基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法

1.本发明属于电磁散射技术领域，特别是一种基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法。


背景技术：

2.在测量目标雷达散射截面(radarcrosssection，缩写rcs)的过程中，通常需要空旷的场地，对于飞机等大尺寸目标而言，需要数十公里长的场地。世界上用于测量大尺寸目标rcs的场地屈指可数，因此，使用直接测量大尺寸目标rcs的方法受到限制。
3.公告号为cn107192990b，发明名称为外推法测雷达散射截面积的发明专利，提出了基于在不同距离多次测量rcs后，通过拟合距离与rcs的函数关系，推导出无穷远处(即远场条件下)目标的rcs。该方法虽然降低了rcs测量所需的场地要求，但不适用于材料复杂的目标；外推法测量较大尺寸目标时，需要建造的巨型暗室的成本极高，与建造常规rcs测量场地的成本不相上下。
4.目前，在利用电磁仿真软件计算目标雷达散射截面积的过程中，常用的方法是：将目标表面材料的介电常数、磁导率、厚度等电磁参数输入到目标的三维模型中，利用电磁仿真软件计算目标雷达散射截面。
5.但是，随使用时间的推移，实际目标表面在日晒等外界因素的影响下，会发生磨损、划伤、氧化等机械或化学改变，目标表面材料的电磁参数会发生变化，往往和设计阶段不相符，导致目标雷达散射截面发生变化，因此，按目标表面材料的电磁参数计算目标雷达散射截面与实际值出现偏差。
6.对于飞机等实际目标，其表面的介电常数、磁导率、厚度等电磁参数的测量设备、测试环境要求高，测量难度大。


