輻射、散射近場(chǎng)測(cè)量及近場(chǎng)成像技術(shù)
掃描二維碼
隨時(shí)隨地手機(jī)看文章
1、輻射近場(chǎng)測(cè)量
輻射近場(chǎng)測(cè)量是用一個(gè)已知探頭天線（口徑幾何尺寸遠(yuǎn)小于1λ）在離開(kāi)輻射體（通常是天線）3λ～5λ的距離上掃描測(cè)量（按照取樣定理進(jìn)行抽樣）一個(gè)平面或曲面上電磁場(chǎng)的幅度和相位數(shù)據(jù)，再經(jīng)過(guò)嚴(yán)格的數(shù)學(xué)變換計(jì)算出天線遠(yuǎn)區(qū)場(chǎng)的電特性。當(dāng)取樣掃描面為平面時(shí)，則稱(chēng)為平面近場(chǎng)測(cè)量；若取樣掃描面為柱面，則稱(chēng)為柱面近場(chǎng)測(cè)量；如果取樣掃描面為球面，則稱(chēng)為球面近場(chǎng)測(cè)量。其主要研究方法為模式展開(kāi)法，該方法的基本思想為：空間任意一個(gè)時(shí)諧電磁波可以分解為沿各個(gè)方向傳播的平面波或柱面波或球面波之和；主要研究成果及進(jìn)一步要解決的問(wèn)題如下所述。
1.1、輻射近場(chǎng)測(cè)量的發(fā)展現(xiàn)狀
輻射近場(chǎng)測(cè)量的研究起始于50年代，70年代中期處于推廣應(yīng)用階段（商品化階段）。目前，分布在世界各地的近場(chǎng)測(cè)量系統(tǒng)已有100多套［1］。該技術(shù)的基本理論［2～4］已基本成熟，這種測(cè)量方法的電參數(shù)測(cè)量精度比常規(guī)遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量方法的測(cè)量精度要高得多，而且可全天候工作，并具有較高的保密性，因此，在軍用、民用中都顯示出了它獨(dú)特的優(yōu)越性。
1.2、輻射近場(chǎng)測(cè)量研究的主要成果
幾十年來(lái)，輻射近場(chǎng)測(cè)量的研究在以下4個(gè)方面取得了突破性的進(jìn)展：
（1）常規(guī)天線電參數(shù)的測(cè)量
天線近場(chǎng)測(cè)量可以給出天線各個(gè)截面的方向圖以及立體方向圖，可以分析出方向圖上的所有電參數(shù)（波束寬度、副瓣電平、零值深度、零深位置等）和天線的極化參數(shù)（軸比、傾角和旋向）以及天線的增益。
（2）低副瓣或超低副瓣天線的測(cè)量
天線方向圖副瓣電平在-28～-35 dB之間的天線稱(chēng)為低副瓣天線；副瓣電平小于-40 dB的天線稱(chēng)為超低副瓣天線。對(duì)它們的測(cè)量要用到“零探頭”技術(shù)［5］，據(jù)文獻(xiàn)報(bào)導(dǎo)，副瓣電平在-40 dB以上時(shí)，測(cè)量精度為±3 dB，副瓣電平為-55 dB時(shí)，測(cè)量精度為±5 dB［6］。
（3）天線口徑場(chǎng)分布診斷
天線口徑場(chǎng)分布診斷是通過(guò)測(cè)量天線近區(qū)場(chǎng)的分布逆推出天線口徑場(chǎng)分布，從而判斷出口徑場(chǎng)畸變處所對(duì)應(yīng)的輻射單元，這就是天線口徑分布診斷的基本原理。該方法對(duì)具有一維圓對(duì)稱(chēng)天線口徑分布的分析是可靠的，尤其對(duì)相控陣天線的分析與測(cè)量已有了充分的可信度［7］。
（4）測(cè)量精度及誤差分析
