基于輻射中心分解的天線輻射場合成

梁子長, 岳 慧

(目標與環境電磁散射輻射國防科技重點實驗室,上海200090)

0 引言

近場情況下,目標的電磁散射觀測數據與觀測天線密切有關,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,人們通常采用點源結合天線方向圖的方式對觀測天線輻射場進行建模[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散射截面的定義,認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散射特性與觀測天線直接相關的問題,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際觀測天線輻射場進行分解描述。

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據進行成像處理[7],獲取天線輻射強度的分布圖像,其強輻射分布區域與天線開口位置一致;在此基礎上,利用偶極子輻射中心概念采用參數估計法對天線輻射場進行分解,提取其輻射中心的幅度、相位及位置等參數,并合成不同距離下的天線輻射場,結果與直接計算的輻射場分布數據吻合較好,有效地解決了近場散射建模中天線輻射場的描述問題。該方法也可應用于雙站RCS數據壓縮、天線反設計及雷達仿真應用等方面。

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)的幅度及相位數據,根據逆投影(BP)算法原理,可在選定的平面內(一般取天線口面所在平面,本文取YZ平面)進行成像處理,天線輻射強度的分布圖像可由式(1)計算:

式中:G0(θ,φ)為天線遠區輻射場某一極化分量的分布數據;c0為標定系數,其大小與式中積分的角度范圍有關;k為電磁波波數。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。當積分的角度域范圍接近半球面空間時,成像分辨率可達0.5倍波長,Ku波段時小于1 cm。

為驗證天線輻射成像效果,本文假定一簡化的波導縫隙陣天線沿Z軸放置,天線工作頻率為16GHz,波導寬邊平行于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,且偏離波導寬邊中心線3.5mm。圖1(a)為矩量法(M oM)計算的天線遠區輻射場分布結果;對應地,圖1(b)給出了天線輻射強度的成像分布結果,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°。可見,該天線的輻射圖像主要表現為六個強輻射中心,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果

圖2為一喇叭天線的遠區輻射場成像結果,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區輻射場分布如圖2(a)所示;圖2(b)給出了該天線輻射強度的成像分布結果,其強輻射分布區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,驗證結果表明縫隙、喇叭等天線的輻射成像效果較好,其強輻射分布區域有較強的聚集性,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、天線反設計等有重要意義。

圖2 喇叭天線輻射場成像結果

2 天線輻射中心提取

根據上節天線成像結果及輻射中心概念,可利用理想偶極子天線的輻射場對復雜天線的輻射場進行分解,即提取偶極子輻射中心的位置、幅度和相位等參數;這里采用參數估計法進行提取[8～9],對第i個輻射中心,即尋找合適參數使得式(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,結合式(4)可依次提取第i+1個輻射中心的參數。

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,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0.0016以下。

利用提取的輻射中心數據,對天線遠區及0.4m距離處的輻射場分布進行合成,與M oM計算數據的比較結果如圖3所示。

由圖3(a)和(b)可知,基于輻射中心合成的天線遠區輻射場結果與M oM直接計算結果吻合較好,在較大觀測角范圍內偏差均較小;同時,由于天線口面分布尺寸達0.1m以上,天線近距離輻射場與遠區輻射場不同,但圖3(c)和(d)的比較結果表明輻射中心的近場合成結果也與直接計算結果吻合較好,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;相應地,利用提取的輻射中心參數,圖4給出了喇叭天線遠區及0.4 m距離處輻射場的合成分布結果與直接計算數據的比較,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系。

3 結論

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

在此基礎上,引入了偶極子輻射中心的概念,并采用參數估計法提取了天線輻射中心參數,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果吻合較好,滿足近場目標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數據壓縮、天線反設計、雷達仿真試驗等方面。

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