輻射、散射近場測量及近場成像技術

1、輻射近場測量

輻射近場測量是用一個已知探頭天線（口徑幾何尺寸遠小于1λ）在離開輻射體（通常是天線）3λ～5λ的距離上掃描測量（按照取樣定理進行抽樣）一個平面或曲面上電磁場的幅度和相位數(shù)據(jù)，再經(jīng)過嚴格的數(shù)學變換計算出天線遠區(qū)場的電特性。當取樣掃描面為平面時，則稱為平面近場測量；若取樣掃描面為柱面，則稱為柱面近場測量；如果取樣掃描面為球面，則稱為球面近場測量。其主要研究方法為模式展開法，該方法的基本思想為：空間任意一個時諧電磁波可以分解為沿各個方向傳播的平面波或柱面波或球面波之和；主要研究成果及進一步要解決的問題如下所述。

1.1、輻射近場測量的發(fā)展現(xiàn)狀

輻射近場測量的研究起始于50年代，70年代中期處于推廣應用階段（商品化階段）。目前，分布在世界各地的近場測量系統(tǒng)已有100多套［1］。該技術的基本理論［2～4］已基本成熟，這種測量方法的電參數(shù)測量精度比常規(guī)遠場測量方法的測量精度要高得多，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特的優(yōu)越性。

1.2、輻射近場測量研究的主要成果

幾十年來，輻射近場測量的研究在以下4個方面取得了突破性的進展：

（1）常規(guī)天線電參數(shù)的測量

天線近場測量可以給出天線各個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量

天線方向圖副瓣電平在-28～-35 dB之間的天線稱為低副瓣天線；副瓣電平小于-40 dB的天線稱為超低副瓣天線。對它們的測量要用到“零探頭”技術［5］，據(jù)文獻報導，副瓣電平在-40 dB以上時，測量精度為±3 dB，副瓣電平為-55 dB時，測量精度為±5 dB［6］。

（3）天線口徑場分布診斷

天線口徑場分布診斷是通過測量天線近區(qū)場的分布逆推出天線口徑場分布，從而判斷出口徑場畸變處所對應的輻射單元，這就是天線口徑分布診斷的基本原理。該方法對具有一維圓對稱天線口徑分布的分析是可靠的，尤其對相控陣天線的分析與測量已有了充分的可信度［7］。

（4）測量精度及誤差分析

輻射近場測量的研究與誤差分析的探討是同時進行的，研究結果表明：輻射近場測量的主要誤差源為18項，大致分為4個方面，即探頭誤差、機械掃描定位誤差、測量系統(tǒng)誤差以及測量環(huán)境誤差。對于平面輻射近場測量的誤差分析已經(jīng)完成，計算機模擬及各項誤差的上界也已給出；柱面、球面輻射近場測量的誤差分析尚未完成［8］。

1.3、輻射近場測量的可信域

對于平面輻射近場測量而言，由基本理論可知，在θ=-90°或90°（θ為場點偏離天線口面法線方向的方向角）時，這種方法的精度明顯變差，因此平面輻射近場測量適用于天線方向圖為單向筆形波束天線的測量，可信域（-θ，θ）中的θ值與近場掃描面和取樣間距有如下關系（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。

柱面輻射近場測量能夠計算天線全方位面的輻射方向圖，但在θ=-90°或90°時，柱面波展開式中漢克爾函數(shù)已無意義，所以，柱面輻射近場測量適用于天線方向圖為扇形波束天線的測量。

球面輻射近場測量能夠計算除球心以外天線任意面上任意點的輻射場，但測量及計算時間都較長［8］。

1.4、輻射近場測量需要解決的問題

輻射近場測量的基本理論雖然已經(jīng)成熟，且在實用中也取得了較多的研究成果，但對以下問題還應進行進一步的探討研究：

（1）考慮探頭與被測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，這些公式對常規(guī)天線的測量有一定的精度，但對低副瓣或超低副瓣天線測量就必需考慮這些因素，因此，需要建立嚴格的耦合方程。

（2）近場測量對天線口徑場診斷的精度和速度

近場測量對常規(guī)陣列天線口徑場的診斷有較好的診斷精度，但對于超低副瓣天線陣列而言，診斷精度和速度還需要進一步研究。

（3）輻射近場掃頻測量的研究

就一般情況而言，天線都在一個頻帶內(nèi)工作，因此，各項電指標都是頻率的函數(shù)，為了快速獲得各個頻率點的電指標，就需要進行掃頻測量。掃頻測量的理論與點頻的理論完全一樣，只是在探頭掃描時，收發(fā)測量系統(tǒng)作掃頻測量。
（4）時域輻射近場測量的研究

