專利名稱：微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)，它是依據(jù)當前國內(nèi)外對散射測量系統(tǒng)最新發(fā)展水平，以對微波信號矢量分析為基礎(chǔ)的、全波段、多極化微波 散射測量系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
眾所周知，用微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)對地物目標散射特性 進行測量，為雷達技術(shù)中對目標環(huán)境特性檢測以及遙感技術(shù)中對地物目標散射特性理論研 究和實際應用等方面提供實時和直接的數(shù)據(jù)，作為雷達和遙感技術(shù)分析研究的依據(jù)。對多個頻段、不同極化和多個角度范圍內(nèi)，對不同類型地面目標的大量測量和統(tǒng) 計分析，結(jié)合地物實況參數(shù)及理論模型研究，能對復雜環(huán)境下雷達目標檢測、遙感數(shù)據(jù)及圖 像的解析和判讀提供參考，并建立相應數(shù)據(jù)庫，從而作為地物散射特性理論研究或統(tǒng)計分 析的重要依據(jù)。地物微波散射特性的研究是微波遙感進行目標分類、識別和數(shù)據(jù)判讀等圖像解譯 的基礎(chǔ)。隨著我國微波遙感應用研究的進展，特別是各種機載和星載微波遙感數(shù)據(jù)源的飛 速發(fā)展和數(shù)據(jù)質(zhì)量的不斷提高，不僅需要定性分析雷達參數(shù)(頻率、極化、入射角)和地表 參數(shù)(如濕度、粗糙度、生物量等)對地物微波散射特性的影響，更要求定量研究雷達后向 散射系數(shù)與各種參數(shù)之間的復雜函數(shù)關(guān)系，以及如何從各種有效數(shù)據(jù)源之中提取和反演感 興趣的地物參數(shù)。地物目標后向散射特性的測量對于目標微波散射機理研究和微波遙感資料的積 累及其應用具有十分重要的意義。國外在這方面已作了大量的理論和實驗的工作，其中微 波遙感應用的奠基人之一烏拉比(F. T. Ulaby)早在1989年就推出了雷達散射測量手冊，獲 得了大量地物的實測后向散射系數(shù)?，F(xiàn)在，越來越多的國內(nèi)外學者利用雷達后向散射測量開展各種地物參數(shù)反演的研允。國內(nèi)的一些單位也跟蹤開展了散射理論和測量的工作，他們主要采用L波段和X 波段極化散射計，對大量地物進行了多年的實驗研究。綜觀國內(nèi)外散射計的發(fā)展，現(xiàn)在國內(nèi)外研制的散射計大都是單頻段、雙天線的散 射測量系統(tǒng)，如圖7所示。這些散射計在測量多頻段物體后向散射系數(shù)時，需要降下工程車或吊車升降臂， 更換雙天線，然后再升起工程車或吊車(即載體)升降臂，進行測量。如此不僅費時，還不 能保證測量物體時統(tǒng)一高度、統(tǒng)一方位和角度。給測量同一物體不同頻段的后向散射系數(shù) 的測量帶來無法彌補的損失。另外，上述設(shè)備在測量物體后向散射系數(shù)時雙天線波瓣交叉的問題。隨著天線照 射入射角的不同，雙天線波瓣交叉面積也發(fā)生變化，需要計算雙天線波瓣重疊的面積，然后 不斷地修正物體后向散射系數(shù)計算公式的系數(shù)，從而產(chǎn)生一定的誤差。
為此，研發(fā)一種利用單拋物面天線并能進行多個頻段散射測量的系統(tǒng)是降低成本，提高效率的關(guān)鍵。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是針對地物散射特性理論研究或統(tǒng)計分析中采用的測量系統(tǒng)需要 多個天線，測量過程中需反復更換天線才能完成一組數(shù)據(jù)采集，進而造成設(shè)備成本高，測量 周期長，重復性差，數(shù)據(jù)準確率不高等問題，設(shè)計一種僅利用一個拋物面天線一次升降對位 即可完成所有波段微波后向散射特性數(shù)據(jù)采集的微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測 量系統(tǒng)。