极化雷达的同时全极化测量与校准技术_王雪松

量与主极化分量的比值。 此时，2 路正交极化天线发射信号可
描述为
v jθh
et(t)=
αh βh(ξ，η)e αh βh(ξ，η)ρh(ξ，η)ejθh
vv v jθv
αv βv(ξ，η)ρv(ξ，η)e eth(t-τh) （3）
αv βv(ξ，η)ejθv
etv(t-τv)
假设目标所处方位角为 ξ0，俯仰角为 η0，极化散射矩阵为
v v shh
svh
shv svv
，其中 τd 和 fd 表示目标回波时延和多普勒频移 ，则该
目标的后向散射为
44
v vv v es(t)=
esh(t) esv(t)
=
shh svh
shv svv
δ(τd， fd)et(t)
v vv vv v = shh shv
Thh Thv
eth(t-τh-τd)ej2πfd
目标识别、反隐身和抗干扰等能力方面可发挥出重要作用[2-7]。 极化信息获取技术主要包括极化测量和极化校准两方面。
在极化测量方面，极化雷达的测量体制经历了从非全极化到全 极化、从分时全极化到同时全极化的发展过程[2-3]。 同时全极化 测量体制作为当前最先进的测量体制，能够获取动态目标的全 极化相参信息，是当前极化测量研究的热点之一[8-11]。 现有的同 时全极化测量技术要求极化雷达的 2 路极化发射信号完全 正交，而实际信号难以满足这一要求，因而造成了目标极化 散射矩阵的测量 误 差 。 [11-12] 在 极 化 校 准方 面 ，由 于 背 景 噪 声 、 杂波以及极化雷达系统误差等因素的影响，极化雷达的测量
除了因发射信号非正交性引入的测量误差，并给出了相应的信号处理流程；针对传统极化校准技术实施难度高、校准精度差等问
题，给出了基于单个金属球定标体的极化校准新方法；基于瞬态极化雷达实验系统（KD-IPR）开展的外场试验 对 上 述 方 法 进 行 了
验证。
关键词 同时全极化测量；极化校准；瞬态极化雷达；外场试验
v vv v εh(t) + nh(t)
（7）
εv(t) nv(t)
其中 ，τdh=τh+τd+τ′h，τdv=τv+τd+τ′v；[e′h(t), e′v(t)]T分 别 表 示 h、v 极 化
通道接收信号的混频 输 出 ；n=[nh(t), nv(t)]T 表 示接 收 通 道 的 零
均值加性高斯噪声信号 矢 量 ；ε=[εh(t), εv(t)]T 表 示 接收 通 道 除
n 外的非零均值加性误差信号矢量， 来自于接收通道耦合的
发射信号以及背景杂波等。
接收信号通过 2 路发射信号对应的匹配滤波器 hh(t)、hv(t)， 得到 4 路匹配滤波输出为[8, 11]
v vv vv v ohh ohv = s赞hh s赞hv mhh mhv
（8）
ovh ovv
s赞 vh s赞 vv mvh mvv
科技导报 2011，29（26）
研 究 论 文 （Articles）
极化雷达的同时全极化测量与校准 技术
王雪松，常宇亮，李永祯，戴幻尧，何 密，肖顺平
国防科学技术大学电子科学与工程学院，长沙 410073
摘要 针对传统同时全极化测量技术中存在的极化测量误差问题，介绍了基于模糊函数矩阵的同时全极化测量新方法，有效地消
h、v 极化发Baidu Nhomakorabea通道后产生的时延。
由于天线空域极化特性的影响，发射天线增益中除主极
化分量外还存在交叉极化 分 量 ，造 成 发 射 信 号极 化 不 纯 。 [20-21]
在 考 虑 交 叉 极化 影 响 的 条 件 下 ，h、v 极 化 天线 的 实 际 增 益 可
用 Jones 矢量描述为
v v v v 1
科技导报 2011，29（26）
值会偏离真实值，这一误差无法完全消除，只能通过校准进 行 补 偿 。 [13-15] 目 前 ，以 三 目 标 校 准 法 （Three Target Calibration Technique，TTCT）等为代表的极化校准方法需要多个定标体 ， 不但校准实施难度较高，而且定标体姿态摆放误差会引起 校 准 误 差 [16-17]； 而 以 单 目 标 校 准 法 （Single Target Calibration Technique，STCT） 为代表的校准方法虽然仅需单个金属球定 标体，但忽略了雷达天线空域极化特性的影响，且校准结果 存 在 相 位 模 糊 [18-19]。
v α′h β′h(ξ0，η0)ρ′h(ξ0，η0)ejθ′v α′v β′v(ξ0，η0)ejθ′v
（6）
其中 ，β′h(ξ0，η0)、 β′v(ξ0，η0)分 别 指 方 位 角 ξ0、俯 仰 角 η0 上 h、v 极
化 接 收 天 线 的 主 极 化 复 增 益 ；ρ′h(ξ0，η0)和 ρ′v(ξ0，η0)分 别 指 h、v
针对上述问题，本文提出了新的同时全极化测量和校准 技术。 在极化测量方面，提出了一种基于模糊函数矩阵的同 时全极化测量新方法，该方法放宽了 2 路极化发射信号必须 严格正交的要求，消除了传统方法中因信号不能严格正交而 产生的测量误差；在极化校准方面，提出了一种基于单个金 属球的极化校准新方法， 在考虑天线空域极化特性的前提 下，仅需单个金属球定标体即可完成极化校准，避免了定标 体姿态摆放误差对校准的影响，且不存在相位模糊。 基于瞬 态极化雷达实验系统开展的外场试验对上述技术进行了测 试和验证。
其
中
，mij=e′i(t-τdi)ej2πfdi
(t-τdi
)
*hj(t)
，i
，j=h
，v
。
传统 同 时 全 极 化 测 量 方 法认 为 ，2 路 极 化 发 射 信 号 采 用
正交调制，即 mhv=mvh=0，则目标极化散射矩阵测量值为
1 传统同时全极化测量技术及测量误差分析
同时全极化测量体制雷达的 2 路极化（通常为水平 h、垂
直 v 极 化 ）发 射 通 道 需 同 时 发 射 2 路 正 交 调 制 信 号 ， [7-10] 发 射
信号可用 Jones 矢量表示为 et=[eth(t), etv(t)]T。 其中，eth(t)、etv(t)分 别表示 h、v 2 路发射信号。 2 路极化发射通道不一致，到达天
