(12)发明专利申请
(10)申请公布号 CN 111735996 A(43)申请公布日 2020.10.02
(21)申请号 202010564535.7(22)申请日 2020.06.19
(71)申请人 西安电子科技大学
地址 710071 陕西省西安市太白南路2号 申请人 中国电子科技集团公司电子科学研
究院(72)发明人 张帅 吕政良 苏尧 龚书喜
唐晓斌 周肖 宋子璇 (74)专利代理机构 工业和信息化部电子专利中
心 11010
代理人 于金平(51)Int.Cl.
G01R 1/18(2006.01)
权利要求书2页 说明书6页 附图3页
(54)发明名称
一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法及装置(57)摘要
本发明公开了一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法及装置，本发明是基于空间位置场源贡献分离理论的多径干扰抑制，为实现无吸波材料环境下电磁辐射的高精度测量提供核心算法，并且本发明借助场源贡献分离理论，可在不改变现有测试设备的条件下，消除外部测试环境不理想引起的多径效应影响，从而提高了电磁测量场测试精度。
CN 111735996 ACN 111735996 A
权 利 要 求 书
1/2页
1.一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法，其特征在于，包括：获取包含有多径干扰的近场测量数据，并对所述近场测量数据进行预处理，得到受多径干扰的远场数据；
对所述远场数据基于球面波展开，对空间不同位置场源产生的场建立球面波叠加表达式，根据球面波函数的特性进行截断，并结合坐标变换对不同空间位置场源贡献进行分离，得到消除多径干扰后的远场方向图。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，获取包含有多径干扰的近场测量数据之前，该方法还包括：
确定多径干扰项及误差项。3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，确定多径干扰项及误差项，包括：根据实测环境以及待测目标的状态参数确定多径干扰项，并计算分析有限扫描面截断误差、探头位置误差、系统相位误差、混叠误差以及近场幅相随机误差。
4.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述近场测量数据进行预处理，得到受多径干扰的远场数据，包括：
将测量时的坐标原点平移至待测目标口径中心，坐标平移前的方向图函数为标原点为扫描面中心点o，坐标平移后的方向图函数为o1，
坐
坐标原点为天线口面中心点
为以点o为坐标原点的相位方向图，为单位向量：平移后的方向图为:
得到一个球面上的场强分布，其中，θ
为电场矢量与z坐标轴的夹角，为电场矢量在xoy面的投影与x坐标轴的夹角，为由扫描面坐标原点o至天线口面中心点o1的方向矢量，为单位向量，j为虚数单位，k为波数。5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，平移方向图之后，得到一个球面上的场强分布之前，该方法还包括：
对平移后的方向图
进行补零操作。
6.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，对所述远场数据基于球面波展开，对空间不同位置场源产生的场建立球面波叠加表达式，根据球面波函数的特性进行截断，并结合坐标变换对不同空间位置场源贡献进行分离，得到消除多径干扰后的远场方向图，包括：
对带有多径效应影响的远场方向图
进行球面波展开，展开表达式为：得到带有多径效应影响的远场方向
图的球面波展开的模系数
其中，
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CN 111735996 A
权 利 要 求 书
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通过预设滤波函数滤除高阶模式，保留模系数为远场方向图
其中，i为虚数单位，
得消除多径效应影响后的
为球面波的TM波模式，s表示出射波，a表示入射波，N为球面波
模式项数，n和m为具体对应的模式项标记。7.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，对所述远场数据基于球面波展开，对空间不同位置场源产生的场建立球面波叠加表达式，根据球面波函数的特性进行截断，并结合坐标变换对不同空间位置场源贡献进行分离，得到消除多径干扰后的远场方向图之后，还包括：
