無人機極化散射特性室內測量研究

白 楊吳 洋殷紅成闕肖峰

①(電磁散射重點實驗室 北京 100854)

②(中國傳媒大學信息工程學院 北京 100024)

③(電子科技大學電子工程學院 成都 610054)

①(Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory,Beijing100854,China)

③(School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu610054,China)

無人機極化散射特性室內測量研究

白 楊*①②吳 洋①殷紅成①闕肖峰③

①(電磁散射重點實驗室 北京 100854)

②(中國傳媒大學信息工程學院 北京 100024)

③(電子科技大學電子工程學院 成都 610054)

無人機目標的雷達檢測、分類和識別研究需要無人機的極化散射特性支撐。該文通過對復雜材質無人機的室內測量研究，揭示了無人機與金屬化模型的全極化散射特性差異。利用部件分解測量的分析方法，闡述了無人機與主要部件極化散射一致性關系，證明了機身、機翼直接影響整機的退極化效應，其中機身部位是整機交叉極化散射的主要來源。

復雜目標；極化散射；測量技術；無人機

①(Science and Technology on Electromagnetic Scattering Laboratory,Beijing100854,China)

③(School of Electronic Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu610054,China)

1 引言

極化散射矩陣(PSM)是用于雷達目標分類識別的一項重要目標散射特性。由于雷達觀測目標的種類、結構和材料日益復雜，其極化散射特性隨之復雜，使得現實目標，尤其是復雜材質飛行器的寬帶極化特性數據獲取需求日益迫切，但是對此類目標極化散射的定量研究卻未見報道。

不同于金屬目標，復雜材質目標會產生更為特殊的退極化效應，這一現象對于雷達目標分類識別具有潛在的應用價值。然而復雜材質目標極化散射特性的理論建模、計算存在諸多難點，此時實驗測量成為主要研究手段。目前，室內目標全極化定量測量可以實現復雜目標多姿態、多站角的極化散射特性信息精確獲取[1-8]。本實驗室利用緊縮場暗室進行目標全極化散射測量已有較為可靠的技術體系，可以開展復雜材質無人機極化散射特性定量研究工作。

本文以復雜材質無人機為研究對象，旨在研究復雜材質目標與金屬目標的極化散射特性差異，揭示復雜目標交叉極化散射來源。文中將利用實驗測量手段，得到無人機及其部件全極化散射特性數據，與金屬化目標的理論仿真結果進行對比，完成研究分析。第2節介紹了寬帶極化散射特性數據的測量及校準方法，通過標準體實測數據驗證了測量精度。第3節給出無人機整機及部件的全極化測量結果，并結合金屬參考目標的仿真結果進行了討論，發現復雜材質構成的無人機機身部位是主要的交叉極化散射來源。

2 復雜目標極化散射測量方法

復雜材質無人機的極化測量在緊縮場暗室中進行，實驗測量原理如圖1所示。

圖1 實驗測量原理Fig. 1 Diagrammatic sketch of measurement experiment

進行目標全極化測量時，需要完成測量信號極化調制、發射、散射信號接收和解調4個主要過程。當電磁信號在一個極化的發射通道和接收通道中傳輸時，由于泄露現象的存在，會對另一個極化通道產生影響，形成影響極化測量精度的主要乘性誤差。系統發射通道和接收通道存在電磁信號的泄露，加之目標區固有的背景散射，構成了重要的加性耦合誤差[9]。為了準確獲取復雜材質無人機的極化散射特性數據，需要采用極化校準測量的方法開展實驗，以修正上述誤差。

同時，由于缺乏真實無人機的理論仿真數據作為對比，為了保證測量數據的準確性，我們采用了兩種不同的測量校準方法，基于標準體進行互標定驗證。此兩種方法分別是單定標體極化散射測量校準方法和三定標體極化散射測量校準方法[1,10]。

圖2所示為直徑300 mm金屬定標球8.5～10.5 GHz掃頻全極化散射特性測量結果。分析對比兩種校準測量得到的結果，可知實驗系統對直徑300 mm金屬定標球校準后的測量極化純度優于35 dB，且不同方法的結果一致性較好。

