梁子長, 岳 慧

(目標(biāo)與環(huán)境電磁散射輻射國防科技重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,上海200090)

0 引言

近場情況下,目標(biāo)的電磁散射觀測數(shù)據(jù)與觀測天線密切有關(guān),觀測天線輻射場的描述模型是近場散射建模中必不可少的元素,人們通常采用點(diǎn)源結(jié)合天線方向圖的方式對觀測天線輻射場進(jìn)行建模[1～6],且假定觀測天線輻射場幅度與距離成反比,但對口面分布尺寸較大的觀測天線,該假定在近場情況下不再成立。最近,有研究在假定理想偶極子觀測條件下引入了廣義雷達(dá)散射截面的定義,認(rèn)為近距離觀測情況下觀測天線可表示為一系列理想偶極子的組合,有效地避免了近場目標(biāo)散射特性與觀測天線直接相關(guān)的問題,但這對觀測天線輻射場的描述提出了新的要求,即需利用偶極子輻射場對實(shí)際觀測天線輻射場進(jìn)行分解描述。

本文采用逆投影算法對觀測天線不同方向輻射場的仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行成像處理[7],獲取天線輻射強(qiáng)度的分布圖像,其強(qiáng)輻射分布區(qū)域與天線開口位置一致;在此基礎(chǔ)上,利用偶極子輻射中心概念采用參數(shù)估計法對天線輻射場進(jìn)行分解,提取其輻射中心的幅度、相位及位置等參數(shù),并合成不同距離下的天線輻射場,結(jié)果與直接計算的輻射場分布數(shù)據(jù)吻合較好,有效地解決了近場散射建模中天線輻射場的描述問題。該方法也可應(yīng)用于雙站RCS數(shù)據(jù)壓縮、天線反設(shè)計及雷達(dá)仿真應(yīng)用等方面。

1 天線輻射成像

若給定某一工作頻率下,天線輻射場不同方向(俯仰及方位角)的幅度及相位數(shù)據(jù),根據(jù)逆投影(BP)算法原理,可在選定的平面內(nèi)(一般取天線口面所在平面,本文取YZ平面)進(jìn)行成像處理,天線輻射強(qiáng)度的分布圖像可由式(1)計算:

式中:G0(θ,φ)為天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場某一極化分量的分布數(shù)據(jù);c0為標(biāo)定系數(shù),其大小與式中積分的角度范圍有關(guān);k為電磁波波數(shù)。其成像分辨率可由式(2)估算:

式中:θ1和θ2為式(1)中積分的俯仰角范圍;φ1和φ2為方位角范圍。當(dāng)積分的角度域范圍接近半球面空間時,成像分辨率可達(dá)0.5倍波長,Ku波段時小于1 cm。

為驗(yàn)證天線輻射成像效果,本文假定一簡化的波導(dǎo)縫隙陣天線沿Z軸放置,天線工作頻率為16GHz,波導(dǎo)寬邊平行于Y軸,其上依次開有6個相隔約為2.1 cm的半波長縫隙,縫隙寬度為1 mm,且偏離波導(dǎo)寬邊中心線3.5mm。圖1(a)為矩量法(M oM)計算的天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場分布結(jié)果;對應(yīng)地,圖1(b)給出了天線輻射強(qiáng)度的成像分布結(jié)果,其中成像處理采用的俯仰角范圍為10°～170°,方位角范圍為 100°～ 260°?？梢?該天線的輻射圖像主要表現(xiàn)為六個強(qiáng)輻射中心,其位置與縫隙中心位置十分吻合。

圖1 縫隙陣天線輻射場成像結(jié)果

圖2為一喇叭天線的遠(yuǎn)區(qū)輻射場成像結(jié)果,其中喇叭天線的口面大小取為8 cm×6 cm,工作頻率為16GH z,矩量法計算的天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場分布如圖2(a)所示;圖2(b)給出了該天線輻射強(qiáng)度的成像分布結(jié)果,其強(qiáng)輻射分布區(qū)域與天線口面位置也較為吻合。

