CN103645468A - 一种雷达目标极化散射矩阵测量装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种雷达目标极化散射矩阵测量装置，首先采集天线扫描过程中的目标回波序列数据，通过加窗处理，得到一定方位区间的回波数据，然后对该数据进行傅立叶变换，得到该信号的空域频谱，通过谱估计得到频谱的频点和峰值；最后专用矩阵运算数字信号处理器计算频谱系数矩阵，并进行逆矩阵运算和乘法运算，最后矩阵运算数字信号处理器输出的结果就是测量的目标极化散射矩阵。本装置结构设计简单，计算速度很快，成本较低，易于实现。

Description

一种雷达目标极化散射矩阵测量装置

技术领域

本发明涉及一种新的雷达目标极化特性测量装置，尤其是利用天线扫描过程中的极化方向图变化规律，实现对雷达目标极化散射矩阵测量的装置。 

背景技术

雷达极化信息处理的基础是极化测量，无论是雷达成像，极化滤波、极化增强，极化抗干扰，还是雷达目标极化特征提取与目标识别，其前提是必须能够获得足够精度的极化信号测量信息。极化散射矩阵是目标特性的重要信息，准确获得目标的极化特性信息，并有效加以利用，长期以来一直是雷达目标识别，地理遥感等多个领域备受关注的前沿问题。 

传统的观念认为，雷达只有在两个相邻脉冲重复周期内分别利用两个正交极化天线和极化处理通道“轮流发射，同时接收”才能测得目标极化散射矩阵，或者利用两个正交极化天线和极化通道同时发射不同频率的编码信号，在接收时两个正交极化天线和极化通道同时接收，然后利用复杂的信号处理将两路极化信号分开，才能测得目标极化散射矩阵。随着器件工艺制造水平的发展，全极化雷达能够实现各种正交极化的快速转换，但是这样做带来的问题就是系统复杂度高，实现成本和代价也相当大。 

发明内容

本发明针对现有极化散射矩阵测量装置复杂，购买代价高昂的缺点，提供一种新的雷达目标极化散射矩阵测量装置。这种装置能够利用天线固有的空域极化特性，通过分析雷达目标回波信号的空域频谱特性，利用空域谱估计和矩阵运算能够测量目标极化散射矩阵的四个元素。测量装置的各个组成部分采用的是商用成品器件，结构设计简单，计算速度很快，成本较低，易于实现。 

本发明一种雷达目标极化散射矩阵测量装置，雷达接收信号经数据采集卡、数据加窗处理器、1号傅里叶变换数字信号处理器、谱估计运算处理器至矩阵运算数字信号处理器；雷达天线空域极化特性数据库和2号傅里叶变换数字信号处理器联接在一起，2号傅里叶变换数字信号处理器的输出结果送入矩阵运算数字信号处理器，经矩阵运算后得到目标极化散射矩阵； 

所述数据采集卡采集雷达天线对空域360度扫描的目标回波信号； 

所述数据加窗处理器对采集后的目标回波信号进行加窗截取，窗口宽度大于等于天线波束宽度的2倍； 

所述1号傅里叶变换数字信号处理器对加窗截取的目标回波信号进行傅里叶变换，得到目标回波的空域频谱； 

$V_r\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{+{\mathrm{\θ}}_0/2}{v}_r\left(\mathrm{\θ}\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}$

式中

代表空域频率，Δθ_s=ω_s／f_r是雷达对目标的采样间隔，f_r是雷达发射脉冲的重复频率，ω_s是雷达天线的扫描转速，θ₀为观测窗口宽度，V_r(θ)为雷达接收到的回波信号，θ为天线扫描角度； 

所述谱估计运算处理器对目标回波的空域频谱进行谱估计，得到频谱峰值所在的三个频率点

将这三个典型频点上的傅立叶变换记为列矢量  $V_r={\left[\begin{array}{ccc}{V}_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]}^T;$

所述2号傅里叶变换数字信号处理器从雷达天线空域极化特性数据库中读取天线数据，计算天线空域极化特性的频谱系数矩阵K； 

$K=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{11}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& k_{12}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& k_{22}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)\\ k_{11}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& k_{12}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& k_{22}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)\\ k_{11}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)& k_{12}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)& k_{22}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}K\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)\\ K\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)\\ K\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]$

其中， $k_{11}\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{{\mathrm{\θ}}_0/2}{F}_p^2\left(\mathrm{\θ}\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ},$ $f_{\mathrm{\θ}}=f_{{\mathrm{\θ}}_1},f_{{\mathrm{\θ}}_2},f_{{\mathrm{\θ}}_3}$ 是在

