單極化雷達(dá)的散射矩陣測(cè)量新方法及其外場(chǎng)實(shí)驗(yàn)研究

戴幻堯,李永禎,王雪松,常宇亮,劉 勇

(國防科技大學(xué)電子科學(xué)與工程學(xué)院,長沙410073)

0 引 言

雷達(dá)目標(biāo)極化散射矩陣(PSM)提供了全面的雷達(dá)目標(biāo)信息,準(zhǔn)確獲取雷達(dá)目標(biāo)的極化信息(極化測(cè)量)有望極大的提高雷達(dá)的反隱身目標(biāo)、抗有源干擾的能力,特別是鑒別或抑制有源假目標(biāo)干擾,確保目標(biāo)跟蹤的有效性,同時(shí)也是雷達(dá)目標(biāo)特征提取與識(shí)別等多個(gè)領(lǐng)域備受關(guān)注的前沿問題[1-5]。傳統(tǒng)的測(cè)量方法都是基于全極化收發(fā)體制的,所需的工程設(shè)備量和復(fù)雜度大,實(shí)現(xiàn)代價(jià)高昂,雷達(dá)設(shè)計(jì)者在提高天線極化純度、加強(qiáng)正交極化通道隔離、保持多個(gè)極化通道幅度相位的一致性、極化系統(tǒng)定標(biāo)、目標(biāo)互易性修正等問題難以有效解決。文獻(xiàn)[1,6-8]研究了機(jī)掃天線在空域掃描時(shí)極化特性的變化規(guī)律,并定義為天線的“空域極化特性”,指出利用單極化天線的空域極化特性可在一定程度上測(cè)得目標(biāo)的全極化散射矩陣。本文利用課題組自行研制的瞬態(tài)極化雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)對(duì)該方法進(jìn)行了外場(chǎng)試驗(yàn)驗(yàn)證,設(shè)計(jì)了試驗(yàn)方案,利用單路收發(fā)通道對(duì)某目標(biāo)進(jìn)行了多次觀測(cè),試驗(yàn)結(jié)論證明了該方法的可行性,并指出該方法在雷達(dá)導(dǎo)引頭和跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)中的極化目標(biāo)識(shí)別和抗干擾方面具有誘人的應(yīng)用潛力。

1 目標(biāo)極化散射矩陣測(cè)量算法原理

天線輻射場(chǎng)的極化方式并非固定不變的,它與測(cè)量輻射場(chǎng)所處位置有著密切關(guān)系,在不同觀測(cè)方向上,天線輻射電磁波的極化狀態(tài)可能不同,即天線極化是一個(gè)空域變量,這可以等效為天線在掃掠目標(biāo)的同時(shí),其收發(fā)電磁波的極化狀態(tài)也會(huì)隨著掃描角度的變化發(fā)生改變,文獻(xiàn)[1]將這種特性定義為天線的“空域極化特性”。天線工程中實(shí)際天線的極化總是一定程度的偏離期望極化[9],這種偏差通常與工作頻率和空間指向有關(guān)。因此天線的主極化和交叉極化電壓方向圖均可視為天線的空間掃描角 φ的函數(shù)(這里作降維處理,僅考慮方位向的機(jī)械掃描),分別記為 Fco(φ)和 Fcx(φ),選擇極化基為水平垂直極化基(^h,^v),天線的發(fā)射極化矢量可記為

根據(jù)雷達(dá)極化理論,在水平垂直極化基(^h,^v)下,天線對(duì)目標(biāo)的接收電壓可表示為[10]

式中,β1表示幅度,它是雷達(dá)方程中各元素的函數(shù)(包括:發(fā)射天線的最大增益、距離、發(fā)射功率、發(fā)射損耗、傳輸損耗等);目標(biāo)的極化散射矩陣為 S;ht=[htH,htV]T和hr=[hrH,hrV]T分別為雷達(dá)發(fā)射和接收天線的極化矢量,Gt和Gr分別為雷達(dá)發(fā)射和接收天線方向圖,天線的極化矢量和增益均是空間角坐標(biāo)的函數(shù),則各變量可寫為 h t(φ)、h r(φ)、Gt(φ)、Gr(φ)。

