本發(fā)明涉及通信和雷達(dá)技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種目標(biāo)雷達(dá)散射截面(RCS)測量中，采用輔助測量體的測量數(shù)據(jù)或者直接采用目標(biāo)自身測量數(shù)據(jù)，導(dǎo)出背景雜波數(shù)據(jù)并用于背景抵消的信號處理方法。

背景技術(shù)：

縮比模型或全尺寸目標(biāo)的微波暗室和外場靜態(tài)測量是低可探測目標(biāo)的低散射設(shè)計(jì)、驗(yàn)證和改進(jìn)的重要試驗(yàn)手段。在微波暗室和外場RCS靜態(tài)測量中，一般采用低散射支架支撐被測目標(biāo)，距離遠(yuǎn)處的測量雷達(dá)固定不動(dòng)，置于支架上的目標(biāo)作方位旋轉(zhuǎn)，測量雷達(dá)錄取旋轉(zhuǎn)目標(biāo)在不同方位轉(zhuǎn)角下的散射回波并進(jìn)行背景抵消和定標(biāo)處理后，得到被測目標(biāo)的全方位RCS測量數(shù)據(jù)。典型的外場測量幾何關(guān)系如圖1所示。

為了便于討論目標(biāo)寬帶雷達(dá)散射截面(RCS)幅度和相位的測量與定標(biāo)，定義目標(biāo)寬帶復(fù)散射函數(shù)(也即一些文獻(xiàn)中所稱的目標(biāo)復(fù)RCS)為：

式中，E_i(f)和E_s(f)分別表示雷達(dá)入射場(目標(biāo)處)和目標(biāo)散射場(雷達(dá)天線處)；它同RCS之間的關(guān)系為

由圖1，定標(biāo)體和待測目標(biāo)的接收回波功率均滿足雷達(dá)方程(參見文獻(xiàn)E.F.Knott,Radar Cross Section,New York:Van Nostrand Reinhold,1993.)：

式中，P_r,P_t分別為雷達(dá)接收和發(fā)射功率；G為天線增益；λ為雷達(dá)波長；R為雷達(dá)距離；L為雙程傳輸衰減；σ為目標(biāo)RCS。

目標(biāo)RCS測量中的定標(biāo)可以采用相對定標(biāo)法，即：同時(shí)測量一個(gè)其理論RCS已知的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)體和RCS未知的待測目標(biāo)，依據(jù)雷達(dá)方程(2)，有：

式(3)-(4)中，V_Cr(f),V_Tr(f)分別表示接收機(jī)在寬帶RCS測量中收到的定標(biāo)體回波電壓和被測目標(biāo)回波電壓；分別表示定標(biāo)體的理論復(fù)散射函數(shù)和被測目標(biāo)的寬帶復(fù)散射函數(shù)；f為雷達(dá)頻率；c為傳播速度。

由式(3)和(4)，目標(biāo)復(fù)散射函數(shù)的定標(biāo)公式可表示為：

式中，為被測目標(biāo)的復(fù)散射函數(shù)；為被測定標(biāo)體的理論復(fù)散射函數(shù)，可通過精確數(shù)值計(jì)算得到；V_Cr(f),V_Tr(f)分別表示雷達(dá)接收機(jī)接收到的定標(biāo)體回波電壓和被測目標(biāo)回波電壓。

實(shí)際RCS測量中雷達(dá)接收到的回波信號為復(fù)信號，且受到測試場背景和各種噪聲的影響。假設(shè)測目標(biāo)和測定標(biāo)體時(shí)雷達(dá)接收到的回波信號可表示為：

S_T(f)＝T(f)+B_T(f)+N_T (6)

和

S_C(f)＝C(f)+B_C(f)+N_C (7)

式中，S_T(f)和S_C(f)分別表示測目標(biāo)和測定標(biāo)體時(shí)雷達(dá)接收到的回波信號；T(f)表示目標(biāo)真實(shí)回波；C(f)表示定標(biāo)體真實(shí)回波；B_T(f)和B_C(f)分別表示測目標(biāo)和測定標(biāo)體時(shí)的背景回波；N_T和N_C表示噪聲影響，且其均值為E{N_T}＝E{N_C}＝0。上述回波信號均為復(fù)數(shù)相量。

在實(shí)際的目標(biāo)RCS測量中，一般通過提高雷達(dá)發(fā)射機(jī)功率、采用地面平面場、接收機(jī)采用相參積累等技術(shù)來提高測量信噪比，使得噪聲對測量的影響可以忽略，從而有以下公式近似成立：

S_T(f)＝T(f)+B_T(f) (8)

和

S_C(f)＝C(f)+B_C(f) (9)

可見，背景散射是影響RCS測量精度的主要因素。為提高RCS測量精度，一般在定標(biāo)中采用背景相量相減技術(shù)處理，目標(biāo)散射函數(shù)的定標(biāo)方程為：

