本發(fā)明涉及雷達(dá)系統(tǒng)的極化測(cè)量與校準(zhǔn)，尤其是涉及一種可編程射頻開(kāi)關(guān)切換的雙天線有源極化校準(zhǔn)裝置。

背景技術(shù)：

1、在雷達(dá)目標(biāo)極化散射矩陣的測(cè)量中，接收到的信號(hào)不僅與待測(cè)目標(biāo)的極化散射矩陣有關(guān)，還與測(cè)量系統(tǒng)發(fā)射通道和接收通道的特性有關(guān)。如肖志河等人在1996年《雷達(dá)目標(biāo)極化散射矩陣測(cè)量極化》一文中提及，考慮雷達(dá)各極化通道間存在交叉耦合以及增益失衡等情況，目標(biāo)測(cè)量的極化散射矩陣與真實(shí)值之間的關(guān)系如圖1所示，由圖1所示，雷達(dá)的接收通道傳輸矩陣r發(fā)射通道傳輸矩陣t以及背景雜波i會(huì)導(dǎo)致目標(biāo)的測(cè)量極化散射矩陣sm與目標(biāo)真實(shí)極化散射矩陣s存在偏差。實(shí)測(cè)值sm和目標(biāo)極化散射矩陣s滿足以下關(guān)系式：

2、s＝rst+i?(1)

3、極化校準(zhǔn)的目的是從實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)中盡可能不失真地還原出目標(biāo)真實(shí)的極化散射矩陣，求解方程為：

4、s＝r-1(sm-i)t-1?(2)

5、可見(jiàn)，必須同時(shí)求得系統(tǒng)的收發(fā)通道傳輸矩陣r、t和背景雜波i，才能實(shí)現(xiàn)對(duì)任意目標(biāo)的極化校準(zhǔn)。

6、極化校準(zhǔn)的通常做法是：控制測(cè)試環(huán)境的背景雜波足夠低從而可忽略其對(duì)測(cè)量的影響，近似地有i＝0，或者直接測(cè)得背景雜波矩陣i并進(jìn)行背景向量相減處理，在此基礎(chǔ)上利用理論極化散射矩陣已知的目標(biāo)作為極化校準(zhǔn)體，結(jié)合其實(shí)測(cè)極化散射矩陣，通過(guò)式(1)建立理論極化散射矩陣與經(jīng)過(guò)背景抵消后的測(cè)量值之間的量化關(guān)系，有：

7、m＝sm-i＝rst?(3)

8、來(lái)求解雷達(dá)測(cè)量系統(tǒng)的校準(zhǔn)參數(shù)r、t，從而有以下簡(jiǎn)化公式

9、s＝r-1mt-1?(4)

10、如ulaby等人在1992年《performance?characterization?of?polarimetricactive?radar?calibrators?and?a?new?single?antenna?design》一文中提及，最基本的parc是帶有光纖延時(shí)器的有源轉(zhuǎn)發(fā)器，其簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。工作過(guò)程為：接收天線接收從空間接收雷達(dá)信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)過(guò)放大器處理后，由帶通濾波器濾除雷達(dá)工作頻率以外的雜波；通過(guò)調(diào)節(jié)延時(shí)線的延時(shí)大小來(lái)等效改變測(cè)量距離，這樣，可以去除固定距離上的背景雜波使得近似地有i＝0；最后再經(jīng)轉(zhuǎn)發(fā)天線轉(zhuǎn)發(fā)出去，從而被雷達(dá)接收和處理。

11、與無(wú)源定標(biāo)體相比，有源極化校準(zhǔn)器(polarimetricactive?radar?calibrator，parc)的雷達(dá)散射截面不收物理尺寸限制，且其大小可以通過(guò)調(diào)節(jié)衰減器來(lái)改變，其理論計(jì)算值為：

12、

13、式中，gt和gr分別為parc轉(zhuǎn)發(fā)天線和接收天線的增益，gloop為圖2中除天線外，整個(gè)回路的增益。一般也可以通過(guò)相對(duì)定標(biāo)的方法測(cè)得其rcs大小。

14、與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)-1的分析如下：

15、一、傳統(tǒng)的單天線parc天線口面內(nèi)部有一對(duì)相互正交放置的饋源，分別用于接收信號(hào)和轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)，其原理框圖參見(jiàn)圖2所示。單天線parc的接收和轉(zhuǎn)發(fā)信號(hào)的極化方式始終是相互正交的，如圖3所示。通過(guò)將天線繞雷達(dá)視線旋轉(zhuǎn)至不同的角位置，天線收發(fā)的極化狀態(tài)也隨之而改變，從而獲得不同的極化散射矩陣。