空域范围内三个典型频点上的天线主极化方向图的频谱； $k_{12}\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{{\mathrm{\θ}}_0/2}{F}_p\left(\mathrm{\θ}\right)F_q\left(\mathrm{\θ}\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}$ 是在

空域范围内三个典型频点上的主极化方向图与交叉极化方向图耦合部分的频谱； 

$k_{22}\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{{\mathrm{\θ}}_0/2}{F}_p^2\left(\mathrm{\θ}\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}$ 是在

空域范围内三个典型频点上的天线交叉极化方向图的频谱；F_p(θ)和分别是天线的主极化方向图和交叉极化方向图，θ为天线扫描角度； 

所述矩阵运算数字信号处理器计算目标极化散射矩阵； 

空域频谱的矢量形式为 

$V_r={\left[\begin{array}{ccc}{V}_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]}^T$

将目标散射矩阵记为列向量的形式S₁=[S₁₁ 2S₁₂ S₂₂]^T

由于频谱系数矩阵K是可逆的，即可反推出方程组的解， 

S₁=K^-1V_r

得到列矢量S₁=[S₁₁ 2S₁₂ S₂₂]^T，从而得到目标散射矩阵 $S=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}& S_{12}\\ S_{21}& S_{22}\end{array}\right].$

本发明可达到的效果及优点是：与常规的雷达目标极化散射矩阵测量系统相比，只需要采用一个雷达天线，进行一路信号处理运算，对天线扫描一段时间内采集的信号进行处理就能测量极化散射矩阵的四个元素。不仅可以降低极化测量的复杂度、设备量和实现代价，还能有效提高雷达的极化测量性能，适用范围广、研制／维护成本低，便于工程实现。 

附图说明

图1为本发明雷达目标极化散射矩阵测量装置的结构图； 

图2为配试目标散射矩阵元素估计值的复平面分布图； 

图3为标准金属球目标散射矩阵元素估计值的复平面分布图； 

图4为配试目标散射矩阵各分量的测量误差均值随XPD_3dB的变化曲线； 

图5为配试目标散射矩阵各分量的测量误差标准差随XPD_3dB的变化曲线； 

具体实施方式

下面结合附图对本发明进行详细的描述。 

本发明的原理为：根据雷达天线理论，雷达天线在方位扫描过程中极化特性发生变化，天线辐射场的极化方式随空间指向的变化而变化，即天线在扫描过程中极化方向图具有一定的变化规律，称之为天线的“空域极化特性”。利用天线的空域极化特性，设计新的极化测量装置，可以大幅度降低极化测量的系统复杂度以及研发成本，可以使传统的单极化雷达具备极化测量能力。 

本发明首先采集天线扫描过程中的目标回波序列数据，通过加窗处理，得到一定方位区间的回波数据，然后对该数据进行傅立叶变换(FFT)，得到该信号的空域频谱，通过谱估计得到频谱的频点和峰值；最后专用矩阵运算数字信号处理器计算频谱系数矩阵，并进行逆矩阵运算和乘法运算，最后矩阵运算数字信号处理器输出的结果就是测量的目标极化 散射矩阵。 

在图1所示的新型雷达目标极化散射矩阵测量装置的结构图中，雷达接收信号经数据采集卡、数据加窗处理器、1号快速傅里叶变换(FFT)数字信号处理器、谱估计运算处理器至矩阵运算数字信号处理器；将雷达天线空域极化特性数据库和2号FFT数字信号处理器联接在一起，2号FFT数字信号处理器的输出结果送入矩阵运算数字信号处理器，经矩阵运算后得到目标极化散射矩阵。 

第一步，数据采集卡将雷达天线对空域360度扫描的目标回波信号完整采集下来； 

在天线扫描过程中，雷达接收到的回波信号可表示为 

$v_r\left(\mathrm{\θ}\right)=h_m^T\left(\mathrm{\θ}\right){\mathrm{Sh}}_m\left(\mathrm{\θ}\right)=F_p^2\left(\mathrm{\θ}\right)S_{11}+2F_p\left(\mathrm{\θ}\right)F_q\left(\mathrm{\θ}\right)\·S_{12}+F_q^2\left(\mathrm{\θ}\right)\·S_{22}$

h_m(θ)为天线发射极化矢量，由于接收天线和发射天线是同一个天线，因此h_m(θ)也是天线的接收极化矢量，h_m(θ)＝[F_p(θ)F_q(θ)]^T，F_p(θ)和

分别是天线的主极化方向图和交叉极化方向图，θ为天线扫描角度， $S=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}& S_{12}\\ S_{21}& S_{22}\end{array}\right]$ 是待测量的目标极化散射矩阵。由于雷达目标满足互易性，所以S₁₂＝S₂₁。 

