《单站近场散射响应与散射系数变换》由会员分享，可在线阅读，更多相关《单站近场散射响应与散射系数变换（4页珍藏版）》请在金锄头文库上搜索。
1、2 0 0 5 全国微波毫米波会议论文集单站近场散射响应与散射系数变换曹贤德马永光何国瑜( 北京航空航天大学，J 匕京1 0 0 0 8 3 )摘要：本文根据平面波谱( P W S ) 理论，结合单双站等效的基本原I 犟( M B E T ) ，给m 了 单站近场散射响应与散射系数的卷积关系式。在对金属平板的变换仿真中验证了该关系式有效性。关键字：近场散射响应；散射系数：单双站等效；P W SA b s t r a c t ：I nt h i sp a p e r , W ep r e s e n t8n e we x t r a p o l a t i o no fm o n o s t a
2、 t i cn e a r - f i e l ds c a t t e r i n gr e s p o n s et ot h ef a r - f i e l ds c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t ，w h i c hi sb a s e do nt h ep l a nw a v es p e c t r u ms c a t t e r i n gt h e o r yt o g e t h e rw i t ht h eR E K e l l Sm o n o s t a t i ct ob i s t a t i ce q u i v
3、 a l e n c et h e o r e m ( M B E T ) Ag o o da g r e e m e n ti sm e tb yc o m p a r i n gn e a r - f i e l ds c a t t e r i n gr e s p o n s ec a l c u l a t e db yu s i n gp h y s i c a lo p t i c a lm e t h o dt ot h eo n ed e r i v e df o r mo u rn e wt h e o r y K e yw o r d s ：n e a r - f i e
4、 l ds c a t t e r i n gr e s p o n s e ；s c a t t e r i n gc o e f f i c i e n t ；M B E T ；P W S一、引言在进行R C S N 量时，需满足一个远场条件R 2 D 2 ，其中R 是散射体与测量天线的距离， D 为散射体的最大尺寸，A 为自由空间中电磁波的波长。对于电尺寸很大的散射体来说，这样严格的测试距离通常难以满足。而目前通常的做法可以归为这两种，一是建造紧缩场测试系统，二通过计算修正由近场测得R E S 去反推远场的R C S 。建造一个紧缩场系统通常要花费巨大的人力和物力，尤其是建造大型的紧缩场
5、系统。因此用计算修正的方法成了研究的热点。通常的计算修正方法只是从场的角度出发，这样推导结果不仅繁琐而且适应性不强。由何国瑜教授等提出的近远场变换链条关系式口J ，开辟了一个从谱域的角度研究近远场变换的新方法。本文根据该思想对单站情况下的远近场变换作了进一步的探讨。二、理论分析( 一) 平面波谱根据平面波谱理论，空间中的电磁场可以分解为平面渡的叠加“4横向场与该平面上的平面波谱是封傅立叶变换。I o 5 x 忆y ，o ) 2 ijf & ( k x , k 抄计J ( k x X + k y y ) d k yF ( k x , k y 。一! ! 如t 翔“ x p 叭k 1 + b 。气
6、式中k 2 ks i n O c o s ，k y 2 k s i n O s m ，k z 。kc o s O如果对照倍号的时域和频域变换关系，则i 。) 相当于时域信号，而i ，( x , y , O ) 是频域信号。不过在这里我们还是习惯称F ( k x ，k y ) 为蒋。在这里我们建立与z 轴( 在直角坐标系中) 垂真平面上的平面波谱的概念，设平面波朝+ z 方向传播，在9 2 0。某个无限大平面上( 1 )( 2 )图与z 轴垂直平面n 平面波谱2 0 0 57 全国微波毫米波会议论文集平面z20 甲面上的电磁波谱为F ( k 蛳，则在z = z 。平面上的电磁波谱为F ( k 。
7、，y ) e 一业：。假 设此时在z2z 0 面上放置个口径场的谱函数为G ( k ，b ) ，并且极化方向与该平面上的极化方向。致的接收天线，则接收到的场的谱为：吒一，) = F ( k x , k y ) e - J k z z o F t ( k x , k y )( 3 )N g - Ik = s i n o c 。s ，b = k s t n o s i n ，k z = k 。s O 可将Y ( k 。，b ) 变换到角谱，( 口，)坐标系中的角度。对于任意极化的口面场辐射，其远场为【3 1 ：一”j k r 6 ( ，只) 。2 j _ ( b c o s 一3 “c o s O
8、 ) 。( 9 ，) + ( O s i n 。o 。c o s 0 ) 。( 9 ，) j式中F x = ：E x 忆y O ) e x p j k x s i n O e o s f k + y s i n O s i n f b ) d x d y2 巴句( x ，n O ) e x p ：k ( x s i n 目c 。s + y s i n p s i n # ) 协d y其中( d ，) 为球“1( 5 )( 6 )由( 4 ) 式可以看出远场可阻看作加权的u 径场的角谱。 ( 二) 单双站等效理论 R O B E R TE K E L L E R 在他的文献中从理论上的详细叙述单