對(duì)于單基地雷達(dá),根據(jù)互易原理可知接收極化矢量滿足 hr(φ)=ht(φ),Gt(φ)=Gr(φ),代入上式可得

式中,β表示信號(hào)幅度,是由雷達(dá)接收機(jī)處理增益以及雷達(dá)方程中各元素(除散射截面積外)共同決定的值,但與雷達(dá)極化以及目標(biāo)散射矩陣無關(guān)。

為簡(jiǎn)化起見,將接收電壓信號(hào)做幅度歸一化處理,即令 β=1。此時(shí),天線對(duì)目標(biāo)的接收電壓可寫為

對(duì)雷達(dá)接收目標(biāo)回波做空域Fourier變換,得其空域頻譜為

式中 fφ代表空域頻率,且有 fφ=1/Δφs,φ0為觀測(cè)窗口寬度,Δφs代表空域采樣間隔。

綜合上述二式可得

由上式可見,雷達(dá)天線接收電壓的頻譜Vr(fφ)是目標(biāo)極化散射矩陣各元素的聯(lián)合表征量,而且各系數(shù)均具有相應(yīng)的物理涵義(關(guān)于天線主極化方向圖和交叉極化方向圖的函數(shù))。其中,kCo(fφ)表示天線主極化分量功率方向圖的頻譜,kCoCx(fφ)表示交叉極化與主極化方向圖耦合部分的功率方向圖頻譜,kCx(fφ)表示天線交叉極化分量功率方向圖的頻譜。

根據(jù)天線測(cè)量原理[10],天線的主極化和交叉極化方向圖是可以經(jīng)過測(cè)量或計(jì)算得到的,這為利用天線的空域極化特性進(jìn)行目標(biāo)極化散射矩陣測(cè)量提供了可能。根據(jù)上面的原理,在天線主輻射波束附近通過選取幾個(gè)用于極化測(cè)量關(guān)鍵空域頻率點(diǎn) fφ=fφ1,fφ2, …,fφN,并測(cè)定這一系列空域點(diǎn)上極化狀態(tài)的變化規(guī)律,通過計(jì)算各空頻點(diǎn)對(duì)應(yīng)的接收回波電壓序列的頻譜Vr(fφ),以及散射矩陣各元素的相應(yīng)系數(shù),構(gòu)建線性方程組并聯(lián)立,利用最小二乘法求解即可估計(jì)得到目標(biāo)極化散射矩陣,具體算法及性能分詳見文獻(xiàn)[1]構(gòu)造如下線性方程組:

其中

稱為“頻譜系數(shù)矩陣”,K(fφ1),K(fφ2), …,K(fφN)表示矩陣K的各行向量,簡(jiǎn)稱為“頻譜系數(shù)行向量”,代表各個(gè)空頻點(diǎn)下極化功率方向圖頻譜的復(fù)值。

因此,由最小二乘估計(jì)表達(dá)式可表示為

實(shí)際測(cè)量中僅考慮三個(gè)各感興趣空域頻點(diǎn)構(gòu)造一個(gè)線性無關(guān)方程即可求解出目標(biāo)的極化散射矩陣的三個(gè)分量,這是由于天線的輻射場(chǎng)在空域分布規(guī)律決定了必然存在三個(gè)線性無關(guān)的典型頻譜系數(shù)行向量 K1、K2、K3,構(gòu)成3×3的非奇異陣,可由 S=K-13×3Vr(3×1)反推得到目標(biāo)的極化散射矩陣。即使在特殊情況下(目標(biāo)不滿足互易性),仍可以構(gòu)造多個(gè)頻譜系數(shù)向量進(jìn)行求解散射矩陣的四個(gè)分量。

2 外場(chǎng)試驗(yàn)設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)組成、收驗(yàn)條件及方法

由第一節(jié)的算法原來不難看出,在不增加設(shè)備量的前提下,通過改進(jìn)現(xiàn)有單極化的戰(zhàn)場(chǎng)警戒、引導(dǎo)、跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)的后端信號(hào)處理方式,可以使其具備一定的極化測(cè)量和處理能力,不僅對(duì)提高當(dāng)前我軍現(xiàn)有裝備雷達(dá)的極化目標(biāo)識(shí)別和抗干擾能力起到積極的作用,而且能為未來全極化測(cè)量和抗干擾雷達(dá)的研制提供十分有益的技術(shù)指導(dǎo)。目前大多數(shù)雷達(dá)導(dǎo)引頭等跟蹤制導(dǎo)系統(tǒng)都工作在X波段的脈沖體制,分析并改進(jìn)這種雷達(dá)使之具備有限極化測(cè)量能力具有很強(qiáng)的代表性和軍事意義,下文將給出算法驗(yàn)證試驗(yàn)和實(shí)驗(yàn)處理結(jié)果。

