一种减小测量杂波的近场外推RCS测试方法

本发明属于电磁测量。涉及电大复杂目标的近场外推高效计算，可用于室内紧缩环境的远场rcs测量。

背景技术：

1、雷达散射截面(radar cross section，rcs)用于衡量飞行器、车辆、舰船等雷达探测对象散射电磁波的能力，因此在设计具有重要军事价值的隐身目标时，rcs的测量与评估是十分必要的。然而，测量目标飞行器的rcs是很困难的，因为rcs的计算需要平面波入射并要求接收满足远场(far field,ff)条件。根据rcs测量系统的不同架构，目标rcs特征的实际测量可分为远场测量、紧缩场测量和近场测量三种类型。每种测量方法的典型特点如下：

2、1.远场测量对于电大目标的测试需要非常长距离的测试场地和高功率的测试设备，并且只能在场外进行。因此，远场测试的测量精度容易受到地面测试环境与天气的影响，而且保密性很差，尤其无法运用于测试还未公开的军事目标。

3、2.紧缩场测量使用巨大的反射抛物面和介质棱镜以在较短的距离生成平面波用于测试。因此，紧缩场测量可以大大缩短测试距离，但抛物面造价高昂，设备运行及维护费用较高。同时，对于体积过于庞大的测试目标，当原有的紧缩场设备无法满足要求时，重新设计和建造设备的周期也相对较长。

4、3.近场测量通过测量得到的目标近场(near field,nf)信息，辅助近远场转换(near field–far field transformation,nffft)的算法，得到远场rcs的测试结果。通常的后处理算法分为成像近似算法与全波算法。成像近似算法使用近场的单站测量信息以外推目标的远场单站信息,在针对一些复杂的目标的多次散射与其他复杂耦合作用时，近似方法可能无法提供精确的计算结果。全波方法需要测量近场的双站结果，并使用平面波综合(plane-wave synthesis,pws)方法使得某一区域内的场分布近似于平面波入射的状态。由于全波法从波普展开出发，理论上没有任何近似，因此其外推算法的结果是更精确的。在对测量结果有较高精度要求时，通常采用全波算法进行近远场转换。

5、虽然双站测量的全波法具有更高的精度，但对天线分布的距离、范围大小和分布形式等具有较高的要求。使用特定的波函数展开计算近场外推的方法，可以有效减少天线的分布范围，同时使用快速傅里叶变换(fast fourier transform,fft)可以快速求解逆问题，得到近场外推的结果。但是，这些方法的近场采样点仅能分布于规则的经典测量表面，例如球面、柱面与平面，如果近场测量点位与经典测量表面存在一定的偏移，将会明显影响计算精度。快速非规则天线场变化算法(fast-irregular antenna field transformationalgorithm,fiafta)使用等效电流、平面波谱或球面波普作为未知数进行计算，由于算法本身无需特殊的波函数展开，近场采样点可以任意分布于求解单方向平面波谱的有效范围内，降低了测试过程采样点的布设难度，同时对于采样区域截断的鲁棒性较强，可以减少近场采样区域的范围。

6、近场外推rcs测试技术在进行近场采样时，由于周遭环境中架设的设施较多，地面的吸波材料难以覆盖一些需要旋转的结构，或是测试频率过低导致吸波材料效果不佳，导致测试过程中不希望产生的散射源与电磁波的多径传播现象较多，影响了近场采样结果的精度。除了尽可能提高测试环境的吸波能力以外，杂波消除技术是提高近场采样结果准确性的主要手段之一，其主要分为时域技术和频域技术两大类。时域技术主要通过给接收信号加时间窗，避免接收到经过目标与其他单元多次反射的结果；频域技术主要通过快速傅里叶变换并消去不可能出现的频率信号，以达到消除杂波的目的。然而，频域技术无法消除目标与其他单元相互作用产生的激发电流的影响，而时域技术对测试频率的带宽和多径传播距离的分辨率有要求，因此两种方法均无法完全移除杂波对测试的影响。

7、与其在消除杂波的方法上进行很复杂的处理，不如直接将地面的吸波材料去除，替换为大面积的金属地面，此时仅需考虑金属地面与目标的确定性反射结果。之后，对近场外推rcs技术的基础算法进行调整，在算法中将金属地面的反射影响予以剔除，这样既可以提高近场测量的准确性，还可以提高测试的可重复性。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明提出了一种减小测量杂波的近场外推rcs测试方法，本发明在近场测试中，使用金属地面测试环境对目标的近场进行测量，降低测试环境的不确定性和未知散射源的影响；然后，在快速非规则天线场变化算法中，考虑金属地面带来的等效镜像源对近场场值的转移计算，并在外推远场计算环节，消除镜像源对远场场值的影响，最终得到无金属平面条件下的近似rcs结果。

2、本发明所述具体技术方案如下：

3、一种减小测量杂波的近场外推rcs测试方法，包括四个步骤，

4、步骤1、平面波综合，用于在室内近场区域获得由多个发射天线tx的辐射场综合而成的平面波激励；

5、步骤2、确定近场外推平面波谱的盒子尺寸与非空盒子数，用于确定近场外推计算所需的参数，为近场外推计算做准备；

6、步骤3、含镜像源的无限大金属平面上的近场外推计算，用于求解不受金属平面影响的远场电场场值；

7、步骤4、除去镜像源的近场外推rcs合成，用于将远场电场场值转化为无金属平面条件下的近似rcs结果。

8、进一步的，步骤2中的近场外推平面波谱盒子边长尺寸d的计算公式如下，

9、

10、其中，

11、dmin为距离目标最近的测试场场点位置，rmax为最大目标测量半径，α为计算精度参数；

12、非空盒子数的确定方法为：确定近场外推平面波谱盒子边长后，用近场外推平面波谱盒子对平面波合成区域进行分割，将存在包络面离散基函数的盒子定义为非空盒子，从而确定非空盒子总数n。

