CN105510365A - 地面反射系数的现场测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种地面反射系数的现场测量方法，属于雷达信号处理领域。由于地面反射的影响，雷达天线俯仰向方向图会发生严重的波束分裂，进而影响到目标的探测和仰角的测量，为了更精确的得到不同地表情况下的地面反射系数，提出地面反射系数的现场测量方法，该方法包括如下步骤：(1)通道校正，并得到归一化所需各个参量；(2)步进测量，记录每次的上下天线单元比幅值；(3)计算地面反射系数的估计值；(4)根据实际情况设置扩散因子D和地表面高度标准偏差σ_h，计算地面复介电常数ε_r的估计值；(5)选取误差最小的ε_r。该方法可以更好的计算不同地表的地面反射系数，更准确的绘制天线俯仰方向图。

Description

地面反射系数的现场测量方法

技术领域

本发明涉及一种地面反射系数的现场测量方法，用于天线俯仰方向图的估算，属于雷达信号处理领域。

背景技术

雷达天线所接收到的回波信号除了目标反射的直达信号还有回波经地面反射后到达接收天线的信号，如附图1所示，由于地面反射的影响，俯仰向方向图会发生严重的波束分裂，进而影响到目标的探测和仰角的测量，不同仰角目标探测威力和自由空间相比会有较大的偏差，仰角的测量也会受影响，若能对其进行有效的测量，不仅可以更好的估计系统性能，而且可以据此分析误差产生的来源并采取避免措施，从而改善系统精度。

现有的地面反射系数的测量手段主要有：1)数学建模计算法。不同地面的反射系数可根据模型得到，地面反射系数是雷达参数(入射角、频率、极化)和地面参数(粗糙度、介电常数)的复杂函数，对于各个参数都只是粗略估计，由模型得到的系数存在比较大的误差；

2)查表法。由于地面反射的复杂性、组成成分的多样和湿度变化都会影响反射系数的变化，所以查表法得到的地面反射系数也只是差强人意。

发明内容

本发明的目的是为了解决现有技术存在系数误差较大的问题，提供一种地面反射系数的现场测量方法。

本发明的目的是通过如下技术方案实现的。

地面反射系数的现场测量方法，具体步骤如下：

步骤一、将测试天线与接收天线放置在待查场地中间位置，将测试天线连接信号源，并设置信号源频率，需保证该频率避开周围环境电磁干扰；

所述接收天线为带有上下两个天线单元的天线；

步骤二、记录步骤一测试天线信号源功率，记录两个天线单元的信号幅度值，记录两天线之间的距离；

当步骤一所述的接收天线的两个天线单元增益误差大于等于0.5dB时，对接收天线的两个天线单元进行通道校正；

步骤三、接收天线接收测试天线输出的点频信号，然后计算得到两个天线单元的信号比幅值；

在计算比幅值前，将步骤三所述的点频信号进行快速傅里叶变换(FFT)以提高信噪比；并通过多次测量检验接收的数据是否稳定；

步骤四、根据步骤三测得的比幅值，计算地面反射系数的估值：

对雷达上天线单元，测试单元波束仰角为α₁，反射波束仰角为θ₁；对雷达下天线单元，测试单元波束仰角为α₂，反射波束仰角为θ₂，上下两天线单元的比幅值为反射路径和直达路径间传播相位差为

其中d_base为测试天线距离接收天线的距离，h₁为天线下单元相位中心距地面高度，h₂为天线上单元相位中心距地面高度，h₃为测试天线相位中心距地面高度，λ为波长，发射天线方向图为F_T(θ)＝sinc(d/λ*sinθ)(d为天线口径)，波束仰角为θ_d。

步骤五、通过测量计算出地表面高度的标准偏差σ_h；设置扩散因子D小于等于1；然后结合步骤四得到的地面反射系数的估值计算地面水平极化的复介电常数的估计值或者垂直极化的复介电常数的估计值；

水平极化的复介电常数的估计值为：

${\mathrm{\ϵ}}_r={\left\{\frac{sin\mathrm{\θ}\[D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_{h}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)-\widehat{\mathrm{\ρ}}\]}{\widehat{\mathrm{\ρ}}+D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_{h}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)}\right\}}^2+{\cos }^2\mathrm{\θ}---\left(2\right)$

垂直极化的复介电常数的估计值为：

${\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{-b\±\sqrt{b^2-4ac}}{2a}---\left(3\right)$

其中：

$a={\sin }^2\mathrm{\θ}\·{\[\widehat{\mathrm{\ρ}}-D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_{h}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)\]}^2---\left(4\right)$

$b=-{\[\widehat{\mathrm{\ρ}}+D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_{h}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)\]}^2---\left(5\right)$

