為了反映脈沖工作狀態和消除環境及其他因素對測量數據的影響,時域測量是一個良好的解決此類問題的途徑,但目前處于研究階段[9]。
(5)無相位的輻射近場測量的研究
前述的輻射近場測量方法都需要測量出近場的相位和幅度,才能利用近場理論計算出天線的遠場電特性,為了簡化計算公式和測量系統以及降低測量時間與測量的相位誤差(在頻率f很高的情況下,即f>80 GHz,相位的測量誤差是很大的),于是,有學者提出只用近場測量值的幅度來重建天線遠場的方法。該方法的基本思想為[10]:測出S1,S2兩個面的幅度值(A1,A2),人為選定S1面測量值的相位(φ1),先由S1面的幅度、相位值(A1,φ1)計算出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為測量精度),便可得到S1或S2面的相位分布,這時,可由S1或S2實測的幅度和迭代過程所得到的相位求得天線的遠場電特性。由于迭代收斂等原因,這方面的研究還未付諸實施。
(6)球面、柱面近場掃描方式誤差上界的分析與估算。
2、散射近場測量
當輻射體變為散射體時,輻射近場測量轉換為散射近場測量。由于散射體是無源的,因此需要一個照射源對其進行照射,同輻射近場測量一樣,散射近場測量也有3種取樣方式,分別稱為平面散射近場測量和柱面散射近場測量以及球面散射近場測量。平面散射近場已取得了許多研究成果,柱面、球面散射近場測量的研究成果公開報道的文獻很少[11]。
散射體的散射特性通常用雷達散射截面(Radar Cross Section,簡寫為RCS)來衡量,有絕對量和相對量之分,絕對量一般是以一個已知散射體的RCS為標準來標定待測散射體的RCS,標準值來自理論計算和測量值;相對量用散射方向圖來表示。
散射體的RCS不僅是頻率的函數,而且是入射波方向和觀察點方向的函數,當入射波方向和觀察點方向是同一方向時,這時散射體的RCS稱為單站RCS(或者叫做后向雷達散射截面),如果入射波方向和觀察點方向不是同一方向,則稱為雙站RCS。
對于雙站RCS而言,入射波方向和測量掃描面法線方向之間夾角<90°錐角內的RCS稱為小雙站角的RCS,入射波方向和測量掃描面法線方向之間夾角>90°錐角內的RCS稱為大雙站角的RCS。
2.1、散射近場測量的發展動態
散射體RCS的理論研究開始于60年代,早期的研究主要任務是對一些典型散射體(例如,板、球、柱體)進行理論建模并進行數值計算,取得了較多的研究成果,檢驗計算結果正確與否的方法是遠場測量或緊縮場法。這兩種方法中的任意一種方法都是由硬件來產生準平面波的(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°),遠場測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)來實現球面波到平面波的轉換;緊縮場法則是利用偏饋拋物面來產生平面波的。因而工程上稱為模擬平面波法,其主要缺陷是受外界環境影響很大,因此,實用起來有很多問題(如遠場法中對測量場地有苛刻的要求;緊縮場法對主反射面的機械精度有嚴格的要求),為了克服這些問題,出現了散射近場的測量方法。
2.2、平面散射近場測量研究的主要進展
從80年代初至今,平面散射近場測量研究主要在以下幾個方面取得了令人矚目的進展:
(1)平面散射近場測量方法的理論探討
平面散射近場測量的基本理論已由文獻[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:如果對一個由N個輻射單元組成的線陣同時進行激勵,每個輻射單元產生一個準球面波e(θ,φ),選擇一個與方向角(θ,φ)有關的權函數W(θ,φ)對每個e(θ,φ)進行加權并求和(線性系統),則所得的加權求和函數近似為均勻平面波,對不同方向的(θ,φ)選擇不同W(θ,φ)就可以獲得不同方向上的平面波對被測目標的照射。這一過程實現了對平面波的綜合(這與綜合口徑雷達SAR的概念極為相似),并很容易在計算機上完成。實際測量時,用一個輻射單元(探頭)進行一維掃描(等效的看,相當于同時激勵的狀態)并在計算機上用軟件完成各個方向上的平面波的綜合,因此,稱其為數字緊縮場。這種測量方法的優點是大大降低了為實現平面波對測量系統硬件的要求。該方法不僅能測量典型導體目標的RCS,而且能夠對一些實用導體目標(如飛機、導彈等)小雙站角的RCS進行測量。
(2)典型導體目標散射特性的研究
典型導體目標(如板、球、柱)小雙站角的RCS測量已經完成[13],測得的不同方向照射待測目標后向散射方向圖(照射波傳播方向指向目標的方向規定為0°)及空間散射方向圖與理論計算結果完全吻合;測量所得到的目標小雙站角RCS的絕對值與理論計算值相比較還有誤差。
(3)實用復雜導體目標散射特性的測量
上述測量方法的優點是通過一次測量可獲得較多的信息量,利用這些信息可計算出金屬導體目標散射的平面和空間的散射方向圖以及它的散射極化特性;也可計算出該導體目標RCS的絕對值,但在實際測量系統中,發射探頭(提供照射源的探頭)和接收探頭是安裝在同一個道軌上,因此,按照散射近場平面波掃描理論,發射探頭掃描在一個位置時,接收探頭需要在一維方向做一次掃描;發射探頭掃描在另一個位置時,接收探頭仍要在一維方向做一次掃描,發射探頭位置不斷向一個方向掃描,接收探頭的掃描范圍就會越來越小,因此,有一半的測量數據是得不到的,解決這一問題的方法是利用互易定理。
測量環境對散射近場測量散射體電特性也有很大的影響,除了在測量區域附加吸收材料外,還需要用到“背景對消技術”,其基本原理為:在無散射體的情況下,先用收、發探頭對測量區域空間掃描一次,并記錄采樣數據;在有散射體的情況下,記錄這時掃描測量的采樣數據,在保證一維掃描器(取樣架)定位精度的條件下,利用計算機軟件對兩次對應位置的測量數據逐點進行矢量相減(復數相減),這樣就消除了環境對測量數據的影響。
這種測量方法的另一致命弱點是測量時間很長,測量時間與取樣點數幾乎成四次方的關系,實用目標的測量時間達到了不可容忍的程度。