基于相位补偿的近程目标毫米波散射特性研究

基于相位补偿的近程目标毫米波散射特性研究朱莉李兴国王本庆南京理工大学电光学院探测与控制工程系南京210094摘要：目标的毫米波散射特性是毫米波雷达进行目标探测的重要参数。目前，对于满足目标远场条件散射特性的研究已相当成熟，但是在近程条件下，由于目标各散射点回波的干涉而产生“角闪烁”效应，目前还没有很好的解决方法。文章拟从相位补偿的角度出发，建立近程目标散射信号的数学模型，并反演目标的几何形状特征函数，最后利用物理光学面元法预测三类常见曲面目标的RCS值，仿真结果表明该方法切实有效，预测数据与理论分析基本一致。关键词：毫米波，散射特性，近程探测，相位补偿ResearchonjointrecognitionalgorithmoftargetstateandtypebasedonJTCZHUliLIXing-guoLOUGuo-wei(DetectionandControlEngineeringDepartmentofInstituteofElectro-Optical,NanjingUniversityofScienceandTechnology,Nanjing210094)Abstract:Thispaperintroducesanewtypeoftargetinformationfusionmethod-jointtargettracking/classificationtechniques(referredtoJTC).Itisestablishedamodelabouttherelationshipbetweentargetstateandtype.Itisstudiedthejointdescriptionmethodonuncertaintyoftargetstateandtype,andadvancedrecursivesolvingwithparticlefilter.IthastheJTCalgorithmofmodularstructure.Thealgorithmisverifiedwithtwotargetstestdata.Theresultsshowthatthistargetrecognitionalgorithmisexcellent.Keywords:informationfusion;JTC;targetrecognition;particlefilter1引言毫米波兼具微波与红外的特点，具有全天时全天候的工作能力以及一定的穿透性，目前已在军事、医疗以及公共安全等领域得到越来越广泛的运用。目标的毫米波散射特性—通常用雷达散射截面（RCS）来定义，是表征目标对毫米波雷达照射电磁波散射能力的一个物理量，其中包含有大量的目标特征信息，是毫米波雷达进行目标探测的重要参数。目前，对于满足目标远场条件RCS的研究已相当成熟，但是在近距离的情况下，由于目标各散射点回波的干涉而产生“角闪烁”效应，其RCS也会随之变化，目前还没有很好的解决方法。与微波相比，毫米波频率高，波长短，要满足目标远场条件更加困难。因此进行近程条件下目标毫米波散射特性的研究是非常有意义的。2近程目标散射信号建模与仿真2.1数学建模RCS是一个定量描述目标对入射电磁波散射强弱的等效物理量，为了消除探测距离R对RCS数值的影响，在其定义中给出了R的极限条件，这意味着目标处的入射波和雷达处的散射波都具有平面波的性质。但在RCS的实际测量中，R的理想情况并不存在，大多数情况下，入射波和散射波都应近似为球面波。下面就分析球面波情况下的目标散射信号模型。如图1所示，在OXY平面有毫米波雷达二维天线接收阵列，在距离OXY平面R处有一个目标(,)Sxy，所在的平面为oxy。设毫米波雷达发射中心频率为f的窄带脉冲信图1毫米波雷达接收目标散射信号示意图号，电磁波经过S处的目标散射后，回波信号被(,)XY处的接收天线接收，接收的回波信号为[1]：1(,,)(,)exp[()]dddEXYtttxyrirKr(2.1)式中(,)tr为目标几何形状特征函数，K为圆波数，r为距离，r=r,在三维空间里，K和r都是矢量，Kr为它们的矢量点积，为雷达工作角频率。本文讨论的是单站散射的情况，即照射源和接收机位于同一点，大多数雷达都工作于这种情况。因此实际上r应为双程距离。但是本文作了如下的假设：为了保证回波信号的相干性，毫米波发射信号必须由单个毫米波源产生，在发射之前先把本振信号进行移相，移相值为回波路程产生的相移大小，这样就使得本振信号和回波信号只保留了单程的相位差异。即在（2.1）式中r以单程距离处理。设x、y和z是三维空间的单位方向矢量，则K和r的定义和模分别为：xyzKKKKxyz，222||2π/xyzKKKKK(2.2)()()xXyYRrxyz，222||()()rxXyYRr(2.3)式中xK、yK和zK为K的各向分量。则它们的点积为：()()xyzxXKyYKRKKr(2.4)把接收到的回波信号和本振信号进行下变频，如式(2.1)不考虑包络延时，得到零中频信号为：exp(i)(,,)(ddEXYt)dtxyrKrr,(2.5)式中的指数部分就表示目标散射的球面波，对近程目标毫米波散射特性的研究起到重要的作用。下面对这部分内容作单独分析，设：exp(i)(,)grKrKr（2.6)对上式做进一步变换可得：(,)dexp(i)dhgKrKKrKK(2.7)上式中忽略了常数项和无穷小项【】，这个公式是近程目标散射特性研究的关键。把式(2.4)代入上式并进行化简，就可以把矢量运算化简为标量运算，即：(,)exp{i[()()]}dexp{i[()()]}exp(i)ddxyzxyzxygxXKyYKRKxXKyYKRKKKKrK(2.8)XrR(,)SxyYzOx(,)XYdoy上式的物理意义为球面波可以表示成许多平面波的叠加，这是近程目标毫米波散射特性研究的理论基础。