輻射近場(chǎng)測(cè)量的研究與誤差分析的探討是同時(shí)進(jìn)行的，研究結(jié)果表明：輻射近場(chǎng)測(cè)量的主要誤差源為18項(xiàng)，大致分為4個(gè)方面，即探頭誤差、機(jī)械掃描定位誤差、測(cè)量系統(tǒng)誤差以及測(cè)量環(huán)境誤差。對(duì)于平面輻射近場(chǎng)測(cè)量的誤差分析已經(jīng)完成，計(jì)算機(jī)模擬及各項(xiàng)誤差的上界也已給出；柱面、球面輻射近場(chǎng)測(cè)量的誤差分析尚未完成［8］。
1.3、輻射近場(chǎng)測(cè)量的可信域
對(duì)于平面輻射近場(chǎng)測(cè)量而言，由基本理論可知，在θ=-90°或90°（θ為場(chǎng)點(diǎn)偏離天線口面法線方向的方向角）時(shí)，這種方法的精度明顯變差，因此平面輻射近場(chǎng)測(cè)量適用于天線方向圖為單向筆形波束天線的測(cè)量，可信域（-θ，θ）中的θ值與近場(chǎng)掃描面和取樣間距有如下關(guān)系（一維情況）：
θ=arctg［（L-X）/2d］ ，（1）
式中L為掃描面的尺寸；X為天線口徑面的尺寸；d為掃描面到天線口徑面的距離。
柱面輻射近場(chǎng)測(cè)量能夠計(jì)算天線全方位面的輻射方向圖，但在θ=-90°或90°時(shí)，柱面波展開(kāi)式中漢克爾函數(shù)已無(wú)意義，所以，柱面輻射近場(chǎng)測(cè)量適用于天線方向圖為扇形波束天線的測(cè)量。
球面輻射近場(chǎng)測(cè)量能夠計(jì)算除球心以外天線任意面上任意點(diǎn)的輻射場(chǎng)，但測(cè)量及計(jì)算時(shí)間都較長(zhǎng)［8］。
1.4、輻射近場(chǎng)測(cè)量需要解決的問(wèn)題
輻射近場(chǎng)測(cè)量的基本理論雖然已經(jīng)成熟，且在實(shí)用中也取得了較多的研究成果，但對(duì)以下問(wèn)題還應(yīng)進(jìn)行進(jìn)一步的探討研究：
（1）考慮探頭與被測(cè)天線多次散射耦合的理論公式
在前述的理論中，所有的理論公式都是在忽略多次散射耦合條件下而得出的，這些公式對(duì)常規(guī)天線的測(cè)量有一定的精度，但對(duì)低副瓣或超低副瓣天線測(cè)量就必需考慮這些因素，因此，需要建立嚴(yán)格的耦合方程。
（2）近場(chǎng)測(cè)量對(duì)天線口徑場(chǎng)診斷的精度和速度
近場(chǎng)測(cè)量對(duì)常規(guī)陣列天線口徑場(chǎng)的診斷有較好的診斷精度，但對(duì)于超低副瓣天線陣列而言，診斷精度和速度還需要進(jìn)一步研究。
（3）輻射近場(chǎng)掃頻測(cè)量的研究
就一般情況而言，天線都在一個(gè)頻帶內(nèi)工作，因此，各項(xiàng)電指標(biāo)都是頻率的函數(shù)，為了快速獲得各個(gè)頻率點(diǎn)的電指標(biāo)，就需要進(jìn)行掃頻測(cè)量。掃頻測(cè)量的理論與點(diǎn)頻的理論完全一樣，只是在探頭掃描時(shí)，收發(fā)測(cè)量系統(tǒng)作掃頻測(cè)量。
（4）時(shí)域輻射近場(chǎng)測(cè)量的研究
為了反映脈沖工作狀態(tài)和消除環(huán)境及其他因素對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響，時(shí)域測(cè)量是一個(gè)良好的解決此類(lèi)問(wèn)題的途徑，但目前處于研究階段［9］。
（5）無(wú)相位的輻射近場(chǎng)測(cè)量的研究