式(10)中，S_T(f)和S_C(f)分別表示測目標(biāo)和測定標(biāo)體時(shí)的回波，包含雜波背景；B_T(f)和B_C(f)分別表示沒有放置被測目標(biāo)或定標(biāo)體時(shí)的回波，也即由目標(biāo)支架及測試場其它雜散回波構(gòu)成的雜波背景；為目標(biāo)散射函數(shù)(也即復(fù)RCS，是需要測量和定標(biāo)的量)；為定標(biāo)體的散射函數(shù)，是可通過精確理論計(jì)算得到的已知量。

因此，帶背景抵消處理的目標(biāo)RCS測量定標(biāo)方程為：

在多數(shù)室內(nèi)RCS測試場中，測定標(biāo)體和測目標(biāo)時(shí)是采用放置在同一距離處的同一支架上完成的，此時(shí)測目標(biāo)時(shí)的背景回波B_T(f)和測定標(biāo)體時(shí)的背景回波B_C(f)是相同的，B_T(f)＝B_C(f)＝B(f)，故有：

因此，按照式(12)，為了完成背景抵消和RCS定標(biāo)處理，RCS測量的基本步驟如下：

步驟-1：t₁時(shí)刻，測量包含用于支撐目標(biāo)的目標(biāo)支架在內(nèi)的目標(biāo)區(qū)背景回波B(f)；

步驟-2：t₂時(shí)刻，安裝定標(biāo)體，測量定標(biāo)體回波S_C(f)；

步驟-3：t₃時(shí)刻，安裝目標(biāo)，測量目標(biāo)回波S_T(f)；

步驟-4：按照式(12)進(jìn)行背景相量相減和目標(biāo)RCS定標(biāo)處理。

對于采用金屬支架的RCS測試場，一般目標(biāo)支架的頂部安裝有使被測物體能完成360°方位旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)臺(tái)，在測目標(biāo)或定標(biāo)體時(shí)它被隱藏于被測物體的腹腔內(nèi)，因此測目標(biāo)或定標(biāo)體時(shí)轉(zhuǎn)頂?shù)幕夭ú粫?huì)對雷達(dá)總回波產(chǎn)生實(shí)質(zhì)性影響。另一方面，如果要測得未安裝目標(biāo)或定標(biāo)體時(shí)支架本身的背景回波，需要將目標(biāo)或定標(biāo)體從支架上卸裝，此時(shí)原來隱藏的轉(zhuǎn)頂則顯露出來。因此，如何測量支架的背景回波B(f)是實(shí)現(xiàn)目標(biāo)RCS精確定標(biāo)測量的關(guān)鍵。

目前國際上得到普遍應(yīng)用的背景雜波減小和背景輔助測量與提取技術(shù)包括：

(1)通過細(xì)致的低散射設(shè)計(jì)，使得在感興趣的測量頻段，支架的散射回波遠(yuǎn)小于目標(biāo)散射(一般低20dB以上)?，F(xiàn)代隱身目標(biāo)的RCS電平可低至-30dBsm以下，這意味著要求所設(shè)計(jì)制造的目標(biāo)支架其RCS電平要低于-55dBsm，在微波頻率低端，這是不現(xiàn)實(shí)的。

(2)設(shè)計(jì)一個(gè)輔助測量的低散射端帽，在測背景時(shí)對支架頂部的轉(zhuǎn)頂像測目標(biāo)時(shí)一樣用低散射端帽將其“隱藏”起來，并認(rèn)為此時(shí)測得的回波主要是固定背景雜波。但是，由于金屬目標(biāo)支架本身RCS電平通常低于-35dBsm，若要精確測量目標(biāo)支架的固定背景回波，一般要求低散射端帽的RCS電平低20dB以上，也即達(dá)到-55dBsm以下，這顯然是不現(xiàn)實(shí)的。因此，更多情況下低散射端帽的主要作用是，在支架上加裝低散射端帽后對“低散射端帽+目標(biāo)支架”條件下進(jìn)行背景測量，以驗(yàn)證并確保目標(biāo)支架的RCS電平低于技術(shù)指標(biāo)給定的門限值。顯然，這種采用低散射端帽直接測量得到的“背景測量”不夠精確，只能用于大體上評估背景電平，一般不能直接用于背景抵消處理。

(3)采用背景輔助測量裝置，例如能夠平移的低散射載體、偏心圓柱等，通過輔助測量和信號處理完成背景提取和后續(xù)的背景抵消處理。

(a)現(xiàn)有技術(shù)-1：采用在支架上平移的物體作為背景輔助測量體

該技術(shù)在支架頂端安裝一個(gè)自身可以前后平移運(yùn)動(dòng)的輔助測量載體，如圖2所示。測試中(參見D.P.Morgan,“RCS Target Support Background Determination Using a Translating Test Body,”Proc.AMTA 1996,pp.15-17.)，通過控制該載體前后平移運(yùn)動(dòng)，并記錄雷達(dá)回波幅度和相位，供后續(xù)處理以提取出背景回波。

