基于传递矩阵的近远场数据变换方法及装置与流程

1.本发明涉及rcs测试与数据处理技术领域，尤其涉及将近场条件下电磁散射测试数据外推至远场的数据变换方法及装置。


背景技术：

2.目标rcs(雷达散射截面积)的定义是一个远场的概念，要求照射目标的入射波和到达接收天线的散射波均为平面波。但真正理想的平面波是不存在的；在工程上，室外场rcs测试，一般采取距离远场的方式，即目标与测量系统之间的距离足够远，入射波和散射波近似为平面波；在室内则是利用抛物反射面等设备，在一定区域内，将馈源辐射的球面波转换成平面波。当测试条件受限，无法实现近似平面波时，研究人员采用近远场变换的测量方法，从近场散射回波中提取目标的远场散射信息，进而得到rcs。
3.现有的近远场变换方法主要包括：基于天线耦合公式的近远场变换方法(近场散射与远场rcs链条传递关系式)、平面波综合法、基于目标散射分布函数不变法、以及基于合成孔径的近远场变换方法。其中基于天线耦合公式的近远场变换方法需要目标的完全双站信息，工程实现起来较为困难；平面波综合法用一个天线单元先后或一组单元同时在各个单元位置上作加权发射，空间某点的场也依次或同时叠加，在一定的区域范围内球面波加权求和形成近似的平面波的方法，该方法目前主要用于天线测试，对于大型目标散射特性测试效率较低；基于目标散射分布函数不变的方法，利用isar成像基本原理，由近场测试值反演出目标散射分布函数，该方法缺点在于需要首先对目标进行成像再提取散射中心重构，流程较为复杂，同时对于点频数据也无法处理。
4.基于合成孔径的近远场变换方法cnffft(circular near-field to far-field transformation)，是对基于散射分布函数不变法的一种改进，该方法无需成像，利用汉克尔函数对相位项进行修正从而实现从目标近场散射特性至远场rcs的变换，是目前近场测试工程应用较广的一种方法。cnfft方法的问题在于，该方法在推导时基于柱面波积分和展开时使用了bessel函数的叠加定理与大宗量hankel函数近似，因此主要应用于圆周均匀采样模式下的近远场变换，但实际近场测试多采用直线扫描模式，因此cnfft方法难以直接适用。
5.针对以上不足，需要提供一种形式简单、易于实现且通用性强的改进的目标近场/远场数据转换方法，解决实际工程测试中目标近场散射特性变换至远场rcs的问题。