第二步，用数据加窗处理器对采集后的目标回波信号进行加窗截取，窗口宽度大于等于天线波束宽度的2倍；提取该宽度范围内的数据，因为此段数据信噪比高，可提高谱估计运算的精度。但窗口宽度太大，运算量越大，但精度越高。 

第三步，对步骤二提取的目标回波序列作FFT后，得到了目标回波的空域频谱。 

获得了目标的扫描回波序列后，以θ₀作为空域窗口对观测序列进行截取，θ₀为窗口宽度，对窗口宽度内的回波电压序列做傅立叶(Fourier)变换，得其空域频谱为 

$V_r\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{+{\mathrm{\θ}}_0/2}{v}_r\left(\mathrm{\θ}\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}$

式中

代表空域频率，Δθ_s=ω_s／f_r是雷达对目标的采样间隔，f_r是雷达发射脉冲的重复频率，ω_s是雷达天线的扫描转速，θ₀为观测窗口宽度，V_r(θ)为雷达接收到的回波信号，θ为天线扫描角度； 

第四步，利用谱估计运算处理器对目标回波的空域频谱进行谱估计，得到频谱峰值所在的三个频率点

将这三个典型频点上的傅立叶变换记为列矢量  $V_r={\left[\begin{array}{ccc}{V}_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]}^T;$

第五步，从雷达天线空域极化特性数据库中读取天线数据，然后利用2号FFT数字信号处理器计算天线空域极化特性的频谱系数矩阵K； 

$K=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{11}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& k_{12}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& k_{22}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)\\ k_{11}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& k_{12}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& k_{22}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)\\ k_{11}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)& k_{12}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)& k_{22}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}K\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)\\ K\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)\\ K\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]$

其中， $k_{11}\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{{\mathrm{\θ}}_0/2}{F}_p^2\left(\mathrm{\θ}\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ},$ $f_{\mathrm{\θ}}=f_{{\mathrm{\θ}}_1},f_{{\mathrm{\θ}}_2},f_{{\mathrm{\θ}}_3}$ 是在

空域范围内三个典型频点上的天线主极化方向图的频谱； $k_{12}\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{{\mathrm{\θ}}_0/2}{F}_p\left(\mathrm{\θ}\right)F_q\left(\mathrm{\θ}\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}$ 是在

空域范围内三个典型频点上的主极化方向图与交叉极化方向图耦合部分的频谱； 

$k_{22}\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{{\mathrm{\θ}}_0/2}{F}_p^2\left(\mathrm{\θ}\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}$ 是在

空域范围内三个典型频点上的天线交叉极化方向图的频谱。 

第六步，利用矩阵运算数字信号处理器计算目标极化散射矩阵。 

空域频谱的矢量形式为 

$V_r={\left[\begin{array}{ccc}{V}_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]}^T$

将目标散射矩阵记为列向量的形式S₁=[S₁₁ 2S₁₂ S₂₂]^T

由于频谱系数矩阵K是可逆的，即可反推出方程组的解， 

S₁=K^-1V_r

得到列矢量S₁=[S₁₁ 2S₁₂ S₂₂]^T，从而得到目标散射矩阵 $S=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}& S_{12}\\ S_{21}& S_{22}\end{array}\right]$

图2是利用本发明估计出的某配试飞机目标的散射矩阵元素估计值复平面分布，配试飞机的极化散射矩阵真实值为 $S=\left[\begin{array}{cc}2& 0.3\\ 0.3& j\end{array}\right],$ 得到的估计最大误差小于15％。 

图3是利用本发明估计出的标准金属球目标的散射矩阵元素估计值复平面分布，金属球 的极化散射矩阵真实值为 $S=\left[\begin{array}{cc}1& 0\\ 0& 1\end{array}\right],$ 得到的估计最大误差小于12％。 

图4和图5绘制出了利用本发明测量出的目标散射矩阵元素的误差随XPD的变化曲线。工程上经常使用交叉极化鉴别率(Cross Polarization Discrimination，简称XPD)来描述天线的极化纯度，即寄生极化与主极化分量的功率比，具体定义为：XPD=20log(E_q／E_P)，式中，E_P为接收的主极化场，E_q为接收的交叉极化场。XPD的值越小，说明极化纯度越高。这里用半功率点处交叉极化鉴别率XPD_3dB表征天线交叉极化特性变化的快慢程度。实验中，目标为配试目标，雷达工作在X波段，设工作波长为λ=0.03m，发射功率为P_t=1Kw，脉冲重复频率f_r=1KHz；天线增益为G_t=25dB，波束宽度θ_3dB＝8°，天线转速为6转／分；接收机带宽B_n＝0.5MHz，噪声系数F_n=3dB，系统损耗约为L_r=10dB；设天线从中心位置扫描到半功率点处时，天线的极化状态由水平极化变为XPD_3dB=-10dB的线极化，仿真次数均为300次。可以看出，S₁₁分量和S₁₂分量的测量误差均较小，小于2％，S₂₂分量的测量误差较大，但小于25％；同时，天线扫描极化特性变化越剧烈，各分量的测量误差越小，当天线的极化特性空域变化比较明显时，S₂₂有较好的测量精度。 