$c={\[\widehat{\mathrm{\ρ}}+D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_{h}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)\]}^2---\left(6\right)$

式中θ为测试单元相对于接收天线上天线单元或者下天线单元的波束仰角。

步骤六、步骤五所得的ε_r作为初值进行搜索，取使得估计值与步骤二测得的比幅值误差最小的ε_r作为复介电常数的值，并以此值计算地面反射系数：

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{{\left({\mathrm{\ϵ}}_r\right)}^m\sin \mathrm{\θ}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}{{\left({\mathrm{\ϵ}}_r\right)}^m\sin \mathrm{\θ}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_h\sin \mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)---\left(7\right)$

其中，水平极化时m＝0，垂直极化时m＝1。

对步骤六所得的地面反射系数进行验证，方法为：

1、移动测试天线，进行多点测量，能够得到多个两个天线单元的信号幅度值，以及两天线之间的距离；

将多个幅度值进行距离归一化、功率归一化、幅度归一化，并乘以系统误差系数，得到天线俯仰向方向图的实测值。

2、通过步骤六所得的地面反射系数的值计算天线俯仰方向图的估计值：

式中为天线上单元或者下单元地面反射波束仰角。

3、当天线俯仰向方向图的实测值与估计值相吻合时，说明所测得的地面反射系数为有效值。

有益效果

本发明提出的地面反射系数的现场测量方法，配置简单，操作容易，可以方便计算出相应环境的地面反射系数，且相对于传统的模型法和查表法，误差更小，可以更准确的估计天线俯仰方向图。

附图说明

图1是地面反射影响示意图；

图2是地面反射系数的现场测量配置示意图；

图3是上天线单元俯仰方向图；

图4是下天线单元俯仰方向图。

具体实施方式

下面将结合附图及具体实施方式对本发明加以详细说明，需要指出的是，所描述的实施例仅旨在便于对本发明的理解，而不起任何限定作用。

实施例1

地面反射系数的现场测量方法，具体步骤如下：

步骤一、将测试天线与接收天线都为水平极化，且放置在柏油路面中间位置，具体配置图如图2所示，接收天线下单元相位中心距地面高度为1.95m，接收天线上单元相位中心距地面高度为2.47m，测试天线单元相位中心距地面高度为2.21m，将测试天线连接信号源，并设置信号源频率为656MHz，发射功率0dB，在测试天线距离接收天线2m处进行接收通道校正；

步骤二、记录步骤一测试天线信号源功率0dB，记录两个天线单元的信号幅度值，记录两天线之间的距离2m；

步骤三、将测试天线移动到10m处，接收天线接收测试天线输出的点频信号，然后计算得到两个天线单元的信号比幅值；

在计算比幅值前，将步骤三所述的点频信号进行快速傅里叶变换(FFT)以提高信噪比；

测量3次，看数据是否稳定，若稳定，记录比幅值作为测试数据。

步骤四、根据步骤三测得的比幅值，计算地面反射系数的估值：

步骤五、通过测量计算出地表面高度的标准偏差σ_h＝0.01；设置扩散因子D＝1；然后结合步骤四得到的地面反射系数的估值计算地面水平极化的复介电常数的估计值或者垂直极化的复介电常数的估计值；

水平极化的复介电常数的估计值为：

${\mathrm{\ϵ}}_r={\left\{\frac{sin\mathrm{\θ}\[D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_{h}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)-\widehat{\mathrm{\ρ}}\]}{\widehat{\mathrm{\ρ}}+D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_{h}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)}\right\}}^2+{\cos }^2\mathrm{\θ}---\left(10\right)$

垂直极化的复介电常数的估计值为：

${\mathrm{\ϵ}}_r=\frac{-b\±\sqrt{b^2-4ac}}{2a}---\left(11\right)$

其中：

$a={\sin }^2\mathrm{\θ}\·{\[\widehat{\mathrm{\ρ}}-D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_{h}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)\]}^2---\left(12\right)$

$b=-{\[\widehat{\mathrm{\ρ}}+D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_{h}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)\]}^2---\left(13\right)$

$c={\[\widehat{\mathrm{\ρ}}+D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_{h}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)\]}^2---\left(14\right)$

步骤六、采用步骤五中的介电常数，并将实部和虚部各取其本身0.5倍～1.5倍作为变化范围，步进选取能使实测值和理论值总误差最小的介电常数。最后得到ε_r＝2.4451+1.6111i，并据此计算地面反射系数：