本發(fā)明的技術(shù)方案是一種微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)，其特征是它主要由載體1、地 面數(shù)據(jù)處理模塊2、前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊3及雷達發(fā)射/接收組件4組成，雷達發(fā)射/ 接收組件4與控制其轉(zhuǎn)動的二維轉(zhuǎn)臺6相連，地面數(shù)據(jù)處理模塊2安裝在載體1的地面部 分上，前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊3、雷達發(fā)射/接收組件4及二維轉(zhuǎn)臺6均安裝在載體1的 空中支撐臂上，地面數(shù)據(jù)處理模塊2通過長度不小于35米的電纜5與前端數(shù)據(jù)采集和傳輸 模塊3及二維轉(zhuǎn)臺6的控制裝置實現(xiàn)電氣連接，前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊3與雷達發(fā)射/ 接收組件4雙向連接；所述的雷達發(fā)射/接收組件4包括一個拋物面天線401、分別對應于 兩個極化狀態(tài)的兩個單刀四擲通道選擇開關(guān)402、八個環(huán)形器403、八個極化選擇開關(guān)404、 頻率范圍從3. 2GHz到13. 6GHz的四個收發(fā)模塊405和I/Q通道選擇開關(guān)406，拋物面天線 天線401根據(jù)極化狀態(tài)通過對應的單刀四擲通道選擇開關(guān)402與對應的環(huán)形器403相連， 環(huán)形器403通過極化選擇開關(guān)404與收發(fā)模塊405相連，收發(fā)模塊405通過通道選擇開關(guān) 406與前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊3相連。所述的收發(fā)模塊405主要由DDS頻綜器501、功分電路502、功率放大器503、第一 工作模式選擇開關(guān)504、低噪聲放大器505、第二工作模式選擇開關(guān)506、I/Q解調(diào)器507和 選頻放大器508組成，DDS頻綜器501產(chǎn)生的線性掃頻源的輸出給緩沖放大器509輸入，緩 沖放大后接功分電路502的輸入，功分電路502的輸出一路作為相干本振源接I/Q解調(diào)器 507的一個輸入端，另一路作為發(fā)射信號輸出接功放電路503的輸入端，再通過與功放電路 503相連的第一工作模式選擇開關(guān)504接對應的極化選擇天關(guān)404的輸入端，再經(jīng)環(huán)行器進 入單刀四擲通道選擇開關(guān)后經(jīng)天線輸出，天線接收到的信號通過單刀四擲通道選擇開關(guān)進 入環(huán)行器后再進入對應的極化選擇404輸出給低噪聲放大器505過濾，然后經(jīng)第二工作模 式選擇開關(guān)506送入接I/Q解調(diào)器507中，I/Q解調(diào)器507再通過選頻放大器508放大后 送入通道選擇開關(guān)，最終將接收到的信號送入地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2中存儲。I/Q中的I即 in phase同相分量，Q即quadrature phase正交分量，正交調(diào)幅信號QAM有兩個相通頻率 的載波，但是相位相差90度(四分之一周期，來自積分術(shù)語)。一個信號叫I信號，另一個 信號叫Q信號。從數(shù)學角度將，一個信號可以表示成正弦，另一個表示成余弦。兩種被調(diào)制 的載波在發(fā)射時已被混和。到達目的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被分別提取然后和原始調(diào)制信 息相混和。所述的前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊3主要由開關(guān)控制單元601、系統(tǒng)狀態(tài)收集單元 602、信道編碼單元603、同步控制單元604、組幀電路605、A/D采集電路606及濾波整形電路607組成，開關(guān)控制單元601的輸入與地面數(shù)據(jù)傳輸模塊2的輸出端相連，開關(guān)控制單元601的輸出與雷達發(fā)射/接收組件4及二維轉(zhuǎn)臺對應的輸入控制端相連，系統(tǒng)狀態(tài)收集單 元602的輸入端與雷達發(fā)射/接收組件4及二維轉(zhuǎn)臺對應的輸出控制端相連，系統(tǒng)狀態(tài)收 集單元602的輸出端與地面數(shù)據(jù)傳輸模塊2的輸入端相連，信道編碼單元603的輸入端與 組幀電路605的輸出端相連，信道編碼單元603的輸出端與地面數(shù)據(jù)傳輸模塊2對應的輸 入端相連，組幀電路605的輸入端與A/D采集電路606的輸出端相連，組幀電路605和A/D 采集電路606的控制端均與同步控制單元604對應的控制端相連，同步控制單元604的另 一個控制端與雷達發(fā)射/接收組件4對應的輸入端相連，A/D采集電路606的輸入端與濾 波整形電路607的輸出端相連，濾波整形電路607的輸入端與雷達發(fā)射/接收組件4對應 的信號輸出端相連。所述的拋物面天線401為分置偏饋拋物面天線，在所述分置偏饋拋物面天線上安 裝有雙極化圓錐雙脊喇叭饋源；所述分置偏饋拋物面的反射口面的口徑不大于1. 