喇叭天线的水平转动角度和高度；

定标模块，用于实验环境搭建完成后，校验系统的测量误差；

目标测量模块，用于测量搭建好的背景环境，设置好发射脉冲波形及频率；

数据采集模块，对同一测量条件下的不同地物目标测量三组数据，每组数据的电压最大最小幅值差小于即视为可采集回波数据，选取最优数据组进行后续的谱分析；

时域回波谱分析模块，用于对采集到的时域回波形进行傅里叶变化，得到其频谱，进行谱分析。

本发明的另一目的在于提供一种雷达发射电磁波探测目标的方法，所述雷达发射电磁波探测目标的方法运行所述的外场地物散射时域回波采集及谱分析系统。

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：本发明依据外场地物时域回波测量设备，选用不同的地面测量其时域回波，并给出一种外场地面目标测量的搭建方法，采用圈定区域的方法，实现外场环境搭建的简易便捷化。本发明分析天线有效照射面积的理论计算公式，提出垂直入射，降低高度，结合搭建的外场测量环境快速近似得出天线有效照射面积，并解决了外场实验的对准问题。本发明结合理论公式，给出时域回波的谱分析方法的理论分析，并对采集到的时域回波进行傅里叶频谱变换。

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地物散射时域回波采集及谱分析系统结构示意图。

图2是本发明实施例提供的外场地物散射时域回波采集及谱分析方法流程图。

图3是本发明实施例提供的待测地面搭建示意图。

图4是本发明实施例提供的双天线照射面积示意图。

图5是本发明实施例提供的水泥地面时域回波示意图。

图6是本发明实施例提供的裸土地面时域回波示意图。

图7是本发明实施例提供的水泥地面时域回波频谱图。

图8是本发明实施例提供的裸土地面时域回波频谱图。

图中：1、环境搭建模块；2、设备连接模块；3、测试架调整模块；4、定标模块；5、目标测量模块；6、数据采集模块；7、时域回波谱分析模块。

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地物散射时域回波采集及谱分析方法及系统，下面结合附图对本发明作详细的描述。

如图1所示，本发明实施例提供的外场地物散射时域回波采集及谱分析系统包括：

环境搭建模块1，用于搭建外场地物时域回波测量所需的实验对象。

设备连接模块2，用于将整个外场时域测试系统，通过射频线连接时域测量系统一体化电脑、发射功率放大器、发射喇叭天线、接收喇叭天线及接收功率放大器，最后用便携式移动电源进行供电。

测试架调整模块3，用于调整安装于测试架上喇叭天线的水平转动角度和高度。

定标模块4，用于实验环境搭建完成后，校验系统的测量误差。

目标测量模块5，用于测量搭建好的背景环境，设置好发射脉冲波形及频率。

数据采集模块6，对同一测量条件下的不同地物目标测量三组数据，每组数据的电压最大最小幅值差小于即视为可采集回波数据，选取最优数据组进行后续的谱分析。

时域回波谱分析模块7，用于对采集到的时域回波形进行傅里叶变化，得到其频谱，进行谱分析。

如图2所示，本发明实施例提供的外场地物散射时域回波采集及谱分析方法，包括：

S101：搭建适宜实验的外场条件，外场条件需以实际的地物目标需求来搭建，地物目标大体上分为水泥地面、裸土、及草地；在搭建环境时，选取一定范围的地面环境后，需在其周围铺满吸波材料来限定喇叭的照射区域，这样在计算有效照射面积时更为方便。

S102：实验仪器的准备，先将时域测量系统一体化电脑与电脑显示屏进行连接。

S103：将测试架平稳放置，保持测试架横轴与地面水平，然后将喇叭天线安装到测试架上。

S104：进行整个测量系统的线路连接，连接过程需严格按步骤进行，在接线完成后，使用便携式移动电源对系统进行供电。

S105：在实验环境搭建完成及时域测量系统准备就绪后，将测试地面用吸波材料进行覆盖，在喇叭天线的正下方放置定标球进行定标，测得的时域回波信号，将其进行傅里叶变换后抖动小于3dB则视为定标成功。

S106：在搭建的实验环境下，规定发射和接收喇叭的放置和旋转方向，进行不同角度下目标地面的测量，采集其时域回波信号。

S107：时域回波信号的处理。将测量得到的时域回波信号进行区段傅里叶变换。

S108：观察其变换后的频谱特征，进行谱分析，分析不同地面目标的散射特性。

本发明实施例提供的S101中，环境搭建的指标，具体为：

(1)水泥地面在C、X、Ku、Ka频段的雷达照射下可视作粗糙面，测试场地选择比较平坦的水泥地面，使用吸波材料进行辅助搭建，使垂直照射面为边长0.5m的正方形区域，具体搭建方式如图1所示。

(2)裸土地面主要由水分和固体混合物组成，不同含水量的土壤反射系数差别很大，所以，应当将裸土的含水量作为测试土地选取的主要依据，这里考虑到实验实际条件的限制，选取的土壤为容重1.10-1.50g/cm