圖2 直徑300 mm定標球掃頻測量結果Fig. 2 The sweep frequency test result of sphere with 300 mm in diameter

圖3 所示為兩種校準方法互標定驗證后的菱形二面角全極化數據與理論值對比。菱形二面角邊長為200 mm，橫滾角為22.5°。分析圖中曲線，可知8.5～10.5 GHz范圍內，測量值與理論值差異為±1 dB。同時，因為測量值經過校準兩種方法標定傳遞后獲得，故可以說明目標交叉極化測量精度差異不超過±1 dB。

圖3 菱形二面角(22.5°)測量與計算值對比Fig. 3 Comparison between measurement and theory result of rhombic dihedral with 22.5° in roll angle

一般復雜飛行器目標的交叉極化散射和同極化散射的幅值差在-20 dB至8 dB之間[1]，上述兩種標準體的實驗結果可以說明，測量的極化純度與精度能夠滿足無人機測量研究的需要。

3 實驗結果與分析

本部分內容給出了復雜材質無人機整機及部件的測量結果，并針對結果進行了討論，包括無人機實測數據與其金屬化精確數值計算結果的對比分析，整機與部件極化散射特性關系分析。

無人機的實測結果在緊縮場暗室中獲得，實驗設備采用基于矢量網絡分析儀構建的散射測試系統，測試頻率8.5～10.5 GHz。用于對比的金屬化模型理論計算數據通過并行多層快速多極子方法求解混合場積分方程獲得，此方法有利于電磁場數值問題的快速求解，且求解精度較高。

3.1 無人機整機

研究中使用的復雜材質無人機由玻璃鋼、碳纖維、木材和金屬等多種材料構成，結構形式主要為輕質骨架外覆蒙皮，包含機身、機翼、尾翼、發動機和螺旋槳等主要部件。

無人機姿態定義如圖4所示，其中α,β,γ分別定義為方位角、俯仰角和橫滾角。測量實驗中無人機狀態如圖5所示。我們測量了β=0時，X波段無人機整機360°方位角內的全極化散射數據。

圖4 無人機姿態定義Fig. 4 Coordinate of UAV

無人機10 GHz全極化散射測試結果和仿真計算結果如圖6所示，由圖中可以看出此型無人機及其金屬化模型：(1)同極化散射在部分角度位置差異明顯，但大角域內均值差異不大；(2)都存在一定強度的交叉極化散射，但曲線表現出的起伏特性完全不同。無人機的交叉極化測量結果隨角度變化存在明顯的快起伏特性，小角域內幅度統計均值變化不大，這說明此目標在不同方位處都存在退極化效應且效果相當。金屬化模型交叉極化仿真結果則表現出了明顯的慢起伏特性，在0°, ±50°, ±90°和±180°存在較強的交叉極化散射，其他角度則明顯減小。兩組數據的統計結果如表1所列。頻帶內其他頻點的測量結果分析均表現出了與10 GHz處相同的結論，故不再對點頻數據逐一展示。

表1 真實無人機與金屬化模型的散射均值統計=10 GHz，統計角域20°)Tab. 1 Statistical mean comparison between real and metal UAV at 10 GHz in 20° angular range

表1 真實無人機與金屬化模型的散射均值統計=10 GHz，統計角域20°)Tab. 1 Statistical mean comparison between real and metal UAV at 10 GHz in 20° angular range

中心方位角差值(dB) 0°-5.69-9.513.81-16.28-16.710.43-16.63-16.950.33-7.45-9.441.99 -90°-2.976.39-9.36-15.96-12.80-3.16-16.52-12.95-3.57-2.965.35-8.30 +90°-3.766.39-10.16-16.72-12.80-3.92-16.49-12.95-3.54-3.745.35-9.09 ±180°-3.18-5.792.61-15.88-10.83-5.05-15.92-10.77-5.14-5.35-4.92-0.43 VVVHHVHH測量(dBsm)計算(dBsm)差值(dB)測量(dBsm)計算(dBsm)差值(dB)測量(dBsm)計算(dBsm)差值(dB)測量(dBsm)計算(dBsm)