2米。所述的地面數(shù)據(jù)處理模塊2主要由計算機201和地面數(shù)據(jù)傳輸模塊202組成，地 面數(shù)據(jù)傳輸模塊202通過USB接口與計算機201相連，所述的地面數(shù)據(jù)傳輸模塊202主要 由開關(guān)控制單元203、系統(tǒng)狀態(tài)處理單元204、邏輯控制單元205、數(shù)據(jù)處理單元206和USB 接口單元207組成，開關(guān)控制單元203接收計算機201指令、執(zhí)行開關(guān)控制，以實現(xiàn)頻率通 道選取和極化模式選??；系統(tǒng)狀態(tài)處理單元204收集前端系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)，并向計算機201 發(fā)送收集結(jié)果；邏輯控制單元205控制各個單元有序的工作；數(shù)據(jù)處理單元206對前端數(shù) 據(jù)采集及傳輸模塊傳送來的數(shù)據(jù)進行解碼，并向計算機發(fā)送；USB接口單元207實現(xiàn)與計算 機USB接口進行通訊。本發(fā)明的有益效果本發(fā)明可省去多個拋物面天線，僅用一個天線即可完成原先需要8個天線才能完 成的數(shù)據(jù)采集任務，因此，具有結(jié)構(gòu)簡單，成本低的優(yōu)點。同時由于在采用過程中不需要進 入拋物面天線的更換，具有數(shù)據(jù)采集準確，重復性好，采集速度快的優(yōu)點。本發(fā)明的微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)利用了調(diào)頻連續(xù)波雷達 的工作原理，用寬頻段雷達收發(fā)設(shè)備及寬頻段多極化單拋物面天線實現(xiàn)從3GHz到13. 6GHz 寬頻段范圍內(nèi)用一個拋物面天線及寬頻段饋源實現(xiàn)在所設(shè)定的范圍內(nèi)，測量各類地面物體 的后向散射特性，而無須更換饋源、無須更換拋物面天線。它能在同一高度、同一角度采用 不同頻率、不同極化對同一地面物體進行大量的實際測量。從而得到更加精細、準確、豐富 的多頻段、多極化的地物后向散射數(shù)據(jù)。采用標準散射體定標校準后，能對地面物體進行定 量比較。為我國大地遙感檢測提供了一種高性能，低成本的科研裝備。本發(fā)明通過收發(fā)模塊的輸入輸出兩端分別設(shè)置通道選擇開關(guān)，實現(xiàn)了在一套收發(fā) 系統(tǒng)中同時收發(fā)四個甚至更多個波段的微波信號的目的，大大簡化了收發(fā)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)。本發(fā)明通過在收發(fā)模塊中增加了高IdB低噪聲放大電路解決了發(fā)射信號對接收 信號的干擾問題，大大提高了信號采集的效率和正確率。


圖1是本發(fā)明的總體結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是本發(fā)明的收發(fā)系統(tǒng)組成框圖示意圖。
圖3是本發(fā)明的收發(fā)模塊組成框圖示意圖。圖4是本發(fā)明的前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊示意圖。圖5是本發(fā)明的地面數(shù)據(jù)傳輸模塊功能框6本發(fā)明的計算機軟件功能框圖。圖7現(xiàn)有的通用散射計的結(jié)構(gòu)示意圖。
具體實施例方式下面結(jié)合附圖和實施例對本發(fā)明作進一步的說明。如圖1-7所示。一種微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)，它主要由載體1 (可為起重汽車、吊車、液壓車等帶有長臂的能自行或可被拖運的車輛)、地面數(shù)據(jù)處理模塊2、前端數(shù) 據(jù)采集和傳輸模塊3及雷達發(fā)射/接收組件4組成，如圖1所示。為了使天線轉(zhuǎn)動，雷達發(fā) 射/接收組件4連接有驅(qū)動其轉(zhuǎn)動的二維轉(zhuǎn)臺6，地面數(shù)據(jù)處理模塊2安裝在載體1的地面 部分上，前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊3、雷達發(fā)射/接收組件4及二維轉(zhuǎn)臺6均安裝在載體1 的空中支撐臂上，地面數(shù)據(jù)處理模塊2通過長度不小于35米的電纜5與前端數(shù)據(jù)采集和傳 輸模塊3及二維轉(zhuǎn)臺6的控制裝置實現(xiàn)電氣連接，前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊3與雷達發(fā)射 /接收組件4雙向連接；所述的雷達發(fā)射/接收組件4包括一個拋物面天線401 (可采用分 置偏饋拋物面天線并在所述分置偏饋拋物面天線上安裝有雙極化圓錐雙脊喇叭饋源；所述 分置偏饋拋物面的反射口面的口徑最好不大于1.2米)、分別對應于兩個極化狀態(tài)(H極化 和V極化)的兩個單刀四擲通道選擇開關(guān)402 (可利用現(xiàn)有技術(shù)設(shè)計出純電子式的選擇開 關(guān))、八個環(huán)形器403、八個極化選擇開關(guān)404、頻率范圍從3. 