技术实现要素：

6.本发明要解决的技术问题在于近远场变换方法形式复杂、通用性较差，针对现有技术中的缺陷，基于散射分布函数不变原理，提供一种形式简单、易于实现且通用性强的改进的目标近场/远场数据转换方法，解决实际工程测试中目标近场散射特性变换至远场rcs的问题。
7.为了解决上述技术问题，本发明提供了一种基于传递矩阵的近远场数据变换方
法，包括如下步骤：计算进行近远场数据变换所需要的最小合成孔径角φ；对目标区进行网格化处理；构造近场观测矩阵an，近场观测矩阵an实现近场散射特性数据至目标散射中心的映射；构造远场重构矩阵af，远场重构矩阵af实现目标散射中心至远场散射特性数据的映射；基于近场观测矩阵an与远场重构矩阵af构造传递矩阵a；通过传递矩阵a实现目标的近场散射特性数据至远场散射特性数据的映射。
8.优选地，最小合成孔径角φ的含义为，对于特定的方位角φ0，近场测试的方位角度区域的最小值应该小于或等于φ0-φ/2，近场测试的方位角度区域的最大值应该大于或等于φ0 φ/2。
9.优选地，计算进行近远场数据变换所需要的最小合成孔径角φ的步骤中，最小合成孔径角φ表示为：
[0010][0011]
其中，r为测试距离、d为目标水平最大尺寸。
[0012]
优选地，对目标区进行网格化处理的步骤中，网格化区域以目标区的中心为中心，构建横向长度、纵向长度均为d的区域，其中横向网格化点数nx和纵向网格化点数ny应满足：
[0013][0014]
其中，θ为近场散射特性数据相对于目标的孔径张角，f为测试数据最高频率，b为测试数据对应的带宽，c0表示真空光速。
[0015]
优选地，构造近场观测矩阵an的步骤中，近场观测矩阵an表示为：
[0016][0017]
其中，表示近场观测矩阵an的第(m,n)个元素；r
m,n
表示以测试天线位置为坐标系原点，第n个测试状态下目标区第m个点距离测试天线的距离；x
m,n
与y
m,n
表示第m个点的坐标；fn是第n个测试状态对应的频率。
[0018]
优选地，构造远场重构矩阵af的步骤中，远场重构矩阵af表示为：
[0019][0020]
其中，表示远场重构矩阵af的第(k,j)个元素；r
k,,j
表示以目标区中心为坐标系原点，第k个测试状态下目标区第j个点距离坐标系原点的距离，xj与yj表示第j个点的坐标；fk与θk是第k测试状态对应的频率和角度。
[0021]
优选地，基于近场观测矩阵an与远场重构矩阵af构造传递矩阵a的步骤中，传递矩
阵a表示为：
[0022]
a＝af·an
。
[0023]
优选地，通过传递矩阵a实现目标的近场散射特性数据至远场散射特性数据的映射的步骤中，sf＝a
·
sn；其中，sn为目标的近场散射特性数据，sf为目标的远场散射特性数据。
[0024]
本发明还提供了一种基于传递矩阵的近远场数据变换装置，包括：第一计算模块，第一计算模块用于计算进行近远场数据变换所需要的最小合成孔径角φ；网格处理模块，网格处理模块用于对目标区进行网格化处理；近场观测矩阵构造模块，近场观测矩阵构造模块用于构造近场观测矩阵an，近场观测矩阵an实现近场散射特性数据至目标散射中心的映射；远场重构矩阵构造模块，远场重构矩阵构造模块用于构造远场重构矩阵af，远场重构矩阵af实现目标散射中心至远场散射特性数据的映射；传递矩阵构造模块，传递矩阵构造模块用于基于近场观测矩阵an与远场重构矩阵af构造传递矩阵a；第二计算模块，第二计算模块用于通过传递矩阵a实现目标的近场散射特性数据至远场散射特性数据的映射。
[0025]
优选地，近场观测矩阵构造模块构造近场观测矩阵an过程中，近场观测矩阵an表示为：
[0026][0027]
其中，表示近场观测矩阵an的第(m,n)个元素；r
m,n
表示以测试天线位置为坐标系原点，第n个测试状态下目标区第m个点距离测试天线的距离；x
m,n
与y
m,n
表示第m个点的坐标；fn是第n个测试状态对应的频率；
[0028]
远场重构矩阵构造模块构造远场重构矩阵af的步骤中，远场重构矩阵af表示为：
[0029][0030]
其中，表示远场重构矩阵af的第(k,j)个元素；r
k,,j
表示以目标区中心为坐标系原点，第k个测试状态下目标区第j个点距离坐标系原点的距离，xj与yj表示第j个点的坐标；fk与θk是第k测试状态对应的频率和角度。
[0031]
实施本发明的基于传递矩阵的近远场数据变换方法及装置，具有以下有益效果：借助传递矩阵概念，直接建立起目标近场和远场散射特性之间的映射关系，能够快速、准确地将目标近场散射特性数据变换至远场。
附图说明
[0032]
图1是本发明实施例的基于传递矩阵的近远场数据变换方法的流程图；
[0033]
图2是潘兴弹头近场散射计算数据、远场理论数据与远场变换计算数据对比图。
具体实施方式
[0034]
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
[0035]
图1是本发明实施例的基于传递矩阵的近远场数据变换方法的流程图；如图1所示，本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换方法，包括如下步骤；步骤s01：计算进行近远场数据变换所需要的最小合成孔径角φ；步骤s02：对目标区进行网格化处理；步骤s03：构造近场观测矩阵an，近场观测矩阵an实现近场散射特性数据至目标散射中心的映射；步骤s04：构造远场重构矩阵af，远场重构矩阵af实现目标散射中心至远场散射特性数据的映射；步骤s05：基于近场观测矩阵an与远场重构矩阵af构造传递矩阵a；步骤s06：通过传递矩阵a实现目标的近场散射特性数据至远场散射特性数据的映射。
[0036]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换方法，最小合成孔径角φ的含义为，对于特定的方位角φ0，近场测试的方位角范围为[φ0-φ,φ0 φ]。计算进行近远场数据变换所需要的最小合成孔径角φ的步骤中，最小合成孔径角φ表示为：
[0037][0038]
其中，r为测试距离，即天线据目标距离；d为目标水平最大尺寸，即目标最大线度尺寸。
[0039]
本发明涉及rcs测试与数据处理技术领域，特别是用于近场条件下电磁散射测试数据外推至远场的数据变换方法，该方法基于目标散射中心分布情况在近场与远场条件下分布情况不变这一前提假设，根据目标最大线度尺寸和天线据目标距离，计算外推远场数据所需要的最小合成孔径角φ；根据测试场景参数、雷达系统参数及φ，构造近场测试条件下的观测矩阵an，实现从目标频域近场散射特性至散射中心的映射；构造与an相应的远场重构矩阵af，实现从目标散射中心至频域远场散射特性(rcs)的映射；利用an与af构造传递矩阵a，实现从目标频域近场散射特性至rcs的映射；将a与目标近场特性数据进行卷积运算，即可得到远场条件下目标的rcs。本发明借助传递矩阵概念，直接建立起目标近场和远场散射特性之间的映射关系，借助散射中心概念，在处理过程中无需进行成像处理，能够快速、准确地将目标近场散射特性数据变换至远场；通过改变观测矩阵与重构矩阵的形式可实现目标rcs与任意距离下近场射特性数据之间相互转换的功能。
