專利名稱：基于多入多出陣列技術的三維目標散射系數(shù)測量方法
技術領域：
本發(fā)明屬于雷達技術領域，它特別涉及了目標散射系數(shù)測量技術領域。
背景技術：
目標散射系數(shù)獲取是電磁場研究領域的重要研究方向之一，高分辨率目標散 射系數(shù)特征提取對隱身材料的研究及隱身飛行器的設計具有重要的指導意義。根 據(jù)本發(fā)明人了解以及己發(fā)表的文獻，例如Cagatay Uluisik, Gonca cakir, Mustafa cakir, and Levent Sevgil: "Radar Cross Section (RCS) Modeling and Simulation, Part 1: A Tutorial Review of Definitions, Strategies, and Canonical Examples" IEEE Antennas and Propagation Magazine, Vol. 50， No. 1, February 2008，禾口 SEBASTIAN R1EGGER AND WERNER WIESBECK : "Wide-Band Polarimetry and Complex Radar Cross Section Signatures", PROCEEDINGS OF THE正EE, VOL 77， NO 5, MAY 1989，目前目標散射系數(shù)獲取的途徑 主要包括兩種基于計算電磁學的目標散射系數(shù)計算方法及利用微波暗室進行的 目標散射系數(shù)測量方法。但基于計算電磁學的目標散射系數(shù)計算方法計算量龐大 且存在不可避免的計算誤差，難以獲得復雜目標(如，艦船等)的散射系數(shù)，同 時難以分析寬帶信號與目標相互作用引起的散射系數(shù)變化。微波暗室進行的目標 散射系數(shù)測量方法分辨率較低，只能獲得目標散射截面積，而無法獲得目標不同 部位散射系數(shù)的分布情況；另外，由于需要在暗室進行測量，該方法無法測量大 型目標(如，艦船等)的散射系數(shù)。
多入多出(MIMO)陣列技術是利用多個雷達雷達發(fā)射天線和多個雷達雷達 接收天線合成等效線形雷達陣列雷達天線的技術。根據(jù)本發(fā)明人了解以及已發(fā)表 的文獻，例如，M. WeiB, Ender, J.H.G. "A 3D imaging radar for small unmanned airplanes — ARTINO" EURAD 2005 Conference Proceedings - 2nd European Radar Conference, 2005, p 229-232,目前已經(jīng)有人將該技術應用在對地觀測領域，但沒 有見到將其應用在目標散射系數(shù)測量領域的報道。

發(fā)明內(nèi)容
為了克服基于計算電磁學的目標散射系數(shù)計算方法及利用微波暗室進行的 目標散射系數(shù)測量方法的缺點，本發(fā)明提出了一種基于多入多出陣列技術的三維目標散射系數(shù)測量方法，該方法通過MIMO技術合成等效線陣雷達雷達天線， 然后利用一維運動控制平臺控制等效線陣雷達雷達天線運動以合成大型二維雷 達雷達天線陣列，并結(jié)合信號處理中的脈沖壓縮技術獲得目標散射系數(shù)的三維高 分辨率分布，從而實現(xiàn)了對目標散射系數(shù)的三維高分辨率測量。
為了方便描述本發(fā)明的內(nèi)容，首先作以下術語定義 定義l、 一維運動控制平臺
一維運動控制平臺是指能夠按預先指令控制固定裝置運動的機械系統(tǒng)，主要 由步進電機(或伺服電機)、傳動裝置(如，絲杠、滾珠絲杠、齒輪、齒條等)、 導軌、固定裝置和支撐結(jié)構(gòu)等組成。有效行程是確定一維運動控制平臺的重要指 標。在確定一維運動控制平臺有效行程后，根據(jù)現(xiàn)有技術即可確定出一維運動控 制平臺，詳見參考文獻陳鐵鳴，"機械設計"，3版，哈爾濱工業(yè)大學出版社， 哈爾濱，2003。
定義2、多入多出陣列雷達天線