2GHz到13. 6GHz的四個收發(fā)模 塊405和I/Q通道選擇開關(guān)406，拋物面天線天線401根據(jù)極化狀態(tài)通過對應的單刀四擲通 道選擇開關(guān)402與對應的環(huán)形器403相連，環(huán)形器403通過極化選擇開關(guān)404與收發(fā)模塊 405相連，收發(fā)模塊405通過I/Q通道選擇開關(guān)406與前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊3相連，如 圖2所示。其中的收發(fā)模塊405主要由DDS頻綜器501、功分電路502、功率放大器503、第 一工作模式選擇開關(guān)504、低噪聲放大器505、第二工作模式選擇開關(guān)506、I/Q解調(diào)器507 和選頻放大器508組成，如圖3所示，DDS頻綜器501產(chǎn)生的線性掃頻源的輸出給緩沖放大 器509的輸入，緩沖放大后接功分電路502的輸入，功分電路502的輸出一路作為相干本振 源接I/Q解調(diào)器507的一個輸入端，另一路作為發(fā)射信號輸出接功放電路503的輸入端，再 通過與功放電路503相連的第一工作模式選擇開關(guān)504接對應的極化選擇天關(guān)404的輸入 端，再經(jīng)環(huán)行器進入單刀四擲通道選擇開關(guān)后經(jīng)天線輸出，天線接收到的信號通過單刀四 擲通道選擇開關(guān)進入環(huán)行器后再進入對應的極化選擇404輸出給低噪聲放大器505過濾， 然后經(jīng)第二工作模式選擇開關(guān)506送入接I/Q解調(diào)器507中，I/Q解調(diào)器507再通過選頻放 大器508放大后送入I/Q通道選擇開關(guān)，最終將接收到的信號送入地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)2中 存儲。前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊3主要由開關(guān)控制單元601、系統(tǒng)狀態(tài)收集單元602、信道 編碼單元603、同步控制單元604、組幀電路605、A/D采集電路606及濾波整形電路607組 成，如圖4所示，開關(guān)控制單元601的輸入與地面數(shù)據(jù)傳輸模塊2的輸出端相連，開關(guān)控制 單元601的輸出與雷達發(fā)射/接收組件4及二維轉(zhuǎn)臺對應的輸入控制端相連，系統(tǒng)狀態(tài)收 集單元602的輸入端與雷達發(fā)射/接收組件4及二維轉(zhuǎn)臺6對應的輸出控制端相連，系統(tǒng)狀態(tài)收集單元602的輸出端與地面數(shù)據(jù)傳輸模塊2的輸入端相連，信道編碼單元603的輸入端與組幀電路605的輸出端相連，信道編碼單元603的輸出端與地面數(shù)據(jù)傳輸模塊2對 應的輸入端相連，組幀電路605的輸入端與A/D采集電路606的輸出端相連，組幀電路605 和A/D采集電路606的控制端均與同步控制單元604對應的控制端相連，同步控制單元604 的另一個控制端與雷達發(fā)射/接收組件4對應的輸入端相連，A/D采集電路606的輸入端與 濾波整形電路607的輸出端相連，濾波整形電路607的輸入端與雷達發(fā)射/接收組件4對 應的信號輸出端相連。地面數(shù)據(jù)處理模塊2主要由計算機201和地面數(shù)據(jù)傳輸模塊202組 成，如圖4中所示，地面數(shù)據(jù)傳輸模塊202通過USB接口與計算機201相連。而所述的地面 數(shù)據(jù)傳輸模塊202主要由開關(guān)控制單元203、系統(tǒng)狀態(tài)處理單元204、邏輯控制單元205、數(shù) 據(jù)處理單元206和USB接口單元207組成，如圖5所示，開關(guān)控制單元203接收計算機201 指令、執(zhí)行開關(guān)控制，以實現(xiàn)頻率通道選取和極化模式選取；系統(tǒng)狀態(tài)處理單元204收集前 端系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)，并向計算機201發(fā)送收集結(jié)果；邏輯控制單元205控制各個單元有序的 工作；數(shù)據(jù)處理單元206對前端數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊傳送來的數(shù)據(jù)進行解碼，并向計算機 發(fā)送；USB接口單元207實現(xiàn)與計算機USB接口進行通訊。