極化雷達測量體制研究進展

戴幻堯，劉 勇，周 波，耿宏峰

(1.中國洛陽電子裝備試驗中心， 河南洛陽471003)

(2.航天飛行器生存技術與效能評估實驗室， 北京100085)

0 引言

目標極化特性測量是極化信息應用的前提和基礎，極化濾波、極化增強、極化目標識別等均需要準確獲取目標、雜波或干擾的極化特性。按雷達發(fā)射、接收端在極化維的自由度來劃分，現(xiàn)有雷達系統(tǒng)大體可分為單極化雷達、雙極化雷達及全極化雷達。單極化雷達是指發(fā)射和接收端的極化方式均為固定的單一極化，常規(guī)的不具有極化信息測量能力的雷達均屬于該類系統(tǒng)，這種雷達體制僅能獲得目標極化散射矩陣的一個元素，不具備極化信息獲取與處理能力。在原有單極化雷達基礎上增加一路正交極化接收通道就構成了雙極化雷達，該雷達體制采用“單極化發(fā)射、正交極化同時接收”的工作模式，具備了一定的極化信息獲取與處理能力。通過對正交極化通道的接收信號進行融合處理，可以提高輸出信噪比(Signal Noise Ratio，SNR)，改善雷達的目標檢測性能。同時，對兩路接收信號進行復加權求和處理，還可以實現(xiàn)一定的抗干擾功能。典型的雙極化雷達系統(tǒng)有美國用于觀測、跟蹤衛(wèi)星的Millstone Hill雷達，用于彈道導彈防御的AMRAD 雷達［1］和 ALTAIR 雷達［2］。然而，雙極化雷達僅能測量目標散射矩陣的一列元素，無法獲取目標完整的極化散射信息。例如，發(fā)射H極化，同時接收H、V極化時，僅能得到目標極化散射矩陣的HH、VH元素。因此，這種極化測量雷達的極化信息利用程度有限。

因此，自20世紀80年代起，國內外學者開始研究了全極化測量體制，并研制了多套全極化雷達系統(tǒng)。全極化雷達能夠測量目標極化散射矩陣的四個元素，為各種極化信息處理提供了數(shù)據(jù)支持。從發(fā)射、接收端的極化組合來劃分，當前全極化雷達的極化測量體制大體分為三類:分時極化測量體制、瞬時極化測量體制(也稱同時極化測量體制)及緊湊極化測量體制。在這三種極化測量體制下，目標回波信號中均包含有目標的全部極化散射信息，但三者在系統(tǒng)實現(xiàn)結構、發(fā)射波形、信號處理等諸多方面存在明顯差別，下面加以詳細說明。

1 極化測量雷達體制劃分

1.1 分時全極化測量體制

受研制技術、實現(xiàn)成本等因素制約，早期的全極化雷達大都采用分時極化測量體制，即采用“交替發(fā)射正交極化信號，同時接收目標回波正交極化分量”的工作模式。圖1為分時極化測量體制雷達的原理結構框圖。

圖1 分時極化測量體制雷達的原理結構框圖

由于分時極化測量雷達的發(fā)射機僅需一路射頻電路，降低了實現(xiàn)難度，且研制成本較低，因此得到最早的廣泛應用。當前，大多數(shù)機載、星載極化SAR系統(tǒng)均采用這種測量體制，國外典型的雷達系統(tǒng)有美國宇航局(National Aeronautics and Space Administration，NASA)研制的機載極化 SAR 系統(tǒng) CV-990［3］、美國麻省理工學院林肯實驗室研制的Ka波段機載SAR系統(tǒng)ADTS［4］、美國 NASA 噴氣推進實驗室(Jet Proulsion Laboratory，JPL)研制的星載 SAR 系統(tǒng) SIR-C［5］、法國國家航空空間研究局(ONERA)研制的多波段(P/L/S/C/X/Ku)極化 SAR 系統(tǒng) PAMSES［6］、丹麥遙感中心(Danish Center for Remote Sensing，DCRS)研制的雙波段(L/C)極化 SAR系統(tǒng) EMISAR［7-8］、加拿大空間局(Canadian Space Agency，CSA)研制的 RADARSAT-II系統(tǒng)、日本宇宙航空研究開發(fā)機構和日本資源探測用觀測系統(tǒng)研究開發(fā)機構(Japan Resources Observatioin System Oroganizatioin，JAROS)共同研制的ALOS PALSAR系統(tǒng)以及美國國家氣象研究中心(NCAR)研制的S波段S-Pol氣象雷達［9-10］等。同時，我國也研制了多套具有分時極化測量能力的極化雷達系統(tǒng)，我國第一部5 cm雙線極化雷達［11］、機載極化SAR系統(tǒng)、具有分時極化測量能力的空間目標探測雷達。分時極化測量體制在兩個脈沖重復周期(Pulse Repeating Interval，PRI)內才能得到目標完整的極化散射矩陣估計，存在以下幾點固有缺陷［12-13］:

