基于近場成像獲取地物散射系數的方法

徐秀麗, 張元, 梁子長, 陳奇平

（電磁散射重點實驗室,上海 200438）

基于近場成像獲取地物散射系數的方法

徐秀麗, 張元, 梁子長, 陳奇平

（電磁散射重點實驗室,上海 200438）

介紹了一種基于近場成像獲取地物散射系數的新方法,該方法通過一次測量即可精確獲取一定入射角范圍內、不同照射面積下地物散射系數,實測成像數據驗證了該方法的正確性和可行性。

近場；成像；散射系數；測量

0 引言

地物散射系數是引信武器系統設計的重要依據之一,但目前國內主要是通過車載或機載雷達對地物回波信號進行測量獲取大面積地物的平均散射系數,難以滿足窄波束引信超低空工作時,對小面積照射區域散射回波信號的需求。

本文提出一種“基于近場成像獲取地物散射系數”的新方法,該方法通過一次測量即可精確獲取一定入射角范圍內、不同照射面積下的地物散射系數,可滿足引信武器系統對小面積地物散射特性的需求。

1 基本原理

基于近場成像獲取地物散射系數主要是基于SAR成像原理,即通過對地物環境進行二維高分辨成像測量,并采用近場成像處理技術修正近場測量時天線方向圖及距離因子等引入的誤差獲取地物散射強度分布圖像（或地物散射中心分布）,然后依據雷達方程對各地物散射中心進行矢量合成地物散射系數。

1.1 地物SAR成像測量

傳統地物散射系數測量方式,如圖1所示。

圖1 傳統地物散射系數測量方式

地物SAR成像主要是基于SAR成像原理,即通過收發天線直線運動形成有效合成孔徑（L e）獲取方位向高分辨,通過發射步進掃頻連續波寬頻帶信號獲取距離向高分辨,從而實現近場地物背景下目標SAR成像,其成像原理示意圖如圖2所示[1]。

圖2 地物SAR成像原理示意圖

通過上述方法對地物環境進行二維高分辨成像測量,獲取的地物二維分辨率（方位向、距離向）為

式中：δx、δy分別為地物距離向、方位向分辨率；C為電磁傳播速度；λ為測試雷達工作波長；Le為有效合成孔徑長度；R為測試天線與地物散射中心間距離；θ0為天線主波束入射角度。

1.2 近場校正成像處理

通過上述地物SAR成像測量,天線接收到的目標回波頻域信號表示為[1]

式中：（x,y）為目標坐標系下目標散射中心坐標參數；（x′,y′）為目標坐標系下天線坐標參數；R表示收發天線與目標散射中心間距離。

滿足遠場測量條件下,對式（2）進行二維FFT處理即可獲取地物目標二維像。雷達成像中滿足遠場測量的條件為

式中：D為目標橫向擴展尺寸；R為測試天線與目標中心間距離；λ為雷達工作波長。如在Ku波段對最大尺寸為2 m的目標進行成像測量,測試距離R≥400 m時滿足遠場測量條件,而實際地物成像測量通常為近場測量[2]。

對地物環境進行SAR成像測試時通常采用喇叭天線,天線照射目標示意圖如圖3所示。

圖3 天線照射目標示意圖

在不同方位向上天線照射強度不同,勢必造成圖像強度失真；此外,對大尺寸目標進行近場測試時,由于目標距離天線很近,目標各散射中心與天線之間的距離差別可能達到1倍以上,則各散射中心回波信號空間衰減差達到3倍以上,雷達圖像能量失真差則達到15倍。因此,對目標近場成像測試數據處理時,必須修正近場測量中天線方向圖及距離因子引入的誤差。

近場校正成像技術通過引入天線方向圖,可修正不同方位向上天線照射強度不同引入的差別；通過引入各散射中心空間距離因子,可修正各散射中心近場空間衰減不同引入的差別。近場地物SAR成像處理公式為

式中：（x,y）為以成像區域中心為地物散射中心坐標；（-R0,y′）為收發天線坐標；F（k+kmin,y′）為地物頻域信號（x,y）為地物散射強度。

1.3 獲取地物散射系數

通過1.2近場校正處理即可獲取被測地物環境遠場像,并對地物圖像進行網格劃分將大面積地物劃分為多個小面積區域,地物圖像進行網格劃分如圖4所示。

圖4 地物圖像網格劃分圖

利用雷達方程對小面積區域內,地物散射中心進行矢量合成即可獲取小面積區域地物RCS,進一步可獲取地物散射系數,小面積地物環境散射系數為

式中：σ0（R,θ,k）為距離為R、頻率為k（通常取成像掃頻帶寬中心頻率）、天線波束傾角為θ處小面積地物散射系數；σ（R,θ,k）為面積S內各地物散射中心的散射特性合成；σn（R,θ,k）為小面積地物環境各等效散射中心的散射特性；ΔRn表示小面積地物環境第n個散射中心與所選地物區域中心點的距離[3]。

2 試驗驗證

為驗證該方法的正確性,利用地物SAR成像測量系統在Ku波段對典型地物環境下目標進行成像測量。地物SAR成像測量系統如圖5所示,主要由射頻部分、儀器自動化控制、升降平臺、一維掃描架（導軌及天線運動機構）等組成,射頻測量系統置于升降平臺上。

圖5 地物SAR成像測量系統

具體試驗狀態及參數如表1所示。

表1 試驗狀態及參數

采用近場校正成像處理技術對典型地物環境成像測試數據進行處理,典型地物環境及其成像結果如圖6（a）、（b）所示。

圖6 典型地物及其成像結果

獲取典型地物環境散射圖像后,基于1.3所述方法即可獲取地物散射系數。將被測草地區域,按入射角不同劃分成條狀區域,并分別利用40 cm、20 cm、12 cm等不同成像分辨率數據對各入射角區域內草地散射系數進行統計,統計結果如圖7所示,可看出草地散射系數隨入射角增大而減小,各分辨率下草地散射系數動態范圍隨分辨率增大而減小,且利用本方法獲取的地物散射系數基本位于雷達手冊中散射系數誤差允許范圍內,從而驗證了本方法的正確性。

3 結束語

圖7 Ku頻段草地散射系數與入射角、分辨率關系

上述實驗驗證了基于成像方式獲取地物散射系數技術的正確性,利用該技術可在近場區域內通過一次測量可獲取不同入射角及不同面積區域內的地物散射系數,從而可為引信武器系統設計提供更為精確的地物環境散射特性數據。

[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

徐秀麗（1978-）,女,碩士,高級工程師,主要從事近場成像技術研究。