CN114002652A - 空间目标rcs测量的天线圆极化失配损失修正方法及系统 - Google Patents

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CN114002652A CN202111281555.4A CN202111281555A CN114002652A CN 114002652 A CN114002652 A CN 114002652A CN 202111281555 A CN202111281555 A CN 202111281555A CN 114002652 A CN114002652 A CN 114002652A
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张玉梅
魏文博
赖清华
李雁
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Abstract

空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正方法及系统，属于雷达通信技术领域，解决如何对天线收发波束的圆极化失配损失进行修正，以为提高空间目标RCS测量精度的问题；本发明的方法首先基于法拉第旋转角、频率以及电离层电子浓度总含量的关系得到频段内的法拉第旋转角理论值，然后基于方向图测试得到收发波束的圆极化轴比，而后运用极化失配公式处理法拉第旋转角理论值和圆极化轴比测试值得到圆极化损失修正值，该修正方法便于工程实现，可提高雷达对空间目标RCS测量精度；本发明填补了天线收发波束的圆极化失配损失修正的空白。

Description

空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正方法及系统
技术领域
本发明属于雷达通信技术领域，涉及一种空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正方法及系统。
背景技术
VHF(Very high frequency，甚高频)、UHF(Ultra High Frequency，超高频)等低频段电磁波穿过电离层时，极化轴发生旋转，导致入射波和反射波的极化轴不一致，造成极化失配，进而引起天线增益损失。相比线极化的形式，采用圆极化的电磁波可以最大程度减小由法拉第旋转导致的极化失配损失。由于馈电幅相误差的作用，实际雷达辐射的是椭圆极化波，发射和接收波束仍然存在极化失配情况。
天线收发波束的圆极化失配损失与收发波束的圆极化轴比、法拉第旋转角有关。而天线的圆极化轴比随着波束扫描角的变化而变化，法拉第旋转角随着电离层的电磁浓度(TEC)变化，即随天气情况发生变化。RCS(Radar Cross Section，目标雷达截面积)是雷达测量对象的雷达散射截面积，它刻画了雷达目标对入射电磁波的散射能力,是目标尺寸、形状、材质等物理特性的反映，是目标识别的一类重要基础信息。圆极化失配损失的存在会对空间目标RCS测量精度产生影响，必须对天线收发波束的圆极化失配损失进行修正。
现有技术中，申请公布号为CN111948616A、申请公布日2020年11月17日的中国发明专利申请《一种相控阵雷达目标RCS测量精度鉴定方法》获取针对雷达RCS测量精度的鉴定指令，根据所述鉴定指令确定标定卫星；确定所述标定卫星的RCS基准值；根据所述标定卫星的RCS基准值确定所述标定卫星对于雷达的可见时段；通过所述雷达在所述可见时段对所述标定卫星进行跟踪测量,获取测量数据；根据所述测量数据确定误差统计结果；当所述误差统计结果符合预设精度标准时,确定所述雷达目标RCS测量精度满足鉴定要求，但是该文献并未提及如何对天线收发波束的圆极化失配损失进行修正。
发明内容
本发明所要解决的技术问题在于如何对天线收发波束的圆极化失配损失进行修正，以为提高空间目标RCS测量精度。
本发明是通过以下技术方案解决上述技术问题的：
应用于空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正方法，包括以下步骤：
S1、基于法拉第旋转角与电磁波的频率、电离层电子浓度总含量的关系得到频段内的法拉第旋转角理论值；
S2、基于方向图测试得到收发波束的圆极化轴比；
S3、运用极化失配公式处理法拉第旋转角理论值和圆极化轴比测试值得到圆极化损失修正值。
本发明的方法首先基于法拉第旋转角、频率以及电离层电子浓度总含量的关系得到频段内的法拉第旋转角理论值，然后基于方向图测试得到收发波束的圆极化轴比，而后运用极化失配公式处理法拉第旋转角理论值和圆极化轴比测试值得到圆极化损失修正值，该修正方法便于工程实现，可提高雷达对空间目标RCS测量精度；本发明填补了天线收发波束的圆极化失配损失修正的空白。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S1中所述的基于法拉第旋转角与电磁波的频率、电离层的电磁浓度的关系得到频段内的法拉第旋转角理论值，具体为：
电磁波穿过电离层时，其极化轴存在法拉第旋转效应，法拉第旋转角Ω还随电离层电子浓度总含量变化，VHF以上波段的法拉第旋转角为：
Figure BDA0003331260580000021
其中，Ω表示法拉第旋转角，f表示电磁波的频率，BLF表示平均地磁场强度，dl表示沿传播路径的微分，Ne表示电子密度。
作为本发明技术方案的进一步改进，步骤S3中所述的运用极化失配公式处理法拉第旋转角理论值和圆极化轴比测试值得到圆极化损失修正值，具体为：
收发波束的圆极化失配损失由下式进行计算：
Figure BDA0003331260580000022
式中，L表示收发波束的圆极化失配损失，AR1和AR2分别为收发天线的轴比，Ω为法拉第旋转角，根据收发天线轴比测试值AR1、AR2和法拉第旋转角理论值Ω计算得到收发波束圆极化失配损失随频率和扫描角的修正表。
