基于近场成像获取地物散射系数的方法

徐秀丽, 张元, 梁子长, 陈奇平

（电磁散射重点实验室,上海 200438）

基于近场成像获取地物散射系数的方法

徐秀丽, 张元, 梁子长, 陈奇平

（电磁散射重点实验室,上海 200438）

介绍了一种基于近场成像获取地物散射系数的新方法,该方法通过一次测量即可精确获取一定入射角范围内、不同照射面积下地物散射系数,实测成像数据验证了该方法的正确性和可行性。

近场；成像；散射系数；测量

0 引言

地物散射系数是引信武器系统设计的重要依据之一,但目前国内主要是通过车载或机载雷达对地物回波信号进行测量获取大面积地物的平均散射系数,难以满足窄波束引信超低空工作时,对小面积照射区域散射回波信号的需求。

本文提出一种“基于近场成像获取地物散射系数”的新方法,该方法通过一次测量即可精确获取一定入射角范围内、不同照射面积下的地物散射系数,可满足引信武器系统对小面积地物散射特性的需求。

1 基本原理

基于近场成像获取地物散射系数主要是基于SAR成像原理,即通过对地物环境进行二维高分辨成像测量,并采用近场成像处理技术修正近场测量时天线方向图及距离因子等引入的误差获取地物散射强度分布图像（或地物散射中心分布）,然后依据雷达方程对各地物散射中心进行矢量合成地物散射系数。

1.1 地物SAR成像测量

传统地物散射系数测量方式,如图1所示。

图1 传统地物散射系数测量方式

地物SAR成像主要是基于SAR成像原理,即通过收发天线直线运动形成有效合成孔径（L e）获取方位向高分辨,通过发射步进扫频连续波宽频带信号获取距离向高分辨,从而实现近场地物背景下目标SAR成像,其成像原理示意图如图2所示[1]。

图2 地物SAR成像原理示意图

通过上述方法对地物环境进行二维高分辨成像测量,获取的地物二维分辨率（方位向、距离向）为

式中：δx、δy分别为地物距离向、方位向分辨率；C为电磁传播速度；λ为测试雷达工作波长；Le为有效合成孔径长度；R为测试天线与地物散射中心间距离；θ0为天线主波束入射角度。

1.2 近场校正成像处理

通过上述地物SAR成像测量,天线接收到的目标回波频域信号表示为[1]

式中：（x,y）为目标坐标系下目标散射中心坐标参数；（x′,y′）为目标坐标系下天线坐标参数；R表示收发天线与目标散射中心间距离。

满足远场测量条件下,对式（2）进行二维FFT处理即可获取地物目标二维像。雷达成像中满足远场测量的条件为

式中：D为目标横向扩展尺寸；R为测试天线与目标中心间距离；λ为雷达工作波长。如在Ku波段对最大尺寸为2 m的目标进行成像测量,测试距离R≥400 m时满足远场测量条件,而实际地物成像测量通常为近场测量[2]。

对地物环境进行SAR成像测试时通常采用喇叭天线,天线照射目标示意图如图3所示。

图3 天线照射目标示意图

在不同方位向上天线照射强度不同,势必造成图像强度失真；此外,对大尺寸目标进行近场测试时,由于目标距离天线很近,目标各散射中心与天线之间的距离差别可能达到1倍以上,则各散射中心回波信号空间衰减差达到3倍以上,雷达图像能量失真差则达到15倍。因此,对目标近场成像测试数据处理时,必须修正近场测量中天线方向图及距离因子引入的误差。

近场校正成像技术通过引入天线方向图,可修正不同方位向上天线照射强度不同引入的差别；通过引入各散射中心空间距离因子,可修正各散射中心近场空间衰减不同引入的差别。近场地物SAR成像处理公式为

式中：（x,y）为以成像区域中心为地物散射中心坐标；（-R0,y′）为收发天线坐标；F（k+kmin,y′）为地物频域信号（x,y）为地物散射强度。

1.3 获取地物散射系数

通过1.2近场校正处理即可获取被测地物环境远场像,并对地物图像进行网格划分将大面积地物划分为多个小面积区域,地物图像进行网格划分如图4所示。

图4 地物图像网格划分图

利用雷达方程对小面积区域内,地物散射中心进行矢量合成即可获取小面积区域地物RCS,进一步可获取地物散射系数,小面积地物环境散射系数为

式中：σ0（R,θ,k）为距离为R、频率为k（通常取成像扫频带宽中心频率）、天线波束倾角为θ处小面积地物散射系数；σ（R,θ,k）为面积S内各地物散射中心的散射特性合成；σn（R,θ,k）为小面积地物环境各等效散射中心的散射特性；ΔRn表示小面积地物环境第n个散射中心与所选地物区域中心点的距离[3]。

2 试验验证

为验证该方法的正确性,利用地物SAR成像测量系统在Ku波段对典型地物环境下目标进行成像测量。地物SAR成像测量系统如图5所示,主要由射频部分、仪器自动化控制、升降平台、一维扫描架（导轨及天线运动机构）等组成,射频测量系统置于升降平台上。

图5 地物SAR成像测量系统

具体试验状态及参数如表1所示。

表1 试验状态及参数

采用近场校正成像处理技术对典型地物环境成像测试数据进行处理,典型地物环境及其成像结果如图6（a）、（b）所示。

图6 典型地物及其成像结果

获取典型地物环境散射图像后,基于1.3所述方法即可获取地物散射系数。将被测草地区域,按入射角不同划分成条状区域,并分别利用40 cm、20 cm、12 cm等不同成像分辨率数据对各入射角区域内草地散射系数进行统计,统计结果如图7所示,可看出草地散射系数随入射角增大而减小,各分辨率下草地散射系数动态范围随分辨率增大而减小,且利用本方法获取的地物散射系数基本位于雷达手册中散射系数误差允许范围内,从而验证了本方法的正确性。

3 结束语

图7 Ku频段草地散射系数与入射角、分辨率关系

上述实验验证了基于成像方式获取地物散射系数技术的正确性,利用该技术可在近场区域内通过一次测量可获取不同入射角及不同面积区域内的地物散射系数,从而可为引信武器系统设计提供更为精确的地物环境散射特性数据。

[1] Z.Zhang,Analysis and Simulation of Land and Rain Clutter for PRC CW Radar at X-band[J]. IEEE Proc_Radar.Sonar Navig,1999,146.

[2] A.J.Gatesman.VHF/UHF Imagery and RCS Measurements of Ground Targets in Forested Terrian[J].Proc SPIE,2002,4727.

[3] Karl A.Kappra,Army Research Laboratory Landmine and Unexploded Ordnance Experiments and Results[J].SPIE,1998,3752.

A New Method of Obtaining Terrain Scattering-coefficient Based on Imaging in Near Field

XU Xiu-li, ZHANG Yuan, LIANG Zi-chang, CHEN Qi-ping
（Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory, Shanghai 200438,China）

A new method of obtaining terrain scattering-coefficient is proposed,which is based on imaging in near-field.With this technology,terrain scattering-coefficient with different incident angle and different area can be obtained,and the result of measurement validates the correctness and feasibility of the technology.

near field；imaging；scattering-coefficient；measurement

TM931

A

1671-0576（2014）02-0044-04

2014-02-11

徐秀丽（1978-）,女,硕士,高级工程师,主要从事近场成像技术研究。