現(xiàn)有技術(shù)-1的缺點(diǎn)：采用這種輔助裝置的主要缺點(diǎn)有兩個(gè)，一是該輔助裝置不能兼顧用于RCS定標(biāo)；二是需要設(shè)計(jì)專門裝置驅(qū)動(dòng)輔助測量載體進(jìn)行前后平移，對于大型目標(biāo)RCS測試場，由于目標(biāo)轉(zhuǎn)頂尺寸很大，而測量中需要把轉(zhuǎn)頂掩藏于載體中，因此要求所設(shè)計(jì)的輔助測量載體尺寸必然很大。此外，背景提取輔助測量所要求載體平移的距離正比于雷達(dá)波長。頻率越低，波長越長，所要平移的距離范圍就越大。由此，該技術(shù)的實(shí)際應(yīng)用受到限制。

(b)現(xiàn)有技術(shù)-2：采用偏心圓柱作為定標(biāo)體和背景輔助測量體

文獻(xiàn)(L.A.Muth,C.M.Wang,and T.Conn,“Robust Separation of Background and Target Signals in Radar Cross Section Measurements,”IEEE Trans.Instrum.Meas.,Vol.54,No.6,2005,pp.2462-2468.)針對現(xiàn)有技術(shù)-1所存在的缺點(diǎn)，提出了一種替代技術(shù)，即采用偏心的圓柱體進(jìn)行輔助測量和背景提取，如圖3所示。測試中，通過轉(zhuǎn)頂帶動(dòng)偏心圓柱作方位旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。由于從雷達(dá)視線看過去，任何轉(zhuǎn)角下圓柱的投影外形是不變的，其散射幅度不變，但因圓柱是偏心安裝在支架的轉(zhuǎn)頂上的，這相當(dāng)于在雷達(dá)看來，存在一種等效的平移運(yùn)動(dòng)，故其對背景回波的提取處理方法同現(xiàn)有技術(shù)-1是一樣的。

現(xiàn)有技術(shù)-2的缺點(diǎn)：采用偏心圓柱體進(jìn)行輔助測量和背景提取的技術(shù)避免了使載體平移的要求，但是該技術(shù)也存在以下明顯缺點(diǎn)：

在高頻區(qū)，直立的金屬圓柱體自身的RCS電平滿足以下公式：

σ(f)＝kah² (13)

式中，為波數(shù)，c為傳播速度，f為雷達(dá)頻率；a為圓柱體的半徑；h為圓柱體的高。

在對大型目標(biāo)進(jìn)行RCS測量時(shí)，通常要求低散射目標(biāo)支架和目標(biāo)轉(zhuǎn)頂承重均很大，這造成目標(biāo)轉(zhuǎn)頂?shù)某叽绾艽?。由于用于背景輔助測量的偏心圓柱必須將轉(zhuǎn)頂隱埋在其中，才能模擬真實(shí)目標(biāo)測量條件下的支架背景條件并測量出來，此時(shí)所要求的偏心圓柱體尺寸將很大。而圓柱體的理論RCS值與圓柱體半徑、圓柱高度的平方成正比，不利于背景測量與提取。例如，當(dāng)目標(biāo)轉(zhuǎn)頂尺寸達(dá)到直徑1m、高0.5m時(shí),若要求完成精確RCS測量的最低雷達(dá)頻率1GHz，則所要求的偏心圓柱直徑將達(dá)到1.2m以上，根據(jù)(13)式，此時(shí)偏心圓柱自身的RCS電平在0dBsm(1m²)量級，而目標(biāo)支架背景的RCS電平一般在-30dBsm(0.001m²)以下，兩者之間相差3個(gè)數(shù)量級。此時(shí)，若采用偏心圓柱輔助提取支架的背景電平，相當(dāng)于要從測量回波中精確提取出一個(gè)比主回波小1000倍的微弱信號，其背景提取精度難以保證。

可見，根據(jù)(13)式，這種定標(biāo)體的理論RCS值隨頻率升高而增大，不利于背景提取輔助測量和處理。

(c)現(xiàn)有技術(shù)-3：采用CAM定標(biāo)體作為定標(biāo)體和背景輔助測量體

文獻(xiàn)(W.D.Wood,P.J.Collins,T.Conn,“The CAM RCS Dual-Cal Standard，”Proc.of the25th Antenna Measurement Techniques Association Symposium,Irvine,CA,2003.)提出一種CAM定標(biāo)體，它是由兩個(gè)半徑不同且相切的直立圓柱體以及同兩個(gè)圓柱體的圓弧面相切的平面共同構(gòu)成的封閉幾何結(jié)構(gòu)，其詳細(xì)幾何結(jié)構(gòu)如圖4所示。由于CAM定標(biāo)體的特殊幾何外形，當(dāng)將CAM定標(biāo)體作方位向旋轉(zhuǎn)時(shí)，單個(gè)定標(biāo)體可等效用作為小圓柱(SC)、大圓柱(LC)和平板(FP)等3種標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)體，故可用于RCS測量中多重定標(biāo)測量和處理。此外，像偏心圓柱體一樣，如果設(shè)計(jì)合理，它在一定方位范圍內(nèi)的大、小兩個(gè)圓柱散射體，也可用于背景提取輔助測量。

