一種極化散射矩陣快速測量系統及方法與流程

2023-07-03 01:12:22

本發明涉及一種利用矢量網絡分析儀快速測量極化散射矩陣的方法，屬於微波測量領域。

背景技術：

文獻「目標散射矩陣測量新方法的性能比較與比較，系統仿真學報，2015，27(6):1308-1315」提出基於天線空域極化特性測量方法，可以在單極化雷達基礎上實現目標極化特性測量，但是這種方法的測量精度和校準方法需要進一步提高只針對於目前雷達系統不需要改造，具有一定應用前景。極化散射矩陣的測量是研究目標極化散射特性的基本手段，它具備完整的極化信息，只是由於測試儀器的限制，極化耦合引起的交叉極化分量會引起較大的測量誤差，因而難以獲取高極化純度散射數據。高性能矢量網絡分析儀的推出，其所具備的多個源埠及接收埠，使得不同組合的極化散射分量可以同時測量，因此目標極化散射特性測量測試系統得到了簡化。

本發明構建了一種簡易實用的室內極化散射測量系統，基於高性能矢量網絡分析儀，通過雙通道的擴展埠一次性得到極化散射矩陣的四個分量，採用三個定標體進行極化校準，獲得高極化純度的目標散射特性數據。

技術實現要素：

要解決的技術問題

為了解決在不改造雷達系統的情況下，目標極化特性測量精度和校準方法需要進一步提高，以及傳統目標極化散射特性測量系統成本高，系統複雜的問題，本發明構建了一種簡易實用的室內極化散射測量系統及方法。

技術方案

本發明構建了一種簡易實用的室內極化散射測量系統，基於矢量網絡分析儀，來獲得高極化純度散射數據。由矢量網絡分析儀，天線，主控計算機，微波屏蔽暗室，轉臺控制櫃組成室內極化測量系統。通過在天線間填充部分吸波材料，物理上減少天線互耦的影響，及將寬帶步進頻域數據變換到時域後，利用時域波門的選擇性，去除近端天線互耦信號。對步進頻率信號設置合適的參量參數等方法獲得了高純度的目標極化散射特性數據，使極化數據純度優於45dB，並且極化測量系統得到了簡化，減少了許多生產成本。

一種極化散射矩陣快速測量系統，其特徵在於包括多通道矢量網絡分析儀、2個H極化天線、2個V極化天線、安裝板、主控計算機、RCS支架和轉臺控制櫃；其中H極化天線、V極化天線、安裝板、RCS支架和轉臺控制櫃設在微波屏蔽暗室內，多通道矢量網絡分析儀具有A和B兩個埠，A端的發射端和接收端分別連接2個H極化天線，B端的發射端和接收端分別連接2個V極化天線，4個極化天線安裝在安裝板上，2個H極化天線安裝在一條對角線上，2個V極化天線安裝在一條對角線上，主控計算機和矢量網絡分析儀、轉臺控制櫃連接，轉臺控制櫃與RCS支架連接，待測試目標放置在RCS支架上，安裝板的中心和待測試目標在一條直線上。

2個H極化天線和2個V極化天線均為標準增益天線，4個天線之間填充部分吸波材料。

一種極化散射矩陣快速測量方法，其特徵在於步驟如下：

步驟1：對多通道矢量網絡分析儀進行參數設置

1a)計算滿足遠場條件R≥2d2/λ的中心頻率，計算矢量網絡分析儀的掃頻寬度BW：

BW＝c/2Δd

其中，R是測試距離，d是目標最大尺寸，λ為入射波波長；c為波長，Δd為距離解析度；

設置以中心頻率為中心的掃頻寬度為掃頻寬度；

1b)根據測試距離R確定出最大的掃頻間隔Δfmax＝c/2R，根據最大的掃頻間隔和掃頻寬度設置最低的掃頻點數：

nmin＝BW/Δfmax

1c)將窗口設置為漢明窗模式；

1d)將中頻帶寬設置成1kHz；

1e)將掃描模式設置為步進掃頻模式；

1f)設置發射功率為發射功率+電纜損耗+空間衰減；

步驟2：將矢量網絡分析儀分別在開路、短路、匹配及通路四種模式下進行雙通道校準；

步驟3：校準和測量

3a)測量空暗室：開啟矢量網絡分析儀，轉動轉臺，轉臺轉動速度約0.05度/s，轉動一周，得到回波信號RCS存儲於矢量網絡分析儀中；

3b)測量直徑為260mm的定標體金屬圓盤：將金屬圓盤垂直放置在轉臺上，轉臺保持0.05度/s轉動，轉動一周，得到回波信號RCS，將得到金屬圓盤的RCS與空暗室背景的RCS進行矢量相減，將相減得到的RCS值與定標體金屬圓盤的理論RCS值相對比得到誤差，通過調整天線和轉臺系統裝置，使誤差保持在±0.5dB；

