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基于FEKO的目标二维RCS成像仿真与实验研究

2023/10/17    来源:Altair    作者:沈静  万国宾  尤立志  王旭刚  刘云      
关键字:二维RCS成像  Cross-Range处理  仿真  
本文通过PO方法与解析法计算散射目标的RCS频域数据,提取二维RCS成像的幅相信息,结合目标Cross-Range处理与窗函数旁瓣抑制,高效地实现对目标的二维RCS成像仿真,通过开展二维RCS成像仿真与实验研究,有效验证了基于FEKO的PO方法与解析方法的二维RCS成像仿真的合理性和准确性。
1 引言

       目标是雷达观测的对象,雷达利用不同目标对电磁波的不同散射特性来发现和识别目标。为有效诊断目标的散射特性,必须使激励起散射场的雷达目标特征信息可视化。雷达目标特征的一个重要方面是其散射中心分布,它可实现对目标识别与分类、目标模拟、雷达对抗、飞机和舰艇隐身及雷达反隐身等产生重要作用。目标二维RCS成像是指通过获得到的雷达回波数据对目标的距离向、方位向散射闪烁点分布进行有效的分辨,从而实现目标散射特征的可视化,可根据目标RCS成像结果提取目标闪烁点强弱分布特征进行散射特征诊断。

       传统的RCS成像通常需要依靠紧缩场测量的方法来获得,这不仅实现起来困难而且费用极为昂贵,即使是使用微波暗室模拟的测试技术来获得模拟数据,代价也是相当巨大的。为此二维RCS成像的电磁仿真研究就成为迫切需要解决的问题,其优点是显而易见的,如方便易行、费用低廉、开发周期短以及对现实条件下难以开展的工作进行理论验证等。

       早在1984年,Halevy. S.与D. L. Mensa等人就提出了针对旋转目标的距离—多普勒成像研究以及宽带雷达散射截面的诊断测试技术,在上个世纪九十年代,目标成像研究主要围绕如何提高成像结果的分辨率和如何改善成像算法的计算效率展开[3-4]。由于二维RCS成像需利用目标多角度、多频率点的散射场数据,这些数据要么通过散射实测获得要么通过散射计算获取。在散射计算方面,由于二维RCS成像所需成像信息的数据量大,特别是对于电大尺寸目标,全波算法对硬件资源及时间资源的要求难以承受,通常采用高频近似算法获得。物理光学法(PO)作为一种高频近似算法,由于其计算目标散射特性的高效性,在RCS计算与ISAR成像方面的应用较为广泛。

       本文分别采用解析法与FEKO软件中的PO高频近似算法计算目标二维RCS成像数据,采用基于加窗处理的Cross-Range高分辨率二维RCS成像改进方法,有效提取RCS幅相分布信息,获取高分辨率的二维RCS成像,并将仿真成像结果与实测结果进行分析研究,有效验证了基于解析法与PO方法的目标二维RCS成像仿真方法的准确性与高效性,分析了仿真与实验结果的差异及其产生原因,通过仿真手段实现目标散射闪烁点的诊断和提取,为目标隐身设计提供重要的参考依据。

2 二维RCS成像仿真方法

       二维RCS成像算法的主要任务是对运动补偿后的散射回波信号进行相干积累,从而重建目标上散射点的空间分布。对目标作二维RCS高分辨率成像研究时,在方位、距离方向的高分辨率可以通过大合成孔径角、信号带宽以及Cross-Range信号处理来实现,具体的Cross-Range处理过程如下。

       为了给目标进行雷达成像,合成孔径波束必须可以在目标空间内的任意坐标进行旋转。在求和之前,需对每一个采样点的场值进行相位修正或相位补偿,需要进行相位修正的目的是为了能使求和信号满足同相条件,如图1所示。