16、采用這種parc極化校準(zhǔn)的基本步驟為：

17、(1)計(jì)算兩種姿態(tài)下單天線parc的極化散射矩陣的理論值

18、(2)測(cè)量?jī)煞N姿態(tài)下的單天線parc的測(cè)量值在測(cè)量中，經(jīng)延時(shí)線處理使得接收回波被延時(shí)到遠(yuǎn)離parc所在的距離處，從而可消除背景雜波i的影響；

19、(3)將上述及通過(guò)式(3)建立方程組，求解收發(fā)共天線的單站雷達(dá)系統(tǒng)的收發(fā)通道傳輸矩陣r和t。

20、現(xiàn)有技術(shù)-1的缺點(diǎn)分析如下：

21、ulaby等人提出的單天線parc結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能夠較好地完成極化校準(zhǔn)工作，但仍存在以下缺點(diǎn)：由于該方案是對(duì)某幾個(gè)天線轉(zhuǎn)角的parc進(jìn)行測(cè)量而獲得實(shí)測(cè)數(shù)據(jù)，當(dāng)測(cè)量中存在微小旋轉(zhuǎn)角度誤差時(shí)，會(huì)對(duì)校準(zhǔn)的精度產(chǎn)生影響。

22、與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)-2分析如下：

23、肖順平等人2012年在《scheme?ofdynamic?polarimetric?calibration》一文中提出一種基于數(shù)字射頻存儲(chǔ)器的parc系統(tǒng)，其總體設(shè)計(jì)框圖如圖4所示。該系統(tǒng)對(duì)接收到的信號(hào)進(jìn)行離散化采樣，將離散的信號(hào)存儲(chǔ)在數(shù)字射頻存儲(chǔ)器中，所有對(duì)信號(hào)的相關(guān)處理都是對(duì)存儲(chǔ)器中的離散信號(hào)進(jìn)行操作，處理后再由d/a轉(zhuǎn)換器將信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬信號(hào)進(jìn)行轉(zhuǎn)發(fā)。通過(guò)轉(zhuǎn)臺(tái)控制parc的接收天線與轉(zhuǎn)發(fā)天線以不同的角速度旋轉(zhuǎn)，在雷達(dá)測(cè)量過(guò)程中，parc收發(fā)天線始終在轉(zhuǎn)，基于此parc結(jié)構(gòu)提出了基于頻域的有源極化校準(zhǔn)方法。

24、采用這種parc其極化校準(zhǔn)的基本步驟為：

25、(1)parc收發(fā)天線分別以角速度ωr和ωt旋轉(zhuǎn)，測(cè)量其測(cè)量值mp；

26、(2)將parc理論極化散射矩陣sp及測(cè)量值mp改寫(xiě)為4x1的向量和并將式(3)所描述的誤差模型改寫(xiě)為其中(為kroneker積)，它全面的描述了雷達(dá)系統(tǒng)校準(zhǔn)參數(shù)；

27、(3)將兩邊同時(shí)取傅里葉變換，可以求得且該解只有在parc接收天線與轉(zhuǎn)發(fā)天線的旋轉(zhuǎn)角速度不相等時(shí)成立。

28、現(xiàn)有技術(shù)-2的缺點(diǎn)分析如下：

29、肖順平等人提出的基于雙天線數(shù)字式parc結(jié)構(gòu)所提出的頻率動(dòng)態(tài)極化校準(zhǔn)方法，理論上可以實(shí)現(xiàn)對(duì)雷達(dá)系統(tǒng)的校準(zhǔn)，但其存在的缺點(diǎn)如下：

30、(1)技術(shù)設(shè)計(jì)非常復(fù)雜。這種數(shù)字式parc對(duì)a/d及d/a的采樣速率要求非常高，數(shù)字射頻存儲(chǔ)器電路的時(shí)序邏輯復(fù)雜，信號(hào)的寫(xiě)入與讀出以及延遲處理等操作都需要時(shí)鐘來(lái)進(jìn)行控制，在高速運(yùn)轉(zhuǎn)的電路中，容易出現(xiàn)競(jìng)爭(zhēng)、冒險(xiǎn)，以致整個(gè)系統(tǒng)不能穩(wěn)定正常的工作；

31、(2)校準(zhǔn)參數(shù)求解過(guò)程和算法復(fù)雜；

32、(3)成本高、可靠性及穩(wěn)定性有待驗(yàn)證，目前未見(jiàn)其真實(shí)產(chǎn)品和實(shí)際應(yīng)用報(bào)道。

33、與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)-3分析如下：

34、許小劍等人在2015年《a?new?polarimetric?active?radar?calibrator?andcalibration?technique》一文中提出了一種可旋轉(zhuǎn)雙天線有源極化校準(zhǔn)裝置采用了可旋轉(zhuǎn)雙天線設(shè)計(jì)，接收天線和發(fā)射天線的不同姿態(tài)組合可構(gòu)成不同的極化組合，其總體設(shè)計(jì)如圖5所示。由于所設(shè)計(jì)的可旋轉(zhuǎn)雙天線有源極化校準(zhǔn)器中的每個(gè)天線都是可以獨(dú)立旋轉(zhuǎn)的，控制parc接收天線和發(fā)射天線的以不同極化方式組合，可獲得parc的多種形式的極化散射矩陣。