I/Q中的I即in phase同相分 量，Q即quadrature phase正交分量，正交調(diào)幅信號QAM有兩個相通頻率的載波，但是相位 相差90度(四分之一周期，來自積分術(shù)語)。一個信號叫I信號，另一個信號叫Q信號。從 數(shù)學角度將，一個信號可以表示成正弦，另一個表示成余弦。兩種被調(diào)制的載波在發(fā)射時已 被混和。到達目的地后，載波被分離，數(shù)據(jù)被分別提取然后和原始調(diào)制信息相混和。詳述如下天線設(shè)備天線部分由三個相關(guān)聯(lián)的組件構(gòu)成。超寬頻帶單偏饋雙極化拋物面天線系統(tǒng)是微波寬頻帶多極化散射測量系統(tǒng)的重 要部件。它由超寬頻帶雙極化饋源、偏饋拋物面反射器，伺服系統(tǒng)組成。該系統(tǒng)能在工作頻 段大于4個倍頻程的超寬頻帶內(nèi)完成對被測目標的散射截面等性能的參數(shù)測量微波天線是采用分置偏饋拋物面，和雙極化圓錐雙脊喇叭饋源及二維轉(zhuǎn)臺構(gòu)成的 收、發(fā)天線組合。極化開關(guān)組件分別與收、發(fā)通道單元和收、發(fā)天線饋源相連。由計算機控制，改變 收、發(fā)天線饋源極化組合產(chǎn)生HH、HV、VH、VV工作狀態(tài)。伺服組件由步進電機構(gòu)成，由計算機USB接口卡發(fā)出步進脈沖，經(jīng)放大后驅(qū)動步 進電機，控制拋物面天線方位和俯仰角度的改變。如圖2收發(fā)系統(tǒng)框圖所示，收發(fā)模塊按頻率分為3. 2G、5. 368G、9. 65G、13. 6G四個 收發(fā)模塊，每個模塊內(nèi)包含DDS頻綜、緩沖放大器、功分器、功率放大器、工作模式開關(guān)、環(huán) 行器、極化選擇開關(guān)、環(huán)行器、低噪聲放大器、I/Q解調(diào)器和帶通濾波器和選頻放大器。四個 模塊通過2個寬帶單刀四擲開關(guān)與寬頻段饋源兩個極化接口連接。I/Q解調(diào)后的信號通過 四路單刀四擲開關(guān)與后端相連I/Q輸入端相連。由于四個模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu)相似，故以3. 2G模塊來說明收發(fā)模塊功能。模塊內(nèi)部結(jié)構(gòu) 框圖如圖3具體收發(fā)功能模塊框圖所示由DDS頻率綜合器產(chǎn)生的線性掃頻信號輸出給緩 沖放大器放大，經(jīng)功分器，而后分為兩路，其中一路作為相干本振源，一路作為發(fā)射信號輸 出，發(fā)射信號經(jīng)功率放大器、工作模式開關(guān)、極化選擇開關(guān)后送給天線輸出。通過工作模式開關(guān)，信號可以切換到校準工作模式，系統(tǒng)自身開始自閉環(huán)校準，校準完畢后，系統(tǒng)將工作 模式開關(guān)連接到正常工作通道，進入正常工作狀態(tài)。模塊工作時，接收信號由天線接收回波信號，經(jīng)過通道選擇開關(guān)送入模塊，再通過 極化選擇開關(guān)送入前置低噪聲放大器。由于模塊工作方式為連續(xù)波工作方式，收發(fā)通過環(huán) 行器進行隔離，因此，在接收信號中存在較大的發(fā)射泄露信號。通常情況下，環(huán)行器的隔離 度為20dB，故必須采用高IdB壓縮點低噪聲放大器以保證接收信號的有效放大，同時避免 不必要的非線性信號產(chǎn)生。信號經(jīng)過低噪聲放大，極大的降低了整個接收模塊的噪聲系數(shù)， 提高了接收靈敏度。信號經(jīng)過低噪聲放大后，進行I/Q解調(diào)，解調(diào)后的I、Q信號分別進行帶 通濾波器，然后再分別進行選頻放大后輸出。由于系統(tǒng)由4個模塊構(gòu)成，輸出的I/Q信號或 參考I/Q信號再由通道選擇開關(guān)輸出給后端進行信號處理。由模塊描述可知，每個模塊主要由DDS頻綜、緩沖放大器、功分器、功率放大器、工 作模式開關(guān)、極化選擇開關(guān)、環(huán)行器、低噪聲放大器、I/Q解調(diào)器、帶通濾波器和選頻放大器 構(gòu)成。其中環(huán)行器、極化選擇開關(guān)和低噪聲放大器的性能指標決定著整個模塊的靈敏度和 動態(tài)范圍。功率放大器、工作模式開關(guān)、極化選擇開關(guān)和環(huán)行器決定著發(fā)射功率平坦度。