多入多出(MIMO)陣列技術是利用多個雷達發(fā)射天線和多個雷達接收天線 合成等效線形陣列雷達天線的技術，詳細內(nèi)容可參考"Performance of MIMO radar systems: advantages of angular diversity", Fishier, E.; Haimovich, A.; Blum, R.; Cimini, R.; Chizhik, D.; Valenzuela, R.;Signals, Systems and Computers, 2004。
定義3、發(fā)射系統(tǒng)
發(fā)射系統(tǒng)是指雷達中用于產(chǎn)生基帶信號(一般為線性調(diào)頻信號)，將其調(diào)制 到載頻上，并按照一定的功率發(fā)射向觀測區(qū)域發(fā)射電磁波的系統(tǒng)，主要包括基帶 信號產(chǎn)生模塊、載波調(diào)制模塊、功率放大模塊和雷達發(fā)射天線等，如安捷倫信號 發(fā)生器，N9310A。
其中，基帶模塊可通過指標發(fā)射信號形式、發(fā)射信號帶寬、發(fā)射信號載頻 確定；載波調(diào)制模塊、功率放大模塊和雷達發(fā)射天線可通過指標發(fā)射信號載頻確 定。詳細內(nèi)容可參考"High resolution radar，，Donald R. Wehner, ARTECH HOUSE, INC. 1987。
定義4、接收系統(tǒng)
接收系統(tǒng)是指雷達中用于接收場景回波并進行數(shù)字化采樣和存儲的系統(tǒng)，主 要包括雷達接收天線、下調(diào)制模塊、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊和數(shù)據(jù)存儲模塊等。其中，雷達接收天線、下調(diào)制模塊可通過指標發(fā)射信號載頻確定；數(shù)模轉(zhuǎn)換 模塊可通過指標數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的量化比特數(shù)和采樣頻率確定；數(shù)據(jù)存儲模塊可通 過指標存儲容量和存儲速率決定。詳細內(nèi)容可參考"High resolution radar"Donald R. Wehner， ARTECH HOUSE, INC. 1987。
定義5、脈沖壓縮信號
脈沖壓縮信號是指自相關函數(shù)為類沖激函數(shù)，能夠進行脈沖壓縮的信號，如 線性調(diào)頻信號、偽隨機信號等，詳細內(nèi)容可參考"雷達手冊"，Merrill I. Skonlnik， 電子工業(yè)出版社2003年，及"隨機信號雷達"，劉國歲、顧紅、蘇衛(wèi)民，國防工 業(yè)出版社，2005年。
定義6、接收系統(tǒng)接收波門
接收系統(tǒng)接收波門是指發(fā)射系統(tǒng)發(fā)射信號時刻與接收系統(tǒng)開始采集數(shù)據(jù)時 刻的時間間隔。
定義7、目標散射系數(shù)測量指標
目標散射系數(shù)測量指標是指目標散射系數(shù)測量工作前測量系統(tǒng)首先明確的 指標。三維高分辨目標散射系數(shù)測量工作的測量指標主要包括
測量波段y;:如，X波段、Ka波段等
信號形式如線性調(diào)頻信號、脈沖信號、偽隨機信號等)、
測量分辨率包括視線向分辨率A、水平向分辨率/^和垂直向分辨率/V。
定義8、接收系統(tǒng)的幅頻特征和相頻特征
接收系統(tǒng)的幅頻特征和相頻特征是指接收系統(tǒng)傳輸函數(shù)的幅度函數(shù)和相位
函數(shù)，詳細內(nèi)容可參考文獻"信號與系統(tǒng)分析"，張明友、呂幼新，電子科技大
學出版社，2000年。
定義9、多路選擇開關
多路選擇開關是指能夠按照指令連接接收(發(fā)射)系統(tǒng)和特定接收(發(fā)射) 雷達天線陣元的裝置。
定義IO、合成孔徑雷達三維后向投影算法
