本發(fā)明涉及一種利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀快速測(cè)量極化散射矩陣的方法，屬于微波測(cè)量領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

文獻(xiàn)“目標(biāo)散射矩陣測(cè)量新方法的性能比較與比較，系統(tǒng)仿真學(xué)報(bào)，2015，27(6):1308-1315”提出基于天線空域極化特性測(cè)量方法，可以在單極化雷達(dá)基礎(chǔ)上實(shí)現(xiàn)目標(biāo)極化特性測(cè)量，但是這種方法的測(cè)量精度和校準(zhǔn)方法需要進(jìn)一步提高只針對(duì)于目前雷達(dá)系統(tǒng)不需要改造，具有一定應(yīng)用前景。極化散射矩陣的測(cè)量是研究目標(biāo)極化散射特性的基本手段，它具備完整的極化信息，只是由于測(cè)試儀器的限制，極化耦合引起的交叉極化分量會(huì)引起較大的測(cè)量誤差，因而難以獲取高極化純度散射數(shù)據(jù)。高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的推出，其所具備的多個(gè)源端口及接收端口，使得不同組合的極化散射分量可以同時(shí)測(cè)量，因此目標(biāo)極化散射特性測(cè)量測(cè)試系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化。

本發(fā)明構(gòu)建了一種簡(jiǎn)易實(shí)用的室內(nèi)極化散射測(cè)量系統(tǒng)，基于高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，通過(guò)雙通道的擴(kuò)展端口一次性得到極化散射矩陣的四個(gè)分量，采用三個(gè)定標(biāo)體進(jìn)行極化校準(zhǔn)，獲得高極化純度的目標(biāo)散射特性數(shù)據(jù)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

要解決的技術(shù)問(wèn)題

為了解決在不改造雷達(dá)系統(tǒng)的情況下，目標(biāo)極化特性測(cè)量精度和校準(zhǔn)方法需要進(jìn)一步提高，以及傳統(tǒng)目標(biāo)極化散射特性測(cè)量系統(tǒng)成本高，系統(tǒng)復(fù)雜的問(wèn)題，本發(fā)明構(gòu)建了一種簡(jiǎn)易實(shí)用的室內(nèi)極化散射測(cè)量系統(tǒng)及方法。

技術(shù)方案

本發(fā)明構(gòu)建了一種簡(jiǎn)易實(shí)用的室內(nèi)極化散射測(cè)量系統(tǒng)，基于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，來(lái)獲得高極化純度散射數(shù)據(jù)。由矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，天線，主控計(jì)算機(jī)，微波屏蔽暗室，轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜組成室內(nèi)極化測(cè)量系統(tǒng)。通過(guò)在天線間填充部分吸波材料，物理上減少天線互耦的影響，及將寬帶步進(jìn)頻域數(shù)據(jù)變換到時(shí)域后，利用時(shí)域波門(mén)的選擇性，去除近端天線互耦信號(hào)。對(duì)步進(jìn)頻率信號(hào)設(shè)置合適的參量參數(shù)等方法獲得了高純度的目標(biāo)極化散射特性數(shù)據(jù)，使極化數(shù)據(jù)純度優(yōu)于45dB，并且極化測(cè)量系統(tǒng)得到了簡(jiǎn)化，減少了許多生產(chǎn)成本。

一種極化散射矩陣快速測(cè)量系統(tǒng)，其特征在于包括多通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、2個(gè)H極化天線、2個(gè)V極化天線、安裝板、主控計(jì)算機(jī)、RCS支架和轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜；其中H極化天線、V極化天線、安裝板、RCS支架和轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜設(shè)在微波屏蔽暗室內(nèi)，多通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀具有A和B兩個(gè)端口，A端的發(fā)射端和接收端分別連接2個(gè)H極化天線，B端的發(fā)射端和接收端分別連接2個(gè)V極化天線，4個(gè)極化天線安裝在安裝板上，2個(gè)H極化天線安裝在一條對(duì)角線上，2個(gè)V極化天線安裝在一條對(duì)角線上，主控計(jì)算機(jī)和矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀、轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜連接，轉(zhuǎn)臺(tái)控制柜與RCS支架連接，待測(cè)試目標(biāo)放置在RCS支架上，安裝板的中心和待測(cè)試目標(biāo)在一條直線上。

2個(gè)H極化天線和2個(gè)V極化天線均為標(biāo)準(zhǔn)增益天線，4個(gè)天線之間填充部分吸波材料。

一種極化散射矩陣快速測(cè)量方法，其特征在于步驟如下：

步驟1：對(duì)多通道矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀進(jìn)行參數(shù)設(shè)置

