一种可旋转双天线有源极化校准装置及其极化校准方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及天线有源极化校准的技术领域，具体涉及一种可旋转双天线有源极化 校准装置及其极化校准方法。
【背景技术】
[0002] 在雷达目标极化散射矩阵（Polarimetric Scattering Matrix, PSM)的测量中，接 收到的信号不仅与待测目标的极化散射矩阵有关，还与测量系统发射通道和接收通道的特 性有关。考虑雷达各极化通道间存在交叉耦合以及增益失衡等情况，目标测量的PSM与真 实值之间的关系如图1所示（参见文献[1]肖志河，巢增明，蒋欣，王晨.雷达目标极化散 射举着测量技术[J].系统工程与电子技术，1996，（3) : 13-32.)。
[0003] 由图1所示，雷达的接收通道传输矩阵R、发射通道传输矩阵T以及背景杂波I会 导致目标的测量极化散射矩阵Sm与目标真实极化散射矩阵S存在偏差。实测值S m和目标 PSM真实值S满足以下关系式（参见文献[1]肖志河，巢增明，蒋欣，王晨.雷达目标极化散 射举着测量技术[J].系统工程与电子技术，1996，（3): 13-32.):
[0004] Sm= R ? S ? T+I (1)
[0005] 极化校准的目的是从实测数据中尽可能不失真地还原出目标的真实PSM，求解方 程为：
[0006] S = IT1 ? (sm-i) ? r1 (2)
[0007] 可见，必须同时求得系统的收发通道传输矩阵R、T和背景杂波I，才能实现对任意 目标的校准。
[0008] 极化校准的通常做法是：控制测试环境的背景杂波足够低从而可忽略其对测量的 影响，近似地有I = 0,或者直接测得背景杂波矩阵I并进行背景向量相减处理，在此基础上 利用理论PSM已知的目标作为极化校准体，结合对其实测的PSM数据，通过式（1)建立理论 PSM与经过背景抵消后的测量值之间的量化关系，有：
[0009] M = Sm-I = R ? S ? T (3)
[0010] 来求解雷达测量系统的校准参数R、T，从而有以下简化公式：
[0011] S = R-1 ? M ? T-1 (4)
[0012] 根据定标体的类型，可分为有源定标体和无源定标体。最基本的有源极化 校准器（Polarimetric Active Radar Calibrators, PARC)是带有光纤延时线的有 源转发器，其简单的结构示意图如图2所示（参见文献[2]K.Sarabandi，F.T.Ulaby. Performance characterization of polarimetric active radar calibrators and a new single antenna design[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation， 1992, 40 (10) : 1147-1154.)。工作过程为：接收天线从空间接收雷达信号，该信号经放大器 放大处理后，由带通滤波器滤除雷达工作频段以外的杂波；通过调节延时线的延时大小来 等效改变测量距离，这样，可以去除固定距离上的背景杂波使得近似地有I = 〇 ;最后再经 转发天线转发出去，从而被雷达接收和处理。
[0013] 与无源定标体相比，PARC的雷达散射截面（Radar Cross Section, RCS)不受 物理尺寸限制，且其大小可以通过调节衰减器来改变，其理论计算值为（参见文献[2] K. Sarabandi, F. T. Ulaby. Performance characterization of polarimetric active radar calibrators and a new single antenna design[J]. IEEE Transactions on Antennas and Propagation,1992, 40(10):1147-1154.)：