外場(chǎng)試驗(yàn)所采用的雷達(dá)是項(xiàng)目組自行研制開發(fā)的X波段的瞬態(tài)極化雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),該系統(tǒng)可同時(shí)發(fā)射正交極化電磁波,同時(shí)接收全極化回波,兩個(gè)正交極化通道的幅度誤差小于1dB,相位誤差小于10°,載頻 10.48GHz,帶寬 40 MHz,脈寬在 0.2～ 5 μs可選,重復(fù)周期在20～100μs可選;具有多種工作模式,可實(shí)現(xiàn)分時(shí)極化測(cè)量和同時(shí)極化測(cè)量兩種體制,支持雙頻矢量脈沖、正負(fù)線性調(diào)頻和相位編碼等多種瞬態(tài)極化雷達(dá)波形,其結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 瞬態(tài)極化測(cè)量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 KD/IPR-X band radar diagram

外場(chǎng)試驗(yàn)的地點(diǎn)選擇在長沙市月亮島附近的開闊場(chǎng)地,將三叉磯大橋作為配試的雷達(dá)目標(biāo),圖2-3給出外場(chǎng)試驗(yàn)的場(chǎng)景。目標(biāo)和雷達(dá)所在位置有較大的高度落差,使得雷達(dá)輻射波束具有一定的仰角,避開近區(qū)建筑遮擋,最大程度的降低背景雜波和非目標(biāo)回波,從而更好的發(fā)現(xiàn)和測(cè)量真實(shí)目標(biāo)。由圖1可以看出系統(tǒng)具備水平和垂直極化共四路收發(fā)通道,試驗(yàn)中僅接入兩路同極化通道,然后通過調(diào)整雷達(dá)天線波束指向,觀察目標(biāo)回波信號(hào),取回波幅度最強(qiáng)時(shí)刻和方位作為參考方位,此時(shí)主極化分量最強(qiáng)交叉極化分量最弱,此時(shí)固定天線指向,發(fā)射多組信號(hào)波形,這里選擇三種信號(hào)波形(簡(jiǎn)單脈沖,線性調(diào)頻,相位編碼),發(fā)射信號(hào)的脈寬分別選擇0.5,1,1.5和2μs,脈沖重復(fù)周期(PRI)固定為100μs,每次由PCI信號(hào)采集卡采樣得到的一路極化通道的數(shù)字信號(hào),然后按照1°的間隔調(diào)整天線的指向,在不同的觀測(cè)方向上分別采集回波數(shù)據(jù),并編號(hào);當(dāng)回波消失認(rèn)為目標(biāo)已經(jīng)離開波束所指向的空域,記錄已采集數(shù)據(jù)的批數(shù),參考第二節(jié)的處理算法對(duì)采樣數(shù)據(jù)進(jìn)一步處理即可得到目標(biāo)的散射矩陣估計(jì)值,目標(biāo)極化散射矩陣的估計(jì)流程如圖4所示。

2.2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖2 瞬態(tài)極化雷達(dá)Fig.2 Instantaneous Polarization Radar(IPR)

圖3 配試目標(biāo)三叉磯大橋Fig.3 Radar target of SANCHAJI bridge

圖4 目標(biāo)PSM的估計(jì)流程圖Fig.4 Flowchart of Polarization scattering matrix measurement