綜上所述,BP算法適于天線輻射場分量的成像處理,驗(yàn)證結(jié)果表明縫隙、喇叭等天線的輻射成像效果較好,其強(qiáng)輻射分布區(qū)域有較強(qiáng)的聚集性,且與天線向外輻射能量的開口位置較為一致,引申目標(biāo)散射中心的概念,這里引入偶極子輻射中心的概念,這對天線輻射場的描述、天線反設(shè)計等有重要意義。

圖2 喇叭天線輻射場成像結(jié)果

2 天線輻射中心提取

根據(jù)上節(jié)天線成像結(jié)果及輻射中心概念,可利用理想偶極子天線的輻射場對復(fù)雜天線的輻射場進(jìn)行分解,即提取偶極子輻射中心的位置、幅度和相位等參數(shù);這里采用參數(shù)估計法進(jìn)行提取[8～9],對第i個輻射中心,即尋找合適參數(shù)使得式(3)中相對剩余偏差ei最小,表示為

式中:ai為輻射中心的強(qiáng)度(包含幅度和相位);yi和zi為輻射中心的位置;g(yi,zi,θ,φ)為理想偶極子天線不同方向的輻射場分布。同時,結(jié)合式(4)可依次提取第i+1個輻射中心的參數(shù)。

對圖1(a)所示的縫隙陣天線輻射場,表1給出了利用式(3)提取的部分輻射中心參數(shù),其中前六個輻射中心位置與縫隙中心位置一致,相對偏差隨著輻射中心的提取依次減小,提取100個輻射中心后其相對剩余偏差達(dá)0.0016以下。

利用提取的輻射中心數(shù)據(jù),對天線遠(yuǎn)區(qū)及0.4m距離處的輻射場分布進(jìn)行合成,與M oM計算數(shù)據(jù)的比較結(jié)果如圖3所示。

由圖3(a)和(b)可知,基于輻射中心合成的天線遠(yuǎn)區(qū)輻射場結(jié)果與M oM直接計算結(jié)果吻合較好,在較大觀測角范圍內(nèi)偏差均較小;同時,由于天線口面分布尺寸達(dá)0.1m以上,天線近距離輻射場與遠(yuǎn)區(qū)輻射場不同,但圖3(c)和(d)的比較結(jié)果表明輻射中心的近場合成結(jié)果也與直接計算結(jié)果吻合較好,兩者間偏差主要來源于輻射中心提取后的剩余偏差。

對圖2(a)所示的喇叭天線輻射場,利用式(3)依次提取150個輻射中心后,相對剩余偏差小至0.0006;相應(yīng)地,利用提取的輻射中心參數(shù),圖4給出了喇叭天線遠(yuǎn)區(qū)及0.4 m距離處輻射場的合成分布結(jié)果與直接計算數(shù)據(jù)的比較,兩者也吻合較好。

表1 提取的縫隙陣天線輻射中心參數(shù)列表

圖3 裂縫陣天線輻射場合成

圖4 喇叭天線輻射場合成

由此可見,采用偶極子輻射中心分解觀測天線輻射場的方法是有效的,其合成的輻射場可較好地描述天線輻射場隨距離的變化關(guān)系。

3 結(jié)論

采用逆投影算法對裂縫陣、喇叭等天線的輻射場進(jìn)行成像處理,獲得了天線的輻射強(qiáng)度分布圖像,其強(qiáng)輻射區(qū)域與天線向外輻射能量的開口位置較為一致。

在此基礎(chǔ)上,引入了偶極子輻射中心的概念,并采用參數(shù)估計法提取了天線輻射中心參數(shù),其合成的天線輻射場與矩量法直接計算的不同距離輻射場結(jié)果吻合較好,滿足近場目標(biāo)散射建模對天線輻射場描述的要求。同時,該方法也可用于雙站RCS數(shù)據(jù)壓縮、天線反設(shè)計、雷達(dá)仿真試驗(yàn)等方面。

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