合成孔徑雷達后向三維投影算法是指基于匹配濾波原理的用于實現(xiàn)合成孔 徑雷達三維成像的成像處理方法，詳細內(nèi)容可參考文獻"Surface-Tracing-Based LASAR 3-D Imaging Method via Multiresolution Approximation"J叫S.; Xiaoling,Z.; Yang, J.; Yinbo, W.; IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, Volume 46， Issue 11, Part 2, Nov. 2008 Page(s):3719 — 3730。 定義ll、線陣三維成像合成孔徑雷達圖像空間
線陣三維成像合成孔徑雷達圖像空間是指合成孔徑雷達波束照射到的場景 區(qū)域。
本發(fā)明提供了一種基于多入多出陣列技術的三維目標散射系數(shù)測量方法，它 包括幾個步驟-
步驟l、初始化測量系統(tǒng)參數(shù)
測量系統(tǒng)提供如下初始化參數(shù)，包括待測的目標散射系數(shù)水平向分辨率指 標，記作p^測量波段，記作,；待測的目標散射系數(shù)垂直向分辨率指標，記
作A;待測的目標散射系數(shù)信號形式，例如，脈沖信號、線性調(diào)頻信號等；待 測的目標散射系數(shù)視線向分辨率指標，記作/V，發(fā)射信號帶寬，記作萬；數(shù)模 轉(zhuǎn)換模塊的量化比特數(shù)，記作a;接收信號的持續(xù)時間，記作 ;， G為等效二維 面陣陣元總數(shù)，J為接收系統(tǒng)接收通道的數(shù)目，其中，數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的量化比特 數(shù)a、接收信號的持續(xù)時間7;、等效二維面陣陣元總數(shù)C7，接收系統(tǒng)接收通道的 數(shù)目J在設計過程中根據(jù)現(xiàn)有的方法靈活選擇。
步驟2、多入多出陣列雷達天線確定
根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)水平向分辨率指標/^，采用公式
^=;1及/(2^)計算出雷達天線運動軌跡的寬度^，其中，及為雷達到觀測目標 的距離，從雷達回波中測得，/^為水平向分辨率，義為測量波段對應的波長，
利用公式;i二c/,計算，其中，c為光速。采用公式M二2i^/;i計算出等效線
陣雷達天線陣元數(shù)目M 。采用公式M, =「7^]計算出多入多出陣列雷達天線發(fā)
射陣元的數(shù)目M,，其中，「一表示取大于，的整數(shù)。采用公式〃 = 「7^]計算
出多入多出陣列雷達天線接收陣元的數(shù)目M^將M,個陣列雷達天線發(fā)射陣元按照義/2的間隔均勻布設在多入多出陣列雷達天線支撐結(jié)構(gòu)的兩端；將Mw個陣 列雷達天線接收陣元按照C^-M^l/2)/Ma的間隔均勻布設在多入多出陣列雷 達天線支撐結(jié)構(gòu)的中部，如圖1所示。
步驟3、 一維運動控制平臺確定
根據(jù)步驟1己知的待測的目標散射系數(shù)垂直向分辨率指標p,，采用公式
;二義i /(2^)計算出雷達天線運動軌跡的高度Z^，其中，^為垂直向分辨率。
根據(jù)雷達天線運動軌跡的高度JV確定有效行程為^的一維運動控制平臺。根據(jù)
一維運動控制平臺的有效行程和已確定的一維運動控制平臺的運動速度，測量一 維運動控制平臺運行完有效行程所需要的時間，記作乙。
步驟4、發(fā)射系統(tǒng)確定
根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)測量波段指標,，確定與測量波段/￡
對應的載波調(diào)制模塊和功率放大模塊。根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)測 量波段指標X和步驟2確定的多入多出陣列雷達天線確定雷達發(fā)射天線。采用步
驟1已知的待測的目標散射系數(shù)信號形式。根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系 數(shù)視線向分辨率指標a，采用公式萬-c/(2卞》計算出發(fā)射信號對應的帶寬5，