(1)分時極化測量體制在一個PRI內僅能得到極化散射矩陣的一列元素，利用連續(xù)兩次測量才能得到完整的極化散射矩陣，兩次測量的時間延遲會使極化散射矩陣重構時各元素產(chǎn)生去相關效應。例如，在第n個PRI內，發(fā)射H極化，測得元素sHH(n)、sVH(n)，而在第n+1個PRI內，發(fā)射V極化，測得元素sHV(n+1)、sVV(n+1)。對于極化特性快變化的目標(非平穩(wěn)目標)，這種去相關效應將變得不可接受。

緊湊極化測量體制的原理框圖如圖5所示。圖中的相位控制量α決定了發(fā)射信號的極化方式，按該相位控制量的不同，美國資深學者Raney R.K.將緊湊極化測量劃分成兩類:當α=0°時，雷達發(fā)射45°斜線極化，稱為π/4極化模式;當α=±90°時，雷達發(fā)射左或右旋圓極化，稱為Hybrid極化模式。

(3)緊湊極化測量體制不需要極化切換器等射頻器件，并且該體制具有自校準功能，方便了雷達系統(tǒng)的誤差校準。

(4)分時極化測量體制在發(fā)射時需要在兩路極化通道間進行切換，極化切換開關的極化隔離度有限，可能產(chǎn)生很高的交叉極化干擾。

2.出臺針對基層統(tǒng)戰(zhàn)干部的表彰獎勵制度。為保證統(tǒng)戰(zhàn)干部對統(tǒng)戰(zhàn)對象、統(tǒng)戰(zhàn)工作的熟悉度，應鼓勵其長期從事基層統(tǒng)戰(zhàn)工作。為此，應建立基層統(tǒng)戰(zhàn)干部“功勛獎勵”機制，可考慮經(jīng)由中央統(tǒng)戰(zhàn)部會同組織人事部門對長期從事基層統(tǒng)戰(zhàn)工作并取得成績的黨員干部發(fā)放紀念章或勛章，對在統(tǒng)戰(zhàn)工作某個領域取得突出成績的“優(yōu)秀統(tǒng)戰(zhàn)干部”予以單項表彰，并作為統(tǒng)戰(zhàn)干部年度考核、評先選優(yōu)、職級晉升的重要依據(jù)。

1.2 瞬時全極化測量體制

在實驗中，選取的測量頻率為10 GHz，固定俯仰角φ0=0°，方位角是仿真產(chǎn)生的隨機變量

圖2 瞬時極化測量體制雷達的原理結構框圖

1992年，文獻［13］研究了瞬時極化測量方案，分析了該種測量體制的誤差因素，定義了峰值旁瓣電平(Peak Sidelobe Level，PSL)和隔離度(Isolation，I)兩個參數(shù)來定量評估波形性能;文獻［19-21］也深入研究了極化散射矩陣的瞬時測量方法，基于該極化測量體制研究了目標距離、速度和極化散射矩陣的聯(lián)合估計問題;文獻［16-17］分析了星載極化SAR的工作模式，將現(xiàn)有工作模式分為三類:極化時分模式(Polarization Time Division，PTD)、極化頻分模式(Polarization Frequency Division，PFD)及極化碼分模式(Polarization Code Division，PCD)，并比較了三種工作模式的距離模糊性能;文獻［16］將Alamouti空時編碼原理與極化分集相結合，設計了基于Golay序列編碼的全極化編碼波形，分析了該編碼波形的檢測性能，文獻［17］將這種測量方案推廣到多組正交極化天線陣情況;文獻［18-19］也從不同角度研究了瞬時極化測量體制。在瞬時極化測量雷達研制方面，美國Colorado州立大學研制的CSU-Chill氣象雷達;美國佐治亞技術研究所(DIRI)研制的W波段三維成像雷達HIRES-95;法國ONERA研制的的X波段空間目標監(jiān)視成像雷達MERIC;荷蘭Delft理論大學研制的X波段雷達PARSAX。圖3是MERIC雷達和PARSAX雷達的照片。

圖3 瞬時極化測量體制的地基雷達系統(tǒng)

表1列出了MERIC雷達和PARSAX雷達的主要性能參數(shù)［22-26］。圖4是由MERIC雷達采用瞬時極化測量模式得到的飛機目標四路極化通道(HH/HV/VH/VV)的二維圖像。

表1 MERIC雷達和PARSAX雷達的主要性能參數(shù)

