一种应用太赫兹缩比测量的等效远场RCS测试方法

一种应用太赫兹缩比测量的等效远场rcs测试方法
技术领域
1.本发明属于微波测量领域，具体涉及一种应用缩比原理的等效远场雷达散射截面rcs测试方法。


背景技术：

2.雷达探测已经成为现代社会不可缺少的探测手段，在军事、航海、气象、搜救等诸多领域有着广阔的应用。表征目标在雷达照射下回波强度的物理量为雷达散射截面（radar cross section，rcs）。如何有效评估目标雷达散射截面是近些年来重要的研究方向，尤其是在隐身设计与反隐身领域。
3.以获取雷达散射截面为主的雷达电磁散射特性测量技术对隐身技术发展具有重要的参考价值。根据测量方式的不同，电磁散射特性测量技术可以分为远场测量、近场测量和紧缩场测量。远场测量（测试距离需要满足经典远场条件，d为目标最大尺寸，λ为测试波长）在室外或大型暗室内进行，虽然能直接得到目标rcs，但是随着频率的增大或待测目标的变大，测试距离要求会变得过于遥远而难以满足。在微波暗室中进行的近场测量及紧缩场测量由于对测试距离没有特定的要求而更容易满足测试条件。然而紧缩场往往造价昂贵，建造成本高昂，且用于摆放测试目标的区域（称为静区）较小，不能进行大尺寸目标的测试。而近场全尺寸测试直接获得的雷达回波信号并不是工程中所关心的 rcs，需要使用近远场变换技术，在使用算法的过程中，由于算法的种种近似会带来相应的变换误差。
4.因此需要研究测试距离短且易于实现且能够对多种目标进行精确测试的方法。缩比测量原理由于其易实现性同时能够准确测量目标的雷达散射截面积而备受关注。
5.国际上对于缩比原理的研究起步较早，目前已有成熟的缩比测试理论。缩比原理的产生主要由于前文提到的紧缩场测试需求。由于静区大小的限制，长达数十米的大型目标不能直接放置在测试区域内进行散射特性测试，而需要将其尺寸等比例缩小到可接受的水平再进行测试。如果这样做，测试的频率也需要相应的提高，这就是缩比原理的基础理论。对于缩比比例较大的测试（通常10倍以上），实际发射频率就会不可避免地达到太赫兹（电磁场频率在0.1thz至10thz之间）频段。


技术实现要素：

6.有鉴于此，本发明提出了一种基于缩比原理的等效太赫兹远场测试方法及其超宽带测试设备，能够有效地减少传统远场测试方法的场地限制，同时不使用紧缩场反射面，而且避免了近远场变换算法所带来的误差。
7.第一方面，本发明提供了一种应用太赫兹缩比测量的等效远场rcs测试方法，包括：根据测试频率以及目标尺寸，计算目标的经典远场条件；结合测试场所的测试距离，计算合适的目标缩比比例及所述目标缩比比例下对应的测试频率；
根据所述目标缩比比例，加工目标缩比模型；利用太赫兹超宽带雷达对缩比模型进行测试，得到缩比目标远场条件下的rcs；以及根据缩比原理，修正结果得到实际测试频率下的等效远场目标rcs。
8.根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述太赫兹超宽带雷达为超宽带线性调频连续波测量雷达，所述超宽带线性调频连续波测量雷达采用锯齿波调制或三角波调制。
9.根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述太赫兹超宽带雷达包括：发射链路和接收链路，所述发射链路和接收链路采用功分之后的同一扫频信号；其中在所述发射链路中，所述扫频信号经过2n倍频之后经过功率放大模块由天线发射出去；在所述接收链路中，所述扫频信号经过n倍频后，作为二次谐波混频器的本振输入，并且经过目标反射回来的信号作为所述二次谐波混频器的射频输入，两路信号混频之后产生归一化中频信号，其中n为整数。
10.根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述方法包括：所述发射链路发射频率随着时间线性增加的连续波信号 ：其中为扫频信号的起始频率，t为扫频重复周期，为初始相位，k表示扫频信号的调频斜率，其等于扫频带宽除以扫频重复周期：；经过距离为r处的目标反射回来的信号可以表示为：其中为目标引起的回波信号延时，；所述接收链路中产生的归一化中频信号：根据本发明实施例的一种具体实现方式，目标指定频率f1下的rcs响应采样时刻为：其中r0为目标中心距测试雷达的距离，c为光速，为扫频信号的起始频率，k为扫频信号的斜率。
11.根据本发明实施例的一种具体实现方式，所述太赫兹超宽带雷达为频率步进雷达及矢量网络分析仪结合倍频模块。
12.根据本发明实施例的一种具体实现方式，在所述利用太赫兹超宽带雷达对缩比模
型进行测试，得到缩比目标远场条件下的rcs的步骤之后，所述方法还包括：对缩比数据进行定标，包括：将定标球放置在目标位置，获取相同测试参数下的定标球回波信号记er(t)；获得目标的回波信号为e
t