前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊如圖4前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊框圖所示，各單元對應 的功能如下開關(guān)控制單元接收和執(zhí)行開關(guān)控制，以實現(xiàn)頻率通道選取和極化模式選取。 系統(tǒng)狀態(tài)收集單元收集前端系統(tǒng)的相關(guān)狀態(tài)，并向地面發(fā)送收集結(jié)果。同步控制單元控 制前端頻率源的掃頻與數(shù)據(jù)采集和傳輸?shù)耐健V波整形對I/Q模塊信號進行濾波和整 形。A/D采集實現(xiàn)模數(shù)變換。組幀對采集的數(shù)據(jù)進行組幀傳輸。信道編碼單元對采集 和成幀的數(shù)據(jù)進行信道編碼，并向地面發(fā)送。由雷達方程可以得出，雷達回波信號功率與散射系數(shù)的關(guān)系，地物目標(包括孤 立點或擴展類散射體)散射特性之間的基本關(guān)系。點目標的單基雷達方程定義為
PtpGiGrX2Gpil…P" = ‘ W Pq(1)
r (^R4Ls面擴展目標的雷達方程為
^各 lP'PG如/dA(2)
(^fLs ^ Rf-R2r上述(1)式和(2)式中Pt, Pr 分別為發(fā)射和接收功率；Gt, Gr 分別為發(fā)射和接收天線的功率增益；λ :信號工作波長；Ls 系統(tǒng)損耗(與頻率有關(guān))；R或Rt，Rr 天線口面中心到目標散射中心，或散射點的距離p，q 發(fā)射，接收天線的極化狀態(tài)(H，V極化)；S 收、發(fā)天線波束交叉面積；σ 雷達散射截面積(RCS)，與入射角和散射體的形狀及介電特性有關(guān)；σ ° 散射系數(shù)。
當收、發(fā)天線波束較窄時，地物散射區(qū)域內(nèi)相應的發(fā)射功率和散射系數(shù)變化較小 情況下，對(2)式進一步簡化為<formula>formula see original document page 10</formula>按上式，對不同的頻率、入射角、極化狀態(tài)下，得到特定地物散射測量的幅度和相 位變化特性的后散向矩陣(對應極化為HH，HV, VH, VV狀態(tài))；
<formula>formula see original document page 10</formula>利用⑴式所選擇的標準散射體，對系統(tǒng)進行絕對定標測定，采用(3)式對地面散 射系數(shù)進行測量。以上推導作為分析和設(shè)計散射系數(shù)測量系統(tǒng)的基礎(chǔ)，在對系統(tǒng)參數(shù)設(shè)定，確定了 相對地物的幾何關(guān)系(散射位置和面積)，獲得相應的頻率、極化和角度下的地物散射回 波，相對于入射波的幅度和相位信息，從而求得地物散射系數(shù)或散射面積以及相位信息。這 是本發(fā)明設(shè)計的理論依據(jù)。計算機軟件內(nèi)部功能單元如圖6計算機軟件內(nèi)部功能框圖所示，各單元對應的功 能如下USB接口 實現(xiàn)與地面數(shù)據(jù)傳輸模塊的連接(USB采用2. 0協(xié)議)。工作模塊設(shè)置 選取工作頻段、設(shè)定極化方式等。狀態(tài)信息顯示顯示系統(tǒng)狀態(tài)，如工作頻段、極化方式設(shè)定 的執(zhí)行情況等。數(shù)據(jù)解幀對組幀的數(shù)據(jù)進行解幀處理。存儲實現(xiàn)采集數(shù)據(jù)的存儲。信號 處理及顯示對I/Q數(shù)據(jù)進行時域處理顯示和頻域處理顯示，計算出地面物體具體散射系 數(shù)值及相位值。本發(fā)明的單偏饋超寬頻帶雙極化拋物面天線系統(tǒng)是一個橫跨S、C、X、Ku波段，頻 帶寬度達到4個倍頻程的單偏饋的超寬頻帶雙極化拋物面天線系統(tǒng)，其主要特征是超寬 帶、雙極化、高增益，目前已有多種技術(shù)途徑可以實現(xiàn)，但是系統(tǒng)總體要求天線系統(tǒng)的拋物 面反射口面的口徑不得大于1.2米，這就從系統(tǒng)上對該天線實施了嚴格限制，也就是說該 天線系統(tǒng)必須嚴格小型化。在拋物面反射器受限的情況要實現(xiàn)上述性能要求，只能而且必 須對饋源進行更加精細地小型化優(yōu)化設(shè)計。因此饋源采用了超寬頻帶雙極化圓錐雙脊喇叭來作為天線系統(tǒng)的超寬頻帶饋源。普通的超寬頻帶雙極化喇叭是一種工作頻帶超寬，能做到瞬間雙極化發(fā)射、接收 的設(shè)備，但是由于它在超寬頻帶波束寬度變化較大，作為反射天線的饋源就受到了嚴格地 限制，所以一定要精細地優(yōu)化設(shè)計，將波束變化控制到滿足要求來實現(xiàn)，用超寬頻帶雙極化 圓錐雙脊喇叭作為反射面天線的饋源，能實現(xiàn)系統(tǒng)性能的要求。