CN106154240A - 一种极化散射矩阵快速测量系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明构建了一种简易实用的室内极化散射测量系统，基于矢量网络分析仪，来获得高极化纯度散射数据。由矢量网络分析仪，天线，主控计算机，微波屏蔽暗室，转台控制柜组成室内极化测量系统。通过在天线间填充部分吸波材料，物理上减少天线互耦的影响，及将宽带步进频域数据变换到时域后，利用时域波门的选择性，去除近端天线互耦信号。对步进频率信号设置合适的参量参数等方法获得了高纯度的目标极化散射特性数据，使极化数据纯度优于45dB，并且极化测量系统得到了简化，减少了许多生产成本。

Description

一种极化散射矩阵快速测量系统及方法

技术领域

本发明涉及一种利用矢量网络分析仪快速测量极化散射矩阵的方法，属于微波测量领域。

背景技术

文献“目标散射矩阵测量新方法的性能比较与比较，系统仿真学报，2015，27(6):1308-1315”提出基于天线空域极化特性测量方法，可以在单极化雷达基础上实现目标极化特性测量，但是这种方法的测量精度和校准方法需要进一步提高只针对于目前雷达系统不需要改造，具有一定应用前景。极化散射矩阵的测量是研究目标极化散射特性的基本手段，它具备完整的极化信息，只是由于测试仪器的限制，极化耦合引起的交叉极化分量会引起较大的测量误差，因而难以获取高极化纯度散射数据。高性能矢量网络分析仪的推出，其所具备的多个源端口及接收端口，使得不同组合的极化散射分量可以同时测量，因此目标极化散射特性测量测试系统得到了简化。

本发明构建了一种简易实用的室内极化散射测量系统，基于高性能矢量网络分析仪，通过双通道的扩展端口一次性得到极化散射矩阵的四个分量，采用三个定标体进行极化校准，获得高极化纯度的目标散射特性数据。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决在不改造雷达系统的情况下，目标极化特性测量精度和校准方法需要进一步提高，以及传统目标极化散射特性测量系统成本高，系统复杂的问题，本发明构建了一种简易实用的室内极化散射测量系统及方法。

技术方案

本发明构建了一种简易实用的室内极化散射测量系统，基于矢量网络分析仪，来获得高极化纯度散射数据。由矢量网络分析仪，天线，主控计算机，微波屏蔽暗室，转台控制柜组成室内极化测量系统。通过在天线间填充部分吸波材料，物理上减少天线互耦的影响，及将宽带步进频域数据变换到时域后，利用时域波门的选择性，去除近端天线互耦信号。对步进频率信号设置合适的参量参数等方法获得了高纯度的目标极化散射特性数据，使极化数据纯度优于45dB，并且极化测量系统得到了简化，减少了许多生产成本。

一种极化散射矩阵快速测量系统，其特征在于包括多通道矢量网络分析仪、2个H极化天线、2个V极化天线、安装板、主控计算机、RCS支架和转台控制柜；其中H极化天线、V极化天线、安装板、RCS支架和转台控制柜设在微波屏蔽暗室内，多通道矢量网络分析仪具有A和B两个端口，A端的发射端和接收端分别连接2个H极化天线，B端的发射端和接收端分别连接2个V极化天线，4个极化天线安装在安装板上，2个H极化天线安装在一条对角线上，2个V极化天线安装在一条对角线上，主控计算机和矢量网络分析仪、转台控制柜连接，转台控制柜与RCS支架连接，待测试目标放置在RCS支架上，安装板的中心和待测试目标在一条直线上。

2个H极化天线和2个V极化天线均为标准增益天线，4个天线之间填充部分吸波材料。

一种极化散射矩阵快速测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对多通道矢量网络分析仪进行参数设置