(t)，所述定标球计算得到的rcs为，则定标过程为：其中为定标后的太赫兹缩比rcs。
13.根据本发明实施例的一种具体实现方式，通过下式得到目标的rcs：其中，s为缩比系数。
14.第二方面，本发明提供了一种应用太赫兹缩比测量的等效远场rcs测试装置，包括：经典远场条件计算模块，用于根据测试频率以及目标尺寸，计算目标的经典远场条件；测试频率计算模块，用于结合测试场所的测试距离，计算合适的目标缩比比例及所述目标缩比比例下对应的测试频率；目标缩比模型加工模块，用于根据所述目标缩比比例，加工目标缩比模型；缩比目标远场条件下的rcs计算模块，利用太赫兹超宽带雷达对缩比模型进行测试，得到缩比目标远场条件下的rcs；以及等效远场目标rcs计算模块，用于根据缩比原理，修正结果得到实际测试频率下的等效远场目标rcs。
15.第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有计算机程序，所述计算机程序在处理器上执行时实现上述第一方面及其具体实现方式中任一项所述的应用太赫兹缩比测量的等效远场rcs测试方法。
16.有益效果1、本发明是一种全新概念的在近场条件下来等效远场测试的rcs测试方法，通过提高频率进行大比例的缩比模型测试，能够显著降低大型目标rcs测量的距离，从而节约场地成本。
17.2、本发明的测试雷达在设计上可采用超宽带线性调频连续波雷达，也可采用基于矢量网络分析仪加倍频模块的步进频率连续波测量设备，具有较强的可实现性。
18.3、本发明可利用太赫兹波的准光传播特性及其在空间传播中损耗较大的特性，在场地布置过程中，不需要对所有场地铺设吸波材料，仅需要对散射较大的部分进行局部处理，进一步节省测试成本。
附图说明
19.为了更清楚地说明本公开实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本公开的一些实施例，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它的附图。
20.图1本发明流程图；
图2球面波与平面波照射目标的区别；图3试场景摆放示意图；图4超宽带调频连续波雷达结构图；图5超宽带调频连续波雷达散射特性测试信号模式。
具体实施方式
21.下面结合附图对本公开实施例进行详细描述。
22.以下通过特定的具体实例说明本公开的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本公开的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本公开一部分实施例，而不是全部的实施例。本公开还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本公开的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本公开中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本公开保护的范围。
23.需要说明的是，下文描述在所附权利要求书的范围内的实施例的各种方面。应显而易见，本文中所描述的方面可体现于广泛多种形式中，且本文中所描述的任何特定结构及/或功能仅为说明性的。基于本公开，所属领域的技术人员应了解，本文中所描述的一个方面可与任何其它方面独立地实施，且可以各种方式组合这些方面中的两者或两者以上。举例来说，可使用本文中所阐述的任何数目个方面来实施设备及/或实践方法。另外，可使用除了本文中所阐述的方面中的一或多者之外的其它结构及/或功能性实施此设备及/或实践此方法。
24.还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本公开的基本构想，图式中仅显示与本公开中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
25.另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。
26.本发明针对不同的待测目标，分别使用不同的缩比模型以及测试雷达频率，本方法的主要步骤如下：步骤一、根据测试频率以及目标尺寸，计算目标的经典远场条件；步骤二、结合测试场所的测试距离，计算合适的目标缩比比例及此比例下对应的测试频率；步骤三、根据缩比比例，加工目标缩比模型；步骤四、利用太赫兹超宽带雷达对缩比模型进行测试，得到缩比目标远场条件下的rcs；步骤五、根据缩比原理，修正结果得到实际测试频率下的等效远场目标rcs。
27.进一步地，所述测试场所，应当满足场地空旷且背景散射较低的要求，需要配备目标支撑设备以及二维转台。
28.进一步地，所述太赫兹超宽带雷达，可以采用超宽带线性调频连续波雷达，也可以
采用频率步进连续波雷达。
