基于聚束SAR成像的目標(biāo)RCS近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換方法

徐秀麗， 童廣德， 張 元， 王 超

(1.電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200438； 2.電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100854)

基于聚束SAR成像的目標(biāo)RCS近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換方法

徐秀麗1， 童廣德1， 張 元1， 王 超2

(1.電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 上海 200438； 2.電磁散射重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 北京 100854)

基于聚束SAR成像的目標(biāo)RCS近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換方法，是以SAR成像原理為基礎(chǔ)，結(jié)合近場校正成像等技術(shù)，將目標(biāo)近、遠(yuǎn)場電磁散射特性之間差異轉(zhuǎn)化為修正函數(shù)，通過近場電磁散射特性測試數(shù)據(jù)與修正函數(shù)卷積獲取目標(biāo)遠(yuǎn)場RCS，實(shí)測數(shù)據(jù)驗(yàn)證了該方法的正確性和可行性。

合成孔徑雷達(dá)； 成像； 目標(biāo)； 近場； 遠(yuǎn)場

0 引言

現(xiàn)有室外遠(yuǎn)場、緊縮場RCS測試研究能力，受測試場地、測試系統(tǒng)等因素限制，無法滿足大型裝備出廠驗(yàn)收及維護(hù)保養(yǎng)時RCS指標(biāo)在現(xiàn)場、快速、便捷等測試要求。

目標(biāo)RCS近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換方法，是對目標(biāo)電磁散射特性進(jìn)行近場測試，并通過近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換獲取目標(biāo)RCS的有效方法，具有測試場地規(guī)模要求小、測試系統(tǒng)發(fā)射功率要求低等特點(diǎn)，成為解決大型裝備出廠驗(yàn)收及維護(hù)保養(yǎng)時隱身指標(biāo)測試的有效手段之一。

本文將提出一種基于聚束SAR成像的目標(biāo)RCS近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換方法，基于該方法可建立機(jī)動靈活的測試系統(tǒng)，為大型隱身目標(biāo)電磁散射特性現(xiàn)場測量提供新的方法。

1 基本原理

基于聚束SAR成像的目標(biāo)RCS近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換方法：

a) 借助散射中心概念，基于SAR成像原理，建立機(jī)動靈活的測試系統(tǒng)，在近距離范圍內(nèi)對目標(biāo)進(jìn)行近場成像測量；

b) 采用時域?yàn)V波方法，消除現(xiàn)場測試背景對目標(biāo)近場散射測試精度的影響；

c) 結(jié)合近場成像處理技術(shù)，給出目標(biāo)近遠(yuǎn)場散射之間修正函數(shù)；

d) 通過近場電磁散射特性測試數(shù)據(jù)與修正函數(shù)的卷積，獲取目標(biāo)在近場不同距離及遠(yuǎn)場的電磁散射特性。

1.1 聚束SAR成像原理

聚束SAR成像原理圖如圖1所示?；赟AR成像原理，通過發(fā)射寬頻帶信號獲取距離向高分辨，通過掃描架運(yùn)動單元帶動測試天線進(jìn)行勻速直線或等間隔步進(jìn)運(yùn)動，且運(yùn)動過程中不斷調(diào)節(jié)天線與目標(biāo)中心之間的方位照射角度，形成有效合成孔徑，獲取方位向高分辨，從而實(shí)現(xiàn)目標(biāo)高分辨散射成像[1]。

圖1 聚束SAR成像原理示意圖

根據(jù)聚束SAR成像原理，二維成像分辨率可表示為

(1)

式中：δx為距離向分辨率；δy為方位向分辨率；c為電磁傳播速度；λ為測試?yán)走_(dá)工作波長；Le為形成的有效合成孔徑長度；R為測試距離，即天線位于掃描行程中心時與目標(biāo)中心之間的距離。

1.2 時域?yàn)V波處理方法

在非合作或惡劣環(huán)境下，對目標(biāo)電磁散射特性進(jìn)行測試時，測試天線接收到的回波信號除了目標(biāo)回波信號外，還包括測試天線之間耦合、測試場背景等雜波信號，這些雜波信號將會影響目標(biāo)電磁散射特性測試精度。