1a)计算满足远场条件R≥2d²/λ的中心频率，计算矢量网络分析仪的扫频宽度BW：

BW＝c/2Δd

其中，R是测试距离，d是目标最大尺寸，λ为入射波波长；c为波长，Δd为距离分辨率；

设置以中心频率为中心的扫频宽度为扫频宽度；

1b)根据测试距离R确定出最大的扫频间隔Δf_max＝c/2R，根据最大的扫频间隔和扫频宽度设置最低的扫频点数：

n_min＝BW/Δf_max

1c)将窗口设置为汉明窗模式；

1d)将中频带宽设置成1kHz；

1e)将扫描模式设置为步进扫频模式；

1f)设置发射功率为发射功率+电缆损耗+空间衰减；

步骤2：将矢量网络分析仪分别在开路、短路、匹配及通路四种模式下进行双通道校准；

步骤3：校准和测量

3a)测量空暗室：开启矢量网络分析仪，转动转台，转台转动速度约0.05度/s，转动一周，得到回波信号RCS存储于矢量网络分析仪中；

3b)测量直径为260mm的定标体金属圆盘：将金属圆盘垂直放置在转台上，转台保持0.05度/s转动，转动一周，得到回波信号RCS，将得到金属圆盘的RCS与空暗室背景的RCS进行矢量相减，将相减得到的RCS值与定标体金属圆盘的理论RCS值相对比得到误差，通过调整天线和转台系统装置，使误差保持在±0.5dB；

3c)测量边长为200mm的目标金属平板：将金属平板垂直放置在转台上，转台保持0.05度/s转动，转动一周，得到目标回波信号RCS，将得到的目标RCS与空暗室背景的RCS进行矢量相减从而得到校准后的极化散射数据。

有益效果

本发明提出的一种极化散射矩阵快速测量系统及方法，

本发明相比基于天线空域极化特性测量方法，提高了测量精度和校准方法。从校准后四个分量的曲线图中可以看出校准后同极化散射最大值方向的交叉极化分量有明显下降，表明数据的极化纯度可优于45dB。

本发明利用矢量网络分析仪的多个源端口及接收端口，让不同组合的极化散射分量同时测量，从而比传统的测试系统更加简化。

附图说明

图1为本发明基于高性能矢量网络分析仪的室内极化散射测量系统方框图。

图2未校准时极化散射测试结果

图3校准后极化散射测试结果

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

1)搭建测量系统：高性能矢量网络分析仪作为核心仪表，具有两个发射源和两个接收端口，分别连接到四个标准增益天线上，天线全部固定于一块安装板上。

2)测试参数设置：

(1)频率范围：本次测量选取扫频范围为8～12GHz，扫频宽度为4GHz，扫频范围满足远场条件(R≥2d²/λ，R是测试距离，d是目标最大尺寸，λ为入射波波长)及距离分辨率(Δd＝c/2BW，c是光速，BW是扫频宽度)的要求。

(2)点数，根据测试距离R，确定出最大的扫频间隔Δf_max＝c/2R，推算最低的点数n_min＝BW/Δf_max，采用801点(IFFT频域到时域的采样点)

(3)窗口宽度，汉明窗比矩形窗处理得到的频域RCS准确度更好，并且对目标区加门范围更容易确定，时域可按照主瓣宽度确定加门范围，即为主瓣宽度，窗口宽度：487.781ps。

(4)中频带宽，设置合适的中频带宽有助于提高信噪比，理论上中频带宽越窄越好，进入接收机的噪声能量越少，但是过窄的中频带宽增加了扫描时间，降低了测量的效率，本次测量采取中频带宽为1kHz。

(5)扫描速度：矢量网络分析仪运行步进扫频模式，扫描时间：840.084ms，平均每点1ms，扫描速度为1ms/1点。

(6)发射功率，信号从发射端回到接收端，由于电缆损耗、空间衰减等因素的影响，能量不断减少，因而必须通过增加发射功率来提高信噪比。发射功率采用20dBm可以满足频率的要求。

3)进行杂波消除，校准，测量：

一.测量空暗室背景随转台角度变化的极化散射矩阵，存储于矢量网络分析仪的寄存器中，然后利用矢量相减的功能对暗室杂波进行软件对消，来消除杂波，采用时域对消可以将暗室杂波降低40dB左右，杂波影响在-120dB左右。

二.测量定标体(圆盘)和目标(金属平板)极化散射矩阵。

1a)测量空暗室：开启矢量网络分析仪，转动转台，转台转动速度约0.05度/s，转动一周，得到回波信号RCS存储于矢量网络分析仪中；

1b)测量目标金属平板(边长200mm)：将金属平板垂直放置在转台上，转台保持0.05度/s转动，转动一周，得到回波信号(RCS)，将得到的目标RCS与空暗室背景的RCS进行矢量相减从而得到未经校准的极化散射数据参考图1。