应用于空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正系统，包括：法拉第旋转角理论值计算模块，圆极化轴比测试模块，圆极化损失修正模块；
所述的法拉第旋转角理论值计算模块用于基于法拉第旋转角与电磁波的频率、电离层电子浓度总含量的关系得到频段内的法拉第旋转角理论值；
所述的圆极化轴比测试模块用于基于方向图测试得到收发波束的圆极化轴比；
所述的圆极化损失修正模块用于运用极化失配公式处理法拉第旋转角理论值和圆极化轴比测试值得到圆极化损失修正值。
作为本发明技术方案的进一步改进，法拉第旋转角理论值计算模中所述的基于法拉第旋转角与电磁波的频率、电离层的电磁浓度的关系得到频段内的法拉第旋转角理论值，具体为：
电磁波穿过电离层时，其极化轴存在法拉第旋转效应，法拉第旋转角Ω还随电离层电子浓度总含量变化，VHF以上波段的法拉第旋转角为：
Figure BDA0003331260580000031
其中，Ω表示法拉第旋转角，f表示电磁波的频率，BLF表示平均地磁场强度，dl表示沿传播路径的微分，Ne表示电子密度。
作为本发明技术方案的进一步改进，圆极化损失修正模块中所述的运用极化失配公式处理法拉第旋转角理论值和圆极化轴比测试值得到圆极化损失修正值，具体为：
收发波束的圆极化失配损失由下式进行计算：
Figure BDA0003331260580000032
式中，L表示收发波束的圆极化失配损失，AR1和AR2分别为收发天线的轴比，Ω为法拉第旋转角，根据收发天线轴比测试值AR1、AR2和法拉第旋转角理论值Ω计算得到收发波束圆极化失配损失随频率和扫描角的修正表。
本发明的优点在于：
本发明的方法首先基于法拉第旋转角、频率以及电离层电子浓度总含量的关系得到频段内的法拉第旋转角理论值，然后基于方向图测试得到收发波束的圆极化轴比，而后运用极化失配公式处理法拉第旋转角理论值和圆极化轴比测试值得到圆极化损失修正值，该修正方法便于工程实现，可提高雷达对空间目标RCS测量精度；本发明填补了天线收发波束的圆极化失配损失修正的空白，已在某相控阵雷达的目标RCS测量中得到应用。
附图说明
图1为本发明实施例的空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正方法的流程图；
图2为本发明实施例的法拉第旋转角与电磁波的频率、电离层电子浓度总含量(TEC)的关系图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
下面结合说明书附图以及具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述：
实施例一
如图1所示，空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正方法，包括以下内容：
1、法拉第旋转角
电磁波穿过电离层时，其极化轴有法拉第旋转效应，法拉第旋转角Ω还随电离层电子浓度总含量(TEC)变化，VHF以上波段的法拉第旋转角为：
Figure BDA0003331260580000041
其中，Ω表示法拉第旋转角，f表示电磁波的频率，BLF表示平均地磁场强度，dl表示沿传播路径的微分，Ne表示电子密度。
法拉第旋转角Ω依赖于电磁波的频率f和沿积分路径的平均地磁场强度BLF以及沿传播路径的电离层电子浓度总含量TEC(单位：e/m2)，对于0.1G～10GHz波段电波信号，当TEC在1016e/m2到1019e/m2之间变化时，电离层引起法拉第旋转角Ω的值如图1所示。
2、圆极化轴比
天线轴比随扫描角的变化与天线单元具体形式相关，无法进行理论公式推导。本发明以某P波段远程相控阵雷达的天线为例，采用平面近场扫描法在微波暗室内对频段内多个扫描角的收发波束圆极化轴比进行测试，测试值如表1所示。
表1天线收发波束轴比随频率和扫描角变化测试值
Figure BDA0003331260580000051
Figure BDA0003331260580000061
Figure BDA0003331260580000071
表1(续)天线收发波束轴比随频率和扫描角变化测试值
Figure BDA0003331260580000072
Figure BDA0003331260580000081
Figure BDA0003331260580000091
3、收发波束圆极化失配损失
收发波束的圆极化失配损失可用下式进行计算：
Figure BDA0003331260580000092
式中，L表示收发波束的圆极化失配损失，AR1和AR2分别为收发天线的轴比，Ω为法拉第旋转角。
根据表1的收发天线轴比测试值AR1、AR2和图2的法拉第旋转角理论值Ω计算得到收发波束圆极化失配损失随频率和扫描角的修正表，如表2所示。
表2收发波束极化失配损失随频率扫描角的变化值
Figure BDA0003331260580000093
Figure BDA0003331260580000101
Figure BDA0003331260580000111
表2(续)收发波束极化失配损失随频率扫描角的变化值
Figure BDA0003331260580000112
Figure BDA0003331260580000121
本发明的方法将双圆极化收发天线轴比测试值和电离层法拉第旋转效应相结合，给出了天线收发波束圆极化失配的损失修正，该修正方法便于工程实现，可提高雷达对空间目标RCS测量精度，填补了天线收发波束的圆极化失配损失修正的空白。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，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精神和范围。