合成孔径的波束扫描示意图

图1 合成孔径的波束扫描示意图


       为了得到相位修正值,考虑如图2所示的几何结构,图中空间目标点的后向散射场的复幅值沿着半径为R0的圆口径面进行采样,其中R0?x。由于从目标中心点到整个口径是等间距的,所以中心点处的响应值最大,同时口径面的能量也将聚焦到目标中心点处。假设目标空间内任意一点坐标为(x,y),则口径面上任意两点的距离随角度θ变化的公式可以表征为:

公式

聚焦在目标中心的圆形孔径面

图2 聚焦在目标中心的圆形孔径面


       空间任意目标点(x,y)在口径面上采样的反射场可以体现出相应两次电磁波传播路径长度之间的相位角,于是归一化的接收场表示为:

公式


       通过上式可以看出在口径面上接收场的相位变化情况。当沿着口径采样得到的信号进行求和来合成响应时,合成的接收场幅度值可以简化为各采样信号在x=y=0该目标点处类似于求和的合成叠加。(3)式在目标点(x,y)处的合成信号可以表征聚焦于x=y=0处的信号能量在目标点(x,y)处的口径响应。如果在信号合成之前的每一个采样信号的相位项都减去(2)指数部分的相位值,那么相位变量将被修正,并且合成信号也将是同相的。此时合成的结果将会达到最大,这样将会突破聚焦口径时产生的衍射限制。(x,y)空间目标点处聚焦的合成口径响应可以表示为:

公式


       这里的σ(θ,x,y)即为经RCS幅相信息提取后按频率f和方位角θ排列的散射数据,与定义的距离分辨率、方位分辨率、合成孔径角以及方位中心角等密切相关。

       为有效抑制频谱泄漏和获得高精度的成像效果,需采用时域加窗技术对采样信号进行加权处理抑制旁瓣电平。加窗处理后的合成孔径响应可表示为:

公式


       其中ω(n)为根据成像算法合理选择的窗函数类型,包括Hamming窗、Hanning窗、Blackman窗等,n为散射回波的频率采样数。

       对待成像目标进行多角度、宽频带的RCS计算,提取二维RCS成像信息,是研究目标二维RCS成像仿真问题的一个重要基础,高效的电磁数值计算方法的出现使得真实模拟雷达目标散射回波成为可能。

       2.1 面目标的RCS

       物理光学法(PO)是电磁学中高频近似方法的一种,用散射表面的感应电流的积分表示散射场,它适用于计算任意形状电大尺寸面目标的RCS。

       FEKO中包含丰富的高频计算方法,除了PO外还有大面元物理光学(Large element PO)、几何光学法(GO)以及一致性几何饶射理论(UTD)等,能够利用较少的资源快求解超电大尺寸问题,非常适用于二维RCS成像技术中目标RCS信息的仿真与提取。

       2.2 小球组合的RCS

       对于理想空间的金属球,散射场必须表示为θ和Φ分量,这里的θ是入射方向和散射方向对求新所形成的双站角,而Φ是散射平面(由入射方向与散射方向组成)和包含入射电场及入射方向的平面间的夹角。根据球体的边界条件,散射场分量是:

公式


       对于任意分布的N个大小互易金属小球构成了的散射目标,在不考虑互耦效应的情况下,小球组合的散射场可表示为N个散射单元元因子与散射阵因子的乘积,总散射场可以表达为:

公式


       其中Esi为第i个小球的散射矢量场,xi、yi分布为第i个小球的坐标矢量。

       采用PO方法以及解析法对成像目标计算其单站RCS,获得目标远场的散射电场Es的θ和φ分量,通过计算获取成像所需的幅值和相位信息,从而来模拟雷达回波数据。

3 二维RCS成像仿真与实验

       为了验证采用PO方法与解析法获取二维RCS成像信息,加载旁瓣电平较低的汉宁窗进行杂波抑制,通过Cross-Range处理获得了散射目标二维RCS成像结果的准确性与高效性,这里设定了两个典型的验证算例,算例一为斜置状态下金属平板的二维RCS成像,算例二中被成像目标为距离向与方位向的放置位置、物理尺寸与散射量值大小各异的三个金属小球。针对上述两个算例,采用PO的二维RCS成像仿真方法分别进行散射成像,并将成像结果与相应的室内紧缩场实测成像结果进行比较,从而开展二维RCS成像的仿真与实验研究。

