瞬态极化雷达中极化测量与校准的数学原理及实验验证

瞬态极化雷达是一种具有两路正交极化通道独立收发能力的新体制雷达,可实现目标极化散射矩阵的瞬时测量。在对传统的瞬态极化雷达目标极化散射矩阵测量原理进行分析的基础上,详细介绍了基于模糊函数矩阵的极化测量新方法,给出了相应的信号处理流程;并提出了基于单个金属球定标体的极化散射矩阵测量结果校准方法;最后介绍了基于瞬态极化雷达试验系统开展的仿真实验、外场测量实验及实验结果。     

新体制极化测量雷达的瞬态极化测量性能分析

瞬态极化雷达采用同时发射、同时接收的测量体制,可以利用正交极化通道的单次回波信号测量目标极化散射矩阵。首先给出了窄带瞬态极化雷达信号模型和信号处理方法;然后详细分析了两类瞬态极化雷达信号波形(频移脉冲矢量波形和正负调频斜率LFM矢量波形)的测量性能;最后用国防科技大学研制的X波段瞬态极化雷达系统开展外场实验,实验结果表明:与分时极化测量结果相比,两者的相对幅度测量结果差异小于2 dB,相对相位测量结果差异小于10,°从而验证了瞬时极化测量的有效性。     

点目标无源极化校准研究进展

极化校准是雷达目标极化散射特性正确获取的前提和基础。针对极化雷达系统,介绍了极化校准的概念及分类,概括了极化校准技术的发展史,对国内外研究机构在该领域主要的研究成果进行了归纳;分析了后向极化散射矩阵测量的误差模型,归纳了几种典型的点目标极化校准算法,分别介绍了各种极化校准算法所需的定标体和限制条件,列出各种典型算法的优缺点,通过仿真实验对比分析了几种典型点目标极化校准算法分别在低、中、高极化隔离度时极化校准的性能;指出了点目标极化校准技术今后的研究方向。点目标无源校准技术可以广泛应用于现有地基极化雷达装备和极化合成孔径雷达等的校准,对点目标无源校准技术的研究具有重要的理论和实际应用价值。     

瞬态极化雷达接收滤波器的优化设计

 针对瞬态极化雷达发射波形自相关和互相关特性相互制约的矛盾,本文对瞬态极化雷达的接收滤波器进行优化设计,以减小相同极化通道的距离旁瓣和不同极化通道之间的相互串扰,提高全极化雷达的检测和估计性能.建立了瞬态极化雷达回波信号模型,分析了目标极化散射矩阵估计的误差来源,根据估计误差函数建立优化模型,通过凸优化求解对不同极化通道的滤波器进行优化设计.分析了单个静止点目标、运动目标和多目标情况下滤波器的性能,并给出了仿真结果.最后,利用实测数据验证了本文方法的有效性.     

全极化雷达极化标校技术研究

受各种非理想因素的影响,极化测量雷达难以直接测得目标准确的极化散射矩阵（polarization scattering matrix,PSM）,因此,高精度极化标定是准确获取和利用目标极化信息的基础.本文从极化标校的基本原理出发,建立了PSM测量的误差模型,分析了主要误差因素对PSM测量结果的影响,阐述了无源和有源极化标定方法并对其性能和适用场景进行比较,分析了极化标校器的参数对极化标校精度的影响.分析结果表明,目标的交叉极化分量与极化测量雷达系统的极化隔离度处在相同水平时,目标的交叉极化分量测量结果会明显偏离其真值,通过极化隔离度优于测量系统隔离度无源或有源极化定标体对系统进行标校可以减小系统极化隔离度带来的测量误差.本文工作为极化定标体的研制和全极化测量雷达的系统标校奠定了基础.     

高分辨全极化昆虫雷达极化校准与昆虫体轴方向估计

迁飞性虫害突发性强、危害范围广,严重威胁国家粮食安全。昆虫雷达是监测昆虫迁飞的最有效手段,可为迁飞虫害预警防控提供关键信息支撑。传统昆虫雷达通过低分辨波形、旋转线极化天线等方式,实现昆虫体重、体轴方向等生物学参数测量。新型昆虫雷达采用调频步进频高分辨波形、瞬时全极化体制,可大幅提升昆虫生物学参数测量精度。但是,在传统极化测量误差之外,调频步进频成像会给不同极化通道引入新的乘性误差分量,导致极化通道间不一致更加复杂,必须进行高精度极化校准。针对以上问题,该文结合调频步进频波形特点对全极化测量模型进行了优化,并设计了一种基于松姿态约束下双定标体(金属球和金属丝)联合的高分辨全极化雷达极化校准方法,补偿了系统通道间不一致对极化信息测量的影响;在此基础上,进一步提出了基于生物对称模型的昆虫体轴方向估计方法,解析推导分析了极化通道间交叉串扰对体轴方向估计的影响机制。最后,利用多频全极化雷达(X, Ku, Ka)进行了极化校准和昆虫轴向测量实验,实测昆虫体轴方向测量误差优于3°,验证了所提方法的有效性。     

一种新的点目标无源极化校准方案

极化校准是极化散射矩阵正确获取的重要步骤之一,大口径雷达的极化校准一直是一个难点。为此,提出一种新的无源极化校准方案,该方案利用已校准的小口径雷达来校准大口径雷达。首先,通过外场实验用单个二面角校准小口径雷达;然后,小口径雷达发射信号照射卫星,大小口径两部雷达同时接收并进行信号处理,给出相应的校准算法,最后,通过专业电磁计算软件获得定标体以及卫星散射矩阵的理论值,仿真实验结果验证了提出的极化校准方案的有效性。     