Claims (6)

1.应用于空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、基于法拉第旋转角与电磁波的频率、电离层电子浓度总含量的关系得到频段内的法拉第旋转角理论值；
S2、基于方向图测试得到收发波束的圆极化轴比；
S3、运用极化失配公式处理法拉第旋转角理论值和圆极化轴比测试值得到圆极化损失修正值。
2.根据权利要求1所述的应用于空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正方法，其特征在于，步骤S1中所述的基于法拉第旋转角与电磁波的频率、电离层的电磁浓度的关系得到频段内的法拉第旋转角理论值，具体为：
电磁波穿过电离层时，其极化轴存在法拉第旋转效应，法拉第旋转角Ω还随电离层电子浓度总含量变化，VHF以上波段的法拉第旋转角为：
Figure FDA0003331260570000011
其中，Ω表示法拉第旋转角，f表示电磁波的频率，BLF表示平均地磁场强度，dl表示沿传播路径的微分，Ne表示电子密度。
3.根据权利要求1所述的应用于空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正方法，其特征在于，步骤S3中所述的运用极化失配公式处理法拉第旋转角理论值和圆极化轴比测试值得到圆极化损失修正值，具体为：
收发波束的圆极化失配损失由下式进行计算：
Figure FDA0003331260570000012
式中，L表示收发波束的圆极化失配损失，AR1和AR2分别为收发天线的轴比，Ω为法拉第旋转角，根据收发天线轴比测试值AR1、AR2和法拉第旋转角理论值Ω计算得到收发波束圆极化失配损失随频率和扫描角的修正表。
4.应用于空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正系统，其特征在于，包括：法拉第旋转角理论值计算模块，圆极化轴比测试模块，圆极化损失修正模块；
所述的法拉第旋转角理论值计算模块用于基于法拉第旋转角与电磁波的频率、电离层电子浓度总含量的关系得到频段内的法拉第旋转角理论值；
所述的圆极化轴比测试模块用于基于方向图测试得到收发波束的圆极化轴比；
所述的圆极化损失修正模块用于运用极化失配公式处理法拉第旋转角理论值和圆极化轴比测试值得到圆极化损失修正值。
5.根据权利要求4所述的应用于空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正系统，其特征在于，法拉第旋转角理论值计算模中所述的基于法拉第旋转角与电磁波的频率、电离层的电磁浓度的关系得到频段内的法拉第旋转角理论值，具体为：
电磁波穿过电离层时，其极化轴存在法拉第旋转效应，法拉第旋转角Ω还随电离层电子浓度总含量变化，VHF以上波段的法拉第旋转角为：
Figure FDA0003331260570000021
其中，Ω表示法拉第旋转角，f表示电磁波的频率，BLF表示平均地磁场强度，dl表示沿传播路径的微分，Ne表示电子密度。
6.根据权利要求4所述的应用于空间目标RCS测量的天线圆极化失配损失修正系统，其特征在于，圆极化损失修正模块中所述的运用极化失配公式处理法拉第旋转角理论值和圆极化轴比测试值得到圆极化损失修正值，具体为：
收发波束的圆极化失配损失由下式进行计算：
Figure FDA0003331260570000022
式中，L表示收发波束的圆极化失配损失，AR1和AR2分别为收发天线的轴比，Ω为法拉第旋转角，根据收发天线轴比测试值AR1、AR2和法拉第旋转角理论值Ω计算得到收发波束圆极化失配损失随频率和扫描角的修正表。
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