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明:通過對(duì)實(shí)際測(cè)量數(shù)據(jù)進(jìn)行處理可以目標(biāo)極化散射矩陣,并且測(cè)量性能比較穩(wěn)定,基本可滿足實(shí)用要求。圖5為當(dāng)利用X波段的瞬態(tài)極化雷達(dá)天線掃掠目標(biāo)的三個(gè)空域位置時(shí)垂直(V)極化通道測(cè)得的大橋目標(biāo)的回波信號(hào),單獨(dú)選取一個(gè)脈沖回波可以看出,前面幅度較強(qiáng)的為存在的發(fā)射機(jī)強(qiáng)耦合信號(hào),目標(biāo)回波信號(hào)約滯后8微秒,估計(jì)目標(biāo)距離約為1200米,和實(shí)際目標(biāo)距離吻合較好,在其它距離分辨單元也有回波,是大橋附近的運(yùn)沙船。圖6給出了目標(biāo)回波信號(hào)的頻譜,頻譜形狀比較理想,頻譜的峰值隨著天線小角度掃描目標(biāo)的同時(shí)有減弱的趨勢(shì),這一方面驗(yàn)證了天線增益隨掃描角發(fā)生變化,也驗(yàn)證了天線的極化狀態(tài)隨掃描角變化偏離了主極化方向,天線的極化狀態(tài)由極化方向圖和極化比的幅度來表示,是根據(jù)電磁計(jì)算和暗室測(cè)量實(shí)驗(yàn)得到的,其演變規(guī)律如圖7所示。圖8為根據(jù)第二節(jié)的處理算法利用三批簡(jiǎn)單脈沖信號(hào)回波處理得到的目標(biāo)散射矩陣各個(gè)分量的幅度特性,圖9為測(cè)得的散射矩陣的各個(gè)分量的相位特性,可以看出在每個(gè)脈沖間隔測(cè)得目標(biāo)散射矩陣存在一定的起伏特性,這是因?yàn)闃蛏虾芏嘬囕v的通行使得大橋呈現(xiàn)一定的起伏,同時(shí)大橋結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜,可能和橋本身的架構(gòu)還有江面產(chǎn)生一定的多徑效應(yīng),引起回波也存在較小的起伏。從圖中可以看出散射矩陣各分量幅度起伏小于3dB,相位起伏小于5°,目標(biāo)散射矩陣其它波形測(cè)得的目標(biāo)散射矩陣結(jié)果和上述結(jié)果類似,這里不一一列舉。

圖5 目標(biāo)時(shí)域回波信號(hào)Fig.5 Time domain waveform of returns

圖6 空域采樣后的目標(biāo)回波頻譜Fig.6 Spatial frequency spectrum of target returns

3 結(jié)束語

圖7 瞬態(tài)極化雷達(dá)(IPR)單路收發(fā)天線極化方向圖Fig.7 Antenna polarization pattern and polarization ratio distribution of IPR

圖8 測(cè)量的散射矩陣各分量幅度起伏特性Fig.8 Relative amplitudeof the components of PSM

圖9 測(cè)量的散射矩陣各分量相位起伏特性Fig.9 Relative phase of the components of PSM

利用國防科技大學(xué)研制的瞬態(tài)極化雷達(dá)實(shí)驗(yàn)系統(tǒng),本文研究并設(shè)計(jì)了一種新的極化測(cè)量算法外場(chǎng)驗(yàn)證試驗(yàn),試驗(yàn)中通過發(fā)射不同的波形,利用單極化雷達(dá)天線在空域掃描過程中極化狀態(tài)的變化規(guī)律對(duì)目標(biāo)回波序列進(jìn)行采集和處理,首次實(shí)現(xiàn)了利用天線本身的固有屬性,在目標(biāo)穩(wěn)定跟蹤階段波束掃掠目標(biāo)的短暫時(shí)間內(nèi)僅需單個(gè)接收處理通道即完成目標(biāo)極化散射矩陣的測(cè)量,外場(chǎng)實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)的處理和分析驗(yàn)證了上述研究的正確性。該方法大大降低了全極化測(cè)量跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)研發(fā)的系統(tǒng)復(fù)雜度和設(shè)計(jì)成本,對(duì)于挖掘現(xiàn)有小型單極化跟蹤制導(dǎo)雷達(dá)裝備中的極化測(cè)量能力、提升其信息獲取與處理能力具有深刻的啟發(fā)和指導(dǎo)意義。同時(shí),目標(biāo)極化特性的獲取可進(jìn)一步用于對(duì)抗有源干擾、抑制環(huán)境雜波、微弱目標(biāo)感知與反隱身、目標(biāo)極化特征提取與建庫,密集目標(biāo)跟蹤及自動(dòng)目標(biāo)識(shí)別,在防空反導(dǎo)雷達(dá)系統(tǒng)中有很好的應(yīng)用前景。

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