圖5 無人機測試狀態Fig. 5 Condition of UAV in measuring

圖6 無人機在f= 10 GHz, 0°俯仰角RCS測量值與計算值對比Fig. 6 RCS comparison between measurement and theory result of UAV with 10 GHz in frequency and 0° in pitch angle

兩類結果的寬帶2維ISAR成像分別如圖7(計算結果)和圖8(測量結果)所示，并嵌套了無人機的幾何外形作為比對，成像中心角0°，孔徑角30°，可以看出真實無人機與其金屬化模型的成像特征存在較大的差異。無人機實測成像結果包含較強的散射中心和連續的高散射區域，4個極化下目標幾何外形清晰，表現出了明顯的體散射特征；金屬化模型則以集中的強散射中心為主，且與真實目標強散射點位置不同，在圖像中沒有體現目標的幾何外形特征。特別，對比圖7與圖8中交叉極化成像結果，真實無人機存在散射強點擴展，大量強散射分布在飛機結構輪廓內部，而金屬化模型則在結構表邊緣處體現出很強的散射中心特征，說明實際無人機內部結構是其產生交叉極化散射的重要因素，散射機理與全金屬目標差異明顯。

圖7 金屬化無人機X波段0°俯仰、0°方位ISAR計算圖像Fig. 7 Calculational ISAR of metal UAV in X band with 0° in pitch and azimuth angle

圖8 無人機X波段0°俯仰、0°方位2維ISAR測量圖Fig. 8 Measurement ISAR of UAV in X band with 0°in pitch and azimuth angle

由于入射角度對目標散射特性的影響較大，圖9和圖10分別給出了45°方位角和90°方位角無人機ISAR成像結果。通過對比分析可知，在不同入射條件下，各部件對無人機全極化散射的貢獻是不同的，側視時有一種散射機理明顯占優，但其機身輪廓內部始終體現了較為明顯全極化散射特性，其他部位則隨角度變化體現出了較大差異。故此可通過分別研究主要部件的全極化散射特性來確認無人機交叉極化散射的真實來源。

圖9 無人機X波段0°俯仰、45°方位2維ISAR測量圖Fig. 9 Measurement ISAR of UAV in X band with 0° in pitch angle and 45° in azimuth angle

圖10 無人機X波段0°俯仰、90°方位2維ISAR測量圖Fig. 10 Measurement ISAR of UAV in X band with 0° in pitch angle and 90° in azimuth angle

此外，借助2維成像結果，我們對無人機測量結果進行了散射中心提取和分類比重分析，結果如表2所列。從表中數據可以看出，構成無人機交叉極化分量的強散射中心體現出了多種結構類型，且隨角度變化明顯，說明此型無人機的極化散射特性與其復雜的內部結構有一定的關聯性，這種特性可用于對本型無人機全極化特征提取與分類識別研究。

表2 無人機散射中心的提取與分類分析=10 GHz)Tab. 2 Extract and analyze on scattering center of UAV at 10 GHz

表2 無人機散射中心的提取與分類分析=10 GHz)Tab. 2 Extract and analyze on scattering center of UAV at 10 GHz

方位角散射中心類型三面角二面角偶極子圓柱體窄二面角四分之一波器件非對稱體0°13.2%1.3%11.8%19.7%17.1%28.9%7.9% 45°32.4%2.8%15.5%16.9%12.7%15.5%4.2% 90°51.9%0%6.5%32.5%0%7.8%1.3%

3.2 無人機主要部件

由上節無人機測量結果可以看到，機身和機翼部分對整機的4個極化散射分量都有明顯的貢獻，本節將通過分解測量的方法，主要借助成像特征研究部件與整機全極化散射特性的聯系。由于部件缺少可靠的金屬化模型計算結果作為比對，故這部分研究采用兩種校準測量對比的方法，以保證結果的準確性。

