CN108872953B - 一种用于同时极化校准和背景提取的二面角反射器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于同时完成极化校准和背景提取的二面角反射器，该反射器由两个相同的菱形结构金属平板和一个金属杆组成，菱形结构金属平板的长对角线与短对角线比例为
Figure DDA0001656176680000011
长对角线的一端进行切角处理，金属杆的直径与切角长度相等，并与两个菱形结构金属平板连接，两个菱形结构金属平板的夹角为90°，金属杆与两个菱形结构金属板的夹角均为135°。该反射器最大程度地减小了构成二面角反射器的两个金属平板的连接线，也即减小二面角反射器沿雷达视线旋转时该处的散射分量，提高极化校准和背景提取的精度。

Description

一种用于同时极化校准和背景提取的二面角反射器
技术领域
本发明涉及雷达测量的技术领域，特别涉及一种用于同时极化校准和背景提取的二面角反射器。
背景技术
在雷达目标极化散射矩阵测量中，背景信号的提取精度直接影响背景信号的抵消，进一步影响测量结果。由于二面角反射器结构简单，显著地去极化特性和在沿雷达视线方向的某些特定旋转角度上具有较强的后向散射，而被广泛应用于极化校准。根据二面角的极化散射矩阵，当其沿雷达视线方向旋转180°的整数倍数并均匀采样回波(参见文献[1])，回波数据具有周期性且数学期望理论上为0(参见文献[2])。因此利用沿雷达视线方向旋转的二面角反射器，极化校准和背景提取可以同时完成(参见文献[3])。
当雷达波沿雷达视线方向照射到二面角反射器时，在二面角反射器的两个金属平板上发生两次反射。其中两个金属平板的连接线可等效为细直金属线，因此部分同极化回波仅发生一次反射，这使得二面角反射器的真实极化散射矩阵与理论值产生了误差。当利用旋转二面角反射器进行同时极化校准和背景提取时，构成二面角反射器的两块金属平板接缝处的散射分量会被误认为是测量环境的背景，增加了测量误差。旋转二面角反射器的极化散射矩阵可表示为：
Figure BDA0001656176660000011
其中，σ为与二面角反射器工作波长和投影面积有关的RCS值，θ为二面角沿雷达视线方向的旋转角度，fHH,fHV,fVH和fVV分别为4种极化状态下由构成二面角反射器的两块金属平板接缝处的散射分量。因此该处的散射分量越小，背景提取越准确，雷达测量精度越高。现有二面角反射器(参见文献[4]-[6])设计中，由于两个金属平板的连接线过长，具有较高的自身定分量，降低了同时极化校准和背景提取的精度。
本发明的参考文献如下：
[1]L.A.Muth.Nonlinear calibration of polarimetric radar cross sectionmeasurement systems[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,Vol.52,No.3,pp.187-192,2010.
[2]孙双锁，许小剑,李亦同.雷达散射截面测量中的背景信号提取方法[P].国家发明专利，申请号：201210483648.X.
[3]许小剑.雷达目标特性[M].北京：电子工业出版社，2018.
[4]W.C.Anderson.Consequences of nonorthogonality on the ScatteringProperties of Dihedral Reflectors[J].IEEE Antennas and Propagation Magazine,Vol.35,No.10,pp.1154-1159,1987.
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发明内容
本发明所要解决的技术问题为：针对利用沿雷达视线方向旋转的二面角反射器实现同时极化校准和背景提取，设计了一种新型二面角反射器，可用于提高同时极化校准和背景提取的精度。
本发明采用的技术方案为：一种用于同时完成极化校准和背景提取的二面角反射器设计，两个直角拼接的金属平板的连接线极短，在保留了传统二面角反射器所具有的极化散射特性的同时，降低了构成二面角反射器的两块金属平板接缝处的散射分量，从而提高极化校准和背景提取的精度；
具体地，其结构主要包括：
所述二面角反射器由两个相同的菱形结构金属平板和一个金属杆组成；
所述菱形结构金属平板的长对角线与短对角线比例为
Figure BDA0001656176660000021
长对角线的一端进行切角处理；
所述金属杆的直径与切角长度相等，并与两个菱形结构金属平板连接，两个菱形结构金属平板的夹角为90°，金属杆与两个菱形结构金属板的夹角均为135°。
所述金属杆的直径与切角长度在满足机械强度要求的条件下应尽可能的短，以保证接缝处的电磁散射分量尽可能小。
本发明的主要技术优势包括：减小二面角反射器设计中两个金属平板的连接线，在保留了传统二面角反射器所具有的极化散射特性的同时，降低了构成二面角反射器的两块金属平板接缝处的散射分量，从而提高极化校准和背景提取的精度。
附图说明
图1为新型二面角反射器的斜视图；
图2为新型二面角反射器的菱形金属平板结构图；
图3为新型二面角反射器的三视图；
图4为拟合圆算法的水平-水平极化实部结果，其中，图4(a)为矩形二面角反射器，图4(b)为三角形二面角反射器，图4(c)为新型二面角反射器；
图5为拟合圆算法的水平-水平极化虚部结果，其中，图5(a)为矩形二面角反射器，图5(b)为三角形二面角反射器，图5(c)为新型二面角反射器；
图6为拟合圆算法的水平-垂直极化实部结果，其中，图6(a)为矩形二面角反射器，图6(b)为三角形二面角反射器，图6(c)为新型二面角反射器；
