基于近場(chǎng)成像獲取地物散射系數(shù)的方法

徐秀麗, 張?jiān)? 梁子長(zhǎng), 陳奇平

（電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200438）

基于近場(chǎng)成像獲取地物散射系數(shù)的方法

徐秀麗, 張?jiān)? 梁子長(zhǎng), 陳奇平

（電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海 200438）

介紹了一種基于近場(chǎng)成像獲取地物散射系數(shù)的新方法,該方法通過(guò)一次測(cè)量即可精確獲取一定入射角范圍內(nèi)、不同照射面積下地物散射系數(shù),實(shí)測(cè)成像數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。

近場(chǎng)；成像；散射系數(shù)；測(cè)量

0 引言

地物散射系數(shù)是引信武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)的重要依據(jù)之一,但目前國(guó)內(nèi)主要是通過(guò)車載或機(jī)載雷達(dá)對(duì)地物回波信號(hào)進(jìn)行測(cè)量獲取大面積地物的平均散射系數(shù),難以滿足窄波束引信超低空工作時(shí),對(duì)小面積照射區(qū)域散射回波信號(hào)的需求。

本文提出一種“基于近場(chǎng)成像獲取地物散射系數(shù)”的新方法,該方法通過(guò)一次測(cè)量即可精確獲取一定入射角范圍內(nèi)、不同照射面積下的地物散射系數(shù),可滿足引信武器系統(tǒng)對(duì)小面積地物散射特性的需求。

1 基本原理

基于近場(chǎng)成像獲取地物散射系數(shù)主要是基于SAR成像原理,即通過(guò)對(duì)地物環(huán)境進(jìn)行二維高分辨成像測(cè)量,并采用近場(chǎng)成像處理技術(shù)修正近場(chǎng)測(cè)量時(shí)天線方向圖及距離因子等引入的誤差獲取地物散射強(qiáng)度分布圖像（或地物散射中心分布）,然后依據(jù)雷達(dá)方程對(duì)各地物散射中心進(jìn)行矢量合成地物散射系數(shù)。

1.1 地物SAR成像測(cè)量

傳統(tǒng)地物散射系數(shù)測(cè)量方式,如圖1所示。

圖1 傳統(tǒng)地物散射系數(shù)測(cè)量方式

地物SAR成像主要是基于SAR成像原理,即通過(guò)收發(fā)天線直線運(yùn)動(dòng)形成有效合成孔徑（L e）獲取方位向高分辨,通過(guò)發(fā)射步進(jìn)掃頻連續(xù)波寬頻帶信號(hào)獲取距離向高分辨,從而實(shí)現(xiàn)近場(chǎng)地物背景下目標(biāo)SAR成像,其成像原理示意圖如圖2所示[1]。

圖2 地物SAR成像原理示意圖

通過(guò)上述方法對(duì)地物環(huán)境進(jìn)行二維高分辨成像測(cè)量,獲取的地物二維分辨率（方位向、距離向）為

式中：δx、δy分別為地物距離向、方位向分辨率；C為電磁傳播速度；λ為測(cè)試?yán)走_(dá)工作波長(zhǎng)；Le為有效合成孔徑長(zhǎng)度；R為測(cè)試天線與地物散射中心間距離；θ0為天線主波束入射角度。

1.2 近場(chǎng)校正成像處理

通過(guò)上述地物SAR成像測(cè)量,天線接收到的目標(biāo)回波頻域信號(hào)表示為[1]

式中：（x,y）為目標(biāo)坐標(biāo)系下目標(biāo)散射中心坐標(biāo)參數(shù)；（x′,y′）為目標(biāo)坐標(biāo)系下天線坐標(biāo)參數(shù)；R表示收發(fā)天線與目標(biāo)散射中心間距離。

滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件下,對(duì)式（2）進(jìn)行二維FFT處理即可獲取地物目標(biāo)二維像。雷達(dá)成像中滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量的條件為

式中：D為目標(biāo)橫向擴(kuò)展尺寸；R為測(cè)試天線與目標(biāo)中心間距離；λ為雷達(dá)工作波長(zhǎng)。如在Ku波段對(duì)最大尺寸為2 m的目標(biāo)進(jìn)行成像測(cè)量,測(cè)試距離R≥400 m時(shí)滿足遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量條件,而實(shí)際地物成像測(cè)量通常為近場(chǎng)測(cè)量[2]。

對(duì)地物環(huán)境進(jìn)行SAR成像測(cè)試時(shí)通常采用喇叭天線,天線照射目標(biāo)示意圖如圖3所示。

圖3 天線照射目標(biāo)示意圖

在不同方位向上天線照射強(qiáng)度不同,勢(shì)必造成圖像強(qiáng)度失真；此外,對(duì)大尺寸目標(biāo)進(jìn)行近場(chǎng)測(cè)試時(shí),由于目標(biāo)距離天線很近,目標(biāo)各散射中心與天線之間的距離差別可能達(dá)到1倍以上,則各散射中心回波信號(hào)空間衰減差達(dá)到3倍以上,雷達(dá)圖像能量失真差則達(dá)到15倍。因此,對(duì)目標(biāo)近場(chǎng)成像測(cè)試數(shù)據(jù)處理時(shí),必須修正近場(chǎng)測(cè)量中天線方向圖及距離因子引入的誤差。