其中，^為發(fā)射信號帶寬，c為光速，^為視線方向分辨率。采用公式 t^f-g/t;/j，計算出發(fā)射系統(tǒng)的脈沖重復頻率尸及尸，其中，K為一維運動 控制平臺運行完有效行程所需要的時間。g為等效二維面陣陣元總數(shù)，/為接收 系統(tǒng)接收通道的數(shù)目，0 < / sMk 。根據(jù)發(fā)射信號形式和發(fā)射信號對應的帶寬S 、
發(fā)射系統(tǒng)的脈沖重復頻率Pi F確定基帶信號產(chǎn)生模塊。
步驟5、接收系統(tǒng)確定
根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)測量波段指標《，確定雷達下調(diào)制模塊。根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)測量波段指標y;和步驟2確定的多入
多出陣列雷達天線確定雷達接收天線。根據(jù)發(fā)射信號對應的帶寬S，采用公式 乂=1.33，計算出接收系統(tǒng)的采樣頻率乂。根據(jù)接收系統(tǒng)的采樣頻率,，采用
公式『-2.,wT; i F計算出接收系統(tǒng)的存儲器的存儲速率fr，其中，"為 數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的量化比特數(shù)，7;為接收信號的持續(xù)時間。采用公式g^『T,計 算出接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲模塊的存儲容量2，其中，L為一維運動控制平臺運行 完有效行程所需要的時間。根據(jù)接收系統(tǒng)存儲器的存儲速率『、接收系統(tǒng)存儲
器的存儲容量2 、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的量化比特數(shù)"及接收信號的持續(xù)時間rs確定接 收系統(tǒng)。
步驟6、系統(tǒng)安裝與數(shù)據(jù)采集
將雷達發(fā)射天線和雷達接收天線固定在二維運動控制平臺的固定裝置7上， 如圖5所示，固定裝置7是用來固定雷達發(fā)射天線和雷達接收天線的裝置，例如， 夾子等。發(fā)射系統(tǒng)通過多路選擇開關與雷達發(fā)射天線相連；接收系統(tǒng)通過多路選 擇開關與雷達接收天線相連?？刂埔痪S運動控制平臺固定裝置沿高度向勻速運 動，以實現(xiàn)多入多出陣列雷達天線沿高度向勻速運動，同時隨機打開il^個多入
多出陣列雷達天線發(fā)射陣元中的一路多入多出陣列雷達天線發(fā)射陣元，通過多路 選擇開關向多入多出陣列雷達天線的發(fā)射陣元輸入電磁波。同時隨機打開個
多入多出陣列雷達天線接收陣元中的■/路多入多出陣列雷達天線接收陣元，通過 多路選擇開關從多入多出陣列雷達天線的J個多入多出陣列雷達天線接收陣元 接收電磁波，J為接收系統(tǒng)接收通道的數(shù)目，0《JSM^。
步驟7、數(shù)據(jù)處理
將接收系統(tǒng)接收到的J路目標回波采用現(xiàn)有的合成孔徑雷達三維后向投影 算法進行成像處理，得到目標散射系數(shù)在三維空間的分布。 經(jīng)過以上步驟，即可得到測量目標的散射系數(shù)。本發(fā)明的創(chuàng)新點在于將多入多出陣列技術、合成孔徑雷達技術及脈沖壓縮技 術相結(jié)合，通過多入多出陣列雷達天線運動合成等效二維陣列雷達天線，并結(jié)合 脈沖壓縮技術，實現(xiàn)了對目標散射系數(shù)的三維高分辨率測量。
本發(fā)明的優(yōu)點在于實現(xiàn)了對目標散射系數(shù)的三維高分辨率測量?？朔嘶?計算電磁學的目標散射系數(shù)計算方法計算量大、存在近似誤差、難以適用于復雜 目標及寬帶信號的缺點，以及微波暗室目標散射系數(shù)測量方法分辨率低，無法對 大型目標測量的缺點。另外，由于采用了多入多出天線技術，將二維運動控制平 臺簡化為一維運動控制平臺，節(jié)省了平臺運動時間，大大提高了目標散射系數(shù)測 量效率，同時消除了水平向平臺運動誤差對測量精度的影響，提高了目標散射系 數(shù)測量精度。本方面可用于目標散射特性研究及隱身材料/飛行器設計等領域。