Claims (1)

1.一种雷达目标极化散射矩阵测量装置，雷达接收信号经数据采集卡、数据加窗处理器、1号傅里叶变换数字信号处理器、谱估计运算处理器至矩阵运算数字信号处理器；雷达天线空域极化特性数据库和2号傅里叶变换数字信号处理器联接在一起，2号傅里叶变换数字信号处理器的输出结果送入矩阵运算数字信号处理器，经矩阵运算后得到目标极化散射矩阵；

所述数据采集卡采集雷达天线对空域360度扫描的目标回波信号；

所述数据加窗处理器对采集后的目标回波信号进行加窗截取，窗口宽度大于等于天线波束宽度的2倍；

所述1号傅里叶变换数字信号处理器对加窗截取的目标回波信号进行傅里叶变换，得到目标回波的空域频谱；

$V_r\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{+{\mathrm{\θ}}_0/2}{v}_r\left(\mathrm{\θ}\right)e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}$

式中代表空域频率，Δθ_s=ω_s/f_r是雷达对目标的采样间隔，f_r是雷达发射脉冲的重复频率，ω_s是雷达天线的扫描转速，θ₀为观测窗口宽度，v_r(θ)为雷达接收到的回波信号，θ为天线扫描角度；

所述谱估计运算处理器对目标回波的空域频谱进行谱估计，得到频谱峰值所在的三个频率点

将这三个典型频点上的傅立叶变换记为列矢量 $V_r={\left[\begin{array}{ccc}{V}_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]}^T;$

所述2号傅里叶变换数字信号处理器从雷达天线空域极化特性数据库中读取天线数据，计算天线空域极化特性的频谱系数矩阵K；

$K=\left[\begin{array}{ccc}{k}_{11}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& k_{12}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& k_{22}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)\\ k_{11}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& k_{12}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& k_{22}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)\\ k_{11}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)& k_{12}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)& k_{22}\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]=\left[\begin{array}{c}K\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)\\ K\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)\\ K\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]$

其中， $k_{11}\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{{\mathrm{\θ}}_0/2}{F}_p^2\left(\mathrm{\θ}\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ},$ $f_{\mathrm{\θ}}=f_{{\mathrm{\θ}}_1},f_{{\mathrm{\θ}}_2},f_{{\mathrm{\θ}}_3}$ 是在

空域范围内三个典型频点上的天线主极化方向图的频谱； $k_{12}\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{{\mathrm{\θ}}_0/2}{F}_p\left(\mathrm{\θ}\right)F_q\left(\mathrm{\θ}\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}$ 是在空域范围内三个典型频点上的主极化方向图与交叉极化方向图耦合部分的频谱；

$k_{22}\left(f_{\mathrm{\θ}}\right)={\∫}_{-{\mathrm{\θ}}_0/2}^{{\mathrm{\θ}}_0/2}{F}_p^2\left(\mathrm{\θ}\right)\·e^{-j2\mathrm{\π}{f}_{\mathrm{\θ}}\mathrm{\θ}}\mathrm{d\θ}$ 是在

空域范围内三个典型频点上的天线交叉极化方向图的频谱；F_p(θ)和

分别是天线的主极化方向图和交叉极化方向图，θ为天线扫描角度；

所述矩阵运算数字信号处理器计算目标极化散射矩阵；

空域频谱的矢量形式为

$V_r={\left[\begin{array}{ccc}{V}_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_1}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_2}\right)& V_r\left(f_{{\mathrm{\θ}}_3}\right)\end{array}\right]}^T$

将目标散射矩阵记为列向量的形式S₁=[S₁₁ 2S₁₂ S₂₂]^T

由于频谱系数矩阵K是可逆的，即可反推出方程组的解，

S₁＝K^-1V_r

得到列矢量S₁=[S₁₁2S₁₂S₂₂]^T，从而得到目标散射矩阵 $S=\left[\begin{array}{cc}{S}_{11}& S_{12}\\ S_{21}& S_{22}\end{array}\right].$

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