技术实现要素：

7.为了克服测量目标电磁参数难度大，测试场地受到限制的不足，本发明提出了一种基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法。
8.本发明为了解决其技术问题所采用的技术方案是：
9.一种基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法，步骤如下：
10.步骤1，构建目标的外表面三维模型，并对外表面划分区域；
11.步骤2，使用矢量网络分析仪测量划分的各区域的复阻抗；
12.步骤3，将目标外表面三维模型导入电磁仿真软件，并将划分区域的复阻抗值赋予电磁仿真软件的外表面三维模型；
13.步骤4，设置电磁仿真软件的入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度，使用电磁仿真软件计算目标雷达散射截面。
14.进一步地，步骤1包括：
15.首先，建立直角坐标系
16.设定飞机机头顶点为坐标原点o，以坐标原点o所在的水平面上飞机机头方向为x方向，以该水平面内与x方向垂直且过原点o的任一方向为y方向，以垂直xoy水平面且过原点o的向上方向为z方向，建立oxyz直角坐标系。
17.其次，绘制目标的外表面三维模型
18.绘制目标的外表面所在空间的三维模型，使目标的外表面的各点处于所建立的oxyz直角坐标系中。
19.最后，按目标外表面材质划分区域
20.以飞机为目标建立的三维模型，按其外表面材质划分区域，即同一材质为一个区域。
21.进一步地，步骤2包括校准矢量网络分析仪、选择天线、设定天线位置、测量目标的复阻抗的过程，具体如下：
22.首先，校准矢量网络分析仪
23.测量开始前，开启矢量网络分析仪，对矢量网络分析仪进行三次校准；第一次校准，接通波导同轴转换器与矢量网络分析仪端口，连接波导端与短路板，进行矢量网络分析仪校准；第二次校准，断开波导端与短路板，将直波导的一端连接到波导同轴转换器，直波导的另一端连接短路板，进行矢量网络分析仪的进一步校准；第三次校准，断开直波导和短路板有连接，将波导负载连接到波导同轴转换器，进行矢网络分析仪的最后一步校准。
24.其次，选择天线、设定天线位置
25.所述天线用于发射和接收电磁波，发射和接收电磁波的频率f为2-18ghz，所述天线发射电磁波的焦斑半径为r，所述天线将接收到的电磁波通过同轴线传输至矢量网络分析仪；
26.所述矢量网络分析仪与所述天线相连接，将天线接收到的电磁波进行信号处理，输出为复阻抗；
27.所述天线置于被测目标一侧，天线端口与被测区域表面相对，位于被测区域表面切面的法线方向上，所述天线端口距被测区域表面的最近距离为d，距离d通过式(1)计算得出。
28.d＝0.62*(8r3/λ)
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(1)
29.式(1)中，λ为天线发射和接收电磁波的波长，r为天线发射电磁波的焦斑半径。
30.最后，测量目标的复阻抗
31.所述天线端口正对待测区域表面，按所划分的区域实施测量，得到所测区域的复反射系数γ，通过式(2)计算得到被测区域的复阻抗值z。
32.z＝50*(1+γ)/(1-γ)
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(2)
33.式(2)中，γ为被测区域的复反射系数。
34.至此，得到目标的复阻抗值z。
35.进一步地，所述电磁仿真软件为feko软件，或者为cst软件，或者为hfss软件。
36.进一步地，步骤4中，当电磁仿真软件选用所述feko软件时，计算目标rcs的过程是：
37.设定电磁仿真软件的相关参数；首先，选择雷达为单站或者双站模式，选择单站雷达模式，在计算rcs时，进入单站计算模块；选择双站雷达模式，在计算rcs时，进入双站计算
模块；其次，设定入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度；最后，设定远场条件下接收雷达的方向。
38.计算目标雷达散射截面：当目标电尺寸小于或者等于100倍入射电磁波波长λ时，采用矩量法计算目标雷达散射截面；当目标电尺寸大于100倍入射电磁波波长λ，小于500倍入射电磁波波长时，采用多层快速多极子算法计算目标雷达散射截面；当目标电尺寸大于或者等于500倍入射电磁波波长λ时，采用物理光学法计算目标雷达散射截面。
39.进一步地，步骤4中，当电磁仿真软件选用cst软件时，计算目标rcs的过程是：
40.首先，设定入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度；其次，启动cst软件运行；最后，选择雷达为单站或者双站模式，选择单站雷达模式，在计算rcs时，进入单站计算模块；选择双站雷达模式，在计算rcs时，进入双站计算模块。
41.进一步地，步骤4中，当电磁仿真软件选用选用hfss软件时，计算目标rcs的过程是：
42.首先，设定入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度；其次，设定远场的计算范围；最后，启动hfss软件运行计算。
43.本发明的有益效果是：