圖l現(xiàn)有多入多出陣列雷達天線結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，l表示發(fā)射陣元，2表示接收陣元，3表示支撐結(jié)構(gòu)。
圖2為現(xiàn)有一維平臺結(jié)構(gòu)示意圖。
其中，4表示支撐結(jié)構(gòu)和導軌，5表示滾珠絲杠，6表示步進電機，7表示固
定裝置。
圖3發(fā)射系統(tǒng)框圖 圖4接收系統(tǒng)框圖
圖5多入多出陣列雷達天線、 一維運動平臺、發(fā)射系統(tǒng)、接收系統(tǒng)連接示意圖。 其中，l表示發(fā)射陣元，2表示接收陣元，3表示支撐結(jié)構(gòu)，4表示支撐結(jié)構(gòu)
和導軌，5表示滾珠絲杠，6表示步進電機，7表示固定裝置，8表示饋線。 發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)固定放置在地面上，多入多出陣列雷達天線固定在一維
平臺的固定裝置上，通過饋線、多路選擇開關與發(fā)射系統(tǒng)和接收系統(tǒng)相連。
圖6現(xiàn)有的合成孔徑雷達三維后向投影算法結(jié)構(gòu)圖。
其中，通道i表示第i個天線的回波數(shù)據(jù)，/ = 1,...,M。 M表示天線通道總 數(shù)，PRF表示雷達脈沖重復頻率，n表示雷達發(fā)射脈沖數(shù)，i (w，/;f,^)表示第i 個雷達天線距離散射點f,的距離，(",v,vv)為散射點的坐標。天線相位中心可以由說明書中步驟7中采用的偽隨機相位中心軌跡計算。三維圖像空間為定義11 描述的線陣三維成像合成孔徑雷達圖像空間。距離壓縮、內(nèi)差/重采樣以及相干 累加為二維后向投影成像方法的標準方法。 圖7本發(fā)明方法實施方式結(jié)果示意圖。
其中，9為9個仿真散射點散射系數(shù)在三維空間中的分布圖，X軸表示水平 面內(nèi)的一個方向，Y軸表示水平面內(nèi)與X軸垂直的方向，高度向表示垂直于水 平面的方向。
可以看出，本方法可獲得三維空間中不同散射點的散射系數(shù)分布。 圖8本發(fā)明方法流程圖
具體實施例方式
本發(fā)明通過仿真試驗驗證了本發(fā)明方法的正確性試驗。具體實施步驟如下 步驟l、初始化測量參數(shù)
為了測量目標散射系數(shù),測量系統(tǒng)首先提供如下初始化參數(shù)，包括待測的
目標散射系數(shù)水平向分辨率指標/^=1.5米；測量波段y;-ioG赫茲；待測的目
標散射系數(shù)垂直向分辨率指標^-1.5米；待測的目標散射系數(shù)信號形式，例如， 脈沖信號、線性調(diào)頻信號等；待測的目標散射系數(shù)視線向分辨率指標A = 1.25米， 發(fā)射信號帶寬萬二80M赫茲；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的量化比特數(shù)fl^4bit;接收信號的
持續(xù)時間？；=10微秒。
步驟2、多入多出陣列雷達天線確定
根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)水平向分辨率指標，采用公式
^=0.03x100/(2x1.5)計算出雷達天線運動軌跡的寬度i^-l 。采用公式 M = 2x1/0.03計算出等效線陣雷達天線陣元數(shù)目M = 67 。采用公式Mf =|"7H7— 計算出多入多出陣列雷達天線發(fā)射陣元的數(shù)目jl^ =9。采用公式M^ =「7^"|計 算出多入多出陣列雷達天線發(fā)射陣元的數(shù)目Mw-9。將9個陣列雷達天線發(fā)射
陣元布按照A/2的間隔均勻布設在多入多出陣列雷達天線支撐結(jié)構(gòu)的兩端，將9 個陣列雷達天線接收陣元按照0.0961米的間隔均勻布設在多入多出陣列雷達天線支撐結(jié)構(gòu)的中部。
步驟3、 一維運動控制平臺確定
根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)垂直向分辨率指標，采用公式 ;-0.03xlOO/(2xl.5)計算出雷達天線運動軌跡的高度；4。根據(jù)雷達天線運
