辐射、散射近场测量及近场成像技术

2、散射近场测量

当辐射体变为散射体时，辐射近场测量转换为散射近场测量。由于散射体是无源的，因此需要一个照射源对其进行照射，同辐射近场测量一样，散射近场测量也有3种取样方式，分别称为平面散射近场测量和柱面散射近场测量以及球面散射近场测量。平面散射近场已取得了许多研究成果，柱面、球面散射近场测量的研究成果公开报道的文献很少［11］。

散射体的散射特性通常用雷达散射截面（Radar Cross Section，简写为RCS）来衡量，有绝对量和相对量之分，绝对量一般是以一个已知散射体的RCS为标准来标定待测散射体的RCS，标准值来自理论计算和测量值；相对量用散射方向图来表示。

散射体的RCS不仅是频率的函数，而且是入射波方向和观察点方向的函数，当入射波方向和观察点方向是同一方向时，这时散射体的RCS称为单站RCS（或者叫做后向雷达散射截面），如果入射波方向和观察点方向不是同一方向，则称为双站RCS。

对于双站RCS而言，入射波方向和测量扫描面法线方向之间夹角＜90°锥角内的RCS称为小双站角的RCS，入射波方向和测量扫描面法线方向之间夹角＞90°锥角内的RCS称为大双站角的RCS。

2.1、散射近场测量的发展动态

散射体RCS的理论研究开始于60年代，早期的研究主要任务是对一些典型散射体（例如，板、球、柱体）进行理论建模并进行数值计算，取得了较多的研究成果，检验计算结果正确与否的方法是远场测量或紧缩场法。这两种方法中的任意一种方法都是由硬件来产生准平面波的（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°），远场测量法是利用增加散射体与照射源之间的距离R（通常R=5D2/λ，D为散射体截面的最大尺寸）来实现球面波到平面波的转换；紧缩场法则是利用偏馈抛物面来产生平面波的。因而工程上称为模拟平面波法，其主要缺陷是受外界环境影响很大，因此，实用起来有很多问题（如远场法中对测量场地有苛刻的要求；紧缩场法对主反射面的机械精度有严格的要求），为了克服这些问题，出现了散射近场的测量方法。

2.2、平面散射近场测量研究的主要进展

从80年代初至今，平面散射近场测量研究主要在以下几个方面取得了令人瞩目的进展：

（1）平面散射近场测量方法的理论探讨

平面散射近场测量的基本理论已由文献［12～15］给出。其基本原理是综合平面波法，综合平面波的基本思想为：如果对一个由N个辐射单元组成的线阵同时进行激励，每个辐射单元产生一个准球面波e（θ，φ），选择一个与方向角（θ，φ）有关的权函数W（θ，φ）对每个e（θ，φ）进行加权并求和（线性系统），则所得的加权求和函数近似为均匀平面波，对不同方向的（θ，φ）选择不同W（θ，φ）就可以获得不同方向上的平面波对被测目标的照射。这一过程实现了对平面波的综合（这与综合口径雷达SAR的概念极为相似），并很容易在计算机上完成。实际测量时，用一个辐射单元（探头）进行一维扫描（等效的看，相当于同时激励的状态）并在计算机上用软件完成各个方向上的平面波的综合，因此，称其为数字紧缩场。这种测量方法的优点是大大降低了为实现平面波对测量系统硬件的要求。该方法不仅能测量典型导体目标的RCS，而且能够对一些实用导体目标（如飞机、导弹等）小双站角的RCS进行测量。

（2）典型导体目标散射特性的研究

典型导体目标（如板、球、柱）小双站角的RCS测量已经完成［13］，测得的不同方向照射待测目标后向散射方向图（照射波传播方向指向目标的方向规定为0°）及空间散射方向图与理论计算结果完全吻合；测量所得到的目标小双站角RCS的绝对值与理论计算值相比较还有误差。

（3）实用复杂导体目标散射特性的测量

上述测量方法的优点是通过一次测量可获得较多的信息量，利用这些信息可计算出金属导体目标散射的平面和空间的散射方向图以及它的散射极化特性；也可计算出该导体目标RCS的绝对值，但在实际测量系统中，发射探头（提供照射源的探头）和接收探头是安装在同一个道轨上，因此，按照散射近场平面波扫描理论，发射探头扫描在一个位置时，接收探头需要在一维方向做一次扫描；发射探头扫描在另一个位置时，接收探头仍要在一维方向做一次扫描，发射探头位置不断向一个方向扫描，接收探头的扫描范围就会越来越小，因此，有一半的测量数据是得不到的，解决这一问题的方法是利用互易定理。

测量环境对散射近场测量散射体电特性也有很大的影响，除了在测量区域附加吸收材料外，还需要用到“背景对消技术”，其基本原理为：在无散射体的情况下，先用收、发探头对测量区域空间扫描一次，并记录采样数据；在有散射体的情况下，记录这时扫描测量的采样数据，在保证一维扫描器（取样架）定位精度的条件下，利用计算机软件对两次对应位置的测量数据逐点进行矢量相减（复数相减），这样就消除了环境对测量数据的影响。

这种测量方法的另一致命弱点是测量时间很长，测量时间与取样点数几乎成四次方的关系，实用目标的测量时间达到了不可容忍的程度。
3、目标的近场成像

目标成像的研究已有几十年的历史了，其研究成果早已用于医学的X光诊断及雷达的目标识别。用近场研究目标的像是80年代末才开始的，它是在已知目标散射近场和入射场情况下，利用微波分集技术，逆推或反演表征目标几何特征的目标函数，由目标函数给出目标的几何形状，这一过程称为目标的近场成像。

3.1、目标近场成像的发展状态

从90年代末至今，近场微波成像已经引起了学者们的浓厚兴趣，但由于常规目标散射近场的复杂性，致使近场微波成像远远滞后于远场成像。近场微波成像中，着眼于潜在的应用，目标函数既可以是理想导体目标的轮廓函数，也可以是目标介电常数的分布函数。从照射天线与成像目标的相对运动方式来看，近场微波成像有两种模式：即直线扫描模式和转台模式，研究方法可分为电磁逆散射法和球背向投影法（Spherical Back Projection，简写为SBP）。其中电磁逆散射法散射机理清晰，但数学公式复杂且有很大的局限性，因而，实际中使用较少；而球背向投影法在实际中使用较多。利用球背向投影法在直线扫描模式和转台模式情况下的目标函数解析公式已经给出。