為此我們對普通超寬頻帶 雙極化饋源進行了小型化優(yōu)化分析設(shè)計，采用雙極化圓錐雙脊喇叭饋源。已實現(xiàn)在S、c、x、 Ku波段內(nèi)3GHz到13. 6GHz正常工作并達到總體性能指標要求。天線轉(zhuǎn)臺天線轉(zhuǎn)臺為二 維轉(zhuǎn)臺。計算機軟件通過USB與天線轉(zhuǎn)臺控制單元相連，實現(xiàn)地面控制空中二維轉(zhuǎn)臺方位、 俯仰的轉(zhuǎn)動(USB采用2. 0協(xié)議)。狀態(tài)信息顯示顯示天線系統(tǒng)方位、俯仰實際的角度。由于本發(fā)明所采用的各電路和模塊均可采用成熟悉市售產(chǎn)品或可通過常規(guī)技術(shù) 自行設(shè)計，因此具體的電路圖和模塊的選型可根據(jù)需要由相應技術(shù)人員在不需要創(chuàng)造性勞動的前提下自行解決。 本發(fā)明未涉及部分均與現(xiàn)有技術(shù)相同或可采用現(xiàn)有技術(shù)加以實現(xiàn) 。
權(quán)利要求
一種微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)，其特征是它主要由載體(1)、地面數(shù)據(jù)處理模塊(2)、前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊(3)及雷達發(fā)射/接收組件(4)組成，雷達發(fā)射/接收組件(4)與控制其轉(zhuǎn)動的二維轉(zhuǎn)臺(6)相連，地面數(shù)據(jù)處理模塊(2)安裝在載體(1)的地面部分上，前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊(3)、雷達發(fā)射/接收組件(4)及二維轉(zhuǎn)臺(6)均安裝在載體(1)的空中支撐臂上，地面數(shù)據(jù)處理模塊(2)通過長度不小于35米的電纜(5)與前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊(3)及二維轉(zhuǎn)臺(6)的控制裝置實現(xiàn)電氣連接，前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊(3)與雷達發(fā)射/接收組件(4)雙向連接；所述的雷達發(fā)射/接收組件(4)包括一個拋物面天線(401)、分別對應于兩個極化狀態(tài)的兩個單刀四擲通道選擇開關(guān)(402)、八個環(huán)形器(403)、八個極化選擇開關(guān)(404)、頻率范圍從3.2GHz到13.6GHz的四個收發(fā)模塊(405)和I/Q通道選擇開關(guān)(406)，拋物面天線天線(401)根據(jù)極化狀態(tài)通過對應的單刀四擲通道選擇開關(guān)(402)與對應的環(huán)形器(403)相連，環(huán)形器(403)通過極化選擇開關(guān)(404)與收發(fā)模塊(405)相連，收發(fā)模塊(405)通過I/Q通道選擇開關(guān)(406)與前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊(3)相連。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)，其特征是 所述的收發(fā)模塊(405)主要由DDS頻綜器(501)、功分電路(502)、功率放大器(503)、第一 工作模式選擇開關(guān)(504)、低噪聲放大器(505)、第二工作模式選擇開關(guān)(506)、I/Q解調(diào)器 (507)和選頻放大器(508)組成，DDS頻綜器(501)產(chǎn)生的線性掃頻源的輸出給緩沖放大器 (509)的輸入，緩沖放大后接功分電路(502)的輸入，功分電路(502)的輸出一路作為相干 本振源接I/Q解調(diào)器(507)的一個輸入端，另一路作為發(fā)射信號輸出接功放電路(503)的 輸入端，再通過與功放電路(503)相連的第一工作模式選擇開關(guān)(504)接對應的極化選擇 天關(guān)(404)的輸入端，再經(jīng)環(huán)行器進入單刀四通道選擇開關(guān)后經(jīng)天線輸出，天線接收到的 信號通過單刀四通道選擇開關(guān)進入環(huán)行器后再進入對應的極化選擇(404)輸出給低噪聲 放大器(505)過濾，然后經(jīng)第二工作模式選擇開關(guān)(506)送入I/Q解調(diào)器(507)中，I/Q解 調(diào)器(507)再通過選頻放大器(508)放大后送入I/Q通道選擇開關(guān)，最終將接收到的信號 送入地面數(shù)據(jù)處理系統(tǒng)(2)中存儲。