44.本发明一种基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法，运用目标的复阻抗为边界条件，使用复阻抗代替常规计算中的介电常数、磁导率和厚度参数，实现了目标雷达散射截面的计算。
45.通过测量复阻抗计算目标雷达散射截面，不需要大型的测量场地，对场地要求低中，在外场环境条件下即可实现复阻抗测量。
附图说明
46.下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
47.图1为本发明方法的流程图。
具体实施方式
48.实施例
49.一种基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法，以停放在外场的某型飞机为目标，在外场环境条件下，采用矢量网络分析仪对某型飞机外表面各区域的电磁参数进行测量，利用得到的复阻抗，计算某型飞机的雷达散射截面，具体过程包括如下步骤：
50.步骤1，构建目标的外表面三维模型，并对外表面划分区域：
51.首先，建立直角坐标系：
52.设定飞机机头顶点为坐标原点o，以坐标原点o所在的水平面上飞机机头方向为x方向，以该水平面内与x方向垂直且过原点o的任一方向为y方向，以垂直xoy水平面且过原点o的向上方向为z方向，建立oxyz直角坐标系。
53.其次，绘制目标的外表面三维模型：
54.绘制目标的外表面所在空间的三维模型，使目标的外表面的各点处于所建立的oxyz直角坐标系中。
55.最后，按目标外表面材质划分区域：
56.以飞机为目标建立的三维模型，按其外表面材质划分区域，即同一材质为一个区域。
57.步骤2，使用矢量网络分析仪测量划分的各区域的复阻抗；
58.首先，校准矢量网络分析仪：
59.测量开始前，开启矢量网络分析仪，对矢量网络分析仪进行三次校准。第一次校准，接通波导同轴转换器与矢量网络分析仪端口，连接波导端与短路板，进行矢量网络分析仪校准；第二次校准，断开波导端与短路板，将直波导的一端连接到波导同轴转换器，直波导的另一端连接短路板，进行矢量网络分析仪的进一步校准；第三次校准，断开直波导和短路板有连接，将波导负载连接到波导同轴转换器，进行矢量网络分析仪的最后一步校准。
60.其次，选择天线、设定天线位置
61.天线用于发射和接收电磁波，发射和接收电磁波的频率f为2-18ghz，天线发射电磁波的焦斑半径为r，天线将接收到的电磁波通过同轴线传输至矢量网络分析仪。
62.矢量网络分析仪与天线相连接，将天线接收到的电磁波进行信号处理，输出为复阻抗。
63.天线置于被测目标一侧，天线端口与被测区域表面相对，位于被测区域表面切面的法线方向上，天线端口距被测区域表面的最近距离为d，距离d通过式(1)计算得出。
64.d＝0.62*(8r3/λ)
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(1)
65.式(1)中，λ为天线发射和接收电磁波的波长，r为天线发射电磁波的焦斑半径。
66.最后，测量目标的复阻抗
67.天线端口正对待测区域表面，按所划分的区域实施测量，得到所测区域的复反射系数γ，通过式(2)计算得到被测区域的复阻抗值z。
68.z＝50*(1+γ)/(1-γ)
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(2)
69.式(2)中，γ为被测区域的复反射系数。
70.步骤3，将目标外表面三维模型导入电磁仿真软件，并将划分区域的复阻抗值赋予电磁仿真软件的外表面三维模型：
71.电磁仿真软件为feko软件，或者为cst软件，或者为hfss软件。
72.步骤4，设置电磁仿真软件的入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度，使用电磁仿真软件计算目标雷达散射截面：
73.当选用feko软件时，计算目标rcs的过程是：
74.设定电磁仿真软件的相关参数。首先，选择雷达为单站或者双站模式，选择单站雷达模式，在计算rcs时，进入单站计算模块；选择双站雷达模式，在计算rcs时，进入双站计算模块；其次，设定入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度；最后，设定远场条件下接收雷达的方向。
75.按目标电尺寸的不同，采用不同的方法计算目标雷达散射截面。其具体方法是：当目标电尺寸小于或者等于100倍入射电磁波波长λ时，采用矩量法计算目标雷达散射截面；当目标电尺寸大于100倍入射电磁波波长λ，小于500倍入射电磁波波长时，采用多层快速多极子算法计算目标雷达散射截面；当目标电尺寸大于或者等于500倍入射电磁波波长λ时，采用物理光学法计算目标雷达散射截面。
76.当选用cst软件时，计算目标rcs的过程是：
77.首先，设定入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度；其次，启动cst软件运行；最后，选择雷达为单站或者双站模式，选择单站雷达模式，在计算rcs时，进入单站计算模块；选择双站雷达模式，在计算rcs时，进入双站计算模块。
78.当选用hfss软件时，计算目标rcs的过程是：
79.首先，设定入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度；其次，设定远场的计算范围；最后，启动hfss软件运行计算。
80.至此，得到所测目标雷达散射截面。