近場(chǎng)校正成像技術(shù)通過(guò)引入天線方向圖,可修正不同方位向上天線照射強(qiáng)度不同引入的差別；通過(guò)引入各散射中心空間距離因子,可修正各散射中心近場(chǎng)空間衰減不同引入的差別。近場(chǎng)地物SAR成像處理公式為

式中：（x,y）為以成像區(qū)域中心為地物散射中心坐標(biāo)；（-R0,y′）為收發(fā)天線坐標(biāo)；F（k+kmin,y′）為地物頻域信號(hào)（x,y）為地物散射強(qiáng)度。

1.3 獲取地物散射系數(shù)

通過(guò)1.2近場(chǎng)校正處理即可獲取被測(cè)地物環(huán)境遠(yuǎn)場(chǎng)像,并對(duì)地物圖像進(jìn)行網(wǎng)格劃分將大面積地物劃分為多個(gè)小面積區(qū)域,地物圖像進(jìn)行網(wǎng)格劃分如圖4所示。

圖4 地物圖像網(wǎng)格劃分圖

利用雷達(dá)方程對(duì)小面積區(qū)域內(nèi),地物散射中心進(jìn)行矢量合成即可獲取小面積區(qū)域地物RCS,進(jìn)一步可獲取地物散射系數(shù),小面積地物環(huán)境散射系數(shù)為

式中：σ0（R,θ,k）為距離為R、頻率為k（通常取成像掃頻帶寬中心頻率）、天線波束傾角為θ處小面積地物散射系數(shù)；σ（R,θ,k）為面積S內(nèi)各地物散射中心的散射特性合成；σn（R,θ,k）為小面積地物環(huán)境各等效散射中心的散射特性；ΔRn表示小面積地物環(huán)境第n個(gè)散射中心與所選地物區(qū)域中心點(diǎn)的距離[3]。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證該方法的正確性,利用地物SAR成像測(cè)量系統(tǒng)在Ku波段對(duì)典型地物環(huán)境下目標(biāo)進(jìn)行成像測(cè)量。地物SAR成像測(cè)量系統(tǒng)如圖5所示,主要由射頻部分、儀器自動(dòng)化控制、升降平臺(tái)、一維掃描架（導(dǎo)軌及天線運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)）等組成,射頻測(cè)量系統(tǒng)置于升降平臺(tái)上。

圖5 地物SAR成像測(cè)量系統(tǒng)

具體試驗(yàn)狀態(tài)及參數(shù)如表1所示。

表1 試驗(yàn)狀態(tài)及參數(shù)

采用近場(chǎng)校正成像處理技術(shù)對(duì)典型地物環(huán)境成像測(cè)試數(shù)據(jù)進(jìn)行處理,典型地物環(huán)境及其成像結(jié)果如圖6（a）、（b）所示。

圖6 典型地物及其成像結(jié)果

獲取典型地物環(huán)境散射圖像后,基于1.3所述方法即可獲取地物散射系數(shù)。將被測(cè)草地區(qū)域,按入射角不同劃分成條狀區(qū)域,并分別利用40 cm、20 cm、12 cm等不同成像分辨率數(shù)據(jù)對(duì)各入射角區(qū)域內(nèi)草地散射系數(shù)進(jìn)行統(tǒng)計(jì),統(tǒng)計(jì)結(jié)果如圖7所示,可看出草地散射系數(shù)隨入射角增大而減小,各分辨率下草地散射系數(shù)動(dòng)態(tài)范圍隨分辨率增大而減小,且利用本方法獲取的地物散射系數(shù)基本位于雷達(dá)手冊(cè)中散射系數(shù)誤差允許范圍內(nèi),從而驗(yàn)證了本方法的正確性。

3 結(jié)束語(yǔ)

圖7 Ku頻段草地散射系數(shù)與入射角、分辨率關(guān)系

上述實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了基于成像方式獲取地物散射系數(shù)技術(shù)的正確性,利用該技術(shù)可在近場(chǎng)區(qū)域內(nèi)通過(guò)一次測(cè)量可獲取不同入射角及不同面積區(qū)域內(nèi)的地物散射系數(shù),從而可為引信武器系統(tǒng)設(shè)計(jì)提供更為精確的地物環(huán)境散射特性數(shù)據(jù)。

[1] Z.Zhang,Analysis and Simulation of Land and Rain Clutter for PRC CW Radar at X-band[J]. IEEE Proc_Radar.Sonar Navig,1999,146.

[2] A.J.Gatesman.VHF/UHF Imagery and RCS Measurements of Ground Targets in Forested Terrian[J].Proc SPIE,2002,4727.

[3] Karl A.Kappra,Army Research Laboratory Landmine and Unexploded Ordnance Experiments and Results[J].SPIE,1998,3752.

A New Method of Obtaining Terrain Scattering-coefficient Based on Imaging in Near Field

XU Xiu-li, ZHANG Yuan, LIANG Zi-chang, CHEN Qi-ping
（Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory, Shanghai 200438,China）

A new method of obtaining terrain scattering-coefficient is proposed,which is based on imaging in near-field.With this technology,terrain scattering-coefficient with different incident angle and different area can be obtained,and the result of measurement validates the correctness and feasibility of the technology.

near field；imaging；scattering-coefficient；measurement

TM931

A

1671-0576（2014）02-0044-04

2014-02-11

徐秀麗（1978-）,女,碩士,高級(jí)工程師,主要從事近場(chǎng)成像技術(shù)研究。