单极化雷达的散射矩阵测量新方法及其外场实验研究

戴幻尧,李永祯,王雪松,常宇亮,刘 勇

(国防科技大学电子科学与工程学院,长沙410073)

0 引 言

雷达目标极化散射矩阵(PSM)提供了全面的雷达目标信息,准确获取雷达目标的极化信息(极化测量)有望极大的提高雷达的反隐身目标、抗有源干扰的能力,特别是鉴别或抑制有源假目标干扰,确保目标跟踪的有效性,同时也是雷达目标特征提取与识别等多个领域备受关注的前沿问题[1-5]。传统的测量方法都是基于全极化收发体制的,所需的工程设备量和复杂度大,实现代价高昂,雷达设计者在提高天线极化纯度、加强正交极化通道隔离、保持多个极化通道幅度相位的一致性、极化系统定标、目标互易性修正等问题难以有效解决。文献[1,6-8]研究了机扫天线在空域扫描时极化特性的变化规律,并定义为天线的“空域极化特性”,指出利用单极化天线的空域极化特性可在一定程度上测得目标的全极化散射矩阵。本文利用课题组自行研制的瞬态极化雷达实验系统对该方法进行了外场试验验证,设计了试验方案,利用单路收发通道对某目标进行了多次观测,试验结论证明了该方法的可行性,并指出该方法在雷达导引头和跟踪制导雷达中的极化目标识别和抗干扰方面具有诱人的应用潜力。

1 目标极化散射矩阵测量算法原理

天线辐射场的极化方式并非固定不变的,它与测量辐射场所处位置有着密切关系,在不同观测方向上,天线辐射电磁波的极化状态可能不同,即天线极化是一个空域变量,这可以等效为天线在扫掠目标的同时,其收发电磁波的极化状态也会随着扫描角度的变化发生改变,文献[1]将这种特性定义为天线的“空域极化特性”。天线工程中实际天线的极化总是一定程度的偏离期望极化[9],这种偏差通常与工作频率和空间指向有关。因此天线的主极化和交叉极化电压方向图均可视为天线的空间扫描角 φ的函数(这里作降维处理,仅考虑方位向的机械扫描),分别记为 Fco(φ)和 Fcx(φ),选择极化基为水平垂直极化基(^h,^v),天线的发射极化矢量可记为

根据雷达极化理论,在水平垂直极化基(^h,^v)下,天线对目标的接收电压可表示为[10]

式中,β1表示幅度,它是雷达方程中各元素的函数(包括:发射天线的最大增益、距离、发射功率、发射损耗、传输损耗等);目标的极化散射矩阵为 S;ht=[htH,htV]T和hr=[hrH,hrV]T分别为雷达发射和接收天线的极化矢量,Gt和Gr分别为雷达发射和接收天线方向图,天线的极化矢量和增益均是空间角坐标的函数,则各变量可写为 h t(φ)、h r(φ)、Gt(φ)、Gr(φ)。

对于单基地雷达,根据互易原理可知接收极化矢量满足 hr(φ)=ht(φ),Gt(φ)=Gr(φ),代入上式可得

式中,β表示信号幅度,是由雷达接收机处理增益以及雷达方程中各元素(除散射截面积外)共同决定的值,但与雷达极化以及目标散射矩阵无关。

为简化起见,将接收电压信号做幅度归一化处理,即令 β=1。此时,天线对目标的接收电压可写为

对雷达接收目标回波做空域Fourier变换,得其空域频谱为

式中 fφ代表空域频率,且有 fφ=1/Δφs,φ0为观测窗口宽度,Δφs代表空域采样间隔。

综合上述二式可得

由上式可见,雷达天线接收电压的频谱Vr(fφ)是目标极化散射矩阵各元素的联合表征量,而且各系数均具有相应的物理涵义(关于天线主极化方向图和交叉极化方向图的函数)。其中,kCo(fφ)表示天线主极化分量功率方向图的频谱,kCoCx(fφ)表示交叉极化与主极化方向图耦合部分的功率方向图频谱,kCx(fφ)表示天线交叉极化分量功率方向图的频谱。