動軌跡的高度確定有效行程為1米的一維運動控制平臺。測量一維運動控制平臺 完成雷達天線運動軌跡所需要的時間r, =10秒。
步驟4、發(fā)射系統(tǒng)設計
根據(jù)步驟l已知的待測的目標散射系數(shù)測量波段指標/。-10G赫茲，確定與
測量波段,對應的載波調(diào)制模塊、功率放大模塊，如，安捷倫信號發(fā)生器，
n93ioa。根據(jù)步驟i已知的待測的目標散射系數(shù)測量波段指標y;和步驟2確定
的多入多出陣列雷達天線確定雷達發(fā)射天線。采用步驟1已知的待測的目標散射 系數(shù)信號形式。根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)視線向分辨率指標，采用 公式S = C/(2xl.25)計算出發(fā)射信號對應的帶寬S-80MHz 。采用公式
尸及f = 10000/10/10計算出發(fā)射系統(tǒng)的脈沖重復頻率= 1 oo赫茲。根據(jù)發(fā)射
信號和發(fā)射信號對應的帶寬、發(fā)射系統(tǒng)的脈沖重復頻率尸i F確定基帶信號產(chǎn)生 模塊。
步驟5、接收系統(tǒng)設計
根據(jù)步驟l已知的待測的目標散射系數(shù)測量波段指標,-10G赫茲，確定雷
達下調(diào)制模塊，如安捷倫數(shù)字采集模塊34904A。根據(jù)步驟l已知的待測的目標 散射系數(shù)測量波段指標/￡ 二10G赫茲和步驟2確定的多入多出陣列雷達天線確定
雷達接收天線。根據(jù)射信號對應的帶寬，采用公式,=1.35計算出接收系統(tǒng)的采 樣頻率,-100MHz 。根據(jù)接收系統(tǒng)的采樣頻率/s ，采用公式 『=2xl00MHzx4xl0E-6xl00計算出接收系統(tǒng)的存儲器的存儲速率 『=800Kbit/s 。采用公式Q > 800000bit/sxlOs計算出接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲模塊的存
儲容量g〉8Mbit。根據(jù)接收系統(tǒng)存儲器的存儲速率『、接收系統(tǒng)存儲器的存儲容量2、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的量化比特數(shù)a及接收信號的持續(xù)時間7;確定接收系統(tǒng)。
步驟6、系統(tǒng)安裝與數(shù)據(jù)采集
將雷達發(fā)射天線和雷達接收天線固定在二維運動控制平臺的固定裝置7上， 如圖5所示，固定裝置7是用來固定雷達發(fā)射天線和雷達接收天線的裝置，例如， 夾子等。發(fā)射系統(tǒng)通過多路選擇開關與雷達發(fā)射天線相連；接收系統(tǒng)通過多路選 擇開關與雷達接收天線相連。控制一維運動控制平臺固定裝置沿高度向勻速運 動，以實現(xiàn)多入多出陣列雷達天線沿高度向勻速運動，同時隨機打開Af,個多入
多出陣列雷達天線發(fā)射陣元中的一路多入多出陣列雷達天線發(fā)射陣元，通過多路 選擇開關向多入多出陣列雷達天線的發(fā)射陣元輸入電磁波。同時隨機打開M,個
多入多出陣列雷達天線接收陣元中的IO路多入多出陣列雷達天線接收陣元，通 過多路選擇開關從多入多出陣列雷達天線的10個多入多出陣列雷達天線接收陣 元接收電磁波。 步驟7、數(shù)據(jù)處理
將接收系統(tǒng)接收到的10路目標回波采用現(xiàn)有的合成孔徑雷達三維后向投 影算法進行成像處理，得到目標散射系數(shù)在三維空間的分布。
從具體實施方式