1a)計(jì)算滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件R≥2d²/λ的中心頻率，計(jì)算矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的掃頻寬度BW：

BW＝c/2Δd

其中，R是測(cè)試距離，d是目標(biāo)最大尺寸，λ為入射波波長(zhǎng)；c為波長(zhǎng)，Δd為距離分辨率；

設(shè)置以中心頻率為中心的掃頻寬度為掃頻寬度；

1b)根據(jù)測(cè)試距離R確定出最大的掃頻間隔Δf_max＝c/2R，根據(jù)最大的掃頻間隔和掃頻寬度設(shè)置最低的掃頻點(diǎn)數(shù)：

n_min＝BW/Δf_max

1c)將窗口設(shè)置為漢明窗模式；

1d)將中頻帶寬設(shè)置成1kHz；

1e)將掃描模式設(shè)置為步進(jìn)掃頻模式；

1f)設(shè)置發(fā)射功率為發(fā)射功率+電纜損耗+空間衰減；

步驟2：將矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀分別在開(kāi)路、短路、匹配及通路四種模式下進(jìn)行雙通道校準(zhǔn)；

步驟3：校準(zhǔn)和測(cè)量

3a)測(cè)量空暗室：開(kāi)啟矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度約0.05度/s，轉(zhuǎn)動(dòng)一周，得到回波信號(hào)RCS存儲(chǔ)于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中；

3b)測(cè)量直徑為260mm的定標(biāo)體金屬圓盤(pán)：將金屬圓盤(pán)垂直放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)保持0.05度/s轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一周，得到回波信號(hào)RCS，將得到金屬圓盤(pán)的RCS與空暗室背景的RCS進(jìn)行矢量相減，將相減得到的RCS值與定標(biāo)體金屬圓盤(pán)的理論RCS值相對(duì)比得到誤差，通過(guò)調(diào)整天線和轉(zhuǎn)臺(tái)系統(tǒng)裝置，使誤差保持在±0.5dB；

3c)測(cè)量邊長(zhǎng)為200mm的目標(biāo)金屬平板：將金屬平板垂直放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)保持0.05度/s轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一周，得到目標(biāo)回波信號(hào)RCS，將得到的目標(biāo)RCS與空暗室背景的RCS進(jìn)行矢量相減從而得到校準(zhǔn)后的極化散射數(shù)據(jù)。

有益效果

本發(fā)明提出的一種極化散射矩陣快速測(cè)量系統(tǒng)及方法，

本發(fā)明相比基于天線空域極化特性測(cè)量方法，提高了測(cè)量精度和校準(zhǔn)方法。從校準(zhǔn)后四個(gè)分量的曲線圖中可以看出校準(zhǔn)后同極化散射最大值方向的交叉極化分量有明顯下降，表明數(shù)據(jù)的極化純度可優(yōu)于45dB。

本發(fā)明利用矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的多個(gè)源端口及接收端口，讓不同組合的極化散射分量同時(shí)測(cè)量，從而比傳統(tǒng)的測(cè)試系統(tǒng)更加簡(jiǎn)化。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明基于高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的室內(nèi)極化散射測(cè)量系統(tǒng)方框圖。

圖2未校準(zhǔn)時(shí)極化散射測(cè)試結(jié)果

圖3校準(zhǔn)后極化散射測(cè)試結(jié)果

具體實(shí)施方式

現(xiàn)結(jié)合實(shí)施例、附圖對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步描述：

1)搭建測(cè)量系統(tǒng)：高性能矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀作為核心儀表，具有兩個(gè)發(fā)射源和兩個(gè)接收端口，分別連接到四個(gè)標(biāo)準(zhǔn)增益天線上，天線全部固定于一塊安裝板上。

2)測(cè)試參數(shù)設(shè)置：

(1)頻率范圍：本次測(cè)量選取掃頻范圍為8～12GHz，掃頻寬度為4GHz，掃頻范圍滿足遠(yuǎn)場(chǎng)條件(R≥2d²/λ，R是測(cè)試距離，d是目標(biāo)最大尺寸，λ為入射波波長(zhǎng))及距離分辨率(Δd＝c/2BW，c是光速，BW是掃頻寬度)的要求。

(2)點(diǎn)數(shù)，根據(jù)測(cè)試距離R，確定出最大的掃頻間隔Δf_max＝c/2R，推算最低的點(diǎn)數(shù)n_min＝BW/Δf_max，采用801點(diǎn)(IFFT頻域到時(shí)域的采樣點(diǎn))