(1) 機身

無人機機身在10 GHz處的全極化測量結果如圖11所示。分析測量結果可知機身同極化散射曲線的起伏特征與整機相似，強散射位置幅度較??；交叉極化散射量級與整機相似，與同極化分量差異為10 dB左右。機身的2維ISAR成像結果如圖12所示，其交叉極化圖像中散射分布特征與整機圖像對應區域基本一致，體現出了相同的退極化效應。分析原因，由于機身為中空結構且蒙皮比較復雜，蒙皮材料為多層復合材料，最外層為玻璃鋼材質，中間層為輕木材質的蜂窩狀結構，最內層為玻璃鋼材質，機身與其他部件的連接結構較多，導致空隙結構豐富，從而導致機身的退極化效應比較明顯，成為整機交叉極化散射的主要來源。

圖11 無人機機身俯仰角0°全方位RCS(f=10 GHz)Fig. 11 Azimuth RCS, both single and tri- calibration, of UAV’s body at 10 GHz with 0° in pitch angle

(2) 機翼

圖12 無人機機身X波段0°俯仰、0°方位全極化2維ISAR圖Fig. 12 Measurement ISAR of UAV’s body in X band with 0° in pitch and azimuth angle

圖13 無人機機翼俯仰角0°全方位RCS(f=10 GHz)Fig. 13 Azimuth RCS, both single and tri-calibration, of UAV’s wing at 10 GHz with 0° in pitch angle

無人機機翼在10 GHz處的全極化測量結果如圖13所示，其同極化與交叉極化散射幅度差約為10 dB。2維ISAR成像結果如圖14所示，表現出的同極化與交叉極化散射特征差異同整機基本一致，為10 dB左右。特別交叉極化圖像中機翼端部的散射強點，以及前緣、后緣的散射區域分布也符合整機成像中機翼部分的特點。分析機翼的結構特點，主要為玻璃鋼纖維網織材質蒙皮，內部包含了一些金屬部件和孔洞結構，造成其存在明顯的體散射效應和材料內部的復雜耦合關系，使得機翼的交叉極化散射較明顯，構成了整機交叉極化散射的來源之一。但金屬化整機模型的計算圖像基本無法分辨機翼部分。

對于其他部件，如螺旋槳，交叉極化散射在-40～-50 dBsm量級，參考金屬球的測量結果，此量級己接近本次測量的極小值，故認為此類部件的實際交叉極化散射很弱，對整機的退極化效應貢獻很小。

圖14 無人機機翼X波段0°俯仰、0°方位全極化2維ISAR圖Fig. 14 Measurement ISAR of UAV’s wing in X band with 0° in pitch and azimuth angle

4 結論

復雜材質目標會表現出與全金屬目標差異較大的全極化散射特性。本文以復雜材質無人機為研究對象，通過實驗測量的手段，定量化地揭示了整機與其金屬化模型交叉極化散射來源、表現特征與產生機理的差異。利用分部件測量分析的方式，在缺乏計算結果對比的情況下，采用兩種校準測量比對驗證的方法，證明此無人機整機與主要部件的極化散射數值特征與成像特征是一致的，部件的全極化特性直接影響整機的全極化特性，機身部位是整機交叉極化散射的主要來源，且與其內部結構有著較強的關聯性。

[1]黃培康, 殷紅成, 許小劍. 雷達目標特性[M]. 北京: 電子工業出版社, 2005. Huang Pei-kang, Yin Hong-cheng, and Xu Xiao-jian. Characteristics of Radar Target[M]. Beijing: Publishing House of Electronics Industry, 2005.

[2]Alexander N T, Currie N C, and Tuley M T. Calibration of bistatic RCS measurements[C]. Proceedings of Antenna and Propagation Techniques Association 1995 Symposium, Columbus, USA, 1995: 13-17.

[3]Jersak B D B. Bistatic, fully polarimetric radar cross-section calibration techniques and measurement error analysis[D]. [Ph.D. dissertation], University of Texas at Arlington, 1993: 116-128.