对测量结果进行可视化分析。8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，对测量结果进行可视化分析，包括：将多径效应抑制前后的方向图进行对比，分析误差消除效果。9.一种个体化设置工作磁场强度的装置，其特征在于，包括：获取单元，用于获取包含有多径干扰的近场测量数据，并对所述近场测量数据进行预处理，得到受多径干扰的远场数据；
处理单元，用于对所述远场数据基于球面波展开，对空间不同位置场源产生的场建立球面波叠加表达式，根据球面波函数的特性进行截断，并结合坐标变换对不同空间位置场源贡献进行分离，得到消除多径干扰后的远场方向图。
10.一种计算机可读存储介质，其特征在于，所述计算机可读存储介质存储有信号映射的计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时，以实现权利要求1-8中任意一项所述的用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法。
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说 明 书
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一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法及装置
技术领域
[0001]本发明涉及电磁技术领域，特别是涉及一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法及装置。
背景技术
[0002]对于大型系统级武器装备而言，开展电磁测量(如大型雷达天线阵列测量、系统级电磁环境评估、预警机天线综合布局测试、导弹制导雷达与弹罩一体化测量)对于高性能装备研制至关重要。电磁测量相关测试环境可分为室内测量和室外测量。室内测量主要是通过微波暗室的结构尺寸设计，加之选取合适的吸波材料来实现电磁屏蔽，从而为电磁测量所需的静区空间提供保障。室外测量是指在户外条件下通过其他设计方法来消除地面及周围环境反射，形成近似的自由空间测试场，主要类型有高架天线测试场、斜天线测试场、反射屏设计、地面反射测试场等。[0003]针对室外测量，由于城市环境电磁环境恶劣，多径效应不可避免，收发信号更是常叠加其他用频干扰，这些都会对辐射测量中方向图主瓣和低副瓣等造成巨大测试误差，散射测量更是无法开展。
发明内容
[0004]本发明提供了一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法及装置，以解决现有技术中的室外电磁测量无法消除多径干扰的问题。[0005]第一方面，本发明提供了一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法，该方法包括：获取包含有多径干扰的近场测量数据，并对所述近场测量数据进行预处理，得到受多径干扰的远场数据；对所述远场数据基于球面波展开，对空间不同位置场源产生的场建立球面波叠加表达式，根据球面波函数的特性进行截断，并结合坐标变换对不同空间位置场源贡献进行分离，得到消除多径干扰后的远场方向图。[0006]可选地，获取包含有多径干扰的近场测量数据之前，该方法还包括：确定多径干扰项及误差项。
[0007]可选地，确定多径干扰项及误差项，包括：根据实测环境以及待测目标的状态参数确定多径干扰项，并计算分析有限扫描面截断误差、探头位置误差、系统相位误差、混叠误差以及近场幅相随机误差。[0008]可选地，对所述近场测量数据进行预处理，得到受多径干扰的远场数据，包括：将测量时的坐标原点平移至待测目标口径中心，坐标平移前的方向图函数为为扫描面中心点o，坐标平移后的方向图函数为
坐标原点
坐标原点为天线口面中心点o1，
为以点o为坐标原点的相位方向图，为单位向量：平移后的方向图为:
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说 明 书
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得到一个球面上的场强分布，其中，θ
为电场矢量与z坐标轴的夹角，为电场矢量在xoy面的投影与x坐标轴的夹角，为由扫描面坐标原点o至天线口面中心点o1的方向矢量，为单位向量，j为虚数单位，k为波数。
[0009]
可选地，平移方向图之后，得到一个球面上的场强分布之前，该方法还包括：对平
进行补零操作。
移后的方向图
[0010]
可选地，对所述远场数据基于球面波展开，对空间不同位置场源产生的场建立球
面波叠加表达式，根据球面波函数的特性进行截断，并结合坐标变换对不同空间位置场源贡献进行分离，得到消除多径干扰后的远场方向图，包括：
[0011]
对带有多径效应影响的远场方向图进行球面波展开，展开表达式为：得到带有多径效应影响的远场方向
图的球面波展开的模系数
[0012][0013][0014]
其中，
通过预设滤波函数滤除高阶模式，保留模系数为得消除多径效应影响
后的远场方向图
[0015]