Jh(t)=βh(ξ，η) ρh(ξ，η)
Jv(t)=βv(ξ，η)
ρv(ξ，η) 1
（2）
其中，βh(ξ，η)、βv(ξ，η)分别表示 h、v 极化发射天线在方位角 ξ、
俯 仰 角 η 上 的 主 极 化 复 增 益 ；ρh(ξ，η)与 ρv(ξ，η)分 别 表 示 h、v
极化发射天线复增益在方位角 ξ、 俯仰角 η 上的交叉极化分
线处的 2 路极化发射信号可表示为
v v et(t)=
αheth(t-τh)exp(jθh) αvetv(t-τv)exp(jθv)
（1）
其中 ，αh、αv 分 别 为 h、v 极 化 发 射 通 道 的 幅 度 增 益 ；θh、θv 表 示
2 路 极 化发 射 通 道 对 信 号 产 生 的相 移 ；τh、τv 指 发 射 信 号 通 过
（5）
与发射过程相似，假设 h、v 极化接收通道的幅度增益、相
移及时延分别为 α′h、α′v，θ′h、θ′v 以及 τ′h、τ′v， 则接 收 乘 性 误 差 矩
阵为
v vv R= Rhh Rhv =
α′h β′h(ξ0，η0)ejθ′h
Rvh Rvv
α′v β′v(ξ0，η0)ρ′v(ξ0，η0)ejθ′h
极化接收天线复增益的交叉极化分量和主极化分量比值。 经
过混频后的接收信号可表述为
v vv vv vv v er(t)=
Rhh Rvh
Rhv Rvv
shh shv svh svv
Thh Thv Tvh Tvv
e′h(t-τdh)ej2πfdh (t-τdh ) + j2πfdv (t-τdv )
e′v(t-τdv)e
收稿日期： 2011-07-05；修回日期：2011-08-03 作者简介： 王雪松，教授，研究方向为新体制雷达探测技术、先进电子攻击技术、复杂电磁环境下雷达电子战系统建模仿真与评估、飞机尾流雷达
探 测 等 ，电 子 信 箱 ：wxs1019@vip.sina.com
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研 究 论 文 （Articles）
中图分类号 TN95
文献标识码 A
doi 10.3981/j.issn.1000-7857.2011.26.006
Polarization Measurement and Calibration Technologies of Instantaneous Polarimetric Radar
WANG Xuesong, CHANG Yuliang, LI Yongzhen, DAI Huanyao, HE Mi, XIAO Shunping
College of Electronic Science and Engineering, National University of Defense Technology, Changsha 410073, China
Abstract As the most advantage measurement method nowadays, the Instantaneous Polarization (IP) measurement technology becomes one of the hot spots in the research field of polarimetric radar. Aiming at the measurement error of the traditional IP measurement technology, a new measurement method based on ambiguity function matrix is introduced. The measurement error caused by the nonorthogonality of the transmitting signals is eliminated by this method. The signal processing flowchart of the method is given. In order to resolve the problems involving the traditional polarization calibration technologies, such as implementation difficulty and low accuracy, the calibration method using single mental sphere is given. The availability of these methods is verified through the field test conducted by the IP radar system, KD-IPR. Keywords instantaneous polarization measurement; polarization calibration; instantaneous polarimetric radar; field test
（4）
svh svv Tvh Tvv etv(t-τv-τd)ej2πfd
这里，称矩阵 T 为发射乘性误差矩阵，且有
v vv T= Thh Thv =
jθh
αh βh(ξ0，η0)e
vjθv
αv βv(ξ0，η0)ρv(ξ0，η0)e
Tvh Tvv
αh βh(ξ0，η0)ρh(ξ0，η0)ejθh
αv βv(ξ0，η0)ejθv
0 引言
现代战争是以制信息权为先导的高科技战争，而雷达作 为全天候、全天时、远距离的战场信息感知系统，已成为现代 战争中不可或缺的重要武器。 随着电子战技术的发展，一方 面，雷达面临日益复杂的电磁环境，需提高其目标检测和抗 干扰能力；另一方面，由于目标识别、反隐身等需求，雷达需 要获取更加全面的目标信息。 极化作为电磁波的本质属性， 和 幅 度 、相 位 、频 率 等 参 数 一 起 构 成 对 电 磁 波 的 完 整 描 述[1]。 目标极化信息的获取不但能为雷达提供更加全面的目标信 息，而且作为极化信息处理的基础，在提高雷达的目标检测、