(3)草地的选取，草株的高度均小于20cm，并且分布稀疏，杂草无一定的空间取向，土壤的含水量大约为20％左右。

本发明实施例提供的S101中，天线有效照射面积计算方法如下：

选用的是两个平行安装的收发天线，照射到地面的面积为椭圆面积，如图4所示，椭圆a1和a2，其长边分别为a

式中：

其中θ

考虑到接受机中的中频滤波器的带宽Δf

式中

则存在两个限制角α

A＝2absin

其中

在天线垂直照射时，由于事先进行了测试环境的搭建，天线的高度较低，使划分好的测量地面面积控制在了天线的有效照射面积之内，因此只需要计算圈定区域的面积就可近似看作天线的有效照射面积。

本发明实施例提供的S103中，根据测量发射的脉冲频段不同，选择对应同频段的喇叭天线进行测量，选取好天线之后，将喇叭口垂直向下安装到测试支架上，安装时需调整测试支架，使两个喇叭位于测试地面的中央正上方，其主要步骤如下：

根据测试地面有效照射面积的推导，需要选取适当的距离，使整个圈定的测试地面都位于天线的有效照射面积之内，一般其高度为1.5m左右；

天线安装时，使用激光水平仪作为辅助，调节测试支架的轮盘，使测试支架的旋转臂水平地面，喇叭天线口垂直于地面。

本发明实施例提供的S104中，整个测量系统的线路连接的具体过程为：

首先将时域测量系统一体化电脑与输出功率放大器连接，然后将输出功率放大器与发射喇叭天线进行连接，再将接收喇叭天线和接收功率放大器进行连接，最后将接收功率放大器与时域测量系统一体化电脑进行连接。

本发明实施例提供的S104中，在测试前环境搭建准备工作就绪后，连接系统电路时，要确保系统电路连接走向准确无误，否则，可能会损坏功率放大器和时域测量系统，其连线步骤必须按如下步骤逐步进行：

通过射频线连接时域测量系统与发射功率放大器，发射功率放大器的选取也要根据发射脉冲的频率选择相对应的功率放大器；

连接发射功率放大器与发射天线；

连接接收天线和接收功率放大器；

连接接收功率放大器和时域测量系统；

整个测量实验的信号传输过程需形成一个闭环，在连线就绪后方可接通电源。

所述在电路接通无误后，对定标体及地物目标进行测量，在时域回波测量系统中保存采集结果。其中，地物目标包括：定标体及水泥地、裸土及草地目标。

表格1测试地面及条件一览表

测量时域回波结果：测量得到的水泥地面和裸土地面时域回波如图3和图4所示：

案例1，采用表格1中的水泥地面进行测量，参数如表1中所示，其时域回波表示脉冲发射后从20ns到40ns时间水泥地面段散射的电磁波的场强幅值的变化关系，其幅值变化范围在-0.8到0.8之间。

案例2，采用表格1中的裸土地面进行测量，参数如表1中所示，其时域回波表示脉冲发射后从20ns到40ns时间段裸土地面散射的电磁波的电压幅值的变化关系，其幅值变化范围在-0.5到0.5之间。

本发明实施例提供的S107中，将采集到的时域回波进行处理的过程，如下：

在时域平面近场测量时，有两种方法可进行时域回波信号的谱分析，得到RCS数据：

第一种是将时域散射测量得到的时域信号数据进行傅里叶变换得到频域散射数据，再经过谱展开理论进行近远场变换得到远场的散射数据，从而得到其RCS数据；

第二种是将直接将时域进场散射数据经过谱展开理论得到远场时域散射数据，再进行傅里叶变换得到远场的频域散射数据，从而得到其RCS数据。

时频域近场散射测量方程的基本推导如下：

近远场的变换对为：

首先建立谱函数

其中

再根据驻定相位法，可以得到近似其近似表达式：

再根据雷达散射界面的定义式：

式中：E

在前面所推导公式的基础上，根据傅里叶变换，设场点坐标为r

定义时谐波谱为：

可以得到时域波谱也远场电场的关系为

综上可得频域近场电场和时谐波谱的关系为：

再根据傅里叶变换可得时域近场电场与时域波谱的关系：

而时域远场电场的表达式可简化为：

则可根据RCS的定义式

本发明实施例提供的S108中，观察其变换后的频谱特征，进行谱分析具体过程为：

将采集到的时域回波进行处理时，将采集到的近场数据变换到远场后，根据频域快速傅里叶变换的方程：

可编程将时域信号变换到频域，分析其频谱特征。

为了验证时域采集数据的可靠性，进行了典型目标和标准体的RCS测试，得到了下表所示的对比结果，通过数据分析可得使用本专利给出的时域测量方法预测的RCS与标准体的真实值相比误差小于3dB。

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。