双站近场散射测量计算机模拟

双站近场散射测量计算机模拟

1近场散射测量技术目前，目标散射特征的基本方法包括：远场法、扩大场法和近场法。对于远场法,设D为待测目标的最大截面尺寸,r为发射天线与待测目标的距离,则当r≥2D2/λ时(λ为波长),可近似认为投射到待测目标上的电磁波是平面电磁波。同样,接收天线与待测目标的距离也应满足这一要求,以使接收天线接收散射远场。转动待测目标,测出相应的散射远场,即可确定目标的远场散射方向图,通过与标准目标进行比较,可以获得目标的RCS图。从理论上讲,这种方法可以测得目标的单站和双站散射特性,但这种方法需要宠大的测试场地,且由于待测目标的远场散射信号一般比较弱(对于低RCS目标则更是如此),因而给精确测量带来了很大的困难。紧缩场法是测量目标散射特性的一种有效的方法。对于单站RCS测量,通常采用一个紧缩场反射面天线产生准平面波对待测目标进行照射,转动待测目标,改变入射波相对于目标的入射方向,在接收端测出相应的散射信号即可确定目标的单站RCS。为了测出目标的双站RCS,则可以采用两个紧缩场反射面天线,一个发射,另一个接收,转动待测目标,测出接收天线处的散射信号,即可确定平面波以不同方向入射时目标的双站RCS,其双站角为两反射面天线口面法线间的夹角。但由于两个紧缩场反射面天线的位置是固定的,所以双站角也是固定的。采用紧缩场法,发射天线和接收天线与待测目标之间的距离不需要很大,这一点要优于远场法。近场散射测量技术是近场天线测量技术的发展和延伸。利用近场散射测量技术,可以在不转动目标的情况下测得扫描面外法向附近一个角域内的远场RCS,从而可以获得目标在不同双站角情况下的远场散射特性。一般情况下,目标的散射场所延伸的范围比较广,客观上要求扫描面的宽度应足够大,以减小截断误差。然而,在实际的双站近场散射测量中,扫描面的宽度总是有限的,而且截断电平不一定很低,有时甚至比较高。在这种情况下,如何合理地选择扫描面的宽度以及采用什么样的数据处理方式以保证测试精度就成为一个具有重要理论意义和实际意义的问题,这个问题也是本文所要解决的核心问题。2方案2:双站远场测试对于双站近场散射测量,有两种测试方案。第一种方案是利用紧缩场和平面近场扫描相结合的方法,如图1(a)所示。紧缩场产生的准平面波投射到待测目标上,在目标近区进行平面近场扫描,测出散射近场的幅度和相位分布,利用近远场变换即可求出图示一个角域内的散射远场,进而可以确定目标的双站远场RCS。在这种测试方案中,入射波的方向是不能改变的。第二种方案是用一个发射探头在一平面内扫描以综合出不同方向入射的准平面波,以此来代替紧缩场,而接收探头在另一平面内进行近场扫描测出散射近场的幅度和相位分布,如图1(b)所示。发射探头每移动一个位置,接收探头都将在全平面内扫描一次,然后再将发射探头位于不同位置时接收探头测得的散射近场在计算机中进行加权求和处理,即可获得不同方向入射的准平面波投射到待测目标上产生的散射近场的幅度和相位分布,然后利用近远场变换即可求出图示一个角域内的散射远场,进而可以确定目标的双站远场RCS。显然,第二种测试方案获得的信息量比第一种测试方案获得的信息量要大得多。但是,第二种测试方案需要的测试时间比第一种测试方案要长得多,而且第二种测试方案的数据处理的工作量也比第一种测试方案要大。在实际测量中,为了缩短测量时间和减小数据处理的工作量,通常采用第一种测试方案,即用一偏置反射面天线,改造其馈源,使其产生一个准平面波,对目标进行照射,与平面近场扫描相结合,测量目标的双站散射特性。3余弦加权函数在平面波综合中,需要对阵列单元的电流分布进行适当的加权处理,以便在扫描面宽度一定的情况下提高在目标区域综合出的准平面波的质量。同样,在双站近场散射测量中,如何对测量到的散射近场数据进行适当的加权处理以提高测试精度也是一个值得深入研究的问题。