用瞬态电磁场测量目标的冲激响应和宽带雷达截面

闫绍卿

摘要：瞬态电磁脉冲信号具有从很低频率直至微波频率的极宽带宽,是目前人类尚未充分有效利用的一种电磁波资源。将瞬态电磁脉冲信号应用于目标的探测和识别,可获取极为丰富的目标特征信息,这对于自由空间目标(如飞机、导弹、航天飞行器和假目标等)和有耗媒质中目标(如地下管缆、空洞和地雷等)的精确探测、分类、识别与成象,具有很大的潜在能力和应用价值。目标瞬态电磁特性还是超宽带冲激雷达反隐身技术的基础。

关键词：瞬态电磁测试系统；冲激响应；修正最速下降法；瞬态响应法；雷达截面，谐振频率；

突破传统的时域散射区域技术的限制,采用基于瞬态电磁测试系统的实验性冲激雷达,在实际空间对导体球和导体长椭球进行了瞬态电磁脉冲响应测量.用修正最速下降法由实测瞬态电磁脉冲响应较好地反演了导体球和导体长椭球的冲激响应.提出了时域测量目标宽带雷达截面的瞬态响应法,并用此法测得了导体球、导体长椭球的雷达截面和谐振频率。

一、目标与天线的瞬态电磁脉冲响应的获取

1.瞬态电磁测试系统。我们研制的瞬态电磁测试系统(TransientEleetroma~eticMeasurementSystem，缩写为TEMMS)，是采用Tektronix公司的TEK7904A／7Sll／7T11宽带取样示波器(带宽：DC一14GHz)和PC系列微机，自行研制了直接插入微机i／o插槽的波形采集控制器、微机控制的目标转台、脉冲发生器、宽带脉冲天线等硬件设备和专用软件包，构成瞬态电磁信号的获取、采集、处理、谱分析和伪彩色成象的多功能自动测试系统．该系统的垂直分辨率为12位，水平分辨率为8、10和12位可选。我们用TEMMS组建的实验性冲激雷达在实际空间(即外场)对导体球与导体长旋转椭球(简称导体长椭球)进行了瞬态电磁脉冲响应测量分析、冲激响应反演和雷达截面时域测量计算。

二、实验设计

实际的电磁测量环境是一个由目标、背景与天线构成的复杂系统，要从此系统中获取目标的瞬态电磁脉冲响应需要精心的实验设计。

1.测量目标、背景与天线系统瞬态电磁脉冲响应。脉冲源的输出信号。经发射天线后，一部分从天线正面射向目标，经目标散射后从正面进入接收天线；另一部分从天线侧面耦台进入接收天线．背景信号从正、侧面进入接收天线，因此接收信号(即目标、背景与天线电磁响应)来自目标散射信号、天线侧面耦合信号和背景信号三部分，用卷积运算表示

应用时域卷积的交换律和结合律．可得目标与正向天线系统瞬态电磁脉冲响应。

三、瞬态电磁脉冲响应的实测

测试设备为瞬态电磁测试系统．发射和接收天线均采用自行研制的连续加载坡变喇叭天线，水平线极化方式．发射天线、接收天线和目标的中心高度约5．3m，两天线中心的距离为3m，两天线中心连线的中点到目标中心的距离为10m．这是一个近似的后向散射测量．测量正向天线系统瞬态电磁脉冲响应时，发收天线的距离为20，4m，测试目标为导体球(直径一60m)和导体长椭球(轴比p一3，长半轴一78m，椭球的长轴平行于地面，椭球的方位角，即椭球长轴与入射线的夹角0分别取9O0、45。和0o)．测量时目标被安放在目标转台的非金属支撑杆的顶端．波形采集方法是对取样示波器显示的一个波形，选取N256个采样点，连续采集100个波形进行平均以减小系统噪声和背景噪声的影响。

四、逆卷积算法

目标的冲激响应包含目标在非时变线性系统假设下的全部信息．由目标的冲激响应可以计算雷达截面、谐振频率和自然频率等目标的特征参量．由实测数据获取目标的；申激响应对目标识别具有十分重要的意义．由实测瞬态电磁脉冲响应确定目标的冲激响应h是一个求逆卷积问题．由于测量数据中含有噪声，h的数值求逆是不稳定的．这是一个病态问题．求逆卷积的方法很多，有傅里叶变换法、统计特征法、共轭梯度法、奇异值分解法、时域滤波法、倒谱逆卷积法和其它一些方法．但总的说来，这些方法都还不够完善．Tseng和Sarkat引入共轭梯度法求目标的冲激响应，将求逆卷积问题化为求函数极小点同题．在用共轭梯度法求函数极小点时，由于计算高维向量函数的梯度比较困难等原因，他们取了三项近似．他们的方法(即修正共轭梯度法)不是严格的共轭梯度法．他们在1985年和1987年0两次用该方法由导体球的瞬态电磁脉冲响应实测数据反演导体球的冲激响应．1985年的结果不理想，曲线的基本特征近似为一个衰减的正弦振荡，与导体球的冲激响应波形相差甚远．在1987年的结果中渡形尾部的杂乱振荡很强，经加权处理(人为干预)后尾部的振荡变小，但仍与导体球的冲激响应有较太差别。

五、目标宽带雷达截面的时域测量

I．雷达截面频域测量方法存在的问题。测量目标雷达截面的方法也有额域法和时域法两类．传统的测量方法是频域法．如果要测量目标宽带雷达截面，则需在所考虑的频带内选取足够多的频率点，逐点测量单频雷达截面，最后组合成目标的宽带雷达截面曲线．这种方法与测量目标冲激响应的频域法类似，需要在微波暗室中进行，工作十分繁杂．

2．冒达截面的时域测量方法。若目标冲激响应h=h（t）的频谱函数H=H(f)，则目标的雷达截面?与h的幅度谱IHl之间的关系为式中r为目标到接收点的距离．定义冲激响应h的归一化幅度谱Hnorm和目标的归一化雷达截面一分别为式中?max是在给定的频率范围内求最大值．通过向目标发射一个窄电磁脉冲，在时域测量瞬态电磁脉冲响应，用冲激响应法或瞬态响应法可计算目标的宽带雷达截面。(1)冲激响应法首先根据在时域测得的瞬态电磁脉冲响应，按式求逆卷积得到目标的冲激响应h；然后求其幅度谱IHl或归一化幅度谱Hnorm；求雷达截面或归一化雷达截面?这是人们的常规思路，但此法需求逆卷积才能得到目标的冲激响应，而由含噪声的实测数据求逆卷积是一个病态问题．因此，冲撤响应法一直未能在实际中得到很好应用。

结束语：

总之，用修正最速下降法由实测的目标与正向天线系统和正向天线系统的瞬态电磁脉冲响应较好地反演了导体球和导体长椭球的冲激响应．其中．导体球的冲激响应优于以往文献中的结果。导体长椭球的冲激响应属首次发表．根据实测的瞬态电磁脉冲响应时域波形，采用冲激响应法和瞬态响应法计算了导体球和导体长椭球的归一化幅度谱、归一化雷达截面和谐振频率。首次采用的瞬态响应法是计算目标宽带雷达截面的一种有效方法，特别是对目标谐振频率的计算有较高的精度，已具有工程实用价值。

参考文献：

[1]王芳，浅谈用瞬态电磁场测量目标的冲激响应和宽带雷达截面.2017.

[2]李彬，探讨用瞬态电磁场测量目标的冲激响应和宽带雷达截面.2017.