可知，采用本發(fā)明方法可方便地得到步驟1已知的待測目標 的散射系數(shù)在三維空間中的分布。與文獻Andrieu, J.,.: "Transient ultra wide band measurement applications: radar cross section, synthetic aperture radar, electromagnetic compatibility", Electromagnetic Compatibility, 2003. EMC '03. 2003 正EE International Symposium on Volume 2, 11-16 May 2003 Page(s):1309 - 1312 Vol.2所示的傳統(tǒng)散射系數(shù)測量方法相比，本發(fā)明方法可獲得目標不同部位的散 射系數(shù)，而傳統(tǒng)方法只能獲得目標整體散射系數(shù)。另外，本發(fā)明可在外場進行目 標散射系數(shù)測量，不需要微波暗室等設備，測量成本低，特別適用于大型目標不 同部位散射系數(shù)的測量。
權(quán)利要求
1、一種基于多入多出陣列技術的三維目標散射系數(shù)測量方法，其特征是它包括以下幾個步驟步驟1、初始化測量系統(tǒng)參數(shù)測量系統(tǒng)提供如下初始化參數(shù)，包括待測的目標散射系數(shù)水平向分辨率指標，記作ρH；測量波段，記作fc；待測的目標散射系數(shù)垂直向分辨率指標，記作ρV；待測的目標散射系數(shù)信號形式待測的目標散射系數(shù)視線向分辨率指標，記作ρr，發(fā)射信號帶寬，記作B；數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的量化比特數(shù)，記作α；接收信號的持續(xù)時間，記作Ts，G為等效二維面陣陣元總數(shù)，J為接收系統(tǒng)接收通道的數(shù)目；步驟2、多入多出陣列雷達天線確定根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)水平向分辨率指標ρH，采用公式LH＝λR/(2ρH)計算出雷達天線運動軌跡的寬度LH，其中，R為雷達到觀測目標的距離，從雷達回波中測得，ρH為水平向分辨率，λ為測量波段對應的波長，利用公式λ＝C/fc計算，其中，C為光速；采用公式M＝2LH/λ計算出等效線陣雷達天線陣元數(shù)目M；采用公式計算出多入多出陣列雷達天線發(fā)射陣元的數(shù)目MT，其中，表示取大于·的整數(shù)；采用公式計算出多入多出陣列雷達天線接收陣元的數(shù)目MR；將MT個陣列雷達天線發(fā)射陣元按照λ/2的間隔均勻布設在多入多出陣列雷達天線支撐結(jié)構(gòu)的兩端；將MR個陣列雷達天線接收陣元按照(LH-MTλ/2)/MR的間隔均勻布設在多入多出陣列雷達天線支撐結(jié)構(gòu)的中部；步驟3、一維運動控制平臺確定根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)垂直向分辨率指標ρV，采用公式LV＝λR/(2ρV)計算出雷達天線運動軌跡的高度LV，其中，ρV為垂直向分辨率；根據(jù)雷達天線運動軌跡的高度LV確定有效行程為LV的一維運動控制平臺；根據(jù)一維運動控制平臺的有效行程和已確定的一維運動控制平臺的運動速度，測量一維運動控制平臺運行完有效行程所需要的時間，記作TA；步驟4、發(fā)射系統(tǒng)確定根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)測量波段指標fc，確定與測量波段fc對應的載波調(diào)制模塊和功率放大模塊；根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)測量波段指標fc和步驟2確定的多入多出陣列雷達天線確定雷達發(fā)射天線；采用步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)信號形式；根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)視線向分辨率指標ρr，采用公式B＝C/(2·ρr)計算出發(fā)射信號對應的帶寬B，其中，B為發(fā)射信號帶寬，C為光速，ρr為視線方向分辨率；采用公式PRF＝G/TA/J，計算出發(fā)射系統(tǒng)的脈沖重復頻率PRF，其中，TA為一維運動控制平臺運行完有效行程所需要的時間；G為等效二維面陣陣元總數(shù)