[0040]
图2是潘兴弹头近场散射计算数据、远场理论数据与远场变换计算数据对比图，可以看出本发明基于传递矩阵的近远场数据变换方法具有较高的近远场变换精度。
[0041]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换方法，对目标区进行网格化处理的步骤中，网格化区域以目标区的中心为中心，构建横向长度、纵向长度均为d的区域，其中横向网格化点数nx和纵向网格化点数ny应满足：
[0042][0043]
其中，θ为近场散射特性数据相对于目标的孔径张角，f为测试数据最高频率，b为测试数据对应的带宽，c0表示真空光速。
[0044]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换方法，构造近场观测矩阵an的步骤中，近场观测矩阵an表示为：
[0045][0046]
其中，表示近场观测矩阵an的第(m,n)个元素；r
m,n
表示以测试天线位置为坐标系原点，第n个测试状态下目标区第m个点距离测试天线的距离；x
m,n
与y
m,n
表示第m个点的坐标；fn是第n个测试状态对应的频率。
[0047]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换方法，构造远场重构矩阵af的步骤中，远场重构矩阵af表示为：
[0048][0049]
其中，表示远场重构矩阵af的第(k,j)个元素；r
k,,j
表示以目标区中心为坐标系原点，第k个测试状态下目标区第j个点距离坐标系原点的距离，xj与yj表示第j个点的坐标；fk与θk是第k测试状态对应的频率和角度。
[0050]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换方法，基于近场观测矩阵an与远场重构矩阵af构造传递矩阵a的步骤中，传递矩阵a表示为：
[0051]
a＝af·an
。
[0052]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换方法，通过传递矩阵a实现目标的近场散射特性数据至远场散射特性数据的映射的步骤中，sf＝a
·
sn；其中，sn为目标的近场散射特性数据，sf为目标的远场散射特性数据。
[0053]
本发明实施例还提供了一种基于传递矩阵的近远场数据变换装置，装置包括：第一计算模块，第一计算模块用于计算进行近远场数据变换所需要的最小合成孔径角φ；网格处理模块，网格处理模块用于对目标区进行网格化处理；近场观测矩阵构造模块，近场观测矩阵构造模块用于构造近场观测矩阵an，近场观测矩阵an实现近场散射特性数据至目标散射中心的映射；远场重构矩阵构造模块，远场重构矩阵构造模块用于构造远场重构矩阵af，远场重构矩阵af实现目标散射中心至远场散射特性数据的映射；传递矩阵构造模块，传递矩阵构造模块用于基于近场观测矩阵an与远场重构矩阵af构造传递矩阵a；第二计算模块，第二计算模块用于通过传递矩阵a实现目标的近场散射特性数据至远场散射特性数据的映射。
[0054]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换装置，第一计算模块计算进行近远场数据变换所需要的最小合成孔径角φ的过程中，最小合成孔径角φ的含义为，对于特定的方位角φ0，近场测试的方位角度区域的最小值应该小于或等于φ0-φ/2，近场测试的方位角度区域的最大值应该大于或等于φ0 φ/2。计算进行近远场数据变换所需要的最小合成孔径角φ的步骤中，最小合成孔径角φ表示为：
[0055][0056]
其中，r为测试距离、d为目标水平最大尺寸。
[0057]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换装置，网格处理模块对目标区进行网格化处理过程中，网格化区域以目标区的中心为中心，构建横向长度、纵向长度均为d的区域，其中横向网格化点数nx和纵向网格化点数ny应满足：
[0058][0059]
其中，θ为近场散射特性数据相对于目标的孔径张角，f为测试数据最高频率，b为测试数据对应的带宽，c0表示真空光速。
[0060]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换装置，近场观测矩阵构造模块构造近场观测矩阵an过程中，近场观测矩阵an表示为：
[0061][0062]
其中，表示近场观测矩阵an的第(m,n)个元素；r
m,n
表示以测试天线位置为坐标系原点，第n个测试状态下目标区第m个点距离测试天线的距离；x
m,n
与y
m,n
表示第m个点的坐标；fn是第n个测试状态对应的频率。
[0063]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换装置，远场重构矩阵构造模块构造远场重构矩阵af的过程中，远场重构矩阵af表示为：
[0064][0065]
其中，表示远场重构矩阵af的第(k,j)个元素；r
k,,j
表示以目标区中心为坐标系原点，第k个测试状态下目标区第j个点距离坐标系原点的距离，xj与yj表示第j个点的坐标；fk与θk是第k测试状态对应的频率和角度。
[0066]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换装置，传递矩阵构造模块基于近场观测矩阵an与远场重构矩阵af构造传递矩阵a的过程中，传递矩阵a表示为：a＝af·an
。
[0067]
本发明实施例提供的基于传递矩阵的近远场数据变换装置，第二计算模块通过传
递矩阵a实现目标的近场散射特性数据至远场散射特性数据的映射过程中，sf＝a
·
sn；其中，sn为目标的近场散射特性数据，sf为目标的远场散射特性数据。
[0068]
综上所述，实施本发明的基于传递矩阵的近远场数据变换装置，具有以下有益效果：基于散射分布函数不变原理，提供一种形式简单、易于实现且通用性强的改进的目标近场/远场数据转换方法，解决实际工程测试中目标近场散射特性变换至远场rcs的问题。
[0069]
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的精神和范围。