把式(2.8)代入式(2.5)可得：(,,)(,)exp{i[()()]}exp(i)dddtdd(,)exp[i()]exp(i)exp[i()]dddtdd(,)exp[i()]ddexp(i)exp[i()]ddxyzxyxyzxyxyxyzxyxEXYtxXKyYKRKKKxytxKyKRKXKYKKKxytxKyKdtxyRKXKYKKrrryK(2.9)上式中大括号中的部分可表示为三维Fourier变换，即有：3(,)FT[(,)](,)exp[i()]dddFxyxyKKttxKyKtxyrr(2.10)此时式（2.9)可化为：(,,)(,)exp(i)exp[i()]ddFxyzxyxyEXYKKRKXKYKKK(2.11)上式又是一个二维逆Fourier变换，忽略常数项：2(,,)IFT[(,)exp(i)]FxyzEXYKKRK(2.12)综合式(2.10)和式(2.12)可得：23(,,)IFT{FT[(,)]exp(i)}zEXYtRKr(2.13)对上式作逆变换，可得到：23(,)IFT{FT[(,,)]exp(i)}ztEXYRKr(2.14)上式即为近程目标毫米波散射信号的数学模型。其中exp(i)zRK为相位补偿因子，它的物理意义相当于焦距为R的凸透镜，把球面波变为平面波，还原目标的真实几何形状特征。2.2仿真结果验证为了验证相位补偿的有效性，进行了仿真实验。仿真条件为：中心频率35fGHz，发射信号为窄带脉冲信号，天线间的最小间距为5dmm，目标为小球，直径1Dcm,近程条件为1rm。图3.1分别给出了没有相位补偿，相位补偿因子中R=1m以及R=10m时的目标散射回波包络。（a）无相位补偿(b)R=1m(c)R=10m从图中可以得到：在没有相位补偿的情况下，由于干涉效应的影响，目标的回波包络扩散现象很严重，在这种情况下无法得到近程目标的真实几何形状。补偿因子中R=10m时，目标的回波包络扩散现象与（a）相比，情况改善很多。只有当补偿因子中R=1m，与实际的目标距离相一致时，从（b）中可以看出，相位补偿基本消除了扩散现象。从而可以得出结论：只有当相位补偿的距离等于实际距离时，相位补偿才能达到最优效果。3RCS预测结果分析根据近程目标散射信号数学模型可知：从理论上来说一个任意形状目标经过雷达信号的照射，接收到的回波信号经过算法处理和相位补偿，都可以得到目标的几何形状特征函数，在此基础上利用物理光学面元法预测近程目标的RCS【军用】。但是在实际应用中，上述模型只适合于规则曲面目标，如果用于计算任意形状曲面目标，将带来较大的误差，必须进行误差修正。在高频RCS预测中，必须保证目标几何形状的精确性，因为只有在目标几何形状正确的情况下，才考虑电磁散射计算的误差。应用于RCS预测的最精确的几何造型基本结构是三维曲面（例如球面，柱面，锥面，平板等）。下面选取三种最常见的曲面目标来进行近程RCS的预测，验证上述方法的可行性。实验条件为：雷达工作频率35fGHz，收发间距分别取1,2,5dmmm，目标为金属小球（直径2Dcm),金属平板（边长10dcm），金属三角体（边长20dcm）。雷达发射信号指向目标的法线方向，表一给出了不同探测距离下的目标RCS预测值。表一不同距离下的RCS预测值小球平板三角体1m-35.0-3.0-19.92m-35.09.1-7.65m-35.013.08.2远场-35.012.920.2注：222()10lg()/1.0()RCSdBsmRCSmm从表一可以看出：金属小球在三个不同距离上的RCS值保持不变，这是因为根据远场条件公式22/Rd，金属小球已满足远场条件0.1Rm，RCS值与探测距离无关；金属平板满足远场条件为2.5Rm，表中预测值显示在5m处的RCS值近似等于远场条件值；金属三角体满足远场条件为10Rm，表中预测值随测试距离增大，均小于远场条件下的RCS值。由这三种常见曲面目标的分析可以验证近程RCS预测值变化趋势与理论分析相符，测试数据真实有效。4结论本文提出了一种近程目标毫米波散射特性分析的新方法，利用相位补偿来克服近程条件下回波信号存在的波前球面弯曲，精确反演目标的几何形状特征函数，在此基础上利用物理光学面元法来预测目标的RCS。文章最后选取了三类常规曲面目标来验证新方法的可行性。对于复杂曲面目标而言，由于结构复杂，强散射点增多，“角闪烁”现象会更加严重，利用文章提出的新方法来克服“角闪烁”，还原目标结构，将对RCS的精确预测提供更为有利的条件，这方面的研究将在下一阶段展开。参考文献：1．DouglasLMcMakin,DavidMSheen,JefferyWGriffin,etal.Extremelyhigh-frequencyholographicradarimagingofpersonnelandmail.SPIEproceeding.2006,6201:1-12.2．DavidMSheen,DouglasLMcMakin,ThomasEHall.CylindricalMillimeter-waveimagingtechniqueandapplications.SPIEproceeding.2006,6211:62110A,1-103．DavidMSheen,DouglasLMcMakin,ThomasEHall.Three-dimensionalMillimeterwaveimagingforconcealedweapondetection.IEEEtransactionsonMicrowavetheoryandtechniques.2001,49(9):1581-1592.4．王本庆,李兴国.