因此,对加权函数的研究具有十分重要的意义。加权函数有时也被称为口径窗口函数或锥削函数。这里主要研究了余弦加权函数。设取样点数为N,取样间隔为ds,则扫描面的宽度为W=(N-1)·ds。图2给出了余弦加权函数的幅度和相位分布。其中,x%表示锥削点到扫描面边缘的距离相对于扫描面宽度的百分比,mpd表示扫描面边缘相对于锥削点的最大相位延迟。若设余弦加权函数为T(n)=A(n)ejP(n),n=1,2,3,…,N(1)则A(n)和P(n)可分别表示为A(n)={12{1-cos[(n-1)⋅ds⋅πW⋅x%]}0≤(n-1)⋅ds≤W⋅x%1W⋅x%≤(n-1)⋅ds≤W(1-x%)12{1-cos[(n-1)⋅ds⋅π-W⋅πW⋅x%]}W(1-x%)≤(n-1)⋅ds≤W(2)A(n)=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪12{1−cos[(n−1)⋅ds⋅πW⋅x%]}112{1−cos[(n−1)⋅ds⋅π−W⋅πW⋅x%]}0≤(n−1)⋅ds≤W⋅x%W⋅x%≤(n−1)⋅ds≤W(1−x%)W(1−x%)≤(n−1)⋅ds≤W(2)Ρ(n)={-mpd⋅cos[(n-1)⋅ds⋅π2W⋅x%]0≤(n-1)⋅ds≤W⋅x%0W⋅x%≤(n-1)⋅ds≤W(1-x%)-mpd⋅cos[(n-1)⋅ds⋅π-W⋅π2W⋅x%]W(1-x%)≤(n-1)⋅ds≤W(3)P(n)=⎧⎩⎨⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪⎪−mpd⋅cos[(n−1)⋅ds⋅π2W⋅x%]0−mpd⋅cos[(n−1)⋅ds⋅π−W⋅π2W⋅x%]0≤(n−1)⋅ds≤W⋅x%W⋅x%≤(n−1)⋅ds≤W(1−x%)W(1−x%)≤(n−1)⋅ds≤W(3)其中,n=1,2,3,…,N。4目标函数和方法定义如图3所示,理想平面波垂直入射到半径为a的无限长理想导体圆柱上。设扫描面与柱心的距离为d,由柱心逆着来波看过去的方向(即-x方向)与由柱心发出的垂直于扫描面的射线的方向(即x′方向)所成的夹角为α。(这里-π≤α≤π)。设入射平面波为Eiziz=E0e-jkx=E0e-jkρcosue001φ(4)则可得散射场为Esz=E0∞∑n=-∞j-nanΗ(2)n(kρ)ejnφ(5)Esz=E0∑n=−∞∞j−nanH(2)n(kρ)ejnφ(5)其中,an=-Jn(ka)/H(2)n(2)n(ka)(6)化简Eszsz,可得Esz=E0a0Η(2)0(kρ)+2E0Ν′∑n=1j-nanΗ(2)n(kρ)cos(nφ)(7)Esz=E0a0H(2)0(kρ)+2E0∑n=1N′j−nanH(2)n(kρ)cos(nφ)(7)其中,N′=INT(ka+9)(8)式中符号“INT”表示取整。设取样点数为N,取样间隔为ds,则扫描面宽度为W=(N-1)·ds(9)于是,在x′oy′坐标系下第i个取样点的坐标为x′i=d(10)y′i=-(W/2)+(i-1)·ds(11)其中,i=1,2,3,…,N,则在xoy坐标系下第i个取样点所对应的ρi和ue001φi分别为ρi=√d2+y´2i(12)φi=π+α+arctany′i/d(13)ρi=d2+y´2i−−−−−−−√(12)φi=π+α+arctany′i/d(13)其中,i=1,2,3,…,N。故第i个取样点处的散射场为Esz(i)=E0a0Η(2)0(kρi)+2E0Ν′∑n=1j-nanΗ(2)n(kρi)cos(nφi)(14)Esz(i)=E0a0H(2)0(kρi)+2E0∑n=1N′j−nanH(2)n(kρi)cos(nφi)(14)其中,i=1,2,3,…,N。