$\mathrm{\ρ}\left(\mathrm{\θ}\right)=\frac{{\left({\mathrm{\ϵ}}_r\right)}^{d}sin\mathrm{\θ}-\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}{{\left({\mathrm{\ϵ}}_r\right)}^{d}sin\mathrm{\θ}+\sqrt{{\mathrm{\ϵ}}_r-{\cos }^2\mathrm{\θ}}}D\exp (-{\left(\frac{4{\mathrm{\π\σ}}_{h}sin\mathrm{\θ}}{\mathrm{\λ}}\right)}^2/2)---\left(15\right)$

对步骤六所得的地面反射系数进行验证，方法为：

1、移动测试天线，进行多点测量，测试天线按11m～20m之间每1m步进一次，20m～30m之间每2m步进一次，30m～60m每5m步进一次(也可按照所需要测量的角度范围反推距离步进的范围)，共进行21次步进测量，能够得到多个两个天线单元的信号幅度值，以及两天线之间的距离；

将多个幅度值进行距离归一化、功率归一化、幅度归一化，并乘以系统误差系数，得到天线俯仰向方向图的实测值。

其中，上天线单元的校正幅度值为6.8376×10⁸-1.0256×10⁸i，下天线单元的校正幅度值为6.3109×10⁸-9.9383×10⁷i。因系统误差影响，归一化后的天线俯仰方向图需要乘以系统误差系数(本次实验为0.49)。

2、通过步骤六所得的地面反射系数的值计算天线俯仰方向图的估计值：

3、当天线俯仰向方向图的实测值与估计值相吻合时，说明所测得的地面反射系数为有效值。

附图3和附图4分别为根据本文所提的地面反射系数的现场测量方法进行实验得出的天线俯仰方向图。方向一致所以实验测得的地面反射系数是准确的。

以上所述的具体描述，对发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施实例而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.地面反射系数的现场测量方法，其特征在于：具体步骤如下：

步骤一、将测试天线与接收天线放置在待查场地中间位置，将测试天线连接信号源，并设置信号源频率，需保证该频率避开周围环境电磁干扰；

步骤二、记录步骤一测试天线信号源功率，记录两个天线单元的信号幅度值，记录两天线之间的距离；

步骤三、接收天线接收测试天线输出的点频信号，然后计算得到两个天线单元的信号比幅值；

步骤四、根据步骤三测得的比幅值，计算地面反射系数的估值：

对雷达上天线单元，测试单元波束仰角为α₁，反射波束仰角为θ₁；对雷达下天线单元，测试单元波束仰角为α₂，反射波束仰角为θ₂，上下两天线单元的比幅值为反射路径和直达路径间传播相位差为其中d_base为测试天线距离接收天线的距离，h₁为天线下单元相位中心距地面高度，h₂为天线上单元相位中心距地面高度，h₃为测试天线相位中心距地面高度，λ为波长，发射天线方向图为F_T(θ)＝sinc(d/λ*sinθ)(d为天线口径)，波束仰角为θ_d；

步骤五、通过测量计算出地表面高度的标准偏差σ_h；设置扩散因子D小于等于1；然后结合步骤四得到的地面反射系数的估值计算地面水平极化的复介电常数的估计值或者垂直极化的复介电常数的估计值；

水平极化的复介电常数的估计值为：

垂直极化的复介电常数的估计值为：

其中：

式中θ为测试单元相对于接收天线上天线单元或者下天线单元的波束仰角；

步骤六、步骤五所得的ε_r作为初值进行搜索，取使得估计值与步骤二测得的比幅值误差最小的ε_r作为复介电常数的值，并以此值计算地面反射系数：

其中，水平极化时m＝0，垂直极化时m＝1。

2.如权利要求1所述的地面反射系数的现场测量方法，其特征在于：对所述步骤六所得的地面反射系数进行验证，方法为：

(1)、移动测试天线，进行多点测量，能够得到多个两个天线单元的信号幅度值，以及两天线之间的距离；

将多个幅度值进行距离归一化、功率归一化、幅度归一化，并乘以系统误差系数，得到天线俯仰向方向图的实测值；

(2)、通过步骤六所得的地面反射系数的值计算天线俯仰方向图的估计值：

式中为天线上单元或者下单元地面反射波束仰角；

(3)、当天线俯仰向方向图的实测值与估计值相吻合时，说明所测得的地面反射系数为有效值。

3.如权利要求1或2所述的地面反射系数的现场测量方法，其特征在于：所述接收天线为带有上下两个天线单元的天线。

4.如权利要求1所述的地面反射系数的现场测量方法，其特征在于：当步骤一所述的接收天线的两个天线单元增益误差大于等于0.5dB时，需对接收天线的两个天线单元进行通道校正。

5.如权利要求1所述的地面反射系数的现场测量方法，其特征在于：在计算比幅值前，将步骤三所述的点频信号进行快速傅里叶变换(FFT)以提高信噪比；并通过多次测量检验接收的数据是否稳定。