在高頻區(qū)，CAM定標(biāo)體的大圓柱和小圓柱的理論RCS值仍采用式(10)計(jì)算，平板的RCS則與頻率的平方成正比。

現(xiàn)有技術(shù)-3的主要缺點(diǎn)：CAM定標(biāo)體可等效為小圓柱、大圓柱和平板共3個(gè)標(biāo)準(zhǔn)散射體，因而可用于多重定標(biāo)測量和處理。除此之外，因其幾何外形是以圓柱和平板為基礎(chǔ)構(gòu)建的，故具有同圓柱體一樣的所有其他缺點(diǎn)。

(d)現(xiàn)有技術(shù)-4：采用SCAM定標(biāo)體作為定標(biāo)體和背景輔助測量體

本發(fā)明人及其合作者最近提出一種新的標(biāo)準(zhǔn)定標(biāo)體外形設(shè)計(jì)，該外形設(shè)計(jì)是建立在CAM定標(biāo)體外形設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)之上的，可以看成是對CAM外形的改進(jìn)(許小劍，劉永澤，“用于目標(biāo)RCS測量中多重定標(biāo)和背景提取的裝置設(shè)計(jì)及其信號處理方法”，專利申請?zhí)朇N201610237378.2，2016)。具體地，在CAM外形的基礎(chǔ)上，沿CAM外形的小圓柱、大圓柱和平板面，在360°全方位上增加半圓弧面，其中半圓弧面的直徑等于CAM定標(biāo)體的高。我們稱這一新的外形設(shè)計(jì)為球面CAM(Spheroid CAM，簡記為SCAM)，其幾何外形如圖5所示。

在高頻區(qū)，SCAM定標(biāo)體的大、小球柱(CAM定標(biāo)體大、小圓柱所對應(yīng)的方位)的RCS電平分別滿足以下公式：

式中，σ_L(f)和σ_S(f)分別為大球柱和小球柱的RCS；a為大圓柱體的半徑；b為小圓柱體的半徑；h為SCAM定標(biāo)體的高，同時(shí)也是SCAM外圓弧曲面的直徑。

同CAM相比，SCAM定標(biāo)體的優(yōu)點(diǎn)是：在高頻區(qū)，CAM定標(biāo)體的3個(gè)等效標(biāo)準(zhǔn)體分別為圓柱體和平板，其RCS均隨頻率升高而快速升高；而SCAM定標(biāo)體大、小球柱的RCS不隨雷達(dá)頻率變化；SCAM定標(biāo)體兩側(cè)(CAM平板方向)柱面的最大RCS與半徑為h/2的圓柱體的RCS成正比。SCAM的這種RCS電平不隨頻率變化的特性有利于提高RCS測量定標(biāo)精度；盡管總體上SCAM的幾何外形尺寸比CAM的尺寸大，但在三個(gè)等效標(biāo)準(zhǔn)體方向上，SCAM的RCS值均小于CAM的RCS值。事實(shí)上，SCAM定標(biāo)體在全方位上其平均RCS電平均低于CAM定標(biāo)體的RCS電平。

SCAM的這種低RCS電平特性有利于用作為背景輔助測量體。但是，對于全尺寸目標(biāo)RCS測試場，由于其目標(biāo)支架和轉(zhuǎn)頂尺寸大，要求SCAM的尺寸也大，仍會(huì)造成輔助測量體的RCS電平比背景電平高出數(shù)十dB的情況，此時(shí)的背景提取精度難以保證。

(e)現(xiàn)有技術(shù)-5：采用低散射端帽作為背景輔助測量體

本發(fā)明人曾提出一種直接采用低散射端帽作為背景輔助測量體，進(jìn)而通過信號處理得到背景估計(jì)值并完成背景抵消處理的方法(參考文獻(xiàn)：Xu X.J.,"A background and target signal separation technique for exact RCS measurement,"Int.Conf.on Electromagnetics in Advanced Applications(ICEAA),pp.891-894,Sep.2012.)。其基本原理如下：

無論對于定標(biāo)體還是目標(biāo)測量，回波信號可統(tǒng)一表示為：

V(f,θ)＝S(f,θ)+B(f) (16)

式中S(f,θ)為目標(biāo)或定標(biāo)體的散射回波信號，B(f)表示固定背景信號。

假設(shè)目標(biāo)散射函數(shù)為f(x,y)，或在極坐標(biāo)下表示為f(r,φ)，測量雷達(dá)接收到的旋轉(zhuǎn)目標(biāo)回波信號可表示為：

式中為雷達(dá)波長；L為目標(biāo)的最大尺寸；R₀為雷達(dá)到目標(biāo)旋轉(zhuǎn)中心之間的距離；R表示雷達(dá)到目標(biāo)上任意一散射點(diǎn)之間的距離，有：

