一种近场预测远场RCS的优化测量方法

本发明涉及通信雷达，尤其涉及一种近场预测远场rcs的优化测量方法。

背景技术：

1、电磁波测量大型隐身标的反向散射特性的关键指标，比如雷达散射截面积(rcs,radar cross section)，是衡量物体在被雷达信号照射时散射出多少电磁能量，该能量取决于目标的大小、形状和材料特性。测量天线的定位和实验结构布局对目标的测量模式对于获得精确的rcs测量至关重要，原始rcs数据的数值后处理使用信号处理技术完成，以提取有关目标上散射体的信息。信号处理技术可用于在三维空间中量化和定位散射体，从而获得幅值、相位和距离等关键指标。

2、目前，针对散射信号的幅值校正，大部分研究都是以定标来完成的，然而实际定标过程考虑到复杂电磁环境和多径效应，需要消耗大量数据采集工作，并且数据处理计算量大，不易处理。另外，定标后的幅值结果并不稳定，不同环境下的应用都需要重新定标，这些原因会给工程的应用带来大量人力、物力消耗。

技术实现思路

1、本部分的目的在于概述本发明的实施例的一些方面以及简要介绍一些较佳实施例。在本部分以及本技术的说明书摘要和发明名称中可能会做些简化或省略以避免使本部分、说明书摘要和发明名称的目的模糊，而这种简化或省略不能用于限制本发明的范围。

2、鉴于上述现有存在的问题，提出了本发明。

3、因此，本发明提供了一种近场预测远场rcs的优化测量方法解决实际定标过程中需要消耗大量数据采集工作，数据处理计算量大；定标后的幅值结果并不稳定，不同环境下的应用都需要重新定标，消耗大量人力、物力的问题。

4、为解决上述技术问题，本发明提供如下技术方案：包括：

5、根据天线位置和天线方向确定发射并矢加权函数，预置天线发射激励电压信号，计算天线等效电流密度分布函数，建立近场目标的入射电场信号模型；

6、根据born近似和和互易原理，建立近场散射电场信号模型，获得散射信号由近场到远场变换的内核；

7、建立远场各散射中心信号的状态空间方程，对构造的散射中心电场序列的hankel矩阵进行奇异值分解，提取关于主特征值的幅值信号和距离标量信息，根据crlb理论，建立fisher信息矩阵，提取距离向量的空间坐标值；

8、更新远场散射中心模型和近远场变换方程，并建立等效关系，根据最小二乘法和凸优化理论，求解近远场变换的系数，将远场信号幅值和求解系数带入近远场变换方程，获得预测的远场rcs。

9、作为本发明所述的近场预测远场rcs的优化测量方法的一种优选方案，其中：所述根据天线位置和天线方向确定发射并矢加权函数表示为：

10、

11、其中，表示旋转并矢，为发射加权函数，为目标自由空间源点与发射天线的距离向量；

12、预置天线发射激励电压信号计算天线等效电流密度分布函数表示为：

13、

14、近场入射电场信号模型通过并矢格林函数建立，表示为：

15、

16、

17、其中，为单位并矢，为梯度，k为标量波数，zf为自由空间阻抗，为矢量波数，为相对于目标散射中心源点的距离向量，·为2范数。

18、作为本发明所述的近场预测远场rcs的优化测量方法的一种优选方案，其中：所述建立近场散射电场信号模型，获得散射信号由近场到远场变换的内核包括，

19、

20、

21、其中，为目标自由空间源点与接收天线的距离向量，ai为幅值系数，为目标指向天线的相位项，接收天线散射近场并矢格林函数；

22、定义单站天线远场目标自由空间源点与发射天线的距离向量建立近远场变换方程，表示为：

23、

24、其中，表示近远场变换内核；表示远场散射信号；

25、目标体的远场入射电场和散射电场表示为：

26、

27、

28、其中，表示远场并矢格林函数，远场目标入射电场，为远场天线等效电流密度分布函数，为远场目标体相对散射源点的第i个距离向量；

29、通过傅里叶变换得到近远场变换内核

30、

31、其中，

32、还包括，将近远场变换内核带入近远场变换方程，表示为：

33、

34、作为本发明所述的近场预测远场rcs的优化测量方法的一种优选方案，其中：所述建立远场各散射中心信号的状态空间方程，包括根据散射中心模型建立观测远场散射信号方程，表示为：