【主权项】
1. 一种可旋转双天线有源极化校准装置，包括放大器、延时线、衰减器、滤波器接收天 线及发射天线，其特征在于：该装置还包括极化滤波器，所述的极化滤波器加装在接收天线 和发射天线口面处；该装置的接收天线和发射天线还采用了可旋转双天线设计，使得接收 天线和发射天线的不同姿态组合可构成不同的极化组合。
2. 根据权利要求1所述的一种可旋转双天线有源极化校准装置，其特征在于：由于所 设计的可旋转双天线有源极化校准器PARC中的每个天线都是可以独立旋转的，控制PARC 接收天线和发射天线的以不同极化方式组合，可获得PARC的多种形式的极化散射矩阵。
3. 根据权利要求1所述的一种可旋转双天线有源极化校准装置，其特征在于：由于所 设计的可旋转双天线有源极化校准器PARC中的每个天线都是独立的，极化滤波器则固定 于天线口面，故天线旋转中每个极化滤波器是随着喇叭天线一起绕雷达视线转动的；因此， 只要将上述极化栅安装在喇叭天线口面外端口处，使极化栅的导线方向与喇叭天线极化方 式相一致，则无论天线工作在何种线极化状态，均可起到滤除交叉极化耦合的作用，从而大 大提高PARC天线的极化隔离度；特别当α =0,即极化栅在天线工作于水平极化时可用作 水平极化滤波器，其垂直极化分量幅度为〇,理论上，可以滤除垂直极化分量；同理，在天线 工作于垂直极化时，极化栅可用作垂直极化滤波器，即α =90,理论上，可以滤除水平极化 分量。
4. 一种可旋转双天线有源极化校准方法，利用权利要求1至3中任一项所述的可旋转 双天线有源极化校准装置，其特征在于：该方法处理步骤如下： 步骤1 :安装权利要求1所述的极化校准装置，调整好延时参数，控制旋转机构，使有源 极化校准器PARC匀速慢速旋转，雷达测量并存储有源极化校准器PARC天线转过N圈的全 部极化散射矩阵PSM数据，记为Mf 2; 步骤2 :将各极化分量分别应用傅里叶级数进行展开，有：
其中wv表示所有的极化状态，w和V可取H或V，Ctlwv为傅里叶级数的常数项系数，a n，wv 和bn，wv分别为傅里叶级数第η阶余弦项和正弦项系数，Θ ^3PARC接收天线的极化角大小； 提取出常数项与2阶项系数，结合式（21a-d):
式中，4=^为测量系统的交叉极化因子，R?、Rhv、 nHH 1^JT 1HH 1W Rvh、Rvv、Thh为接收天线的对应极化通道增益，T hh、THV、TvitS T vv为发射天线的对应极化通道 增益； 令对应项系数相等，即可求得雷达系统的各校准参数； 步骤3 :安装待测目标，并测量目标的极化散射矩阵PSM，假设其测量值为Mt; 步骤4 :根据步骤2中得到的极化校准参数和步骤3中测得的目标极化散射矩阵PSM测 量值，应用式（18):
式中，M/?、M广、M广、ΜΓ为目标测量值各极化分量，其他各参数定义同前；即可 完成该目标的极化校准，得到目标的真实极化散射矩阵PSM值St。
【专利摘要】本发明公开了一种可旋转双天线有源极化校准装置及其极化校准方法，该装置在接收天线和发射天线口面处加装极化滤波器；采用了可旋转双天线设计，接收天线和发射天线的不同姿态组合可构成不同的极化组合。由于所设计的可旋转双天线有源极化校准器PARC中的每个天线都是可以独立旋转的，控制PARC接收天线和发射天线的以不同极化方式组合，可获得PARC的多种形式的极化散射矩阵。安装本发明所提出的PARC极化校准装置，调整好延时参数，控制旋转机构，使PARC匀速慢速旋转，可以完成对任意待校准目标的校准工作。通过在天线口面处加装极化滤波器，可使得收、发天线各自的极化隔离度大大提高，有利于提高极化校准精度。
【IPC分类】H01Q3-26, H01Q21-24, H01Q23-00, H01Q15-24, H04B17-12
【公开号】CN104659498
【申请号】CN201510097312
【发明人】唐建国, 许小剑, 吴鹏飞
【申请人】北京航空航天大学
【公开日】2015年5月27日
【申请日】2015年3月5日