图7为拟合圆算法的水平-垂直极化虚部结果，其中，图7(a)为矩形二面角反射器，图7(b)为三角形二面角反射器，图7(c)为新型二面角反射器；
其中，附图标记：
100：新型二面角反射器的菱形金属平板；
200：新型二面角反射器的金属杆；
300：新型二面角反射器的两个菱形金属平板连接线，也即金属平板接缝处；
L:新型二面角反射器的菱形金属平板中长对角线长度；
W:新型二面角反射器的菱形金属平板中短对角线长度；
R:新型二面角反射器的两个菱形金属平板连接线长度。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述，但不作为对本发明的限定。
图1为新型二面角反射器的斜视图，图2为新型二面角反射器的菱形金属平板结构图，图3为新型二面角反射器的三视图，图4为拟合圆算法的水平-水平极化实部结果，其中，图4(a)为矩形二面角反射器，图4(b)为三角形二面角反射器，图4(c)为新型二面角反射器，图5为拟合圆算法的水平-水平极化虚部结果，其中，图5(a)为矩形二面角反射器，图5(b)为三角形二面角反射器，图5(c)为新型二面角反射器，图6为拟合圆算法的水平-垂直极化实部结果，其中，图6(a)为矩形二面角反射器，图6(b)为三角形二面角反射器，图6(c)为新型二面角反射器，图7为拟合圆算法的水平-垂直极化虚部结果。
本发明提供一种用于同时极化校准和背景提取的新型二面角反射器，该反射器的具体介绍如下：
如图1所示，新型二面角反射器是由两个金属平板100和一个金属杆200组成，其中两个金属平板100的连接线300长度与金属杆200的半径相同。
如图2所示，金属平板100为具有切角的菱形结构，其长对角线L与短对角线W比例为
Figure BDA0001656176660000041
切角长度与连接线的长度R相等。
如图3所示，两个金属平板100的夹角为90度，正视图和左视图均为长对角线与对角线相同的菱形结构。新型二面角反射器背面具有一个长的金属杆200用于旋转固定，金属杆与两个相同的菱形结构金属平板连接，夹角均为135°。
采用高频电磁仿真软件FEKO获得二面角反射器的仿真数据，仿真参数如下：工作频段为X频段，二面角反射器的旋转角度为0°至180°，步长0.5°，极化为水平-水平极化，水平-垂直极化。为验证新型二面角反射器的性能，利用拟合圆算法求得构成二面角反射器的两块金属平板接缝处的散射分量，选取现有的矩形二面角反射器和三角形反射器作为对照组，根据公式(1)，水平-水平极化的回波信号可表示为：
SHH＝-σcos2θ+fHH (2)
对回波数据进行I/Q分解为：
SHHI＝-σIcos2θ+fHHI (3)
SHHQ＝-σQcos2θ+fHHQ (4)
其中SHHI为I通道回波数据和SHHQ为Q通道回波数据，fHHI为I通道接缝处的散射分量，fHHQ为Q通道接缝处的散射分量，σI为σ的I通道分量，σQ为σ的Q通道分量，继续对SHHI和SHHQ分别进行第二次I/Q分解：
Figure BDA0001656176660000042
Figure BDA0001656176660000043
Figure BDA0001656176660000044
Figure BDA0001656176660000045
其中SHHII为SHHI的I通道回波数据，SHHIQ为SHHI的Q通道回波数据，SHHQI为SHHQ的I通道回波数据，SHHQQ为SHHQ的Q通道回波数据。因此构造完成两组圆数据，利用拟合圆算法可以获得两组圆数据的中心(fHHI,fHHI)和(fHHQ,fHHQ)，对水平-垂直极化回波数据相同处理，即得到两种极化状态下缝处的散射分量。如图4-7分别为三种二面角反射器的水平-水平极化的实部和虚部示意图，水平-垂直极化的实部和虚部示意图，表1为三种二面角反射器的拟合圆算法对比结果。在同极化状态下，矩形和三角形二面角反射器接缝处具有较高的散射分量，而新型二面角反射器由于极大程度的减小两个金属平板的连接线，其接缝处的散射分量比其他两种二面角反射器低10dB左右。在交叉极化状态下，由于两个金属平板的连接线等效为细直金属线，对于交叉极化基本无影响，因此三种二面角反射器交叉极化状态下接缝处的散射分量属于同一水平。
表1三种二面角反射器的拟合圆算法对比结果
Figure BDA0001656176660000051
由上述本发明较佳实施例可知，应用本发明的优点为：针对利用沿雷达视线方向旋转的二面角反射器实现同时极化校准和背景提取，设计了一种新型二面角反射器，可用于提高同时极化校准和背景提取的精度。
当然，本发明还可有其他多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员依然可以对前述实施例所记载的技术方法进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (2)

1.一种用于同时完成极化校准和背景提取的二面角反射器，其特征在于：两个直角拼接的金属平板具有短的连接线，金属平板为具有切角的菱形结构，切角长度与连接线的长度相等，在保留了传统二面角反射器所具有的极化散射特性的同时，降低了构成二面角反射器的两块金属平板接缝处的散射分量，从而提高极化校准和背景提取的精度。
2.根据权利要求1所述的一种用于同时完成极化校准和背景提取的二面角反射器，其特征在于：至少包括：
所述二面角反射器由两个相同的菱形结构金属平板和一个金属杆组成；
所述菱形结构金属平板的长对角线与短对角线比例为
Figure 217214DEST_PATH_IMAGE001
，长对角线的一端进行切角处理；
所述金属杆的直径与切角长度相等，并与两个菱形结构金属平板连接，两个菱形结构金属平板的夹角为90度，金属杆与两个菱形结构金属板的夹角均为135°。
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