35、

36、其中，γ为目标不同位置的散射类型，f表示频率，fc表示中心频率，ui为复高斯白噪声；

37、由散射中心模型构建远场目标体的散射状态空间方程

38、

39、

40、其中，a∈cm×m为开环矩阵，b∈cm×1,c∈c1×m为常量矩阵，u(k)为复高斯白噪声，远场目标入射电场序列，为远场散射信号输出电场序列。

41、作为本发明所述的近场预测远场rcs的优化测量方法的一种优选方案，其中：对构造的散射中心电场序列的hankel矩阵进行奇异值分解，提取关于主特征值的幅值信号和距离标量信息，包括，

42、所述hankel矩阵通过观测远场散射信号序列作为arma输出电场序列构建，表示为：

43、

44、其中，l＝n/2表示测量电压次数n的最小整数；

45、进行奇异值分解，表示为：

46、

47、其中，表示hankel矩阵去除噪声分量的信号分量，usn表示左酉阵，∑sn表示对角阵，右酉阵的共轭转置。

48、作为本发明所述的近场预测远场rcs的优化测量方法的一种优选方案，其中：主特征值的幅值信号λ{a}和距离标量信息表示为：

49、λ{a}＝{λ1,λ2,…,λm}

50、

51、

52、其中，δf表示电磁波辐射对目标方位步进角度，表示估计的远场散射中心信号幅值，c为电磁波速率，φi为特征值的相位。

53、作为本发明所述的近场预测远场rcs的优化测量方法的一种优选方案，其中：建立fisher信息矩阵，提取距离向量的空间坐标值，包括，

54、定义远场的散射中心第i个点空间坐标为(rx,ry,rz)，对应的距离向量为其中(ex,ey,ez)表示空间单位向量。将距离向量其带入观测远场散射信号方程的由克拉美罗界理论，构建fisher信息矩阵，表示为：

55、

56、其中，分别对rx,ry,rz求导，有

57、

58、其中，∑为无偏估计子的协方差矩阵，是达到下界时分别对相应的坐标进行求导得到，表示为估计值。

59、作为本发明所述的近场预测远场rcs的优化测量方法的一种优选方案，其中：还包括，更新远场散射中心模型和近远场变换方程，并建立等效关系，包括，

60、依据主特征值的幅值信号λ{a}和距离标量信息进行更新，表示为：

61、

62、其中，为第二类贝塞尔函数，ki为标量波数，为方位角，n为自然数；

63、将crlb提取的空间坐标估计值带入近远场变换的方程距离向量，建立观测数据和近远场变换数据的等效关系，表示为：

64、

65、其中，b为校正向量，e为随机误差向量。

66、作为本发明所述的近场预测远场rcs的优化测量方法的一种优选方案，其中：根据最小二乘法求解近远场变换的系数，包括，

67、在理想情况下，若随机误差向量的期望值e(e)为零，使等效方程均方误差最小：

68、

69、根据最小二乘法可以得到最优无偏估计向量，表示为：

70、

71、其中，h表示共轭转置；

72、根据凸优化理论求解近远场变换的系数，包括，

73、在非理想情况下，随机误差向量的期望值e(e)不为零，根据凸优化理论，可建立优化方程，表示为：

74、

75、

76、其中，·2为2范数，ε为方差阈值。

77、作为本发明所述的近场预测远场rcs的优化测量方法的一种优选方案，其中：将远场信号幅值和求解系数带入近远场变换方程，获得预测的远场rcs，表示为：

78、

79、通过观察最大rcs值max(σff)，可知预测的rcs精度。

80、与现有技术相比，本发明的有益效果：本发明通过改进近远场变换方程的计算参量，更新了近远场变换内核，解决了近场预测远场的变换方法；通过构建hankel矩阵的状态空间模型，解决了远场散射信号幅值和距离信息的精确提取；通过克拉美罗界计算，解决了远场散射信号空间位置坐标信息的精确定位；通过最小二乘法和凸优化约束计算，解决了校正系数的估计问题。在不同应用的环境下，具有良好的稳定性和抗干扰能力，提高了预测rcs精度和定标效率。