采用時域?yàn)V波處理方法，可有效消除測試天線之間耦合、目標(biāo)區(qū)域以外的測試場背景，提高目標(biāo)電磁散射特性測試精度。

時域?yàn)V波處理方法，是對目標(biāo)頻域?qū)掝l帶電磁散射特性測試數(shù)據(jù)進(jìn)行FFT變換處理，獲取目標(biāo)一維距離像(即目標(biāo)時域回波信號)。然后，在時間域設(shè)置合理加權(quán)函數(shù)(即窗函數(shù))，對目標(biāo)時域回波信號進(jìn)行加權(quán)處理，消除目標(biāo)以外的雜波信號并反變換回頻率域，獲取目標(biāo)精確的電磁散射特性數(shù)據(jù)。

對典型測試場環(huán)境電磁散射特性進(jìn)行測試，并采用時域?yàn)V波方法對測試數(shù)據(jù)進(jìn)行時域?yàn)V波處理，如圖2所示，實(shí)線為濾波前背景RCS測試結(jié)果、虛線為濾波后背景RCS測試結(jié)果，濾波處理后背景RCS降低約35 dB。

圖2 典型測試場RCS測試數(shù)據(jù)濾波處理結(jié)果

1.3 近遠(yuǎn)場修正函數(shù)

近場目標(biāo)電磁散射特性數(shù)據(jù)可采用ISAR或SAR成像測量方式獲取，無論SAR或ISAR測量方式都可等效為探測器圍繞目標(biāo)轉(zhuǎn)動，因此以目標(biāo)中心為原點(diǎn)建立目標(biāo)坐標(biāo)系。

圖3給出了不同距離處探測器與目標(biāo)幾何關(guān)系示意圖，近距離探測器A1、遠(yuǎn)距離探測器A2至轉(zhuǎn)臺中心的距離分別為R1、R2，目標(biāo)任意散射中心P至探測器A1、A2的距離分別為d1、d2，探測器A1、A2在目標(biāo)坐標(biāo)系中的旋轉(zhuǎn)角度分別為θ1、θ2。

圖3 探測器與目標(biāo)幾何關(guān)系示意圖

將探測器A1、A2發(fā)射功率歸一化，則探測器A2旋轉(zhuǎn)至θ2角時接收到目標(biāo)回波信號可表示為

(2)

式中：f2為探測器A2的工作頻率，且k2=2f2/c；c為電磁傳播速度；Φ2(x,y)為探測器A2天線方向圖函數(shù)(以下簡稱為Φ2)；ε(x,y)為目標(biāo)任意散射中心P的散射矢量，該矢量可通過對探測器A1接收到的目標(biāo)回波信號E1(f1,θ1)進(jìn)行成像處理獲得。

實(shí)際成像測量通常采用喇叭天線進(jìn)行近場測量，天線照射目標(biāo)示意圖,如圖4所示。

圖4 天線照射目標(biāo)示意圖

由圖4可知天線對目標(biāo)各散射中心照射強(qiáng)度不同且各散射中心到測試天線的距離也不相同，因此采用近場校正成像處理方式獲取散射中心散射矢量[2-3]:

(3)

式中:f1為探測器A1的工作頻率，且k1=2f1/c；Φ1為探測器A1的天線方向圖函數(shù)。

將式(3)代入式(2)中并交換積分順序，得到基于ISAR成像原理的近遠(yuǎn)場散射關(guān)系：

(4)

式中的內(nèi)部積分即為近遠(yuǎn)場修正函數(shù)，具體表達(dá)式為

(5)

對大型目標(biāo)進(jìn)行ISAR成像測試時，要求具備大載重高定位精度轉(zhuǎn)臺，測試系統(tǒng)要求比較高。而采用SAR成像方式，只需帶動測試天線進(jìn)行運(yùn)動，可降低測試系統(tǒng)要求。

本文將采用聚束SAR和轉(zhuǎn)臺旋轉(zhuǎn)調(diào)整目標(biāo)方位角方式，實(shí)現(xiàn)目標(biāo)全方位近場散射特性測量，獲取目標(biāo)近場電磁散射特性數(shù)據(jù)，測量示意圖如圖5所示。實(shí)際測量時，要求轉(zhuǎn)臺每次調(diào)整目標(biāo)方位角變化量小于掃描架相對目標(biāo)的張角大小。

圖5 近場聚束SAR成像測試示意圖

基于聚束SAR成像原理近遠(yuǎn)場修正函數(shù)仍可采用式(5)進(jìn)行表示，但目標(biāo)各散射中心與天線之間距離則發(fā)生變化，具體表達(dá)式如下[4-5]

(6)