為了反映脈沖工作狀態(tài)和消除環(huán)境及其他因素對測量數(shù)據(jù)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(tǒng)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?yōu)樯⑸潴w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(shù)，而且是入射波方向和觀察點方向的函數(shù)，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(nèi)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(nèi)的RCS稱為大雙站角的RCS。

2.1、散射近場測量的發(fā)展動態(tài)

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(shù)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(chǎn)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(xiàn)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(chǎn)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(huán)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(xiàn)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(chǎn)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(shù)W（θ，φ）對每個e（θ，φ）進行加權并求和（線性系統(tǒng)），則所得的加權求和函數(shù)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(xiàn)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(tài)）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(shù)字緊縮場。這種測量方法的優(yōu)點是大大降低了為實現(xiàn)平面波對測量系統(tǒng)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?qū)σ恍嵱脤w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(jīng)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(guī)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(yōu)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(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道軌上，因此，按照散射近場平面波掃描理論，發(fā)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(fā)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(fā)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(shù)據(jù)是得不到的，解決這一問題的方法是利用互易定理。

測量環(huán)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(qū)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(fā)探頭對測量區(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，記錄這時掃描測量的采樣數(shù)據(jù)，在保證一維掃描器（取樣架）定位精度的條件下，利用計算機軟件對兩次對應位置的測量數(shù)據(jù)逐點進行矢量相減（復數(shù)相減），這樣就消除了環(huán)境對測量數(shù)據(jù)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(shù)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。
3、目標的近場成像

目標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)學的X光診斷及雷達的目標識別。用近場研究目標的像是80年代末才開始的，它是在已知目標散射近場和入射場情況下，利用微波分集技術，逆推或反演表征目標幾何特征的目標函數(shù)，由目標函數(shù)給出目標的幾何形狀，這一過程稱為目標的近場成像。

3.1、目標近場成像的發(fā)展狀態(tài)

從90年代末至今，近場微波成像已經(jīng)引起了學者們的濃厚興趣，但由于常規(guī)目標散射近場的復雜性，致使近場微波成像遠遠滯后于遠場成像。近場微波成像中，著眼于潛在的應用，目標函數(shù)既可以是理想導體目標的輪廓函數(shù)，也可以是目標介電常數(shù)的分布函數(shù)。從照射天線與成像目標的相對運動方式來看，近場微波成像有兩種模式：即直線掃描模式和轉臺模式，研究方法可分為電磁逆散射法和球背向投影法（Spherical Back Projection，簡寫為SBP）。其中電磁逆散射法散射機理清晰，但數(shù)學公式復雜且有很大的局限性，因而，實際中使用較少；而球背向投影法在實際中使用較多。利用球背向投影法在直線掃描模式和轉臺模式情況下的目標函數(shù)解析公式已經(jīng)給出。

3.2、目標的近場成像研究的進展程度

近幾年來，目標近場成像研究在以下幾方面取得了可喜的進展：

（1）目標近場成像的理論建模

球背向投影法在直線掃描模式和轉臺模式情況下，金屬導體像的目標函數(shù)解析表達式已經(jīng)給出［19］，非金屬導體像的目標介電常數(shù)的分布函數(shù)［19］也有顯式解。

（2）目標近場成像的實驗研究

近場成像實驗與常規(guī)的近場散射實驗相比，其顯著差別就在于成像實驗要進行掃頻測量，這是理論所要求的。這樣，測量系統(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)誤差可以通過儀器自行校準進行消除，寬帶發(fā)射、接收探頭（天線）由于口徑尺寸較大以及與目標之間的電磁耦合，所以對其發(fā)射、接收的電磁場必須進行修正，修正的方法是在它們發(fā)射、接收的電磁場中乘以復系數(shù)，系數(shù)的量值由理論值與測量值的比值來定。

在此修正理論下，對金屬長方體、圓柱體以及四尾翼導彈模型進行了實驗測量，其成像結果是令人滿意的。

3.3、目標的近場成像研究需要探討的問題

（1）成像的分辨率

從成像實驗的結果來看，與實物相比較，目標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)處理方法仍須進一步探討。

（2）廣義成像理論的研究。

（3）誤差分析。

4、結束語

該文從整體的觀點出發(fā)闡述了輻射、散射、成像近場測量技術的發(fā)展動態(tài)和研究成果，對于各個研究方向的局部問題并未涉及到，目的是愿同行們從宏觀上了解該技術的發(fā)展水平，為同行們的進一步研究提供一個必要的信息。