根据天线测量原理[10],天线的主极化和交叉极化方向图是可以经过测量或计算得到的,这为利用天线的空域极化特性进行目标极化散射矩阵测量提供了可能。根据上面的原理,在天线主辐射波束附近通过选取几个用于极化测量关键空域频率点 fφ=fφ1,fφ2, …,fφN,并测定这一系列空域点上极化状态的变化规律,通过计算各空频点对应的接收回波电压序列的频谱Vr(fφ),以及散射矩阵各元素的相应系数,构建线性方程组并联立,利用最小二乘法求解即可估计得到目标极化散射矩阵,具体算法及性能分详见文献[1]构造如下线性方程组:

其中

称为“频谱系数矩阵”,K(fφ1),K(fφ2), …,K(fφN)表示矩阵K的各行向量,简称为“频谱系数行向量”,代表各个空频点下极化功率方向图频谱的复值。

因此,由最小二乘估计表达式可表示为

实际测量中仅考虑三个各感兴趣空域频点构造一个线性无关方程即可求解出目标的极化散射矩阵的三个分量,这是由于天线的辐射场在空域分布规律决定了必然存在三个线性无关的典型频谱系数行向量 K1、K2、K3,构成3×3的非奇异阵,可由 S=K-13×3Vr(3×1)反推得到目标的极化散射矩阵。即使在特殊情况下(目标不满足互易性),仍可以构造多个频谱系数向量进行求解散射矩阵的四个分量。

2 外场试验设计和实验结果

2.1 实验系统组成、收验条件及方法

由第一节的算法原来不难看出,在不增加设备量的前提下,通过改进现有单极化的战场警戒、引导、跟踪制导雷达的后端信号处理方式,可以使其具备一定的极化测量和处理能力,不仅对提高当前我军现有装备雷达的极化目标识别和抗干扰能力起到积极的作用,而且能为未来全极化测量和抗干扰雷达的研制提供十分有益的技术指导。目前大多数雷达导引头等跟踪制导系统都工作在X波段的脉冲体制,分析并改进这种雷达使之具备有限极化测量能力具有很强的代表性和军事意义,下文将给出算法验证试验和实验处理结果。

外场试验所采用的雷达是项目组自行研制开发的X波段的瞬态极化雷达实验系统,该系统可同时发射正交极化电磁波,同时接收全极化回波,两个正交极化通道的幅度误差小于1dB,相位误差小于10°,载频 10.48GHz,带宽 40 MHz,脉宽在 0.2～ 5 μs可选,重复周期在20～100μs可选;具有多种工作模式,可实现分时极化测量和同时极化测量两种体制,支持双频矢量脉冲、正负线性调频和相位编码等多种瞬态极化雷达波形,其结构如图1所示。

图1 瞬态极化测量系统结构示意图Fig.1 KD/IPR-X band radar diagram

外场试验的地点选择在长沙市月亮岛附近的开阔场地,将三叉矶大桥作为配试的雷达目标,图2-3给出外场试验的场景。目标和雷达所在位置有较大的高度落差,使得雷达辐射波束具有一定的仰角,避开近区建筑遮挡,最大程度的降低背景杂波和非目标回波,从而更好的发现和测量真实目标。由图1可以看出系统具备水平和垂直极化共四路收发通道,试验中仅接入两路同极化通道,然后通过调整雷达天线波束指向,观察目标回波信号,取回波幅度最强时刻和方位作为参考方位,此时主极化分量最强交叉极化分量最弱,此时固定天线指向,发射多组信号波形,这里选择三种信号波形(简单脉冲,线性调频,相位编码),发射信号的脉宽分别选择0.5,1,1.5和2μs,脉冲重复周期(PRI)固定为100μs,每次由PCI信号采集卡采样得到的一路极化通道的数字信号,然后按照1°的间隔调整天线的指向,在不同的观测方向上分别采集回波数据,并编号;当回波消失认为目标已经离开波束所指向的空域,记录已采集数据的批数,参考第二节的处理算法对采样数据进一步处理即可得到目标的散射矩阵估计值,目标极化散射矩阵的估计流程如图4所示。