其中，i为虚数单位，为球面波的TM波模式，s表示出射波，a表示入射波，N为球
面波模式项数，n和m为具体对应的模式项标记。[0016]可选地，对所述远场数据基于球面波展开，对空间不同位置场源产生的场建立球面波叠加表达式，根据球面波函数的特性进行截断，并结合坐标变换对不同空间位置场源贡献进行分离，得到消除多径干扰后的远场方向图之后，还包括：对测量结果进行可视化分析。
[0017]可选地，对测量结果进行可视化分析，包括：[0018]将多径效应抑制前后的方向图进行对比，分析误差消除效果。[0019]第二方面，本发明提供了一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制装置，该装置包括：获取单元，用于获取包含有多径干扰的近场测量数据，并对所述近场测量数据进行预处理，得到受多径干扰的远场数据；处理单元，用于对所述远场数据基于球面波展开，对空间不同位置场源产生的场建立球面波叠加表达式，根据球面波函数的特性进行截断，并结合坐标变换对不同空间位置场源贡献进行分离，得到消除多径干扰后的远场方向图。[0020]第三方面，本发明提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有信号映射的计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时，以实现上述任一种所述的用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法。
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说 明 书
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本发明有益效果如下：
[0022]本发明是基于空间位置场源贡献分离理论的多径干扰抑制，为实现无吸波材料环境下电磁辐射的高精度测量提供核心算法，并且本发明借助场源贡献分离理论，可在不改变现有测试设备的条件下，消除外部测试环境不理想引起的多径效应影响，从而提高了电磁测量场测试精度。
附图说明
[0023]图1是本发明第一实施例提供的一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法的原理示意图；
[0024]图2是本发明第一实施例提供的一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法的流程示意图；
[0025]图3是本发明第一实施例提供的偶极子天线阵列受扰方向图测量示意图；[0026]图4a是本发明第一实施例提供的一种理想立方体示意图；[0027]图4b是本发明第一实施例提供的另一种理想立方体示意图；[0028]图5a是本发明第一实施例提供的一种修正前的立方体示意图；[0029]图5b是本发明第一实施例提供的另一种修正前的立方体示意图；[0030]图6a是本发明第一实施例提供的一种修正后的立方体示意图；[0031]图6b是本发明第一实施例提供的另一种修正后的立方体示意图；
[0032]图7a是本发明第一实施例提供的修正前方位面方向图与修正后方位面方向图；[0033]图7b是本发明第一实施例提供的修正前方位面方向图与修正后方位面方向图；[0034]图8是本发明第二实施例提供的用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制装置的结构示意图。
具体实施方式
[0035]本发明的目的在于通过对电磁测量中多径干扰的抑制，为最终实现数学吸波从而为抛弃微波暗室开展高精度的电磁辐射测量提供技术支持和系统的解决方案。以下结合附图以及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不限定本发明。
[0036]本发明第一实施例提供了一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法，参见图1，该方法包括：获取包含有多径干扰的近场测量数据，并对所述近场测量数据进行预处理，得到受多径干扰的远场数据；对所述远场数据基于球面波展开，对空间不同位置场源产生的场建立球面波叠加表达式，根据球面波函数的特性进行截断，并结合坐标变换对不同空间位置场源贡献进行分离，得到消除多径干扰后的远场方向图。[0037]也就是说，本发明实施例是从实际的应用背景出发，归纳出数学吸波暗室构建过程中的核心问题，即多径干扰是电磁测量中引入误差的关键制约因素。并通过分析其特征，明确数据处理需要达到的目标。以此为基础开展测量数据处理方法研究，依次完成理论、数据处理算法和实验验证三部分内容。
[0038]本发明实施例的目的在于通过对电磁测量中多径干扰的抑制，为最终实现数学吸波从而为抛弃微波暗室开展高精度的电磁辐射测量提供技术支持和系统的解决方案。