       3.1 斜置平板

       图3给出了边长a为500mm、厚度d为7mm、带R为200mm倒角的修正正六边形金属平板示意图,金属平板沿X轴倾斜20°,来波方向为负Y方向。基于PO的目标RCS成像方法对斜置的平板进行X波段二维RCS成像,频率范围8~12GHz,采样间隔为40MHz,观测角度范围-60°~60°,角度采样间隔为0.2°。

       在紧缩场进行二维RCS成像测试时,金属平板置于如图4所示的三角楔形泡沫载台上进行散射测试,将载台处理为三角楔形主要为了进一步削弱泡沫载台支架的散射贡献。图6给出了斜置的六边形金属平板X波段成像的仿真与实测结果比较。

斜置的修正六边形金属平板示意图

图3 斜置的修正六边形金属平板示意图

三角楔形泡沫载台

图4 三角楔形泡沫载台

斜置的修正六边形金属平板X波段成像结果比较

图5 斜置的修正六边形金属平板X波段成像结果比较

       图5(a)中直线与圆弧线条表征出了三角楔形泡沫载台的位置与轮廓,通过斜置平板X波段实测与仿真成像比较,两者结果吻合良好,反映出斜置平板散射特征最显著的是其前后缘,另外从实测结果图中可以看出,泡沫载台虽已经低散射处理,然而由于其自身泡沫的散射以及支架与载台返回的蠕波散射,泡沫支架与载台的散射贡献在成像图中得到清晰的体现,实测图中表现在其他区域出现的若干低散射特征(低于-50dBsm),导致实测结果较仿真结果而言,二维RCS成像图没有那么“干净”。

       3.2 三个小球

       图6给出了置于横截面为扇形平面的泡沫支架上的三个被测小球,以来波方向为参考方向,前、左、右三个金属小球的直径分别为96.7mm、61mm、114.8mm,其中左右两球球心距约为220mm,前后小球的垂直距离约为260mm。三个小球对应的RCS分别为-21.7dBsm、-25.5dBsm、-19.5dBsm。采用解析方法对小球RCS进行计算并进行X波段二维RCS成像,频率范围8GHz~12GHz,采样间隔为40MHz,观测角度范围-60°~60°,角度采样间隔为0.2°。

置于泡沫支架上的三个被测小球

图6 置于泡沫支架上的三个被测小球

三个金属球X波段的成像结果比较

图7 三个金属球X波段的成像结果比较

       图7分别给出了三个小球X波段RCS成像的实测结果和仿真结果,图7(a)中直线与圆弧线条表征出了扇形平面的泡沫支架的位置与轮廓,图中除了表征出了三个金属小球的二维RCS分布,同时也表征出了低散射泡沫支架与载台的二维RCS分布。图7(b)中三个黑色的圆圈表征的是三个小球实际的截面大小与放置位置。通过仿真与实测比较可以看出,两者最强闪烁点值(图中以黑色五角星标注)位置一致,均为散射量值最大的直径为114.8mm的金属球所处位置,另外通过仿真方法对被成像目标实际形状、大小、位置的准确模拟,可以定性定量地验证基于PO方法的二维RCS成像仿真的合理性和准确性。

4 结论

       本文通过PO方法与解析法计算散射目标的RCS频域数据,提取二维RCS成像的幅相信息,结合目标Cross-Range处理与窗函数旁瓣抑制,高效地实现对目标的二维RCS成像仿真,通过开展二维RCS成像仿真与实验研究,有效验证了基于FEKO的PO方法与解析方法的二维RCS成像仿真的合理性和准确性。
责任编辑:程玥
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