前述的輻射近場(chǎng)測(cè)量方法都需要測(cè)量出近場(chǎng)的相位和幅度，才能利用近場(chǎng)理論計(jì)算出天線的遠(yuǎn)場(chǎng)電特性，為了簡(jiǎn)化計(jì)算公式和測(cè)量系統(tǒng)以及降低測(cè)量時(shí)間與測(cè)量的相位誤差（在頻率f很高的情況下，即f＞80 GHz，相位的測(cè)量誤差是很大的），于是，有學(xué)者提出只用近場(chǎng)測(cè)量值的幅度來(lái)重建天線遠(yuǎn)場(chǎng)的方法。該方法的基本思想為［10］：測(cè)出S1，S2兩個(gè)面的幅度值（A1，A2），人為選定S1面測(cè)量值的相位（φ1），先由S1面的幅度、相位值（A1，φ1）計(jì)算出S2面的幅度、相位值（a2，φ2），用A2代替a2，再由A2，φ2求出S1面的a1，φ1，用A1代替a1，重新由A1，φ1求出S2面新的a2，φ2，如此迭代下去，直至A1-a1≤ε，A2-a2≤ε（ε為測(cè)量精度），便可得到S1或S2面的相位分布，這時(shí)，可由S1或S2實(shí)測(cè)的幅度和迭代過(guò)程所得到的相位求得天線的遠(yuǎn)場(chǎng)電特性。由于迭代收斂等原因，這方面的研究還未付諸實(shí)施。
（6）球面、柱面近場(chǎng)掃描方式誤差上界的分析與估算。
2、散射近場(chǎng)測(cè)量
當(dāng)輻射體變?yōu)樯⑸潴w時(shí)，輻射近場(chǎng)測(cè)量轉(zhuǎn)換為散射近場(chǎng)測(cè)量。由于散射體是無(wú)源的，因此需要一個(gè)照射源對(duì)其進(jìn)行照射，同輻射近場(chǎng)測(cè)量一樣，散射近場(chǎng)測(cè)量也有3種取樣方式，分別稱(chēng)為平面散射近場(chǎng)測(cè)量和柱面散射近場(chǎng)測(cè)量以及球面散射近場(chǎng)測(cè)量。平面散射近場(chǎng)已取得了許多研究成果，柱面、球面散射近場(chǎng)測(cè)量的研究成果公開(kāi)報(bào)道的文獻(xiàn)很少［11］。
散射體的散射特性通常用雷達(dá)散射截面（Radar Cross Section，簡(jiǎn)寫(xiě)為RCS）來(lái)衡量，有絕對(duì)量和相對(duì)量之分，絕對(duì)量一般是以一個(gè)已知散射體的RCS為標(biāo)準(zhǔn)來(lái)標(biāo)定待測(cè)散射體的RCS，標(biāo)準(zhǔn)值來(lái)自理論計(jì)算和測(cè)量值；相對(duì)量用散射方向圖來(lái)表示。
散射體的RCS不僅是頻率的函數(shù)，而且是入射波方向和觀察點(diǎn)方向的函數(shù)，當(dāng)入射波方向和觀察點(diǎn)方向是同一方向時(shí)，這時(shí)散射體的RCS稱(chēng)為單站RCS（或者叫做后向雷達(dá)散射截面），如果入射波方向和觀察點(diǎn)方向不是同一方向，則稱(chēng)為雙站RCS。
對(duì)于雙站RCS而言，入射波方向和測(cè)量掃描面法線方向之間夾角＜90°錐角內(nèi)的RCS稱(chēng)為小雙站角的RCS，入射波方向和測(cè)量掃描面法線方向之間夾角＞90°錐角內(nèi)的RCS稱(chēng)為大雙站角的RCS。
2.1、散射近場(chǎng)測(cè)量的發(fā)展動(dòng)態(tài)
