本發明屬于雷達與通信，涉及一種異質目標無源散射的rcs表征方法

背景技術：

1、在雷達與通信技術領域，目標的無源散射特性是評估其探測性能和隱身能力的重要指標之一。特別是，對于異質目標(如板型分層結構的目標)，其無源散射的雷達散射截面(radar?cross?section,rcs)的準確表征尤為關鍵。然而，由于異質目標的復雜性和多樣性，其無源散射特性的分析與建模面臨諸多挑戰。

2、傳統的rcs表征方法往往基于理想的均勻目標模型，通過簡單的幾何形狀和均勻的電磁參數來近似目標，這導致在面對實際異質目標時，模型的準確性和適用性受到很大限制。對于板型分層異質目標，由于其結構復雜、材料多樣、電磁參數隨頻率和位置變化，使得其無源散射特性的精確建模和仿真變得尤為困難。

3、為了克服這些困難，科研人員一直在探索更為準確和高效的異質目標無源散射rcs表征方法。

4、近年來，隨著計算電磁學和仿真技術的快速發展，全波仿真方法逐漸成為研究異質目標無源散射特性的重要手段。全波仿真方法能夠準確模擬電磁波在復雜目標上的傳播和散射過程，從而獲得精確的rcs數據。

5、然而，全波仿真方法也存在計算量大、仿真時間長等缺點，且在實際應用中，仿真數據的準確性和可靠性往往受到模型簡化、網格劃分、計算精度等多種因素的影響。

6、因此，如何結合理論分析與仿真技術，建立一種既準確又高效的異質目標無源散射rcs表征方法，成為當前雷達與通信技術領域亟待解決的重要問題。

技術實現思路

1、有鑒于此，本發明的目的在于提供一種異質目標無源散射的rcs表征方法。該方法包括異質目標電波傳播機理、無源散射的rcs表征、全波仿真與測量、rcs參數擬合與驗證。首先，基于瑞利準則揭示電磁波與板型分層異質目標相互作用的電波傳播機理，結合目標散射特性，構建異質目標無源散射的rcs模型；其次，結合目標無源散射特性和雙基地雷達方程，表征目標無源散射引起rcs的輻射方向模式；然后，利用目標電磁參數重構三維的板型分層目標結構模型，通過全波仿真獲得不同頻段和不同入射角下的rcs，同時在微波暗室測量獲得目標無源散射的rcs分布；最后，利用仿真數據、實測數據擬合歸一化輻射方向模式，確定rcs模型參數，驗證模型準確性和有效性。該方法為空間合作與非合作目標無源散射提供理論基礎。

2、為達到上述目的，本發明提供如下技術方案：

3、請參閱圖1和圖2，為一種異質目標無源散射的rcs表征方法，包括以下步驟：

4、步驟一：基于瑞利準則判斷板型分層異質目標表面粗糙度類型，并構建異質目標無源散射的rcs模型；

5、步驟二：結合目標無源散射特性和雙基地雷達方程，表征目標無源散射引起rcs的輻射方向模式；

6、步驟三：利用電磁參數重構三維的板型分層目標結構模型，通過全波仿真獲得不同頻段，不同入射角下的rcs仿真數據，同時在微波暗室測量獲得目標無源散射的rcs分布；

7、步驟四：利用仿真數據、實測數據擬合歸一化輻射方向模式，確定rcs模型參數，驗證模型準確性和有效性。

8、進一步，所述步驟一具體為：

9、步驟一-一：定義g為板型分層異質目標表面的粗糙度參數，g表示為：

10、

11、其中，σh為材料粗糙度，λ為入射波波長，θi為入射角；

12、步驟一-二：基于粗糙度參數g確定板型分層異質目標的粗糙度類型，不同粗糙度類型的定義如下：

13、

14、步驟一-三：基于確定的粗糙度類型，構建異質目標無源散射的rcs模型，rcs模型表示為：

15、

16、其中，r表示測量目標到雷達天線之間的距離，es表示散射電場強度，ei表示入射電場強度；

17、將歸一化散射系數rsingle定義為散射電場強度與入射電場強度的比值，則散射系數rsingle表示為：

18、

19、rcs模型表示為：

20、σ＝4πr2|rsingle2?(5)。

21、進一步，所述步驟二具體為：

22、步驟二-一：發射機通過具有歸一化功率輻射方向圖和天線增益gt的天線向異質目標發射功率為pt的信號，入射信號的功率表示為：

23、

24、其中，rt表示發射機與目標之間距離，s表示波束的截面面積；

25、對于波束截面，入射信號的電場表示為：

26、

27、其中，z0是空氣的特性阻抗，λ表示波長；

28、根據能量守恒定律，入射信號的功率乘以散射系數模的平方等于散射信號的總功率，得：

29、pin|rsingle|2＝pscatter???(8)