對于遠(yuǎn)場測量，有：

將式(17)與(19)結(jié)合，有：

式中為虛數(shù)；

和

為目標(biāo)散射回波信號的同相(I)和正交相位(Q)分量。

易知，對于給定的雷達(dá)頻率f或波長λ，若所測目標(biāo)為電大尺寸的目標(biāo)，即L＞＞λ，因?yàn)橐蚨校?/p>

式中表示對方位角θ∈[0,2π)的數(shù)學(xué)期望。

因此，

上式告訴我們：只要在轉(zhuǎn)臺(tái)中心處被測目標(biāo)不存在重要的散射中心，即f(0,0)＝0，則通過對回波信號的I、Q分量求方位平均，可直接得到固定背景信號分量。而低散射端帽的設(shè)計(jì)一般滿足該條件，因此可用作為背景提取輔助測量體。

現(xiàn)有技術(shù)-5的主要缺點(diǎn)是：由于背景提取是對低散射端帽沿方位向求平均得到的，所提取的背景信號中存在輔助測量體本身散射回波的影響。特別地，對于低散射端帽這類散射體，其側(cè)向的RCS電平較高，可高出背景雜波電平50dB以上，此時(shí)會(huì)嚴(yán)重影響背景測量與提取的精度，進(jìn)而影響背景抵消處理的有效性。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明旨在解決以下技術(shù)問題：在低可探測目標(biāo)RCS測量中，采用低散射端帽等一類物體、甚至直接采用被測目標(biāo)本身作為背景輔助測量體時(shí)，如何消除輔助測量體自身的散射回波對于所提取的背景雜波的影響，提高背景提取精度。

本發(fā)明采用的技術(shù)方案如下：

傳統(tǒng)的利用金屬偏心圓柱、CAM、SCAM等輔助測量體進(jìn)行背景雜波測量的基本出發(fā)點(diǎn)是，對作方位旋轉(zhuǎn)的輔助測量體進(jìn)行測量，設(shè)計(jì)使得旋轉(zhuǎn)過程中輔助測量體散射回波幅度不隨轉(zhuǎn)角變化，僅相位隨方位旋轉(zhuǎn)而改變。這樣，通過信號處理可以提取出散射幅度和相位均不隨方位變化的固定背景雜波，也稱為零多普勒雜波(ZDC)。

本發(fā)明基于一種完全不同的技術(shù)思路，即利用輔助測量體散射回波幅度和相位隨方位角快速變化、因而在一定方位角范圍內(nèi)作平均處理，其數(shù)學(xué)期望值為零，而固定背景雜波因具有不隨輔助測量體作方位旋轉(zhuǎn)測量而變化，其數(shù)學(xué)期望值為常數(shù)的特性，提出一種基于最大概率原理進(jìn)行固定背景雜波提取的數(shù)據(jù)域處理方法。

用作為輔助測量體的低散射端帽，一般設(shè)計(jì)為類似于圖6所示的低散射外形，其散射特征是：當(dāng)雷達(dá)波沿其鼻錐向或尾向照射時(shí)，低散射端帽的散射回波主要來自于兩端尖頂?shù)纳⑸?，這種散射具有很低的散射電平，一般低于目標(biāo)支架背景的散射電平或至少在同一量級；當(dāng)雷達(dá)波沿側(cè)向照射時(shí)，其散射回波則主要來自于側(cè)面的鏡面反射，此時(shí)的散射可能遠(yuǎn)高于支架背景電平。

因此，此類低散射端帽的全方位散射特性在數(shù)據(jù)域(頻率-方位角域)的散射回波具有圖7所示的變化特性。針對作為背景提取輔助測量體的低散射端帽的上述散射特性，可以設(shè)計(jì)出利用此類輔助測量體進(jìn)行方位旋轉(zhuǎn)測量，并從測量數(shù)據(jù)中提取出固定背景信號的數(shù)據(jù)域方法，也即基于最大概率原理的背景測量與提取數(shù)據(jù)域處理方法。

基于最大概率的背景測量與提取數(shù)據(jù)域處理方法利用了低散射端帽一類輔助測量體其散射回波的頻率-方位角域變化特性。

將式(21)和(22)重寫如下：

和

式中：

由于除側(cè)向散射以外的大多數(shù)方位角下，低散射端帽的回波電平比固定支架背景的散射電平低或者量級相當(dāng)，且低散射端帽的長度通?？蛇_(dá)數(shù)米甚至10m以上，其散射主要來自于兩端尖頂?shù)纳⑸?，因此，由?27)易知，對于微波頻段(波長為厘米～分米量級)，回波相位隨方位的變化是劇烈的，根據(jù)式(25)～(27)，即使采用小方位窗口對數(shù)據(jù)進(jìn)行滑窗統(tǒng)計(jì)平均處理，其數(shù)學(xué)期望也易滿足下式：