若设第i个取样点所对应的复数权为T(i)(T(i)的表达式参见式(1)、(2)、(3)),则加权处理后第i个取样点的散射场为T(i)Eszsz(i)。先得到理想平面波照射到目标上时在各个取样点处所产生的散射近场Eszsz(i),(i=1,2,3,…,N),然后对这些散射近场进行适当的数据处理,并假定扫描面外的散射场为零。利用近远场变换即可得到散射远场,进而可计算出远场RCS。5结果与讨论利用上面所建立的计算模型,对二维圆柱双站近场散射测量进行了大量的计算机模拟,得到了一些有用的结果。5.1加余弦窗的数据处理为了研究数据处理方式对测量结果的影响,我们在其它条件不变的情况下,分别对散射近场采用不同的窗口参数(x%和mpd)进行加余弦窗的数据处理和不进行加余弦窗的数据处理(即取x%=0,mpd=0°),分别由近远场变换计算出以x′轴为基准±30°角域内的RCS并与理论RCS进行对比。计算中取f=9375MHz,a=2λ,α=120°,d=6λ,N=47,ds=0.5λ。首先对散射近场进行加余弦窗的数据处理(取窗口参数为x%=13%,mpd=20°)和不进行加余弦窗的数据处理(即取窗口参数为x%=0,mpd=0°)所得RCS曲线与理论RCS曲线进行对比,计算结果如图4所示。从图中可以看出,加窗处理所得RCS曲线与理论RCS曲线的偏差要比不加窗处理所得RCS曲线与理论RCS曲线的偏差小得多,由此可见对散射近场进行加余弦窗的数据处理是一种十分有效的数据处理方式。然后,进一步将对散射近场采用不同的窗口参数(x%和mpd)进行加余弦窗的数据处理所得RCS曲线与理论RCS曲线进行对比。这里我们选取了三组不同的窗口参数:第一组窗口参数为x%=13%,mpd=20°;第二组窗口参数为x%=14%,mpd=90°;第三组窗口参数为x%=40%,mpd=120°,计算结果如图5所示。从图中可以看出,当窗口参数为x%=13%,mpd=20°时所得RCS曲线与理论RCS曲线的偏差最小,其次是x%=14%,mpd=90°,再次是x%=40%,mpd=120°。可见,选用不同的窗口参数所得到的结果是不同的,选择合适的窗口参数对于提高测试精度具有重要的意义。在以下的计算中,均对散射近场进行加余弦窗的数据处理,且取窗口参数为x%=13%,mpd=20°。5.2近远场变换所得的rcs与理论rps的最小扫描面宽度在双站近场散射测量中,由于扫描面的宽度有限,且扫描面两端的截断电平不一定很低,必然会引入截断误差。为了研究有限扫描面对测量结果的影响,我们进行了以下的工作:(1)在其它条件不变的情况下,增大取样点数(亦即增大扫描面的宽度),利用近远场变换分别计算出以x′轴为基准±30°角域内的RCS曲线并与理论RCS曲线进行比较。计算结果如图6所示。从图中可以看出,随着取样点数的增大(亦即扫描面宽度的增大),由近远场变换所得的RCS与理论RCS的偏差逐渐减小。(2)保证近远场变换所得RCS与理论RCS的最大偏差小于0.5dB的前提下,不同尺寸的目标所需的最小扫描面宽度、扫描面与目标的距离及可信角域的关系。计算中取f=9375MHz,α=120°,ds=0.5λ,窗口参数为x%=13%,mpd=20°,改变圆柱的半径及其扫描面与圆柱柱心的距离,计算以x′轴为基准±30°角域内的RCS并与理论RCS进行对比,使二者的最大偏差小于0.5dB,确定出为满足这一要求所需的最小取样点数、相应的扫描面宽度及其最小扫描面宽度与圆柱直径的比值。计算结果表明:随着圆柱半径的增大,所需的最小扫描面宽度也增大,但最小扫描面宽度与圆柱直径的比值W/2a却减小,当圆柱半径a增大到25λ时,W/2a等于2,也就是说所需的最小扫描面宽度等于圆柱直径的两倍。随着圆柱半径的进一步增大,W/2a的值呈逐渐减小的趋势。同时,我们还可以看到保持a不变,增大扫描面与柱心的距离d,所需的最小扫描面宽度也将随之增大。