散射體RCS的理論研究開(kāi)始于60年代，早期的研究主要任務(wù)是對(duì)一些典型散射體（例如，板、球、柱體）進(jìn)行理論建模并進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，取得了較多的研究成果，檢驗(yàn)計(jì)算結(jié)果正確與否的方法是遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量或緊縮場(chǎng)法。這兩種方法中的任意一種方法都是由硬件來(lái)產(chǎn)生準(zhǔn)平面波的（等幅面上幅度的起伏值≤0.25 dB，等相面上相位的起伏值≤22.5°），遠(yuǎn)場(chǎng)測(cè)量法是利用增加散射體與照射源之間的距離R（通常R=5D2/λ，D為散射體截面的最大尺寸）來(lái)實(shí)現(xiàn)球面波到平面波的轉(zhuǎn)換；緊縮場(chǎng)法則是利用偏饋拋物面來(lái)產(chǎn)生平面波的。因而工程上稱(chēng)為模擬平面波法，其主要缺陷是受外界環(huán)境影響很大，因此，實(shí)用起來(lái)有很多問(wèn)題（如遠(yuǎn)場(chǎng)法中對(duì)測(cè)量場(chǎng)地有苛刻的要求；緊縮場(chǎng)法對(duì)主反射面的機(jī)械精度有嚴(yán)格的要求），為了克服這些問(wèn)題，出現(xiàn)了散射近場(chǎng)的測(cè)量方法。
2.2、平面散射近場(chǎng)測(cè)量研究的主要進(jìn)展
從80年代初至今，平面散射近場(chǎng)測(cè)量研究主要在以下幾個(gè)方面取得了令人矚目的進(jìn)展：
（1）平面散射近場(chǎng)測(cè)量方法的理論探討
平面散射近場(chǎng)測(cè)量的基本理論已由文獻(xiàn)［12～15］給出。其基本原理是綜合平面波法，綜合平面波的基本思想為：如果對(duì)一個(gè)由N個(gè)輻射單元組成的線陣同時(shí)進(jìn)行激勵(lì)，每個(gè)輻射單元產(chǎn)生一個(gè)準(zhǔn)球面波e（θ，φ），選擇一個(gè)與方向角（θ，φ）有關(guān)的權(quán)函數(shù)W（θ，φ）對(duì)每個(gè)e（θ，φ）進(jìn)行加權(quán)并求和（線性系統(tǒng)），則所得的加權(quán)求和函數(shù)近似為均勻平面波，對(duì)不同方向的（θ，φ）選擇不同W（θ，φ）就可以獲得不同方向上的平面波對(duì)被測(cè)目標(biāo)的照射。這一過(guò)程實(shí)現(xiàn)了對(duì)平面波的綜合（這與綜合口徑雷達(dá)SAR的概念極為相似），并很容易在計(jì)算機(jī)上完成。實(shí)際測(cè)量時(shí)，用一個(gè)輻射單元（探頭）進(jìn)行一維掃描（等效的看，相當(dāng)于同時(shí)激勵(lì)的狀態(tài)）并在計(jì)算機(jī)上用軟件完成各個(gè)方向上的平面波的綜合，因此，稱(chēng)其為數(shù)字緊縮場(chǎng)。這種測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是大大降低了為實(shí)現(xiàn)平面波對(duì)測(cè)量系統(tǒng)硬件的要求。該方法不僅能測(cè)量典型導(dǎo)體目標(biāo)的RCS，而且能夠?qū)σ恍?shí)用導(dǎo)體目標(biāo)（如飛機(jī)、導(dǎo)彈等）小雙站角的RCS進(jìn)行測(cè)量。
（2）典型導(dǎo)體目標(biāo)散射特性的研究