35、現(xiàn)有技術(shù)-3的缺點(diǎn)分析如下：

36、許小劍等人提出的可旋轉(zhuǎn)雙天線有源極化校準(zhǔn)裝置可以獲得多種不同的極化散射矩陣且能夠較好的完成極化校準(zhǔn)工作，但是同文獻(xiàn)[1]中所提的單天線parc裝置一樣，都是通過(guò)旋轉(zhuǎn)天線來(lái)獲取不同的極化散射矩陣測(cè)量值，當(dāng)測(cè)量中存在微小轉(zhuǎn)角誤差時(shí)，會(huì)對(duì)校準(zhǔn)的精度產(chǎn)生影響。

37、與本發(fā)明相關(guān)的現(xiàn)有技術(shù)-4分析如下：

38、李亮等人在2018年《design?and?implementation?of?a?novel?polarimetricactive?radar?calibrator?for?gaofen-3?sar》一文中提出了一種基于雙極化高隔離度雙天線有源定標(biāo)器，通過(guò)使用一個(gè)包含功分器組、電調(diào)衰減器組、開(kāi)關(guān)組以及環(huán)形器組的四通模塊裝置來(lái)獲取不同極化組合轉(zhuǎn)發(fā)通道，可以獲得不同的極化散射矩陣。該四通模塊裝置由4個(gè)轉(zhuǎn)發(fā)通道組成，其示意圖如圖6所示。該裝置第二開(kāi)關(guān)閉合，第一、三、四開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，提供hv極化通道轉(zhuǎn)發(fā)；第三開(kāi)關(guān)閉合，第一、二、四開(kāi)關(guān)斷開(kāi)時(shí)，提供vh極化通道轉(zhuǎn)發(fā)；第一、二、三、四開(kāi)關(guān)全部閉合，提供hh/hv/vv/vh極化通道轉(zhuǎn)發(fā)?？色@得和三個(gè)極化散射矩陣，從而完成極化校準(zhǔn)。

39、現(xiàn)有技術(shù)-4的缺點(diǎn)分析如下：

40、雖然李亮等人提出的基于雙極化高隔離度雙天線有源極化校準(zhǔn)裝置可以通過(guò)四通模塊裝置模擬parc不同的極化散射矩陣，但是四通模塊裝置的四通道有源轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路包含了大量的有源、無(wú)源射頻器件，系統(tǒng)設(shè)計(jì)復(fù)雜、成本高昂。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、本發(fā)明的目的是提供一種可編程射頻開(kāi)關(guān)切換的雙天線有源極化校準(zhǔn)裝置，保留了已有parc裝置的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有傳統(tǒng)裝置所不具有的多個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。由于僅需對(duì)單個(gè)校準(zhǔn)裝置進(jìn)行測(cè)量，降低了測(cè)量過(guò)程中因多個(gè)校準(zhǔn)裝置聯(lián)合使用帶來(lái)的不一致性和測(cè)量不確定度，提高了極化校準(zhǔn)測(cè)量效率和精度。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供了一種可編程射頻開(kāi)關(guān)切換的雙天線有源極化校準(zhǔn)裝置，包括天線模塊、有源轉(zhuǎn)發(fā)模塊、射頻開(kāi)關(guān)模塊和遙控模塊，所述天線模塊包括接收天線和發(fā)射天線，所述接收天線用于接收待校準(zhǔn)雷達(dá)發(fā)射天線發(fā)射的信號(hào)，所述發(fā)射天線用于轉(zhuǎn)發(fā)接收天線收到的信號(hào)至待校準(zhǔn)雷達(dá)的接收機(jī)；

3、所述有源轉(zhuǎn)發(fā)模塊用于對(duì)接收天線接收到的信號(hào)進(jìn)行放大、延時(shí)處理，并將處理后的信號(hào)經(jīng)過(guò)發(fā)射天線發(fā)出，所述射頻開(kāi)關(guān)模塊用于切換接收天線或者發(fā)射天線極化端口與有源轉(zhuǎn)發(fā)模塊的連通狀態(tài)，所述遙控模塊用于控制射頻開(kāi)關(guān)模塊的連通狀態(tài)以及有源轉(zhuǎn)發(fā)模塊的增益控制、延時(shí)控制。

4、優(yōu)選的，所述射頻開(kāi)關(guān)模塊包括可編程射頻開(kāi)關(guān)一和可編程射頻開(kāi)關(guān)二，所述可編程射頻開(kāi)關(guān)一和可編程射頻開(kāi)關(guān)二均為高隔離度的單刀雙擲射頻開(kāi)關(guān)。