圖4 MERIC雷達獲得的某飛機目標全極化ISAR圖像

瞬時全極化測量體制在一個PRI內就可以獲得目標完整的極化散射矩陣，在動態(tài)目標的極化特性測量方面具有特有優(yōu)勢，正交波形設計及信號處理是其中的關鍵技術。

1.3 緊湊(Compact)極化測量體制

緊湊極化測量體制于20世紀90年代提出，至今仍為具有巨大發(fā)展?jié)摿Φ囊环N新體制全極化模式［27-28］。這種極化測量體制最早用于氣象目標參數(shù)測量，近年來被作為新一代星載極化SAR系統(tǒng)的優(yōu)選模式。緊湊極化測量體制的主要特點是雷達在發(fā)射圓極化或斜線極化信號時，還同時接收目標回波的H、V極化分量。

在此基礎上，運用SPSS24.0軟件，進行Pearson相關檢驗，分析空間距離、經(jīng)濟發(fā)展水平、人口數(shù)量與各客源市場客流量增加值的相關性(表6)。從表6可以看出，空間距離是影響節(jié)假日期間客源市場客流量變化的主要因素，空間距離越遠，客流量增加值將越??；經(jīng)濟發(fā)展水平和人口數(shù)量對客源市場客流量變化的影響并不明顯，在本研究中未通過相關性檢驗。

(2)分時極化測量體制無法獲得目標在同一時刻的極化散射矩陣，會在兩次目標運動測量間引入額外的相位調制誤差。

圖5 緊湊極化測量體制雷達的原理結構框圖

為仿真分析兩種極化測量體制在目標極化特性快起伏情況下的測量性能，利用結構較復雜的有翼錐型體目標的暗室測量數(shù)據(jù)進行仿真實驗。與上一部分相同，測量俯仰角固定為φ0=0°，中心方位角為θ0=10°，并仿真產(chǎn)生方位角的隨機起伏量，Ts=0.1 s，Tp=0.002 s，擾動標準差為 σθ=0.5°。

在3類產(chǎn)品中，中國和約旦兩國的RCA均小于0.8，約旦的RCA甚至小于0.1，說明兩國在該類產(chǎn)品出口中，國際競爭力較弱。

(2)在緊湊極化測量體制下，兩路接收信號均包含主極化散射分量，兩者的平均電平相當，可以減小通道串擾因素影響，并降低對接收機靈敏度的要求，便于雷達系統(tǒng)的硬件實現(xiàn)。

諸暨市人民檢察院與市司法局聯(lián)合成立了檢調對接人民調解室，該調解室以檢察環(huán)節(jié)輕微刑事案件和解、民事行政申訴案件和解、涉檢信訪息訴和解為主要工作內容，運用人民調解手段化解矛盾糾紛。2010年以來，諸暨市人民檢察院會同司法局等機構，先后出臺了《關于輕傷害案件委托人民調解的若干意見(試行)》《檢察批捕、起訴環(huán)節(jié)檢調對接工作實施細則》等文件，規(guī)范和細化了檢察批捕、起訴環(huán)節(jié)以及基層檢察室的檢調對接工作。根據(jù)上述文件，檢察院對受理的輕微刑事案件，認為采取調解方式更有助于化解矛盾糾紛的，由“檢調對接辦公室”制作《委托人民調解函》，并附上涉案當事人雙方同意調解的申請書等材料，移送人民調解組織進行調解。

(3)在分時極化測量體制下，極化散射矩陣各元素的多普勒采樣頻率降低了一半，從而使無模糊最大多普勒帶寬降低了一半。

式中：s為腦電信號；Q1為對腦電信號進行1/4位數(shù)；Q3為對腦電信號進行3/4位數(shù)。根據(jù)提取好的腦電信號特征，采用ELM和SVM分類器分別對測試數(shù)據(jù)和訓練數(shù)據(jù)進行警覺度狀態(tài)的分類。

(4)在緊湊極化測量體制下，目標極化散射矩陣的四個元素混合在一起，不能直接獲取目標的全極化信息，需要更加復雜的信號處理算法。

2 極化測量實驗與結果分析

圖6給出了雷達觀測視線與目標之間的空間幾何關系。動態(tài)目標的極化特性變化可以歸結為由觀測視線在目標坐標系的視線角(方位角和俯仰角)變化引起的。因此，通過建立觀測視線的隨機起伏模型，在此基礎上利用錐體目標的暗室測量數(shù)據(jù)進行動態(tài)極化測量仿真實驗，對比分析分時極化測量和瞬時極化測量兩種體制的測量性能。

圖6 動態(tài)目標的極化測量空間幾何示意圖

為克服分時極化測量體制的缺陷，同時更加直接的獲取目標全極化散射信息，從20世紀90年代初起，國內外學者研究了瞬時極化測量方案［14-19］。該測量方案的基本原理是雷達正交極化通道同時發(fā)射兩路正交(準正交)編碼信號，并同時接收、處理目標回波的正交極化分量，利用波形之間的正交性消除波形互擾，從而利用單次回波即可獲得目標完整的極化散射矩陣。瞬時極化測量體制雷達的原理框圖如圖2所示。