2.2 实验结果分析

图2 瞬态极化雷达Fig.2 Instantaneous Polarization Radar(IPR)

图3 配试目标三叉矶大桥Fig.3 Radar target of SANCHAJI bridge

图4 目标PSM的估计流程图Fig.4 Flowchart of Polarization scattering matrix measurement

实验结果表明:通过对实际测量数据进行处理可以目标极化散射矩阵,并且测量性能比较稳定,基本可满足实用要求。图5为当利用X波段的瞬态极化雷达天线扫掠目标的三个空域位置时垂直(V)极化通道测得的大桥目标的回波信号,单独选取一个脉冲回波可以看出,前面幅度较强的为存在的发射机强耦合信号,目标回波信号约滞后8微秒,估计目标距离约为1200米,和实际目标距离吻合较好,在其它距离分辨单元也有回波,是大桥附近的运沙船。图6给出了目标回波信号的频谱,频谱形状比较理想,频谱的峰值随着天线小角度扫描目标的同时有减弱的趋势,这一方面验证了天线增益随扫描角发生变化,也验证了天线的极化状态随扫描角变化偏离了主极化方向,天线的极化状态由极化方向图和极化比的幅度来表示,是根据电磁计算和暗室测量实验得到的,其演变规律如图7所示。图8为根据第二节的处理算法利用三批简单脉冲信号回波处理得到的目标散射矩阵各个分量的幅度特性,图9为测得的散射矩阵的各个分量的相位特性,可以看出在每个脉冲间隔测得目标散射矩阵存在一定的起伏特性,这是因为桥上很多车辆的通行使得大桥呈现一定的起伏,同时大桥结构比较复杂,可能和桥本身的架构还有江面产生一定的多径效应,引起回波也存在较小的起伏。从图中可以看出散射矩阵各分量幅度起伏小于3dB,相位起伏小于5°,目标散射矩阵其它波形测得的目标散射矩阵结果和上述结果类似,这里不一一列举。

图5 目标时域回波信号Fig.5 Time domain waveform of returns

图6 空域采样后的目标回波频谱Fig.6 Spatial frequency spectrum of target returns

3 结束语

图7 瞬态极化雷达(IPR)单路收发天线极化方向图Fig.7 Antenna polarization pattern and polarization ratio distribution of IPR

图8 测量的散射矩阵各分量幅度起伏特性Fig.8 Relative amplitudeof the components of PSM

图9 测量的散射矩阵各分量相位起伏特性Fig.9 Relative phase of the components of PSM

利用国防科技大学研制的瞬态极化雷达实验系统,本文研究并设计了一种新的极化测量算法外场验证试验,试验中通过发射不同的波形,利用单极化雷达天线在空域扫描过程中极化状态的变化规律对目标回波序列进行采集和处理,首次实现了利用天线本身的固有属性,在目标稳定跟踪阶段波束扫掠目标的短暂时间内仅需单个接收处理通道即完成目标极化散射矩阵的测量,外场实测数据的处理和分析验证了上述研究的正确性。该方法大大降低了全极化测量跟踪制导雷达研发的系统复杂度和设计成本,对于挖掘现有小型单极化跟踪制导雷达装备中的极化测量能力、提升其信息获取与处理能力具有深刻的启发和指导意义。同时,目标极化特性的获取可进一步用于对抗有源干扰、抑制环境杂波、微弱目标感知与反隐身、目标极化特征提取与建库,密集目标跟踪及自动目标识别,在防空反导雷达系统中有很好的应用前景。

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