式中：(x，y)為目標(biāo)坐標(biāo)值；(x′，y′)為天線坐標(biāo)值。

實(shí)際采用基于聚束SAR成像方式獲取目標(biāo)RCS時，需要計(jì)算修正函數(shù)g。采用式(6)對g函數(shù)計(jì)算時，需要對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，目標(biāo)網(wǎng)格劃分如圖6所示。

圖6 目標(biāo)網(wǎng)格劃分示意圖

實(shí)際測量時，為保證轉(zhuǎn)換精度，通常要求按照測試頻段波長大小，對目標(biāo)區(qū)域進(jìn)行網(wǎng)格劃分，且該計(jì)算過程可預(yù)先或與測試同步進(jìn)行，從而提高目標(biāo)RCS近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換處理速度。

2 試驗(yàn)驗(yàn)證

在微波暗室內(nèi)，基于SAR成像原理，采用掃描架與轉(zhuǎn)臺相結(jié)合方式，完成典型縮比模型(最大尺寸為2 m)X波段、距離為5 m時的近距離電磁散射測試；在室外場，基于ISAR成像原理，采用轉(zhuǎn)臺帶動目標(biāo)旋轉(zhuǎn)方式，完成縮比模型X波段、距離為50 m時遠(yuǎn)距離電磁散射測試。

采用本文提出的目標(biāo)RCS近場測試新方法，對典型縮比模型近場聚束SAR成像測試數(shù)據(jù)進(jìn)

行近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換處理，獲取目標(biāo)50 m處RCS外推結(jié)果，并與50 m處RCS測試結(jié)果進(jìn)行對比。

圖7所示為典型縮比模型RCS近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換結(jié)果、測試結(jié)果對比圖，實(shí)線為50 m處RCS測試結(jié)果、虛線為50 m處RCS轉(zhuǎn)換結(jié)果，兩者之間誤差為2.53 dB，優(yōu)于3 dB。

圖7 典型縮比模型RCS近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換結(jié)果

3 結(jié)論

試驗(yàn)驗(yàn)證了基于聚束SAR成像目標(biāo)RCS近遠(yuǎn)場轉(zhuǎn)換方法的正確性和可行性。利用該方法能夠在較小近場區(qū)域內(nèi)獲取目標(biāo)在不同距離RCS數(shù)據(jù)，降低測試場地要求，減少測試工作量，同時還可形成機(jī)動靈活的目標(biāo)RCS測量系統(tǒng)，為大型隱身目標(biāo)電磁散射特性現(xiàn)場測量提供有效方法。

[1] 岳慧，梁子長，等. 近場目標(biāo)的三維ISAR成像數(shù)據(jù)快速仿真[J]. 制導(dǎo)與引信， 2011，32(1)：28-31.

[2] 童廣德,徐秀麗，等. 基于目標(biāo)ISAR圖像的RCS數(shù)據(jù)外推方法[J]. 制導(dǎo)與引信, 2007,28(2):28-31.

[3] 梁子長，岳慧，等. 廣義RCS及近場電磁散射建模應(yīng)用[J]. 上海航天， 2011，28(2)：32-37.

[4] 陳海波,何國瑜，等. 基于二維成像的散射特性近遠(yuǎn)場變換方法[C]. 全國微波毫米波會議論文集，2007：1497-1500.

[5] 張麟兮,李南京，等. 雷達(dá)目標(biāo)散射特性測試與成像診斷[M].北京：中國宇航出版社， 2009，(7)：87-92.

A Method of Target RCS Near-far Field Conversion Based on Spotlight-SAR Imaging

XUXiu-li1，TONGGuang-de1，ZHANGYuan1，WANGChao2

(1.Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory, Shanghai 200438, China；2.Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory, Beijing 100854, China)

The method of target RCS near-far field conversion is based on the spotlight-SAR imaging. A modified function can be considered as the difference between the scattering data in near-field and far-field based on the theory of SAR imaging and the technology on correction imaging in the near-field. Target RCS in the far-field can be obtained by the convolving between the modified function and the scattering data in near-field, and the result of measurement validates the correctness and feasibility of the technology.

synthetic aperture radar； imaging; target; near field; far field

1671-0576(2016)04-0040-04

2016-07-20

上海市自然科學(xué)基金，編號15ZR1439600。

徐秀麗(1978-)，女，高級工程師，碩士，主要從事近場目標(biāo)成像技術(shù)研究工作。

TM931

A