[4]Eigel R L. Bistatic radar cross section characterization of complex objects[D]. [Master dissertation], Air Force Institute of Technology, 1999: 25-33.

[5]Saraband I K, Ulaby F T, and Tassoudji M A. Calibration of polarimetric radar systems with good polarization isolation[J].IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1990, 28(1): 70-75.

[6]Mortensen H B. Implementation of bistatic polarimetric calibration procedure for the EMSL[R]. European MicrowaveSignature Laboratory, Internal memorandum, 1995.

[7]Riegger S and Wiesbeck W. Wide-band polarimetry and complex radar cross section signatures[J].Proceedings of the IEEE, 1989, 77(5): 649-658.

[8]Monzon J C. A cross-polarized bistatic calibration device for RCS measurements[J].IEEE Transactions on Antennas and Propagation, 2003, 51(4): 833-839.

[9]Huang Pei-kang, Ning Chao, Xu Xiao-jian,et al.. Solution for polarimetric radar cross section measurement and calibration[J].Journal of Systems Engineering and Electronics, 2014, 25(2): 211-216.

[10]莊釗文, 袁乃昌, 莫錦軍, 等. 軍用目標雷達散射截面預估與測量[M]. 北京: 科學出版社, 2007.Zhuang Zhao-wen, Yuan Nai-chang, Mo Jin-jun,et al.. Estimation and Measurement of Radar Cross Section of Military Targets[M]. Beijing: Science Press, 2007.

白 楊(1986-)，男，河北保定人，工程師，2012年于北京理工大學獲得碩士學位，現為中國傳媒大學電磁場與微波技術專業在讀博士研究生，電磁散射重點實驗室工程師，主要研究方向為電磁散射與逆散射、雷達目標特性。

E-mail: poplarbyu@163.com

吳 洋(1984-)，男，北京人，工程師，2014年于北京理工大學獲得電磁場與微波技術專業博士學位，現為電磁散射重點實驗室工程師，主要研究方向為雷達目標特性、電磁散射輻射測量。

E-mail: damingbaie@sina.cn

殷紅成(1967-)，男，江西余江人，研究員，現為電磁散射重點實驗室專業總師，博士生導師，主要研究方向為電磁散射、雷達目標特性、目標識別等。

E-mail: yinhc207@126.com

闕肖峰(1979-)，男，重慶梁平人，現為電子科技大學副教授。研究方向為計算電磁學、電磁散射與目標特性等。

E-mail: xfque@uestc.edu.cn

Indoor Measurement Research on Polarimetric Scattering Characteristics of UAV

Bai Yang①②Wu Yang①Yin Hongcheng①Que Xiaofeng③

②(Information Engineering School,Communication University of China,Beijing100024,China)

Knowledge of target polarization characteristics is valuable for radar target detection, classification, and identification. We conducted experimental research on an Unmanned Aerial Vehicle (UAV) with complex materials and structures to determine the differences in polarimetric scattering between the UAV and its perfect electric conductor model. To illustrate the coherence of the entire UAV and its components using polarimetric scattering, we measured and analyzed each part. The results reveal that the airframe and aerofoils directly influence the depolarization, and that the polarimetric scattering characteristics of the airframe represent the primary source for the whole UAV.

Complex targets; Polarimetric scattering; Measurement technique; UAV

TN957.52

A

2095-283X(2016)06-0647-11

10.12000/JR16032

白楊, 吳洋, 殷紅成, 等. 無人機極化散射特性室內測量研究[J]. 雷達學報, 2016, 5(6): 647-657.

10.12000/JR16032.

Reference format:Bai Yang, Wu Yang, Yin Hongcheng,et al.. Indoor measurement research on polarimetric scattering characteristics of UAV[J].Journal of Radars, 2016, 5(6): 647-657. DOI: 10.12000/JR16032.

2016-01-31；改回日期：2016-12-21

*通信作者：白楊 poplarby@163.com

國家自然科學基金重大項目(61490690, 61490695-06)

Foundation Items: The National Natural Science Foundation of China (61490690, 61490695-06)