宽带雷达目标的瞬态极化时频分布表征

从雷达目标本身的电磁散射特性的表征出发,提出了描述雷达目标的瞬态极化的时频分布的思路,导出了雷达目标的瞬态极化Wigner-Ville分布的定义和性质,并给出了雷达目标瞬态极化的一般类时频分布,为进一步的检测和识别提供了理论基础。     

一种极化雷达校准信号源的设计与实现

为了校准极化雷达的接收通道,设计并实现了一种基于DDS软件编程技术的极化雷达校准信号源系统。给出了主要的硬件电路和软件设计方案。该系统将FPGA技术与DDS技术结合,在FPGA内部软件编程实现改进的DDS模块,充分利用了FPGA作为大规模芯片的资源优势和高速运算能力。系统能够产生高精度且稳定的任意雷达校准信号,可满足极化雷达标校的应用。     

雷达目标极化散射特性的表征方法

归纳了现有雷达目标极化散射特性的表征方法,回顾了雷达目标极化散射经典表征的物理概念及内涵。阐述和深化了在时变极化波激励下雷达目标的瞬态极化表征方法,提出了瞬态极化相似系数和瞬态极化相似度等概念。简要介绍了雷达目标的瞬态极化时频分布表征思路。试图理清这些刻画手段的研究思路,为适应不同的应用需求提供理论支持。     

背景电离层对低频重轨星载InSAR影响分析

由于大口径天线远场条件苛刻、杂波多径影响大,使得大型地基雷达的极化校准成为雷达工程技术领域的难点问题,频域动态极化校准算法是一种很好的解决方案,但存在极化有源校准器收/发天线隔离度低、天线方向图不对称等问题,导致极化校准的精度降低。针对上述问题,提出了一种基于非匀速旋转单天线PARC(Polarimetric Active Radar Calibrator)的极化校准方法,能够克服传统频域动态校准算法的缺点,有效提高雷达极化校准的精度。     

一种基于Whitt算法的SAR极化定标改进方法

深入研究了Whitt等提出的基于人造点目标的极化定标算法（Whitt算法）,发现并证明了Whitt算法中对特征值对应次序的判断条件在某些情况下不成立,且分析了特征值次序对应关系错误对失真矩阵求解结果造成的影响。在此基础上,提出了新的判断条件和解决方法,对Whitt算法进行了改进。利用中国科学院电子学研究所研制的一部机载PolSAR系统进行了极化外定标实验验证,结果表明利用该改进算法进行极化定标参数求解具有更好的有效性和稳健性。     

雷达目标极化散射矩阵的瞬时测量方法

目标极化特性的瞬时测量是极化雷达探测与目标识别等领域非常关心的基础性问题.本文针对频移脉冲波形,研究了互易条件下目标极化特性瞬时测量问题.建立了瞬时极化测量雷达的目标回波模型,在深入分析了目标回波极化特性的基础上,提出了一种基于离散时间傅立叶变换的完整极化散射矩阵频域估计算法,证明其为无偏估计,给出了估计精度的理论公式和实验结果.     

基于时频联合域极化滤波的高分辨极化雷达信号检测

本文以瞬态极化时频分析作为理论工具,针对高分辨极化雷达体制,提出了时频联合域极化滤波的概念;然后应用文中介绍的瞬态极化短时Fourier变换(STFT),提出了一种通过时频联合域积累的高分辨极化雷达信号检测算法.仿真实验表明了该算法的可行性和有效性.     

同时极化雷达波形隔离度分析与选择

针对目标极化特性测量,尤其是大动态单目标极化特性的测量问题,同时极化测量波形的设计需着重考虑其波形隔离度。首先,从模糊函数的角度出发定义波形隔离度。然后,针对波形隔离度这个指标,讨论双频矢量脉冲信号、正负斜率线性调频信号和全极化OFDM信号等典型极化测量波形的隔离度性能,重点分析了多普勒频移对波形隔离度的影响。最后对不同波形下波形隔离度的影响因素及性能指标进行比较,给出了这几种极化测量波形的适用场景,对同时极化测量波形的设计与选择具有一定指导意义。     

基于瞬态极化时频分布及奇异值特征提取的雷达目标识别

本文介绍了瞬态极化时频分布的概念,并给出了瞬态极化Wigner-Ville分布及伪Wigner-Ville分布的定义,用以刻画雷达目标回波在时频域上的极化特性.然后,由回波的瞬态极化伪Wigner-Ville分布各分量的奇异值组成特征矢量,以BP神经网络作为分类器进行了目标识别实验.实验结果表明,与传统的对目标极化回波的两个分量分别作时频分析的处理方法相比,文中方法具有更好的目标识别性能.     

多光谱偏振大气探测系统定标处理

偏振探测系统定标对于大气探测有着重要意义,是基于偏振探测的大气参数高精度反演的必要基础。中科院安徽光机所研制了星载大气同步校正仪的航空样机,它是一种多光谱偏振探测设备。利用该仪器可获取多光谱偏振信息,从而反演出与遥感成像时空同步的大气参数,实现大气校正。该仪器的定标处理对于准确获取大气参数至关重要。针对大气校正仪多通道偏振探测的特点,设计了定标方案。通过光谱定标、辐射定标和偏振定标,获取探测系统的Muller矩阵,建立仪器各通道探测值DN与斯托克斯参量间的联系,从而为系统的实际应用,提供重要基础。