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CN 111735996 A[0039]
说 明 书
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本发明实施例提出了一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法，基本原理
如图1所示，对受到多径效应影响的近场测量数据进行数据处理，通过平面近远场变换，坐标平移，球面波展开，模式滤波等基本操作，最终得到修正后的方向图。实施过程如图2所示，具体操作步骤如下：[0040]步骤1、对电磁测量中的典型多径干扰进行系统分析，包括有限扫描面截断误差分析、探头位置误差分析、系统相位误差分析、混叠误差分析、近场幅相随机误差分析等；[0041]步骤2、提出支撑数学吸波暗室构建的思想和理论体系，包括球面波展开理论、场源分析理论和场源分离理论。具体思想为将基于球面波展开理论，对空间不同位置场源产生的场建立球面波叠加表达式，进而依据球面波函数的特性进行截断，并结合坐标变换来实现对不同空间位置场源贡献的分离；[0042]步骤3、在处理算法过程中，将根据测量的实际过程，建立对应的数据处理流程，相关核心算法包括散射源消除算法、互耦消除算法等；[0043]步骤4、基于实际的工程应用，结合实验室现有的测试设备，对该数据处理方法在辐射测量中的应用进行实际的测试验证；
[0044]本发明实施例主要解决大型系统级武器装备在微波暗室中“装不下”的问题，提出基于空间位置场源贡献分离理论的多径干扰抑制技术，为实现无吸波材料环境下电磁辐射的高精度测量提供核心算法和技术方案；另一方面，借助场源贡献分离理论，可在不改变现有测试设备的条件下，消除外部测试环境不理想引起的多径效应影响，提高了测量场测试精度。
[0045]本发明实施首次提出数学吸波暗室的概念。形成等效原理-坐标变换-矢量球面波函数修正为主线的理论体系，为后续确定、分离各空间区域产生的场贡献进而抑制多径干扰提供技术途径，为实现数学吸波暗室构建奠定理论基础。[0046]而且，本发明实现了无吸波材料环境下干扰性散射信号的消除。基于数学处理的近场测量的干扰信号从构成上来说较为复杂，但这些干扰源都与被测物在空间上是分离的。借助空间位置场源贡献分离理论，通过最小球包裹待测目标，可将远区辐射场分离为球内源的贡献和球外源的贡献。在明确散射体大小，相对位置，引入散射场的量级，多次散射特性的前提下，以此为基础确定误差的来源和等级，从理论上分析误差消除可以达到的效果，然后借助上述的场源分离理论去除干扰源的影响，并与理论分析比较来确定该方法的有效性。[0047]另外本发明还提高现有吸波材料测量暗室的测试精度。室内天线测量场会给暗室内部以及暴露的测试装备的外表面上敷设吸波材料，用于抑制不需要的反射对测量结果的影响，但总会有一些位置因无法敷设吸波材料而不可避免的暴露出来，形成干扰信号。其次，大部分吸波材料只在某些特定频段吸波性能达到最优，在其他频段吸波材料的吸波效果没有达到最优。通过上述的场源分离理论，在测量中消除室内环境不理想引起的测量误差，提高了测量精度。
[0048]本发明面向大型系统级武器装备电磁测量的需求，提出了一种多径干扰抑制方法，首次实现数学吸波暗室环境下的高精度测量，该测试方法有如下优点：[0049]高精度测量：保证-30dB副瓣测试指标下，误差小于2dB；[0050]高效率测量：一次测量可以消除多径效应影响、非目标信号干扰等多种系统误差；
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CN 111735996 A[0051]
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低成本建设：可在通用的车间厂房中开展电磁测量，抛弃传统的吸波材料、屏蔽
体，建设成本降低50％，缩短建设周期。
[0052]本发明为实现数学吸波暗室构建，准确、高效、经济快捷开展大型系统级武器装备电磁测量提供了可行性方案，具有极高的工程价值和经济价值。[0053]根据本发明的实例，提供了在多径效应影响下的偶极子天线阵列受扰方向图的电磁测量，实例见图3：[0054]步骤1、计算分析电磁测量存在的典型多径干扰。[0055]综合考虑实测环境，待测目标的状态参数，计算分析有限扫描面截断误差、探头位置误差、系统相位误差、混叠误差、近场幅相随机误差。明确电磁测量的结果不确定度以及为后期开展多径干扰数学抑制处理提供前置条件。主要包括天线阵面几何尺寸、转台旋转中心的相对位置、计算模式滤波需要保留的阶数等。[0056]步骤2、开展偶极子天线阵列受扰状态下的平面近场测量，得到包含多径干扰的近场测量数据，作为后续数学吸波处理的原始数据。[0057]步骤3、对受扰近场测量数据进行预处理。[0058]首先对于步骤2测得的天线近场数据，利用经典近远场变换方法，得到受多径效应干扰的远场方向图。