式中表示方位角窗口為θ_k-Δ≤θ≤θ_k+Δ內(nèi)的所有測量數(shù)據(jù)的數(shù)學(xué)期望，θ_k表示第k個(gè)方位角位置，2Δ表示以θ_k為中心、對散射回波數(shù)據(jù)做平均處理的方位滑窗寬度。

因此，有：

式(29)表明，對作方位旋轉(zhuǎn)測量的低散射端帽一類輔助測量體的散射測量數(shù)據(jù)做方位滑動(dòng)窗平均處理，可得到固定背景產(chǎn)生的零多普勒雜波(ZDC)的估計(jì)值。

采用上述方位滑窗處理得到ZDC估計(jì)值的主要缺點(diǎn)是，當(dāng)輔助測量體的散射電平比固定背景雜波電平強(qiáng)得多，或者輔助測量體的強(qiáng)散射源偏離旋轉(zhuǎn)中心距離不夠遠(yuǎn)時(shí)(例如當(dāng)測量雷達(dá)對低散射端帽側(cè)向照射時(shí))，所得到的ZDC估計(jì)值會(huì)受到輔助測量體自身散射回波殘余的嚴(yán)重影響，影響了ZDC估計(jì)精度。

根據(jù)式(29)，對作方位旋轉(zhuǎn)測量的輔助測量體散射數(shù)據(jù)做方位滑動(dòng)窗平均處理后，得到的是固定背景的ZDC估計(jì)值隨頻率和方位的變化量。而理論上，固定背景的散射回波是不隨方位角變化的。因此，ZDC估計(jì)值隨方位的變化量主要由以下兩個(gè)信號分量造成：(1)滑窗平均處理后輔助測量體散射信號的殘余分量；(2)輔助測量體-目標(biāo)支架間隨方位變化的耦合散射分量。

如果在滑窗平均得到的ZDC估計(jì)中存在輔助測量體的散射殘余分量和/或輔助測量體-目標(biāo)支架間隨方位變化的耦合散射分量，即對于給定頻點(diǎn)f_i和方位θ_k，所得到的ZDC估計(jì)值為：

式中Δs(f_i,θ_k)表示經(jīng)方位滑窗平均處理后輔助測量體的散射殘余分量和輔助測量體-目標(biāo)支架間耦合散射分量的綜合影響。

為了消除這兩種殘余信號分量Δs(f_i,θ_k)對于真實(shí)ZDC估計(jì)的影響，本發(fā)明提出一種基于最大概率的背景測量與提取數(shù)據(jù)域處理方法，其處理流程如圖8所示?；緶y量與背景雜波提取處理的步驟如下：

步驟-1：輔助測量體的全方位RCS幅相數(shù)據(jù)獲取

在低散射端帽等輔助測量體安裝于目標(biāo)支架轉(zhuǎn)頂上的狀態(tài)下，對低散射端帽等一類輔助測量體作360°全方位旋轉(zhuǎn)測量，獲得不同方位角下的窄帶或?qū)拵⑸浠夭ǚ群拖辔粩?shù)據(jù)，從而得到“輔助測量體+目標(biāo)支架”的混合回波寬帶測量樣本，稱為“全方位RCS測量原始幅相數(shù)據(jù)”。

步驟-2：ZDC估計(jì)

針對“全方位RCS測量原始幅相數(shù)據(jù)”中每個(gè)測量頻點(diǎn)，選擇一定寬度的方位窗口做方位滑窗平均處理，得到每個(gè)方位下的ZDC估計(jì)，包括幅度估計(jì)和相位估計(jì)值。

步驟-3：最大概率幅度和最大概率相位計(jì)算

通過概率統(tǒng)計(jì)直方圖處理，求取每個(gè)頻點(diǎn)下ZDC幅度和相位估計(jì)的全方位統(tǒng)計(jì)量：最大概率幅度A_pmax(f_i)和最大概率相位φ_pmax(f_i)，i＝1,2,...,N_f。

步驟-4：基于最大概率統(tǒng)計(jì)量的門限處理

依據(jù)上述最大概率幅度和相位統(tǒng)計(jì)量設(shè)定幅度門限因子和相位門限因子，針對每個(gè)頻點(diǎn)和每個(gè)方位的ZDC幅度與相位估計(jì)，完成門限處理，即：如果當(dāng)前ZDC幅度或相位估計(jì)與最大概率幅度A_pmax(f_i)和最大概率相位φ_pmax(f_i)之間的差異超過門限值，則該處的ZDC估計(jì)用最大概率幅度A_pmax(f_i)和最大概率相位φ_pmax(f_i)值替換。如此，得到每個(gè)頻點(diǎn)和方位下的最終ZDC估計(jì)值，也即固定背景雜波的估計(jì)值。

步驟-5：背景相減處理

原始測量數(shù)據(jù)與固定背景雜波估計(jì)數(shù)據(jù)之間作相量相減，得到背景抵消后的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)。