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)，其特征是所 述的前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊(3)主要由開關(guān)控制單元(601)、系統(tǒng)狀態(tài)收集單元(602)、 信道編碼單元(603)、同步控制單元(604)、組幀電路(605)、A/D采集電路(606)及濾波整 形電路(607)組成，開關(guān)控制單元(601)的輸入與地面數(shù)據(jù)傳輸模塊(2)的輸出端相連，開 關(guān)控制單元(601)的輸出與雷達發(fā)射/接收組件(4)及二維轉(zhuǎn)臺對應的輸入控制端相連， 系統(tǒng)狀態(tài)收集單元(602)的輸入端與雷達發(fā)射/接收組件(4)及二維轉(zhuǎn)臺對應的輸出控制 端相連，系統(tǒng)狀態(tài)收集單元(602)的輸出端與地面數(shù)據(jù)傳輸模塊(2)的輸入端相連，信道編 碼單元(603)的輸入端與組幀電路(605)的輸出端相連，信道編碼單元(603)的輸出端與 地面數(shù)據(jù)傳輸模塊(2)對應的輸入端相連，組幀電路(605)的輸入端與A/D采集電路(606) 的輸出端相連，組幀電路(605)和A/D采集電路(606)的控制端均與同步控制單元(604) 對應的控制端相連，同步控制單元(604)的另一個控制端與雷達發(fā)射/接收組件(4)對應 的輸入端相連，A/D采集電路(606)的輸入端與濾波整形電路(607)的輸出端相連，濾波整 形電路(607)的輸入端與雷達發(fā)射/接收組件⑷對應的信號輸出端相連。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)，其特征是所述的拋物面天線(401)為分置偏饋拋物面天線，在所述分置偏饋拋物面天線上安裝有雙極 化圓錐雙脊喇叭饋源；所述分置偏饋拋物面的反射口面的口徑不大于1. 2米。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)，其特征是所 述的地面數(shù)據(jù)處理模塊(2)主要由計算機(201)和地面數(shù)據(jù)傳輸模塊(202)組成，地面數(shù) 據(jù)傳輸模塊(202)通過USB接口與計算機(201)相連，所述的地面數(shù)據(jù)傳輸模塊(202)主 要由開關(guān)控制單元(203)、系統(tǒng)狀態(tài)處理單元(204)、邏輯控制單元(205)、數(shù)據(jù)處理單元 (206)和USB接口單元(20 7)組成，開關(guān)控制單元(203)接收計算機(201)指令、執(zhí)行開關(guān)控 制，以實現(xiàn)頻率、通道選取和極化模式選??；系統(tǒng)狀態(tài)處理單元(204)收集前端系統(tǒng)的相關(guān) 狀態(tài)，并向計算機(201)發(fā)送收集結(jié)果；邏輯控制單元(205)控制各個單元有序的工作；數(shù) 據(jù)處理單元(206)對前端數(shù)據(jù)采集及傳輸模塊傳送來的數(shù)據(jù)進行解碼，并向計算機發(fā)送； USB接口單元(207)實現(xiàn)與計算機USB接口進行通訊。
全文摘要
一種微波寬頻段多極化單拋物面天線散射測量系統(tǒng)，其特征是它主要由載體(1)、地面數(shù)據(jù)處理模塊(2)、前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊(3)及雷達發(fā)射/接收組件(4)組成，所述的雷達發(fā)射/接收組件(4)包括一個拋物面天線(401)、分別對應于兩個極化狀態(tài)的兩個單刀四擲通道選擇開關(guān)(402)、八個環(huán)形器(403)、八個極化選擇開關(guān)(404)、頻率范圍從3.2GHz到13.6GHz的四個收發(fā)模塊(405)和通道選擇開關(guān)(406)，拋物面天線天線(401)根據(jù)極化狀態(tài)通過對應的單刀四擲通道選擇開關(guān)(402)與對應的環(huán)形器(403)相連，環(huán)形器(403)通過極化選擇開關(guān)(404)與收發(fā)模塊(405)相連，收發(fā)模塊(405)通過I/Q通道選擇開關(guān)(406)與前端數(shù)據(jù)采集和傳輸模塊(3)相連。本發(fā)明結(jié)構(gòu)簡單，成本低，操作方便，測量效率高。
文檔編號G01S7/28GK101825698SQ20101018839
公開日2010年9月8日 申請日期2010年6月1日 優(yōu)先權(quán)日2010年6月1日
發(fā)明者強宏, 李偉英, 楊習榮, 邵雙京 申請人:南京恩瑞特實業(yè)有限公司