典型導(dǎo)體目標(biāo)（如板、球、柱）小雙站角的RCS測(cè)量已經(jīng)完成［13］，測(cè)得的不同方向照射待測(cè)目標(biāo)后向散射方向圖（照射波傳播方向指向目標(biāo)的方向規(guī)定為0°）及空間散射方向圖與理論計(jì)算結(jié)果完全吻合；測(cè)量所得到的目標(biāo)小雙站角RCS的絕對(duì)值與理論計(jì)算值相比較還有誤差。
（3）實(shí)用復(fù)雜導(dǎo)體目標(biāo)散射特性的測(cè)量
上述測(cè)量方法的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)一次測(cè)量可獲得較多的信息量，利用這些信息可計(jì)算出金屬導(dǎo)體目標(biāo)散射的平面和空間的散射方向圖以及它的散射極化特性；也可計(jì)算出該導(dǎo)體目標(biāo)RCS的絕對(duì)值，但在實(shí)際測(cè)量系統(tǒng)中，發(fā)射探頭（提供照射源的探頭）和接收探頭是安裝在同一個(gè)道軌上，因此，按照散射近場(chǎng)平面波掃描理論，發(fā)射探頭掃描在一個(gè)位置時(shí)，接收探頭需要在一維方向做一次掃描；發(fā)射探頭掃描在另一個(gè)位置時(shí)，接收探頭仍要在一維方向做一次掃描，發(fā)射探頭位置不斷向一個(gè)方向掃描，接收探頭的掃描范圍就會(huì)越來(lái)越小，因此，有一半的測(cè)量數(shù)據(jù)是得不到的，解決這一問(wèn)題的方法是利用互易定理。
測(cè)量環(huán)境對(duì)散射近場(chǎng)測(cè)量散射體電特性也有很大的影響，除了在測(cè)量區(qū)域附加吸收材料外，還需要用到“背景對(duì)消技術(shù)”，其基本原理為：在無(wú)散射體的情況下，先用收、發(fā)探頭對(duì)測(cè)量區(qū)域空間掃描一次，并記錄采樣數(shù)據(jù)；在有散射體的情況下，記錄這時(shí)掃描測(cè)量的采樣數(shù)據(jù)，在保證一維掃描器（取樣架）定位精度的條件下，利用計(jì)算機(jī)軟件對(duì)兩次對(duì)應(yīng)位置的測(cè)量數(shù)據(jù)逐點(diǎn)進(jìn)行矢量相減（復(fù)數(shù)相減），這樣就消除了環(huán)境對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的影響。
這種測(cè)量方法的另一致命弱點(diǎn)是測(cè)量時(shí)間很長(zhǎng)，測(cè)量時(shí)間與取樣點(diǎn)數(shù)幾乎成四次方的關(guān)系，實(shí)用目標(biāo)的測(cè)量時(shí)間達(dá)到了不可容忍的程度。
3、目標(biāo)的近場(chǎng)成像
目標(biāo)成像的研究已有幾十年的歷史了，其研究成果早已用于醫(yī)學(xué)的X光診斷及雷達(dá)的目標(biāo)識(shí)別。用近場(chǎng)研究目標(biāo)的像是80年代末才開(kāi)始的，它是在已知目標(biāo)散射近場(chǎng)和入射場(chǎng)情況下，利用微波分集技術(shù)，逆推或反演表征目標(biāo)幾何特征的目標(biāo)函數(shù)，由目標(biāo)函數(shù)給出目標(biāo)的幾何形狀，這一過(guò)程稱(chēng)為目標(biāo)的近場(chǎng)成像。
3.1、目標(biāo)近場(chǎng)成像的發(fā)展?fàn)顟B(tài)