本發(fā)明的主要技術(shù)優(yōu)點(diǎn)是：

(1)本發(fā)明所提出的基于最大概率原理，從低散射端帽等一類輔助測量體的RCS測量中提取背景信號的數(shù)據(jù)域處理方法，可以獲得背景信號的“最大似然”估計(jì)，消除傳統(tǒng)ZDC估計(jì)中目標(biāo)信號殘余分量對背景信號估值的影響，提高了ZDC估計(jì)精度；

(2)本發(fā)明所提出的基于最大概率原理，從低散射端帽等一類輔助測量體的RCS測量中提取背景信號的數(shù)據(jù)域處理方法，由于在ZDC估計(jì)中消除了目標(biāo)信號殘余分量，所得到的ZDC估計(jì)用于背景抵消處理時(shí)，可以更好地避免因背景抵消處理對真實(shí)目標(biāo)信號的影響；

(3)本發(fā)明所提出的基于最大概率原理，從低散射端帽等一類輔助測量體的RCS測量中提取背景信號的數(shù)據(jù)域處理方法，既可用于寬帶RCS測量數(shù)據(jù)處理，也可用于窄帶RCS測量數(shù)據(jù)處理。

(4)本發(fā)明所提出的基于最大概率原理，從低散射端帽等一類輔助測量體的RCS測量中提取背景信號的數(shù)據(jù)域處理方法，不限于僅對低散射端帽作為輔助測量體的RCS測量數(shù)據(jù)進(jìn)行背景提取和抵消處理。原理上，任何被測目標(biāo)只要其散射特性滿足在轉(zhuǎn)頂區(qū)不存在顯著散射源，則其隨方位旋轉(zhuǎn)的測量數(shù)據(jù)均可用于背景提取和抵消處理。因此，本發(fā)明實(shí)質(zhì)上提出了一種通用的“由目標(biāo)測量導(dǎo)出背景估計(jì)”的最大概率背景提取與抵消處理的方法。

附圖說明

圖1為目標(biāo)RCS測量幾何關(guān)系示意圖；

圖2為用于背景提取輔助測量的可平移載體示意圖；

圖3為用于背景提取輔助測量的偏心圓柱體示意圖；其中，圖3(a)為低散射目標(biāo)支架與轉(zhuǎn)頂；圖3(b)為配套偏心圓柱體；

圖4為CAM定標(biāo)體的幾何結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖4(a)為CAM定標(biāo)體的3D造型；圖4(b)為CAM定標(biāo)體的橫向剖面圖；

圖5為SCAM定標(biāo)體的幾何結(jié)構(gòu)示意圖；其中，圖5(a)為SCAM定標(biāo)體的3D造型；圖5(b)為SCAM定標(biāo)體的橫向剖面圖；

圖6為典型低散射端帽類輔助測量體外形示意圖；

圖7為“輔助測量體+目標(biāo)支架”RCS幅度隨頻率和方位角變化特性示意圖；

圖8為基于最大概率的背景測量與ZDC提取數(shù)據(jù)域處理流程圖；

圖9為傳統(tǒng)方位滑窗平均處理方法得到的ZDC估計(jì)隨頻率和方位角變化特性示意圖；

圖10為采用基于最大概率數(shù)據(jù)域處理得到的ZDC估計(jì)隨頻率和方位角變化特性示意圖；

圖11為采用傳統(tǒng)ZDC估計(jì)進(jìn)行背景相減后得到的目標(biāo)RCS幅度隨頻率和方位角變化特性示意圖；

圖12為采用基于最大概率數(shù)據(jù)域處理ZDC估計(jì)進(jìn)行背景相減后得到的目標(biāo)RCS幅度隨頻率和方位角變化特性示意圖；

圖13為目標(biāo)高分辨率距離像隨方位角變化的特性示意圖，其中：圖13(a)為背景抵消前結(jié)果；圖13(b)為采用傳統(tǒng)ZDC估計(jì)進(jìn)行背景抵消后結(jié)果；圖13(c)為采用最大概率數(shù)據(jù)域處理ZDC估計(jì)進(jìn)行背景抵消后結(jié)果。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖以及具體實(shí)施方式進(jìn)一步說明本發(fā)明。

采用低散射端帽等一類輔助測量體完成背景輔助測量、背景提取與抵消的最大概率數(shù)據(jù)域處理方法的具體實(shí)施步驟如下：

步驟-1：輔助測量體的全方位RCS測量原始幅相數(shù)據(jù)獲取

在低散射端帽等輔助測量體安裝于目標(biāo)支架轉(zhuǎn)頂上的狀態(tài)下，對低散射端帽等輔助測量體作360°全方位旋轉(zhuǎn)測量，獲得不同方位角下的窄帶或?qū)拵⑸浠夭〝?shù)據(jù)，從而得到“輔助測量體+目標(biāo)支架”的混合回波寬帶測量樣本，稱為“全方位RCS測量原始幅相數(shù)據(jù)”。

記“全方位RCS測量原始幅相數(shù)據(jù)”為V(f_i,θ_k),i＝1,2,...,N_f；k＝1,2,...,N_a，其中V(f_i,θ_k)表示第i個(gè)頻點(diǎn)、第k個(gè)方位的幅相數(shù)據(jù)，N_f,N_a分別表示頻率和方位采樣點(diǎn)數(shù)。