[0059]应用坐标平移和方向图补零技术对远场方向图表达式进行处理，即将测量时的坐标原点平移至待测目标口径中心。坐标平移前的方向图函数为心点o，坐标平移后的方向图函数为
坐标原点为扫描面中
坐标原点为天线口面中心点o1。，
为以点o为坐标原点的相位方向图，为单位向量。平移后的方向图如下式：
[0060][0061]
对以上得到的方向图进行补零操作，即在其定义域之外的区域填零，得到
一个球面上的场强分布。[0062]步骤4、模式滤波。
[0063][0064][0065][0066][0067][0068]
对带有多径效应影响的远场方向图进行球面波展开，展开表达式如下：
并得到其球面波展开的模系数
选取合适的滤波函数，滤除高阶模式，保留模系数为
如下式所示：
可得消除多径效
应影响后的远场方向图
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CN 111735996 A[0069][0070][0071]
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步骤5、对测量结果进行可视化分析。
其中，θ为电场矢量与z坐标轴的夹角，为电场矢量在xoy面的投影与x坐标轴的
为球面波的TM波模式，s表示出射波，a表示入射波，N为球面
夹角，为由扫描面坐标原点o至天线口面中心点o1的方向矢量，为单位向量，j为虚数单位，k为波数，i为虚数单位，
波模式项数，n和m为具体对应的模式项标记。
[0072]将多径效应抑制前后的方向图进行对比，分析误差消除效果，图4a和图4b为理想方向图，图5a、图5b分别是修正前后立体方向图的对比，图6a和图6b为修正前后截面方向图对比，图7a是修正前方位面方向图与修正后方位面方向图，图7b是修正前俯仰面方向图与修正后俯仰面方向图。其中，F1为无多径效应情况下的阵列分布计算得到的平面近场数据，经过平面近远场变换得到的远场方向图，Fa1为方位分量,Fe1为俯仰分量)；F2为存在多径效应情况下的阵列分布计算得到的平面近场数据，经过平面近远场变换得到的远场方向图，Fa2为方位分量，Fe2为俯仰分量)；F4为存在多径效应情况下的阵列分布计算得到的平面近场数据，经过上述多径干扰抑制后，得到的远场方向图，Fa4为方位分量,Fe4为俯仰分量。
[0073]由图4至图7可明显看出，修正后的方向图与理想方向图相比，在较大角度范围内，主瓣与副瓣的位置、电平值均吻合较好，交叉极化得到良好的修正，表明多径效应影响带来的误差得到了有效抑制。可见本发明能准确、高效、全面获得消除了多径效应影响的天线方向图，提高了测试精度，实现了无吸波材料情况下，数学吸波暗室环境中的高精度测量。[0074]本发明第二实施例提供了一种用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制装置，参见图8，包括：
[0075]获取单元，用于获取包含有多径干扰的近场测量数据，并对所述近场测量数据进行预处理，得到受多径干扰的远场数据；[0076]处理单元，用于对所述远场数据基于球面波展开，对空间不同位置场源产生的场建立球面波叠加表达式，根据球面波函数的特性进行截断，并结合坐标变换对不同空间位置场源贡献进行分离，得到消除多径干扰后的远场方向图。
[0077]本发明实施例的相关内容可参见本发明第一实施例进行理解，在此不做详细论述。
[0078]本发明第三实施例提供了一种计算机可读存储介质，所述计算机可读存储介质存储有信号映射的计算机程序，所述计算机程序被至少一个处理器执行时，以实现本发明第一实施例中任一种所述的用于数学吸波暗室构建的多径干扰抑制方法。
[0079]本发明实施例的相关内容可参见本发明第一实施例和第二实施例进行理解，在此不做详细论述。
[0080]尽管为示例目的，已经公开了本发明的优选实施例，本领域的技术人员将意识到各种改进、增加和取代也是可能的，因此，本发明的范围应当不限于上述实施例。
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说 明 书 附 图
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图1
图2
图3
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说 明 书 附 图
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图4
图5
图6
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说 明 书 附 图
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图7a
图7b
图8
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