29.本发明提出的应用缩比原理的等效远场rcs测试方法以及与其配套的频率达到太赫兹波段的测试设备。其核心思路是通过缩比原理，将测试目标尺寸等比例缩小，从而使测量所需要的经典远场条件下降，进而在较近的测试距离上实现对缩比目标的远场测试，进而等效为对原有待测目标的远场测试。实现近场测试到远场测试的转换，具体流程如图1所示。
30.在雷达散射截面的定义中，要求目标处于距离雷达无穷远处，也即目标处于平面电磁波入射的条件下。此时电磁场的等相位面为垂直于入射方向的平面，但是在实际情况中，由于测试场地有限，同时也因为测试设备天线口径限制，导致实际发射到空间中的电磁波为球面波。同一物体在近场与远场照射下的对比如图2所示。
31.在球面波照射下，目标中心点o与其垂直于入射方向上的最远位置a之间的相位差δφ可以表示为kh，这是因为a点距离发射天线要远于o点，因此相位也要滞后于o点。而在理想的平面波照射下，这个值为0。这也是最主要的近场与远场误差的来源。利用几何关系并结合泰勒级数展开可以得到：当满足目标最大尺寸d远小于两倍的测试距离2r的情况下，可以近似忽略泰勒级数中的高阶项，最大的相位差可以表示为：在国际测试标准中，习惯上把测试所容许的最大相位差表示为π/4的分数，即π/4p，当规定最大相位误差小于等于π/8（22.5
º
）时，近场条件下测试得到的目标散射特性数据与定义中平面波照射下的rcs在数值上相差小于1db。此时p=2，也就有了广泛被大众所接受的所谓“经典远场条件”：通过上式可以看到，目标的经典远场条件与测试波长成反比，与目标尺寸的平方成正比。
32.而根据缩比原理，理想导电全尺寸目标将其长度l缩小为原来的s分之一时，如果要获取与缩小前具备相同变化趋势的rcs测量曲线，其测试频率相应要提高s倍，此时其测试得到的rcs在量级上缩小为原有的1/s2，波动规律与原有rcs曲线相同。
33.进一步地，根据经典远场条件，待测目标最大尺寸d缩小为d/s，而其测试波长变为sλ，因此，根据上述推导过程，其测试所需经典远场条件也相应降低到原有距离的s分之一，进而达到了在较短的距离上进行等效远场测试的效果。
34.更具体来说，本发明分为以下几步：
步骤一、根据测试频率以及目标尺寸，计算目标的经典远场条件：测量目标的最大尺寸，得到待测目标的横向与纵向最大尺寸参数记为d。并结合测试最大频率，计算目标的经典远场条件r
min
。本说明书中给出具体实例：假设目标最大尺寸为2.5米。而测试频率为10ghz，则实际测试需要的测试距离为416米，此时如不进行缩比测试或近场测试则只能选择大型测试外场进行测试。
35.步骤二、结合测试场所的测试距离，计算合适的缩比比例及在此比例下对应的测试频率；测试用微波暗室或空旷的实验场地长度为l，利用l/r
min
估计出测量所需的最小缩比系数s
min
，此时测量场地摆放如图3所示。按本说明书中的例子，假设测试场最大长度限制为20米，则缩比系数最小为20.8倍。选取缩比系数21，则测试频率相应提高到210ghz。
36.步骤三、根据缩比比例，加工目标缩比金属模型；此步骤由于目标往往较小，加工成本能够控制在较低的范围内。而且对于加工缩比模型来说，因为其几何模型在外形与结构设计上没有发生变化，仅仅是尺寸变化，因此在模型构建中也是相对简单的。针对以上实例，需要加工最大尺寸为11.9厘米的缩比目标。
37.步骤四、利用太赫兹超宽带雷达对缩比模型进行测试，得到缩比目标太赫兹频率下的rcs。
38.本发明针对测试频率比较高的问题设计了与其对应的超宽带线性调频连续波测量雷达，该种方式的优点是成本易于控制，可产生超高带宽的信号。
39.线性调频连续波（lfmcw）雷达的调制方式主要包括锯齿波调制和三角波调制两种。三角波相对于锯齿波调制方式，还可以得到目标的速度。而本系统为了获取目标的rcs，被测物与测试系统无径向相对速度且不存在速度测试需求，因而采用锯齿波调制方式。
40.系统的主要结构如图4所示，发射链路与接收链路采用功分之后的同一微波扫频源，因而发射信号与接收信号保持相参关系（具有同样的初始相位项 ），从而可以实现中频信号的相参检测。发射链路中扫频信号经过2n倍频之后经过功率放大模块由天线发射出去；而接收链路中的同一扫频信号经过n倍频后，作为二次谐波混频器的本振（lo）输入端，经过目标反射回来的信号作为谐波混频器的射频（rf）输入端，两路信号混频之后产生零中频（zero-if）信号，经过滤波放大，被采集作为原始信号处理。
41.此系统中的扫频源与倍频次数n可根据实际测试需求及硬件成本选取，举例说明，假设测试所需频率为130ghz~220ghz，选取n=6，本振扫频源带宽为11.5ghz~18.5ghz。这样设计并搭建系统即可满足测试需求。
42.线性调频连续波雷达测量rcs的原理为：系统发射一个频率随着时间线性增加的连续波信号 ：其中为扫频信号的起始频率，t为扫频重复周期，为初始相位，k表示扫频信号的调频斜率，其等于扫频带宽除以扫频重复周期：。