技术特征：
1.一种基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法，其特征在于，步骤如下：步骤1，构建目标的外表面三维模型，并对外表面划分区域；步骤2，使用矢量网络分析仪测量划分的各区域的复阻抗；步骤3，将目标外表面三维模型导入电磁仿真软件，并将划分区域的复阻抗值赋予电磁仿真软件的外表面三维模型；步骤4，设置电磁仿真软件的入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度，使用电磁仿真软件计算目标雷达散射截面。2.如权利要求1所述的基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法，其特征在于，步骤1中，所述构建目标的外表面三维模型，并对外表面划分区域的过程包括如下步骤：首先，建立直角坐标系：设定飞机机头顶点为坐标原点o，以坐标原点o所在的水平面上飞机机头方向为x方向，以该水平面内与x方向垂直且过原点o的任一方向为y方向，以垂直xoy水平面且过原点o的向上方向为z方向，建立oxyz直角坐标系；其次，绘制目标的外表面三维模型：绘制目标的外表面所在空间的三维模型，使目标的外表面的各点处于所建立的oxyz直角坐标系中；最后，按目标外表面材质划分区域：以飞机为目标建立的三维模型，按其外表面材质划分区域。3.如权利要求1所述的基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法，其特征在于，步骤2包括校准矢量网络分析仪、选择天线、设定天线位置、测量目标的复阻抗的过程。4.如权利要求3所述的基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法，其特征在于，步骤2的过程如下：首先，校准矢量网络分析仪：测量开始前，开启矢量网络分析仪，对所述矢量网络分析仪进行三次校准；第一次校准，接通波导同轴转换器与矢量网络分析仪端口，连接波导端与短路板，进行所述矢量网络分析仪校准；第二次校准，断开波导端与短路板，将直波导的一端连接到波导同轴转换器，直波导的另一端连接短路板，进行矢量网络所述分析仪的进一步校准；第三次校准，断开直波导和短路板有连接，将波导负载连接到波导同轴转换器，进行所述矢量网络分析仪的最后一步校准；其次，选择天线、设定天线位置：所述天线用于发射和接收电磁波，发射和接收电磁波的频率f为2-18ghz，所述天线发射电磁波的焦斑半径为r，所述天线将接收到的电磁波通过同轴线传输至所述矢量网络分析仪；所述矢量网络分析仪与所述天线相连接，将天线接收到的电磁波进行信号处理，输出为复阻抗；所述天线置于被测目标一侧，天线端口与被测区域表面相对，位于被测区域表面切面的法线方向上，所述天线端口距被测区域表面的最近距离为d，距离d通过式(1)计算得出；d＝0.62*(8r3/λ)
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(1)式(1)中，λ为天线发射和接收电磁波的波长，r为天线发射电磁波的焦斑半径；
最后，测量目标的复阻抗：所述天线端口正对待测区域表面，按所划分的区域实施测量，得到所测区域的复反射系数γ，通过式(2)计算得到被测区域的复阻抗值z；z＝50*(1+γ)/(1-γ)
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(2)式(2)中，γ为被测区域的复反射系数；至此，得到目标的复阻抗值z。5.如权利要求1所述的基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法，其特征在于，步骤3中，所述电磁仿真软件为feko软件，或者为cst软件，或者为hfss软件。6.如权利要求5所述的基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法，其特征在于，步骤4中，当电磁仿真软件选用所述feko软件时，计算目标rcs的过程是：设定电磁仿真软件的相关参数；首先，选择雷达为单站或者双站模式，选择单站雷达模式，在计算rcs时，进入单站计算模块；选择双站雷达模式，在计算rcs时，进入双站计算模块；其次，设定入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度；最后，设定远场条件下接收雷达的方向；计算目标雷达散射截面：当目标电尺寸小于或者等于100倍入射电磁波波长λ时，采用矩量法计算目标雷达散射截面；当目标电尺寸大于100倍入射电磁波波长λ，小于500倍入射电磁波波长时，采用多层快速多极子算法计算目标雷达散射截面；当目标电尺寸大于或者等于500倍入射电磁波波长λ时，采用物理光学法计算目标雷达散射截面。7.如权利要求5所述的基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法，其特征在于，步骤4中，当电磁仿真软件选用所述cst软件时，计算目标rcs的过程是：首先，设定入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度；其次，启动cst软件运行；最后，选择雷达为单站或者双站模式，选择单站雷达模式，在计算rcs时，进入单站计算模块；选择双站雷达模式，在计算rcs时，进入双站计算模块。8.如权利要求5所述的基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法，其特征在于，步骤4中，当电磁仿真软件选用选用所述hfss软件时，计算目标rcs的过程是：首先，设定入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度；其次，设定远场的计算范围；最后，启动hfss软件运行计算。

技术总结
本发明一种基于复阻抗计算目标雷达散射截面的方法属于电磁散射技术领域，包括步骤1，构建目标的外表面三维模型，并对外表面划分区域；步骤2，使用矢量网络分析仪测量划分的各区域的复阻抗；步骤3，将目标外表面三维模型导入电磁仿真软件，并将划分区域的复阻抗值赋予电磁仿真软件的外表面三维模型；步骤4，设置电磁仿真软件的入射电磁波传播方向、极化、频段、入射角度，使用电磁仿真软件计算目标雷达散射截面。本发明运用目标的复阻抗为边界条件，使用复阻抗代替常规计算中的介电常数、磁导率和厚度参数，实现了目标雷达散射截面的计算。该方法不需要大型的测量场地，在外场环境条件下即可实现复阻抗测量。可实现复阻抗测量。可实现复阻抗测量。


技术研发人员：李益文 王彦丰 张琳 李玉琴 张浦幼森
受保护的技术使用者：中国人民解放军空军工程大学
技术研发日：2022.02.12
技术公布日：2022/5/25