9、双站R c S 在双站角较小的情况下等效，并且深入了的分析了不同双站角隋况下，引起单双站R C S 在量上误差的原因。 R C S 只是考虑了散射场与入射场的模值，而没有考虑相位，从文献【l 的分析可知，这种等效仍然适合单双站散射场的分析，即在考虑相位的情况下这种等效仍然 成立。以F 的推导建立在如下的等效原理：在小双站角的情况下，双站测得的散射系数等于在双站角的角平分线的单站散射系数。如图二所示，T 表示发射天线，。R 表示接收天线位置，T R 表示发射和接收天线在同一位置。考虑到相位，这里要求T 、R 和T R 离散射体中心距离相同，月要满足远场条件。( 三) 近场散射响应与散射系数变换型
10、二单双站等效示意图虽然散射体的散射方向图考虑的是全空间的场，而口径天线的辐射方向图只考虑辐射方向的半个空间的场，但是我们仍然可以将散射体的无限大半球面的散射方向图看成是该半空间平面波角谱。如果要反演的远场散射系数只跟与该方向存同半空间范围内的近场散射响应有关，那么谱分析的方法是严格的。散射体的单站散射系数矩阵由E s ( 日。) _ _ ( 目，) ( 口，) 定义，# N N 极f l ：s ( o ，) 是一个2 x 2 散射矩阵，存这里我们只对发射与接收极化一致的情况进行讨论，因此以下分析的s ( o ，们都是一个复标量，它包含相位和幅度信息，我们可以_ 开! I 同样的方法去分析散射矩
11、阵中的其他分量。运用平面波谱与单双站等效理论，在如图三所示的以散射体中心为坐标原点的芈标系统巾，当以谱倩为s A ( o ，) d ( 8 一o 诲) 辉想天线发射，旧曲xd ( 臼一号芦一呜)9 2 1s e 半。华，瓤劬够e 乒日)2 0 0 5 全国微波毫米波会议论文集以谱值为翰( 最酗域鸭，声毋) 理想天线接收，距离均为，则接收到的场的为：s R 婶i ，孛p = S A ( o i 守l 耻- k c 。s O R o 。岬i ，母J e t 1 、s 4 妒i ，) ) ej k c o s e 蜘呜( 。，缈啦刚R o 。竽，竽一徊川。一灿a 7 s 【勺，咚l 岛舞) 为散射体
12、由( a l ，矗) 方向入射波入射，在( 吩，吩) 方向的双站散射系数；s ( 堡笋，笔堕) 为散射体在( 旦孚，笔堕) 方向J ：的单站散射系数。假设散射体的单站散射系数为s ( o ，) ，天线的归一化方向图为s 。( 8 ，以，这里S ( d ) 为复函数。设口与p 的取值范闸分别为嘞，岛 和泐，南】，设在散射体坐标系中天线正对散射体的方向为( 口，p ) ，则在天线坐标系中，天线的谱分量为S A ( 0 ，) 6 ( 8 一O i ，一螽) 的平面波入射，F f谱分量勘( 渊8 q 螂) 平面波接收的场为：? R 。，吩= s ( I ，I ) P 一皿”3 s ( 9 。，一lI9
13、 。，一t 、s 一勺，9 ，) P 一_ “9 ( 8 ) 呜( I 旷j kc o s 0 R O SO 一了o i + o 扩半) s A ( 巳，e 一席如对( B ，0 ，吟) 积分可得近场测得的散射响虚加”慨A ) e - J k e o 目O g O s ( 8 一旦孚驴生溉( ) eJ kc 。s O 。O d 懒哪吩( 9 )O dC aO d 幻利用卷积定义。对( 9 ) 式整理得：S N ( O ，) = 4 8 ( O ，) 5 A ( 2 0 , 2 ) e - j k c 。2 ( 2 0 ) R o , 5 ( 2 0 ，2 ) e - j k c 0 9 ( 2
14、 0 ) R 0( 1 0 )当发射天线与接收天线不同时卷积公式根据分析可改为：9 N ( O ，f ) = 4 S ( O ，却S A ，( 2 0 ，2 扪e - k c 。s ( 2 0 ) R r , 5 艘( 2 0 ，2 旷业。8 8( 1 1 )其中s 。，( 目，) 为发射天线方向图，5 。【口，p ) 为接收天线方向图，这两者均为复函数。R ，、R 。分别为发射天线、接收天线与散射体巾心的距离。三、仿真结果仿真模型如图四所示，假设金属平板和天线的口面在x 方向都是无限长的，这样可以将问题简化一维。其中金属平板的宽度为D ，天线1 ：3 径宽度为w ，其口径上的电场为余弦平方
15、分布( x 方向均匀分布) ，电磁波频率为f ，天线距甲板中心的距离为珊。另外由于无法直接片j 物理光学直接计算由同一天线由近场发到天线近场收的场( 虽然可以算有近场天线发经过金属平板反射再到天线口面上的场，但是这并不麓反映天线接收到的场) ，不过这部分仍n J由天线耦合公式去验汪 5 】。鉴于这个原因，这里算得是天线在近场发射，电磁波经金属平板 散射，在远场的散射响应，不过角度等于天线正对于散射体的角度，也即我们仿真的是单平2 0 0 5 。全国微波毫米波会议论文集面波接收的场a 所以在利用公式( 1 1 ) 仿真训算时s 。，( 口，) 是人线的力向图，而接受天线的方向图为6 ( o ，)
16、 ，R 。足远场观察点距离散射体中心得距离。弹虫蹦 夕，碰、 二，a 百。8热帮图四仿真模型幽五J 门一化的散射系数；! 厮诵图六邱= l o r e 时两种近场响应比图七e o = 2 0 m 时两种近场响应比较四、结论和意义通过理论分析和仿真结果可以得出，由卷积公式计算出的近场散射响麻很好地吻合了由物理光学法计算的结果，尤其是幅度，距离越远近似程度越高。这种变换充5 3 “ 黎3 用了近场以及天线的辐射场的幅度和相位信息，可以使得用最少得测量次数反演得到远场信息。我们只要一次测得散射体的单站响应就可以确定它的远场得散射特性，这对实际散射体的散射特性 以及目标的R C S 都具有非常重要的意义。但是这同时也给反演工作带来了麻烦，因为反演出来的信号足相位敏感的，所以要精