“輔助測量體+目標(biāo)支架”的RCS幅度隨頻率和方位變化特性如圖7所示。

步驟-2：ZDC估計(jì)

針對寬帶測量的每個(gè)測量頻點(diǎn)(若為窄帶RCS測量，也可以是僅一個(gè)頻點(diǎn))，選擇一定寬度的方位窗口做方位滑窗平均處理，得到每個(gè)方位的ZDC估計(jì)。

記每個(gè)頻點(diǎn)和方位下的ZDC估計(jì)值為i＝1,2,...,N_f；k＝1,2,...,N_a，其中表示經(jīng)滑窗處理后得到的第i個(gè)頻點(diǎn)、第k個(gè)方位、包含輔助測量體散射殘余回波影響的ZDC估計(jì)值：

其中Δs(f_i,θ_k)為殘余回波，分別表示ZDC幅度和相位估計(jì)值。

采用傳統(tǒng)處理方法得到的典型ZDC估計(jì)如圖9所示，從圖中可見，在作為輔助測量體的低散射端帽側(cè)向(方位-90°和90°附近區(qū)域)，測量體的殘余散射回波對ZDC的影響非常嚴(yán)重，但在全方位范圍內(nèi)，殘余信號影響嚴(yán)重的區(qū)域只占360°全方位的一小部分，從而使得通過“最大概率”門限處理消除Δs(f_i,θ_k)的影響成為可能。

步驟-3：ZDC最大概率統(tǒng)計(jì)量計(jì)算

采用概率統(tǒng)計(jì)直方圖處理，求取每個(gè)頻點(diǎn)下ZDC估計(jì)的全方位最大概率幅度和最大概率相位統(tǒng)計(jì)量。

記最大概率幅度A_pmax(f_i)和最大概率相位φ_pmax(f_i)，i＝1,2,...,N_f。

步驟-4：基于最大概率統(tǒng)計(jì)量的ZDC門限處理

依據(jù)上述最大概率統(tǒng)計(jì)量設(shè)定幅度門限因子α_A1，α_A2和相位門限因子α_φ1，α_φ2。

針對每個(gè)頻點(diǎn)和每個(gè)方位的ZDC估計(jì)，對幅度和相位數(shù)據(jù)完成以下門限處理：

如此，得到每個(gè)頻點(diǎn)和方位下的最終ZDC估計(jì)值，也即固定背景雜波的估計(jì)值：

采用基于最大概率的背景提取數(shù)據(jù)域處理得到的ZDC估計(jì)如圖10所示。由于超出所設(shè)定門限的數(shù)據(jù)點(diǎn)其幅度和相位值被最大概率幅度相位統(tǒng)計(jì)量所替換，因此殘余信號Δs(f_i,θ_k)對于ZDC估計(jì)量的影響得以消除。

步驟-5：背景相減處理

原始測量數(shù)據(jù)V(f_i,θ_k)與固定背景雜波估計(jì)數(shù)據(jù)B(f_i,θ_k)之間作相量相減，得到背景抵消后的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)：

S(f_i,θ_k)＝V(f_i,θ_k)-B(f_i,θ_k) (35)

所得到的結(jié)果即為經(jīng)背景抵消后的目標(biāo)回波數(shù)據(jù)，可用于后續(xù)的各種信號處理。

圖11為采用傳統(tǒng)ZDC估計(jì)進(jìn)行背景相減后得到的目標(biāo)RCS幅度隨頻率和方位角變化特性示意圖。圖12為采用基于最大概率數(shù)據(jù)域處理ZDC估計(jì)進(jìn)行背景相減后得到的目標(biāo)RCS幅度隨頻率和方位角變化特性示意圖。

圖13為經(jīng)快速逆傅里葉變換得到的目標(biāo)高分辨率距離像隨方位變化的特性，其中圖13(a)為背景抵消前結(jié)果，圖13(b)為采用傳統(tǒng)ZDC估計(jì)背景抵消后結(jié)果，圖13(c)為采用最大概率處理ZDC估計(jì)背景抵消后結(jié)果。

從圖13可以明顯看出，采用傳統(tǒng)ZDC估計(jì)，背景抵消后得到的高分辨率距離像使得部分目標(biāo)散射分量失真，例如圖13(b)中標(biāo)示1～6的橢圓區(qū)域，與圖13(a)相比均有失真。而采用數(shù)據(jù)域最大概率處理得到的ZDC估計(jì)用于背景抵消后，由于數(shù)據(jù)域所有頻點(diǎn)均進(jìn)行了最大概率門限處理，在ZDC估計(jì)中消除了目標(biāo)殘余分量，故很好地保留了目標(biāo)散射信號，例如圖13(c)中標(biāo)示1～6的橢圓區(qū)域，與圖13(a)相比，目標(biāo)散射分量均得以保留。