3c)測量邊長為200mm的目標金屬平板：將金屬平板垂直放置在轉臺上，轉臺保持0.05度/s轉動，轉動一周，得到目標回波信號RCS，將得到的目標RCS與空暗室背景的RCS進行矢量相減從而得到校準後的極化散射數據。

有益效果

本發明提出的一種極化散射矩陣快速測量系統及方法，

本發明相比基於天線空域極化特性測量方法，提高了測量精度和校準方法。從校準後四個分量的曲線圖中可以看出校準後同極化散射最大值方向的交叉極化分量有明顯下降，表明數據的極化純度可優於45dB。

本發明利用矢量網絡分析儀的多個源埠及接收埠，讓不同組合的極化散射分量同時測量，從而比傳統的測試系統更加簡化。

附圖說明

圖1為本發明基於高性能矢量網絡分析儀的室內極化散射測量系統方框圖。

圖2未校準時極化散射測試結果

圖3校準後極化散射測試結果

具體實施方式

現結合實施例、附圖對本發明作進一步描述：

1)搭建測量系統：高性能矢量網絡分析儀作為核心儀表，具有兩個發射源和兩個接收埠，分別連接到四個標準增益天線上，天線全部固定於一塊安裝板上。

2)測試參數設置：

(1)頻率範圍：本次測量選取掃頻範圍為8～12GHz，掃頻寬度為4GHz，掃頻範圍滿足遠場條件(R≥2d2/λ，R是測試距離，d是目標最大尺寸，λ為入射波波長)及距離解析度(Δd＝c/2BW，c是光速，BW是掃頻寬度)的要求。

(2)點數，根據測試距離R，確定出最大的掃頻間隔Δfmax＝c/2R，推算最低的點數nmin＝BW/Δfmax，採用801點(IFFT頻域到時域的採樣點)

(3)窗口寬度，漢明窗比矩形窗處理得到的頻域RCS準確度更好，並且對目標區加門範圍更容易確定，時域可按照主瓣寬度確定加門範圍，即為主瓣寬度，窗口寬度：487.781ps。

(4)中頻帶寬，設置合適的中頻帶寬有助於提高信噪比，理論上中頻帶寬越窄越好，進入接收機的噪聲能量越少，但是過窄的中頻帶寬增加了掃描時間，降低了測量的效率，本次測量採取中頻帶寬為1kHz。

(5)掃描速度：矢量網絡分析儀運行步進掃頻模式，掃描時間：840.084ms，平均每點1ms，掃描速度為1ms/1點。

(6)發射功率，信號從發射端回到接收端，由於電纜損耗、空間衰減等因素的影響，能量不斷減少，因而必須通過增加發射功率來提高信噪比。發射功率採用20dBm可以滿足頻率的要求。

3)進行雜波消除，校準，測量：

一.測量空暗室背景隨轉臺角度變化的極化散射矩陣，存儲於矢量網絡分析儀的寄存器中，然後利用矢量相減的功能對暗室雜波進行軟體對消，來消除雜波，採用時域對消可以將暗室雜波降低40dB左右，雜波影響在-120dB左右。

二.測量定標體(圓盤)和目標(金屬平板)極化散射矩陣。

1a)測量空暗室：開啟矢量網絡分析儀，轉動轉臺，轉臺轉動速度約0.05度/s，轉動一周，得到回波信號RCS存儲於矢量網絡分析儀中；

1b)測量目標金屬平板(邊長200mm)：將金屬平板垂直放置在轉臺上，轉臺保持0.05度/s轉動，轉動一周，得到回波信號(RCS)，將得到的目標RCS與空暗室背景的RCS進行矢量相減從而得到未經校準的極化散射數據參考圖1。

1c)測量定標體金屬圓盤(直徑260mm)：將金屬圓盤垂直放置在轉臺上，轉臺保持0.05度/s轉動，轉動一周，得到回波信號(RCS)，將得到金屬圓盤的RCS與空暗室背景的RCS進行矢量相減，得到的RCS值與定標體金屬圓盤的理論RCS值相對比得到誤差，通過調整天線，轉臺等系統裝置，使誤差保持在±0.5dB。

1d)測量目標金屬平板(邊長200mm)：將金屬平板垂直放置在轉臺上，轉臺保持0.05度/s轉動，轉動一周，得到目標回波信號(RCS)，將得到的目標RCS與空暗室背景的RCS進行矢量相減從而得到校準後的極化散射數據參考圖2。

步驟4：結果分析

圖1中，在中心頻點處(10GHz)目標金屬平板在未經過極化校準情況下極化散射矩陣四個極化分量隨角度的變化曲線中。可以從同極化(HH和VV幾乎重合)峰值(-50dB)和交叉極化(HV和VH)的峰值(-80dB)的差為30dB，看出數據的極化純度約為30dB。

圖2中，從校準後四個分量的曲線可以看出校準後同極化(HH和VV)峰值(15dB)和交叉極化(HV和VH)峰值(-30dB)的差為45dB，表明數據的極化純度可優於45dB。校準後與校準前相比，金屬平板的HH和VV結果重合性很好，說明系統具有很高的測試精度及極化純度。