，J為接收系統(tǒng)接收通道的數(shù)目，0<J≤MR；根據(jù)發(fā)射信號形式和發(fā)射信號對應的帶寬B、發(fā)射系統(tǒng)的脈沖重復頻率PRF確定基帶信號產(chǎn)生模塊；步驟5、接收系統(tǒng)確定根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)測量波段指標fc，確定雷達下調(diào)制模塊；根據(jù)步驟1已知的待測的目標散射系數(shù)測量波段指標fc和步驟2確定的多入多出陣列雷達天線確定雷達接收天線；根據(jù)發(fā)射信號對應的帶寬B，采用公式fs＝1.3B，計算出接收系統(tǒng)的采樣頻率fs；根據(jù)接收系統(tǒng)的采樣頻率fs，采用公式W＝2·fs·α·Ts·PRF計算出接收系統(tǒng)的存儲器的存儲速率W，其中，α為數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的量化比特數(shù)，Ts為接收信號的持續(xù)時間；采用公式Q＝W·TA計算出接收系統(tǒng)數(shù)據(jù)存儲模塊的存儲容量Q，其中，TA為一維運動控制平臺運行完有效行程所需要的時間；根據(jù)接收系統(tǒng)存儲器的存儲速率W、接收系統(tǒng)存儲器的存儲容量Q、數(shù)模轉(zhuǎn)換模塊的量化比特數(shù)α及接收信號的持續(xù)時間Ts確定接收系統(tǒng)；步驟6、系統(tǒng)安裝與數(shù)據(jù)采集將雷達發(fā)射天線和雷達接收天線固定在二維運動控制平臺的固定裝置(7)上.固定裝置(7)是用來固定雷達發(fā)射天線和雷達接收天線的裝置；發(fā)射系統(tǒng)通過多路選擇開關與雷達發(fā)射天線相連；接收系統(tǒng)通過多路選擇開關與雷達接收天線相連；控制一維運動控制平臺固定裝置沿高度向勻速運動，以實現(xiàn)多入多出陣列雷達天線沿高度向勻速運動，同時隨機打開MT個多入多出陣列雷達天線發(fā)射陣元中的一路多入多出陣列雷達天線發(fā)射陣元，通過多路選擇開關向多入多出陣列雷達天線的發(fā)射陣元輸入電磁波；同時隨機打開MR個多入多出陣列雷達天線接收陣元中的J路多入多出陣列雷達天線接收陣元，通過多路選擇開關從多入多出陣列雷達天線的J個多入多出陣列雷達天線接收陣元接收電磁波；步驟7、數(shù)據(jù)處理將接收系統(tǒng)接收到的J路目標回波采用現(xiàn)有的合成孔徑雷達三維后向投影算法進行成像處理，得到目標散射系數(shù)在三維空間的分布。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多入多出陣列技術的三維目標散射系數(shù)測量方法， 其特征是所述的待測的目標散射系數(shù)信號形式是脈沖信號或線性調(diào)頻信號。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種基于多入多出陣列技術的三維目標散射系數(shù)測量方法， 其特征是所述的固定裝置(7)是夾子。
全文摘要
本發(fā)明提出了一種基于多入多出陣列技術的三維目標散射系數(shù)測量方法，該方法通過控制多入多出陣列天線在一維平臺上精確地運動合成大型二維天線陣列，并結(jié)合信號處理中的脈沖壓縮技術獲得目標散射系數(shù)的三維高分辨率分布，從而實現(xiàn)對目標散射系數(shù)的三維高分辨率測量。本發(fā)明克服了現(xiàn)有的基于計算電磁學的目標散射系數(shù)計算方法計算量大、存在近似誤差、難以適用與復雜目標及寬帶信號的缺點，以及微波暗室目標散射系數(shù)測量方法分辨率低，無法對大型目標測量的缺點。本發(fā)明可用于目標散射特性研究及隱身材料/飛行器設計等領域。
文檔編號G01S13/90GK101509974SQ20091005873
公開日2009年8月19日 申請日期2009年3月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年3月30日
發(fā)明者君 師, 張曉玲, 楊建宇 申請人:電子科技大學