(3)窗口寬度，漢明窗比矩形窗處理得到的頻域RCS準(zhǔn)確度更好，并且對(duì)目標(biāo)區(qū)加門(mén)范圍更容易確定，時(shí)域可按照主瓣寬度確定加門(mén)范圍，即為主瓣寬度，窗口寬度：487.781ps。

(4)中頻帶寬，設(shè)置合適的中頻帶寬有助于提高信噪比，理論上中頻帶寬越窄越好，進(jìn)入接收機(jī)的噪聲能量越少，但是過(guò)窄的中頻帶寬增加了掃描時(shí)間，降低了測(cè)量的效率，本次測(cè)量采取中頻帶寬為1kHz。

(5)掃描速度：矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀運(yùn)行步進(jìn)掃頻模式，掃描時(shí)間：840.084ms，平均每點(diǎn)1ms，掃描速度為1ms/1點(diǎn)。

(6)發(fā)射功率，信號(hào)從發(fā)射端回到接收端，由于電纜損耗、空間衰減等因素的影響，能量不斷減少，因而必須通過(guò)增加發(fā)射功率來(lái)提高信噪比。發(fā)射功率采用20dBm可以滿足頻率的要求。

3)進(jìn)行雜波消除，校準(zhǔn)，測(cè)量：

一.測(cè)量空暗室背景隨轉(zhuǎn)臺(tái)角度變化的極化散射矩陣，存儲(chǔ)于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀的寄存器中，然后利用矢量相減的功能對(duì)暗室雜波進(jìn)行軟件對(duì)消，來(lái)消除雜波，采用時(shí)域?qū)ο梢詫凳译s波降低40dB左右，雜波影響在-120dB左右。

二.測(cè)量定標(biāo)體(圓盤(pán))和目標(biāo)(金屬平板)極化散射矩陣。

1a)測(cè)量空暗室：開(kāi)啟矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀，轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)臺(tái)，轉(zhuǎn)臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)速度約0.05度/s，轉(zhuǎn)動(dòng)一周，得到回波信號(hào)RCS存儲(chǔ)于矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀中；

1b)測(cè)量目標(biāo)金屬平板(邊長(zhǎng)200mm)：將金屬平板垂直放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)保持0.05度/s轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一周，得到回波信號(hào)(RCS)，將得到的目標(biāo)RCS與空暗室背景的RCS進(jìn)行矢量相減從而得到未經(jīng)校準(zhǔn)的極化散射數(shù)據(jù)參考圖1。

1c)測(cè)量定標(biāo)體金屬圓盤(pán)(直徑260mm)：將金屬圓盤(pán)垂直放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)保持0.05度/s轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一周，得到回波信號(hào)(RCS)，將得到金屬圓盤(pán)的RCS與空暗室背景的RCS進(jìn)行矢量相減，得到的RCS值與定標(biāo)體金屬圓盤(pán)的理論RCS值相對(duì)比得到誤差，通過(guò)調(diào)整天線，轉(zhuǎn)臺(tái)等系統(tǒng)裝置，使誤差保持在±0.5dB。

1d)測(cè)量目標(biāo)金屬平板(邊長(zhǎng)200mm)：將金屬平板垂直放置在轉(zhuǎn)臺(tái)上，轉(zhuǎn)臺(tái)保持0.05度/s轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)一周，得到目標(biāo)回波信號(hào)(RCS)，將得到的目標(biāo)RCS與空暗室背景的RCS進(jìn)行矢量相減從而得到校準(zhǔn)后的極化散射數(shù)據(jù)參考圖2。

步驟4：結(jié)果分析

圖1中，在中心頻點(diǎn)處(10GHz)目標(biāo)金屬平板在未經(jīng)過(guò)極化校準(zhǔn)情況下極化散射矩陣四個(gè)極化分量隨角度的變化曲線中?？梢詮耐瑯O化(HH和VV幾乎重合)峰值(-50dB)和交叉極化(HV和VH)的峰值(-80dB)的差為30dB，看出數(shù)據(jù)的極化純度約為30dB。

圖2中，從校準(zhǔn)后四個(gè)分量的曲線可以看出校準(zhǔn)后同極化(HH和VV)峰值(15dB)和交叉極化(HV和VH)峰值(-30dB)的差為45dB，表明數(shù)據(jù)的極化純度可優(yōu)于45dB。校準(zhǔn)后與校準(zhǔn)前相比，金屬平板的HH和VV結(jié)果重合性很好，說(shuō)明系統(tǒng)具有很高的測(cè)試精度及極化純度。