5、優(yōu)選的，所述有源轉(zhuǎn)發(fā)模塊包括隔離器、濾波器、延時(shí)器和自動(dòng)增益控制放大器，所述遙控模塊由遠(yuǎn)距離無(wú)線電通信方式遠(yuǎn)程控制。

6、優(yōu)選的，所述接收天線和發(fā)射天線通過(guò)可編程射頻開(kāi)關(guān)一和可編程射頻開(kāi)關(guān)二遙控切換，改變其極化端口與有源轉(zhuǎn)發(fā)模塊的連通狀態(tài)，提供不同的極化散射矩陣。

7、優(yōu)選的，所述接收天線和發(fā)射天線通過(guò)可編程射頻開(kāi)關(guān)一和可編程射頻開(kāi)關(guān)二遙控切換，改變其極化端口與有源轉(zhuǎn)發(fā)模塊的連通狀態(tài)，具體包括以下步驟：

8、s1、可編程射頻開(kāi)關(guān)一連通接收天線的h極化端口以及轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路的輸入端口，可編程射頻開(kāi)關(guān)二連通轉(zhuǎn)發(fā)天線的h極化端口以及轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路的輸出端口，提供hh極化通道轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)應(yīng)的極化散射矩陣為

9、s2、可編程射頻開(kāi)關(guān)一連通接收天線的v極化端口以及轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路的輸入端口，可編程射頻開(kāi)關(guān)二連通轉(zhuǎn)發(fā)天線的h極化端口以及轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路的輸出端口，提供hv極化通道轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)應(yīng)的極化散射矩陣為

10、s3、可編程射頻開(kāi)關(guān)一連通接收天線的h極化端口以及轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路的輸入端口，可編程射頻開(kāi)關(guān)二連通轉(zhuǎn)發(fā)天線的v極化端口以及轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路的輸出端口，提供vh極化通道轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)應(yīng)的極化散射矩陣為

11、s4、可編程射頻開(kāi)關(guān)一連通接收天線的v極化端口以及轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路的輸入端口，可編程射頻開(kāi)關(guān)二連通轉(zhuǎn)發(fā)天線的v極化端口以及轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路的輸出端口，提供vv極化通道轉(zhuǎn)發(fā)，對(duì)應(yīng)的極化散射矩陣為

12、優(yōu)選的，所述接收天線和所述發(fā)射天線均為高隔離度雙極化天線。

13、因此，本發(fā)明采用上述一種可編程射頻開(kāi)關(guān)切換的雙天線有源極化校準(zhǔn)裝置，有益效果如下：

14、(1)本發(fā)明中所提出的基于開(kāi)關(guān)切換的雙天線有源極化校準(zhǔn)裝置保留了已有parc裝置的全部?jī)?yōu)點(diǎn)，同時(shí)又具有傳統(tǒng)裝置所不具有的多個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)。

15、(2)與現(xiàn)有技術(shù)-2相比，其重要優(yōu)點(diǎn)之一是，僅對(duì)該校準(zhǔn)器的不同工作狀態(tài)進(jìn)行測(cè)量就可獲得足夠的方程式去求解全極化雷達(dá)系統(tǒng)的校準(zhǔn)參數(shù)，能夠大大減少校準(zhǔn)測(cè)量時(shí)間和降低測(cè)量的不確定性；

16、(3)與現(xiàn)有技術(shù)-4相比，其另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，采用了雙極化天線加可編程開(kāi)關(guān)遙控切換的工作模式，無(wú)需天線旋轉(zhuǎn)，僅通過(guò)射頻開(kāi)關(guān)的程控切換就可獲得全極化校準(zhǔn)所需的psm組合，可以克服由于接收天線和發(fā)射天線旋轉(zhuǎn)角誤差等對(duì)極化校準(zhǔn)帶來(lái)的不良影響。

17、(4)與現(xiàn)有技術(shù)-5相比，其另一個(gè)重要優(yōu)點(diǎn)是，通過(guò)單刀雙擲射頻開(kāi)關(guān)與接收天線、單通道有源轉(zhuǎn)發(fā)環(huán)路同發(fā)射天線相連接，即可實(shí)現(xiàn)不同極化組合信號(hào)的轉(zhuǎn)發(fā)，并由此獲得極化校準(zhǔn)所需不同psm組合，相比于四通道系統(tǒng)，其單通道結(jié)構(gòu)大大簡(jiǎn)化且所形成的psm組合具有更好的通道一致性和系統(tǒng)穩(wěn)定性、更低的研發(fā)成本低，工程上更易于實(shí)現(xiàn)。

18、下面通過(guò)附圖和實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案做進(jìn)一步的詳細(xì)描述。