30、其中，pscatter波束截面的總散射功率，散射系數rsingle表示為：

31、rsingle＝aejφ???(9)

32、其中，a和ejφ分別表示目標的可控幅度和相移；

33、接收器從無源散射目標接收到的散射信號的功率表示為：

34、

35、其中，g表示波束截面增益，為接收天線的歸一化輻射方向圖，ar接收天線的口徑；

36、結合公式(7)、公式(8)和公式(10)，接收機從波束截面接收到的散射信號的電場表示為：

37、

38、其中，

39、接收機接收到的信號功率表示為：

40、

41、其中，接收天線的口徑表示為：

42、

43、將公式(11)和公式(13)代入公式(12)得：

44、

45、發射天線和接收天線的峰值輻射方向都指向無源散射目標的中心，遠場情況下的接收功率改寫為：

46、

47、基于雙基地雷達方程，接收功率表示為：

48、

49、結合公式(15)和公式(16)得：

50、

51、構建一個歸一化天線方向圖函數模型來表征目標無源散射引起rcs的輻射方向模式，模型表達式為：

52、

53、基于輻射特性理論將特定場景下的方向圖函數定義為主瓣和副瓣兩個部分疊加，主瓣部分由表示，副瓣部分用表示，表示為：

54、

55、基于天線方向圖理論主瓣部分f(θ)表示為：

56、

57、其中，g0表示主瓣最大增益，θ表示散射角，n表示主瓣形狀參數，θ0主瓣中心方向；

58、基于諧波干涉和散射理論副瓣部分表示為：

59、

60、其中，b表示副瓣的幅值，k表示副瓣振蕩的速度；

61、完整的方向圖模型公式用表示：

62、

63、進一步，所述步驟三具體為：

64、步驟三-一：首先研究單層材質傳播特性，明確單層材質反射和透射能力，結合實測反演材質電磁參數；然后，利用單層材質電磁參數，通過全波仿真重構異形異質結構模型，同時構建基于菲涅爾理論的多層迭代傳播模型；

65、步驟三-二：針對板型分層目標結構模型，通過全波仿真獲得不同頻段上，隨不同入射角變化的rcs值并統計該目標的rcs分布情況

66、步驟三-三：在微波暗室中，開展基于矢量網絡分析儀的頻域材質電磁傳播特性測量，獲得每個散射角下的rcs值，測量結果用σmea表示；

67、步驟三-四：將s21定義為反射信號與入射信號的電場強度之比，散射系數由每個散射角下s21_mut與理想光滑表面s21_ideal的比值表示，則散射系數rsingle表示為：

68、

69、步驟三-五：基于公式(5)，σmea表示為：

70、

71、進一步，所述步驟四具體為：

72、步驟四-一：通過最小二乘法擬合方法，在水平極化和垂直極化下對反射系數的理論值和測量值進行聯合估計；將擬合誤差定義為兩種極化下rcs理論值和測量值之間均方誤差的累計值，即：

73、

74、其中，nj為測量散射角度的數量，i為測量散射角度序號，σmea表示rcs測量值，σsingle表示rcs理論值，通過最小二乘法調整公式(22)中g0、n、b和k參數，并將rmse最小時所對應的參數視為最佳模型參數；

75、步驟四-二：驗證結構模型準確性及有效性：將板型分層目標結構模型的全波仿真值與微波暗室實測值進行對比分析，檢驗無源散射體模型合理性和適用性；

76、步驟四-三：驗證天線輻射方向圖模型準確性及有效性：將天線輻射方向圖模型理論值與微波暗室實測值對比，基于均方根誤差誤差評估模型的準確性和可靠性。

77、本發明的有益效果在于：

78、(1)通過結合理論分析和仿真技術，并考慮目標表面粗糙度和電磁參數的影響，本發明能夠更準確地表征異質目標的rcs特性，適用于復雜異質目標的rcs分析。

79、(2)相比于傳統的全波仿真方法，本發明通過構建rcs模型和歸一化輻射方向模式，能夠有效減少仿真計算量，提高仿真效率。

80、(3)本發明能夠為空間合作與非合作目標的無源散射特性提供理論基礎，為雷達探測和隱身技術的進一步發展提供有力支持。

81、(4)通過天線方向圖的引入，本發明將仿真和實測數據的結果進行了有效關聯，提升了模型的實用性和預測精度，為復雜通信環境中的信號傳播分析、散射建模及系統性能優化奠定理論基礎。

82、本發明的其他優點、目標和特征在某種程度上將在隨后的說明書中進行闡述，并且在某種程度上，基于對下文的考察研究對本領域技術人員而言將是顯而易見的，或者可以從本發明的實踐中得到教導。本發明的目標和其他優點可以通過下面的說明書來實現和獲得。