43.距离为r处目标反射的回波信号可以表示为：
其中为目标引起的回波信号延时，。
44.由此得到目标回波信号与发射信号混频之后的归一化中频信号：可以看到中频信号的相位与延时τ、频率均相关。
45.因此，利用高调频斜率（记为k）的信号，来实现固定频点的rcs测试，其主要原理如图5所示。假设目标中心距测试雷达的距离为r0，根据可以获得目标回波延时τ，其中c为光速，其值为299792458 m/s。在发射信号开始发射后延时τ进行采样，之后的采样数据即为目标的电磁散射回波信息。由于目标本身大小尺寸相比于测试距离可以忽略，如图5中红色虚线簇所示。同时又由于发射信号的调频斜率很高，使得延时τ以后再经过第二次延时t’，对回波中频数据进行采样即可获得f1=f0+kt’频点的rcs响应。
46.同样的，可以利用待测目标位置r0与待测频点f1，反推出采样时刻t
smp
=τ+ t’。其公式为在此时刻进行采样即可获取目标指定频率下的rcs响应。
47.除了本发明提出的超宽带线性调频连续波雷达之外，还可以采用频率步进雷达及矢量网络分析仪结合倍频模块进行高频率太赫兹rcs测试，其成本略有增加。
48.步骤五、对缩比数据进行定标。
49.通过上述过程能够获得目标不同频率下的幅度相应，此时还需要对测试结果进行定标。定标方法为相对定标法，测试完目标之后，将金属定标球放置在目标位置，获取相同测试参数下的定标球回波数据。在太赫兹波段，金属定标球的rcs可以等效为其光学区的rcs：πr2，其中r为金属球的半径。
50.获得金属球的回波信号记为er(t)，目标的回波信号为e
t
(t)，金属球计算得到的rcs为，则定标过程为：其中为定标后的太赫兹缩比rcs。
51.步骤六、根据缩比原理，修正结果得到实际测试频率下的远场目标rcs。
52.经过定标后得到精确的缩比rcs为σ’，利用缩比原理得到目标的rcs为：其中，s为缩比系数此时的rcs单位为dbsm。
53.此外，本发明还提供了一种应用太赫兹缩比测量的等效远场rcs测试装置，包括：经典远场条件计算模块，用于根据测试频率以及目标尺寸，计算目标的经典远场条件；测试频率计算模块，用于结合测试场所的测试距离，计算合适的目标缩比比例及所述目标缩比比例下对应的测试频率；目标缩比模型加工模块，用于根据所述目标缩比比例，加工目标缩比模型；缩比目标远场条件下的rcs计算模块，利用太赫兹超宽带雷达对缩比模型进行测试，得到缩比目标远场条件下的rcs；以及等效远场目标rcs计算模块，用于根据缩比原理，修正结果得到实际测试频率下的等效远场目标rcs。
54.应用太赫兹缩比测量的等效远场rcs测试装置与以上参照图1-图5的方法对应，在此不再赘述。
55.另外，附图中的流程图和结构图显示了根据本发明的多个实施例的装置、方法和计算机程序产品的可能实现的体系架构、功能和操作。在这点上，流程图或框图中的每个方框可以代表一个模块、程序段或代码的一部分，所述模块、程序段或代码的一部分包含一个或多个用于实现规定的逻辑功能的可执行指令。也应当注意，在作为替换的实现方式中，方框中所标注的功能也可以以不同于附图中所标注的顺序发生。例如，两个连续的方框实际上可以基本并行地执行，它们有时也可以按相反的顺序执行，这依所涉及的功能而定。也要注意的是，结构图和/或流程图中的每个方框、以及结构图和/或流程图中的方框的组合，可以用执行规定的功能或动作的专用的基于硬件的系统来实现，或者可以用专用硬件与计算机指令的组合来实现。
56.另外，在本发明各个实施例中的各功能模块或单元可以集成在一起形成一个独立的部分，也可以是各个模块单独存在，也可以两个或更多个模块集成形成一个独立的部分。
57.所述功能如果以软件功能模块的形式实现并作为独立的产品销售或使用时，可以存储在一个计算机可读取存储介质中。基于这样的理解，本发明的技术方案本质上或者说对现有技术做出贡献的部分或者该技术方案的部分可以以软件产品的形式体现出来，该计算机软件产品存储在一个存储介质中，包括若干指令用以使得一台计算机设备（可以是智能手机、个人计算机、服务器、或者网络设备等）执行本发明各个实施例所述方法的全部或部分步骤。而前述的存储介质包括：u盘、移动硬盘、只读存储器（rom，read-only memory）、随机存取存储器（ram，random access memory）、磁碟或者光盘等各种可以存储程序代码的介质。
58.以上所述，仅为本公开的具体实施方式，但本公开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公开揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本公开的保护范围之内。因此，本公开的保护范围应以权利要求的保护范围为准。