式中:ρ=exp(-Tp/Ts);Ts為視線角度擾動周期;Tp為測量采樣間隔(對應于 PRI);nθ(n+1)、nφ(n+1)服從標準正態(tài)分布;σθ為視線角度的擾動量標準差。中心方位角 θ0=10°，擾動標準差 σθ=0.5°，擾動周期 Ts=0.1 s，脈沖重復周期 Tp=0.002 s，測量脈沖數(shù) 2N=256。雷達信號波形采用單頻脈沖波形，τp=10 μs，瞬時極化測量波形選取為頻移脈沖矢量波形，f0，H=10/τp=1 MHz，f0，V=20/τp=2 MHz。

緊湊極化測量體制具有以下特點:

當不考慮通道噪聲時，直接由上述測量數(shù)據(jù)求出三路極化通道的自相關函數(shù)，即CHH(n)、CVH(n)及CVV(n)。如圖7所示，三路極化通道散射特性具有明顯的快起伏特性，即相關時間較短，

另一方面，監(jiān)管部門實時針對危險品運輸行業(yè)存在的問題對當前法規(guī)提出相關修改意見，并協(xié)調各部門深刻落實相關法律法規(guī)，大力推行監(jiān)督管理辦法整治行業(yè)規(guī)范，在經(jīng)濟高速發(fā)展的同時協(xié)同法律與時俱進，具體問題具體分析，不僅對企業(yè)，也要制定約束相關監(jiān)督管理人員的法律法規(guī)，要完善相關主管部門的監(jiān)管職能。

圖7 錐體目標三路極化通道的自相關函數(shù)

圖8是在兩種測量體制下極化散射矩陣、Mueller矩陣相對測量誤差與SNR的關系曲線，其中，仿真次數(shù)為100次，SNR為10 dB～30 dB?？梢钥闯觯谀繕藰O化特性快起伏情況下，分時極化測量提取的目標極化特征量存在一個固定偏差，不能正確反映目標極化特性，此時瞬時極化測量體制的測量性能要明顯優(yōu)于分時極化測量體制，瞬時極化測量體制的優(yōu)勢更加明顯。

對照組進行硬膜外麻醉,穿刺位置同上,注入局麻藥利多卡因2ml與0.2%丁卡因混合液(國藥準字H20093223),給藥劑量參照麻醉平面情況。

4) 在罐區(qū)防火堤外應設置緊急切斷閥的現(xiàn)場操作開關，其接點信號直接送至氣動執(zhí)行機構的電磁閥或電液、電動執(zhí)行機構的緊急停車系統(tǒng)(ESD)動作端子或相應的SIS，用于在緊急情況下現(xiàn)場手動開關緊急切斷閥。

圖8 兩種極化測量體制的測量均方誤差性能(錐體目標)

3 結束語

本文立足于兩種測量體制的基本原理和信號處理流程，研究了動態(tài)目標的全極化測量方法，分析了兩種測量體制的誤差因素，并進行仿真實驗和外場測量實驗，驗證了瞬時極化測量體制在動態(tài)目標極化特性獲取方面的有效性和優(yōu)越性。

縱觀極化雷達測量體制的發(fā)展歷程，經(jīng)歷了從部分極化到全極化，從分時極化到瞬時極化的發(fā)展過程。在這一過程中，雷達的目標極化信息獲取能力得到了顯著提高，獲取的目標極化散射特性更加全面和豐富。相應的，雷達極化理論從面向窄帶、非相參極化雷達的經(jīng)典極化理論，逐步發(fā)展為面向寬帶、相參極化雷達的瞬態(tài)極化理論，極化信息處理技術得到了極大的發(fā)展。

將瞬時全極化測量體制與相控陣技術相結合的極化雷達是發(fā)展的重要方向，該新型雷達能將瞬態(tài)極化雷達強大的全極化信號獲取處理能力和相控陣雷達靈活的波束調度能力相結合，可顯著提升雷達的多批高速目標跟蹤測量能力，擴大其探測范圍、增強其目標檢測、識別和抗干擾能力，具有極大的應用潛力。當前，美國等發(fā)達國家已開始對瞬態(tài)極化相控陣雷達的相關技術進行研究，美國國防部海軍研究局等多個部門已經(jīng)聯(lián)手開展該類雷達的研制工作，并計劃在2025年前裝備使用，以服務于國家安全、空中管制等領域。我國也應重視相關領域的技術積累，特別是加強對極化相控陣技術和極化信息處理技術的研究投入，以期為未來新體制雷達的研制提供技術保障。

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