從90年代末至今，近場(chǎng)微波成像已經(jīng)引起了學(xué)者們的濃厚興趣，但由于常規(guī)目標(biāo)散射近場(chǎng)的復(fù)雜性，致使近場(chǎng)微波成像遠(yuǎn)遠(yuǎn)滯后于遠(yuǎn)場(chǎng)成像。近場(chǎng)微波成像中，著眼于潛在的應(yīng)用，目標(biāo)函數(shù)既可以是理想導(dǎo)體目標(biāo)的輪廓函數(shù)，也可以是目標(biāo)介電常數(shù)的分布函數(shù)。從照射天線與成像目標(biāo)的相對(duì)運(yùn)動(dòng)方式來(lái)看，近場(chǎng)微波成像有兩種模式：即直線掃描模式和轉(zhuǎn)臺(tái)模式，研究方法可分為電磁逆散射法和球背向投影法（Spherical Back Projection，簡(jiǎn)寫(xiě)為SBP）。其中電磁逆散射法散射機(jī)理清晰，但數(shù)學(xué)公式復(fù)雜且有很大的局限性，因而，實(shí)際中使用較少；而球背向投影法在實(shí)際中使用較多。利用球背向投影法在直線掃描模式和轉(zhuǎn)臺(tái)模式情況下的目標(biāo)函數(shù)解析公式已經(jīng)給出。
3.2、目標(biāo)的近場(chǎng)成像研究的進(jìn)展程度
近幾年來(lái)，目標(biāo)近場(chǎng)成像研究在以下幾方面取得了可喜的進(jìn)展：
（1）目標(biāo)近場(chǎng)成像的理論建模
球背向投影法在直線掃描模式和轉(zhuǎn)臺(tái)模式情況下，金屬導(dǎo)體像的目標(biāo)函數(shù)解析表達(dá)式已經(jīng)給出［19］，非金屬導(dǎo)體像的目標(biāo)介電常數(shù)的分布函數(shù)［19］也有顯式解。
（2）目標(biāo)近場(chǎng)成像的實(shí)驗(yàn)研究
近場(chǎng)成像實(shí)驗(yàn)與常規(guī)的近場(chǎng)散射實(shí)驗(yàn)相比，其顯著差別就在于成像實(shí)驗(yàn)要進(jìn)行掃頻測(cè)量，這是理論所要求的。這樣，測(cè)量系統(tǒng)就必須具備寬頻帶特性。發(fā)射、接收系統(tǒng)儀器的系統(tǒng)誤差可以通過(guò)儀器自行校準(zhǔn)進(jìn)行消除，寬帶發(fā)射、接收探頭（天線）由于口徑尺寸較大以及與目標(biāo)之間的電磁耦合，所以對(duì)其發(fā)射、接收的電磁場(chǎng)必須進(jìn)行修正，修正的方法是在它們發(fā)射、接收的電磁場(chǎng)中乘以復(fù)系數(shù)，系數(shù)的量值由理論值與測(cè)量值的比值來(lái)定。
在此修正理論下，對(duì)金屬長(zhǎng)方體、圓柱體以及四尾翼導(dǎo)彈模型進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測(cè)量，其成像結(jié)果是令人滿意的。
3.3、目標(biāo)的近場(chǎng)成像研究需要探討的問(wèn)題
（1）成像的分辨率
從成像實(shí)驗(yàn)的結(jié)果來(lái)看，與實(shí)物相比較，目標(biāo)像的局部地方還有明顯的失真，造成這種現(xiàn)象的原因之一就是成像的分辨率不夠，因此，高分辨率數(shù)據(jù)處理方法仍須進(jìn)一步探討。
（2）廣義成像理論的研究。
（3）誤差分析。
4、結(jié)束語(yǔ)
該文從整體的觀點(diǎn)出發(fā)闡述了輻射、散射、成像近場(chǎng)測(cè)量技術(shù)的發(fā)展動(dòng)態(tài)和研究成果，對(duì)于各個(gè)研究方向的局部問(wèn)題并未涉及到，目的是愿同行們從宏觀上了解該技術(shù)的發(fā)展水平，為同行們的進(jìn)一步研究提供一個(gè)必要的信息。
下載文檔