5.3近远场变换所得rcs曲线与理论rcs曲线的比较由互易定理,若一个阵列作为发射时能产生向某一方面传播的平面波,则它作为接收时也将能接收这一方向的来波。因此,对于双站近场散射测量,如果在[a,b]范围内扫描的接收探头作发射时,能在待测目标区域综合出传播方向在[α,β]范围内、幅度起伏度和相位起伏度均足够小的准平面波,则利用接收探头在[a,b]上的接收信号可以计算[α,β]角域内的目标散射远场,进而可以得到这一角域内的目标的远场RCS。为了验证我们的这一想法,我们以二维圆柱双站近场散射测量为例,确定出为了能在目标区域综合出30°扫描的、幅度起伏度小于0.5dB、相位起伏度小于5°的准平面波所需的扫描范围,求出探头在这一扫描范围内所接收的散射近场,由近远场变换计算出扫描面外法向附近±30°角域内的RCS并与理论RCS进行对比。如图3所示,以能在AB上综合出30°扫描的、幅度起伏度小于0.5dB、相位起伏度小于5°的准平面波的探头作为接收。计算中取f=9375MHz,α=120°,ds=0.5λ,窗口参数为x%=13%,mpd=20°。给定a和d,则即可确定出所需的取样点数N,然后利用近远场变换即可确定远场RCS。计算结果表明:当a=2λ,d=6λ时,在以x′轴为基准±30°角域内由近远场变换所得RCS曲线与理论RCS曲线的最大偏差小于0.3dB,如图7所示。随着目标尺寸的增大,由近远场变换所得RCS曲线与理论RCS曲线的偏差逐渐减小,当a=10λ,d=20λ时最大偏差小于0.05dB。如图所示。在大尺寸情况下(例如a=15λ),由近远场变换所得RCS曲线与理论RCS曲线吻合得很好。另外,我们还研究了当α=-180°(即前向)和α=0°(即后向)时的情形,计算中取f=9375MHz,ds=0.5λ,窗口参数为x%=13%,mpd=20°,也得到了与上面类似的规律,即当目标尺寸较小时(例如a=2λ),由近远场变换所得RCS曲线与理论RCS曲线的偏差稍微大一些,随着目标尺寸的加大,偏差逐渐减小,当目标尺寸较大时(例如a=10λ,15λ),由近远场变换所得RCS曲线与理论RCS曲线符合得很好。经比较我们发现,在其他条件保持不变的情况下,α=-180°时偏差最小,如图8所示。其次是α=0°时,再次是α=120°时。在α=0°(即后向)的情况下,当a=2λ,d=6λ时,在以x′轴为基准±30°角域内由近远场变换所得RCS曲线与理论RCS曲线的最大偏差小于0.1dB,如图9所示;而当a=10λ,d=20λ时最大偏差小于0.02dB,均比α=120°的情况下相应的偏差要小。分析其原因,笔者认为主要与近场幅度分布有关。如图10所示,当α=-180°时,近场幅度分布具有对称性,两端的电平比中心处的电平降低很多,而且两端的电平都比较低;当α=0°时,近场幅度分布也具有对称性,但两端的电平比中心处的电平降低的幅度和陡度不如α=-180°时那么大,而且两端的电平也不如α=-180°时低;而当α=120°时,近场幅度分布不具有对称性,扫描面两端的电平相差较大(约十分贝左右),而且一端的电平较高,从而在对近场数据进行加窗处理时将会引入一定的截断误差。值得一提的是,尽管如此,由近远场变换所得的RCS曲线与理论RCS曲线在扫描面外法向附近±30°角域内仍符合得很好,在目标尺寸较大时更是如此,这进一步证实了对散射近场数据进行加余弦窗的数据处理是一种有效而可靠的数据处理方式。以上的计算机模拟结果证明:即对于双站近场散射测量,在理想情况下,以能在目标区域综合出30°扫描的、幅度起伏度小于0.5dB、相位起伏度小于5°的准平面波的探头作为接收,则由近远场变换得到的在扫描面外法向附近±30°角域内的RCS将完全能满足工程精度要求。因此,我们就得到了这样一条选择扫描面宽度的原则,即对于双站近场散射测量,在理想情况下,如果所选择的扫描面宽度能够保证