基于輻射中心分解的天線輻射場(chǎng)合成

梁子長(zhǎng), 岳 慧

(目標(biāo)與環(huán)境電磁散射輻射國(guó)防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200090)

0 引言

近場(chǎng)情況下,目標(biāo)的電磁散射觀測(cè)數(shù)據(jù)與觀測(cè)天線密切有關(guān),觀測(cè)天線輻射場(chǎng)的描述模型是近場(chǎng)散射建模中必不可少的元素,人們通常采用點(diǎn)源結(jié)合天線方向圖的方式對(duì)觀測(cè)天線輻射場(chǎng)進(jìn)行建模[1～6],且假定觀測(cè)天線輻射場(chǎng)幅度與距離成反比,但對(duì)口面分布尺寸較大的觀測(cè)天線,該假定在近場(chǎng)情況下不再成立。最近,有研究在假定理想偶極子觀測(cè)條件下引入了廣義雷達(dá)散射截面的定義,認(rèn)為近距離觀測(cè)情況下觀測(cè)天線可表示為一系列理想偶極子的組合,有效地避免了近場(chǎng)目標(biāo)散射特性與觀測(cè)天線直接相關(guān)的問(wèn)題,但這對(duì)觀測(cè)天線輻射場(chǎng)的描述提出了新的要求,即需利用偶極子輻射場(chǎng)對(duì)實(shí)際觀測(cè)天線輻射場(chǎng)進(jìn)行分解描述。

本文采用逆投影算法對(duì)觀測(cè)天線不同方向輻射場(chǎng)的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理[7],獲取天線輻射強(qiáng)度的分布圖像,其強(qiáng)輻射分布區(qū)域與天線開(kāi)口位置一致;在此基礎(chǔ)上,利用偶極子輻射中心概念采用參數(shù)估計(jì)法對(duì)天線輻射場(chǎng)進(jìn)行分解,提取其輻射中心的幅度、相位及位置等參數(shù),并合成不同距離下的天線輻射場(chǎng),結(jié)果與直接計(jì)算的輻射場(chǎng)分布數(shù)據(jù)吻合較好,有效地解決了近場(chǎng)散射建模中天線輻射場(chǎng)的描述問(wèn)題。該方法也可應(yīng)用于雙站RCS數(shù)據(jù)壓縮、天線反設(shè)計(jì)及雷達(dá)仿真應(yīng)用等方面。

1 天線輻射成像

若給定某一工作頻率下,天線輻射場(chǎng)不同方向(俯仰及方位角)的幅度及相位數(shù)據(jù),根據(jù)逆投影(BP)算法原理,可在選定的平面內(nèi)(一般取天線口面所在平面,本文取YZ平面)進(jìn)行成像處理,天線輻射強(qiáng)度的分布圖像可由式(1)計(jì)算:

式中:G0(θ,φ)為天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)某一極化分量的分布數(shù)據(jù);c0為標(biāo)定系數(shù),其大小與式中積分的角度范圍有關(guān);k為電磁波波數(shù)。其成像分辨率可由式(2)估算:

式中:θ1和θ2為式(1)中積分的俯仰角范圍;φ1和φ2為方位角范圍。當(dāng)積分的角度域范圍接近半球面空間時(shí),成像分辨率可達(dá)0.5倍波長(zhǎng),Ku波段時(shí)小于1 cm。

為驗(yàn)證天線輻射成像效果,本文假定一簡(jiǎn)化的波導(dǎo)縫隙陣天線沿Z軸放置,天線工作頻率為16GHz,波導(dǎo)寬邊平行于Y軸,其上依次開(kāi)有6個(gè)相隔約為2.1 cm的半波長(zhǎng)縫隙,縫隙寬度為1 mm,且偏離波導(dǎo)寬邊中心線3.5mm。圖1(a)為矩量法(M oM)計(jì)算的天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)分布結(jié)果;對(duì)應(yīng)地,圖1(b)給出了天線輻射強(qiáng)度的成像分布結(jié)果,其中成像處理采用的俯仰角范圍為10°～170°,方位角范圍為 100°～ 260°?？梢?jiàn),該天線的輻射圖像主要表現(xiàn)為六個(gè)強(qiáng)輻射中心,其位置與縫隙中心位置十分吻合。

圖1 縫隙陣天線輻射場(chǎng)成像結(jié)果

圖2為一喇叭天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)成像結(jié)果,其中喇叭天線的口面大小取為8 cm×6 cm,工作頻率為16GH z,矩量法計(jì)算的天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)分布如圖2(a)所示;圖2(b)給出了該天線輻射強(qiáng)度的成像分布結(jié)果,其強(qiáng)輻射分布區(qū)域與天線口面位置也較為吻合。