1c)测量定标体金属圆盘(直径260mm)：将金属圆盘垂直放置在转台上，转台保持0.05度/s转动，转动一周，得到回波信号(RCS)，将得到金属圆盘的RCS与空暗室背景的RCS进行矢量相减，得到的RCS值与定标体金属圆盘的理论RCS值相对比得到误差，通过调整天线，转台等系统装置，使误差保持在±0.5dB。

1d)测量目标金属平板(边长200mm)：将金属平板垂直放置在转台上，转台保持0.05度/s转动，转动一周，得到目标回波信号(RCS)，将得到的目标RCS与空暗室背景的RCS进行矢量相减从而得到校准后的极化散射数据参考图2。

步骤4：结果分析

图1中，在中心频点处(10GHz)目标金属平板在未经过极化校准情况下极化散射矩阵四个极化分量随角度的变化曲线中。可以从同极化(HH和VV几乎重合)峰值(-50dB)和交叉极化(HV和VH)的峰值(-80dB)的差为30dB，看出数据的极化纯度约为30dB。

图2中，从校准后四个分量的曲线可以看出校准后同极化(HH和VV)峰值(15dB)和交叉极化(HV和VH)峰值(-30dB)的差为45dB，表明数据的极化纯度可优于45dB。校准后与校准前相比，金属平板的HH和VV结果重合性很好，说明系统具有很高的测试精度及极化纯度。

Claims (3)

1.一种极化散射矩阵快速测量系统，其特征在于包括多通道矢量网络分析仪、2个H极化天线、2个V极化天线、安装板、主控计算机、RCS支架和转台控制柜；其中H极化天线、V极化天线、安装板、RCS支架和转台控制柜设在微波屏蔽暗室内，多通道矢量网络分析仪具有A和B两个端口，A端的发射端和接收端分别连接2个H极化天线，B端的发射端和接收端分别连接2个V极化天线，4个极化天线安装在安装板上，2个H极化天线安装在一条对角线上，2个V极化天线安装在一条对角线上，主控计算机和矢量网络分析仪、转台控制柜连接，转台控制柜与RCS支架连接，待测试目标放置在RCS支架上，安装板的中心和待测试目标在一条直线上。

2.根据权利要求1所述的一种极化散射矩阵快速测量系统，其特征在于2个H极化天线和2个V极化天线均为标准增益天线，4个天线之间填充部分吸波材料。

3.一种使用权利要求1所述的系统进行极化散射矩阵快速测量方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对多通道矢量网络分析仪进行参数设置

1a)计算满足远场条件R≥2d²/λ的中心频率，计算矢量网络分析仪的扫频宽度BW：

BW＝c/2Δd

其中，R是测试距离，d是目标最大尺寸，λ为入射波波长；c为波长，Δd为距离分辨率；

设置以中心频率为中心的扫频宽度为扫频宽度；

1b)根据测试距离R确定出最大的扫频间隔Δf_max＝c/2R，根据最大的扫频间隔和扫频宽度设置最低的扫频点数：

n_min＝BW/Δf_max

1c)将窗口设置为汉明窗模式；

1d)将中频带宽设置成1kHz；

1e)将扫描模式设置为步进扫频模式；

1f)设置发射功率为发射功率+电缆损耗+空间衰减；

步骤2：将矢量网络分析仪分别在开路、短路、匹配及通路四种模式下进行双通道校准；

步骤3：校准和测量

3a)测量空暗室：开启矢量网络分析仪，转动转台，转台转动速度约0.05度/s，转动一周，得到回波信号RCS存储于矢量网络分析仪中；

3b)测量直径为260mm的定标体金属圆盘：将金属圆盘垂直放置在转台上，转台保持0.05度/s转动，转动一周，得到回波信号RCS，将得到金属圆盘的RCS与空暗室背景的RCS进行矢量相减，将相减得到的RCS值与定标体金属圆盘的理论RCS值相对比得到误差，通过调整天线和转台系统装置，使误差保持在±0.5dB；

3c)测量边长为200mm的目标金属平板：将金属平板垂直放置在转台上，转台保持0.05度/s转动，转动一周，得到目标回波信号RCS，将得到的目标RCS与空暗室背景的RCS进行矢量相减从而得到校准后的极化散射数据。