13、进一步的，步骤3包含3个子步骤，

14、步骤3.1、对于每一个tx天线，建立接收天线rx阵列并测量每个接收天线处的近场电场值；

15、步骤3.2、根据测得的结果，通过切向电场方程，得到考虑金属平面影响下的目标对应的平面波谱系数bnkθ和

16、步骤3.3、无需叠加镜像源的部分，根据平面波谱系数bnkθ和插值得到目标方向对应的远场散射电场场值

17、进一步的，步骤3.2中的切向电场方程如下：

18、

19、其中，

20、为第q个rx测得的近场电场在θ方向的分量，

21、为第q个rx测得的近场电场在方向的分量，

22、n为近场外推平面波谱盒子的总数，

23、kn为每个盒子内的有效平面波谱数，

24、k为波数，

25、为平面波展开的单位矢量，

26、q为rx的标号，一共使用q个rx点位接收电场，

27、为第q个rx在θ方向的单位矢量，

28、为第q个rx在方向的单位矢量，

29、进一步的，

30、

31、

32、其中，

33、tl(*,*)表示平面波的转移函数，

34、dt为目标源盒子中心到各个rx的距离，

35、为对应的距离方向单位矢量，

36、为目标平面波谱，

37、为分解到θ方向和方向的单位分量，

38、bnkθ为目标平面波谱分解为的θ方向分量上的平面波谱系数，

39、为目标平面k波谱分解为的方向分量上的平面波谱系数，

40、进一步的，

41、

42、

43、其中，

44、为镜像的第n个盒子中平面波谱在方向呈现的近场电场场值，同样可以分解为两个方向的分量，

45、dm为镜像源盒子中心到各个rx的距离，

46、为对应的距离方向单位矢量，

47、根据镜像原理，镜像源和目标源的等效电流水平方向相反，垂直方向相同，镜像源处的平面波谱分解为的θ方向分量上的平面波谱系数，与目标平面波谱中π-θk方向上的平面波谱系数一致，因此表示为bnk(π-θ)，镜像源处的平面波谱分解为的方向分量上的平面波谱系数，与目标平面波谱中方向上的平面波谱系数一致，因此表示为

48、进一步的，步骤3的含金属平面的近场外推计算中，切向电场方程的解与自由空间求得的解不同，两个解在物理上相差目标与金属平面耦合的影响，但这个影响随目标的高度和平面波综合的入射角度不同而不同，在特定高度和角度限制下，可以忽略不计，所述特定高度和角度限制为：对于尺寸为1空气波长的测试目标，水平入射的角度在水平方向±15°以内，且目标高于金属地面2倍空气波长；或者，水平入射的角度在水平方向±45°以内，且目标高于金属地面4倍空气波长；或者，目标高于金属地面6倍空气波长以上，忽略入射角度。

49、进一步的，步骤4包括：采用将每一个tx天线对应的发射系数与目标方向对应的远场散射电场场值相乘，并叠加所有的tx天线的结果，最终得到该方向的远场电场再利用公式：得到远场rcs。

50、进一步的，所述平面波综合包含3个子步骤，

51、步骤1.1、根据测试需求建立平面波综合区域，并进行必要的剖分，使得表面可以表征离散基函数；

52、步骤1.2、根据发射天线tx的位置分布和每个发射天线对应的单位辐射电磁场表达式，得到由每个发射天线tx处单位激励在任意场点产生的单位辐射电磁场；

53、步骤1.3、通过求解平面波综合的方程表达式，得到每一个发射天线tx的发射系数；根据每个发射天线的发射系数和每个发射天线在任意场点的单位辐射电磁场，综合得到rcs测试必需的等效的平面波激励。

54、进一步的，步骤1.2包括：根据奈奎斯特采样定律的间隔要求与投影定理的范围要求，确定m个发射天线tx的位置分布；在构建每个发射天线tx对应的单位辐射电磁场表达式的过程中，每个天线tx单位激励产生的等效电流源为已知量，将每个等效电流源聚集成源场盒子内的平面波谱，再将平面波谱转移至场点盒子内，再统一发散平面波谱，将其转换为各个场点的场值，求得每个发射天线在任意场点的单位辐射电磁场大小。

55、有益效果

56、1、本发明针对在复杂目标的远场测量问题，提出一种减小测量杂波的近场外推rcs测试技术。具体提出了在金属地面上进行近场测量的测试方案，该方案可以减弱不确定的散射源对近场测量的准确性和可重复性的影响；

57、2、本发明考虑金属地面带来的等效镜像源对近场场值的转移计算；

58、3、本发明在最后的外推远场计算环节，消除镜像源对远场场值的影响，得到无金属平面条件下的近似rcs结果。

59、4、本发明探究了目标高度、平面波入射角度与近场外推rcs结果的准确性关联：无限大金属平面上的近场外推算法无法去除目标与金属平面耦合的影响，但这个影响会随目标的高度和入射的角度不同而产生变化。经测试，金属平面和目标的耦合在接近水平入射的情况下是可以忽略的，同时提高目标的高度可以进一步降低耦合的影响。