綜上所述,BP算法適于天線輻射場(chǎng)分量的成像處理,驗(yàn)證結(jié)果表明縫隙、喇叭等天線的輻射成像效果較好,其強(qiáng)輻射分布區(qū)域有較強(qiáng)的聚集性,且與天線向外輻射能量的開(kāi)口位置較為一致,引申目標(biāo)散射中心的概念,這里引入偶極子輻射中心的概念,這對(duì)天線輻射場(chǎng)的描述、天線反設(shè)計(jì)等有重要意義。

圖2 喇叭天線輻射場(chǎng)成像結(jié)果

2 天線輻射中心提取

根據(jù)上節(jié)天線成像結(jié)果及輻射中心概念,可利用理想偶極子天線的輻射場(chǎng)對(duì)復(fù)雜天線的輻射場(chǎng)進(jìn)行分解,即提取偶極子輻射中心的位置、幅度和相位等參數(shù);這里采用參數(shù)估計(jì)法進(jìn)行提取[8～9],對(duì)第i個(gè)輻射中心,即尋找合適參數(shù)使得式(3)中相對(duì)剩余偏差ei最小,表示為

式中:ai為輻射中心的強(qiáng)度(包含幅度和相位);yi和zi為輻射中心的位置;g(yi,zi,θ,φ)為理想偶極子天線不同方向的輻射場(chǎng)分布。同時(shí),結(jié)合式(4)可依次提取第i+1個(gè)輻射中心的參數(shù)。

對(duì)圖1(a)所示的縫隙陣天線輻射場(chǎng),表1給出了利用式(3)提取的部分輻射中心參數(shù),其中前六個(gè)輻射中心位置與縫隙中心位置一致,相對(duì)偏差隨著輻射中心的提取依次減小,提取100個(gè)輻射中心后其相對(duì)剩余偏差達(dá)0.0016以下。

利用提取的輻射中心數(shù)據(jù),對(duì)天線遠(yuǎn)區(qū)及0.4m距離處的輻射場(chǎng)分布進(jìn)行合成,與M oM計(jì)算數(shù)據(jù)的比較結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)和(b)可知,基于輻射中心合成的天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)結(jié)果與M oM直接計(jì)算結(jié)果吻合較好,在較大觀測(cè)角范圍內(nèi)偏差均較小;同時(shí),由于天線口面分布尺寸達(dá)0.1m以上,天線近距離輻射場(chǎng)與遠(yuǎn)區(qū)輻射場(chǎng)不同,但圖3(c)和(d)的比較結(jié)果表明輻射中心的近場(chǎng)合成結(jié)果也與直接計(jì)算結(jié)果吻合較好,兩者間偏差主要來(lái)源于輻射中心提取后的剩余偏差。

對(duì)圖2(a)所示的喇叭天線輻射場(chǎng),利用式(3)依次提取150個(gè)輻射中心后,相對(duì)剩余偏差小至0.0006;相應(yīng)地,利用提取的輻射中心參數(shù),圖4給出了喇叭天線遠(yuǎn)區(qū)及0.4 m距離處輻射場(chǎng)的合成分布結(jié)果與直接計(jì)算數(shù)據(jù)的比較,兩者也吻合較好。

表1 提取的縫隙陣天線輻射中心參數(shù)列表

圖3 裂縫陣天線輻射場(chǎng)合成

圖4 喇叭天線輻射場(chǎng)合成

由此可見(jiàn),采用偶極子輻射中心分解觀測(cè)天線輻射場(chǎng)的方法是有效的,其合成的輻射場(chǎng)可較好地描述天線輻射場(chǎng)隨距離的變化關(guān)系。

3 結(jié)論

采用逆投影算法對(duì)裂縫陣、喇叭等天線的輻射場(chǎng)進(jìn)行成像處理,獲得了天線的輻射強(qiáng)度分布圖像,其強(qiáng)輻射區(qū)域與天線向外輻射能量的開(kāi)口位置較為一致。

在此基礎(chǔ)上,引入了偶極子輻射中心的概念,并采用參數(shù)估計(jì)法提取了天線輻射中心參數(shù),其合成的天線輻射場(chǎng)與矩量法直接計(jì)算的不同距離輻射場(chǎng)結(jié)果吻合較好,滿足近場(chǎng)目標(biāo)散射建模對(duì)天線輻射場(chǎng)描述的要求。同時(shí),該方法也可用于雙站RCS數(shù)據(jù)壓縮、天線反設(shè)計(jì)、雷達(dá)仿真試驗(yàn)等方面。

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