基于天线空域极化特性的虚拟极化接收技术

第24卷第3期 电波 科学 学 报 V01．24，No．3 2009年6月 CHINESEJOURNALOFRADIOSCIENCE June．2009 文章编号1005—0388(2009)03—0389—05 基于天线空域极化特性的虚拟极化接收技术 引 言 李金梁 罗 佳 常宇亮 戴幻尧 李永祯 王雪松 (国防科技大学电子科学与 工程 路基工程安全技术交底工程项目施工成本控制工程量增项单年度零星工程技术标正投影法基本原理 学院，湖南长沙410073) 摘要提出了一种基于天线空域极化特性的雷达虚拟极化接收方法，可使现有的 单极化雷达具有一定的变极化能力。结合偏馈抛物面天线空域极化特性的计算结 果，给出了修正的雷达观测方程，提出了虚拟极化接收的方法，对雷达虚拟极化接收 的性能进行了分析，指出了等效噪声电平是接收极化的函数，并给出了具体的 表 关于同志近三年现实表现材料材料类招标技术评分表图表与交易pdf视力表打印pdf用图表说话 pdf 达 式，最后基于雷达虚拟极化接收提出了P删最小化极化滤波方法，使干扰加噪声的能 量最小，仿真结果表明：虚拟极化接收技术在INR较大时具有较好的抗干扰效果。 关键词 天线空域极化特性；最小二乘估计；虚拟极化接收}干扰抑制 中图分类号TN957．2 文献标志码A Virtualpolarizationreceiverbasedonthespatialpolarization characteristicsofantenna LIJin-liangLUOJiaCHANGYu-liangDAIHuan-yao LIYong-zhenWANGXue-song (SchoolofElectronicScienceandEngineering，NationalUniversityof DefenseTechnology，ChangshaHunan410073，C^ina) AbstractBasedonthespatialpolarizationcharacteristicsofantenna．theideaof virtualpolarizationreceiverofradarwasbroughtforward．Itmakesthesinglepo一 1arizationradarpossessthevariablepolarizationability．Combiningwithcalculation resultsofspatialpolarizationcharacteristicsofoff-setparabolicreflectorantenna， themodifiedradarreserveequationispresented．Thevirtualpolarizationreceiving methodisgiven．Itshownthattheequivalentnoisevoltageisthefunctionofreceiv— ingpolarizationandtheconcreterepresentationisderived．Therain-PINpolariza— tionfilterisproposed．Thesimulationresultsshowthattheperformanceoftheal— gorithmtOsuppressinterferenceisbetterwithrelativehigherINR． Keywordsspatialpolarizationcharacteristicsofantenna；leastsquaresestimation； virtuaIpolarizationreceiver；interferencesuppression 根据天线理论，在给定频率和空间指向的远场 区，天线存在着某一确定的极化方式。当天线的工 作频率固定，随着空间指向的不同，天线辐射场的极 收稿日期：2009—10—07． 基金 (51309060305)；湖南省教育厅资助科研项目 联系人：李金梁E-mail：ljl0901@163．corn 化方式也有所不同，这意味着天线的极化是空域指 向的函数。天线极化在空间的这种变化特性，简称 为天线的“空域极化特性”[·q]。 现役雷达大多数为单极化雷达，不具有变极化 能力。防空雷达一般在空域内作机械扫描，在扫描 项目：国家自然科学基金重点项目(60736006)；装备预先研究项目 389 万方数据 390 电波科学学报 第24卷 过程中，来波或雷达目标相对于天线的空间位置发 生了改变。如果来波或雷达目标的极化特性在雷达 波束扫描期间不发生变化，那么，利用天线扫描接收 机得到的电压序列，基于天线空域极化特性的先验 知识，通过一定的信号处理手段，可以使现在雷达在 不作硬件改动的前提下，具有一定的极化测量能力 和变极化能力，可以抵抗简单的有源单极化压制式 干扰，这将具有重要的实际意义。 基于此想法，研究了基于天线空域极化特性的 虚拟极化接收技术。虚拟极化接收技术分为两步。 、 首先，基于最／b--乘的方法，利用天线扫描所得的电 压序列得到正交极化通道的回波，然后，用虚拟极化 接收的方法，实现对来波的变极化接收。本文分析 了正交极化通道回波的统计特性，进而对天线的虚 拟变极化能力进行了定量的分析，首次指出等效噪 声电平是接收极化的函数，给出了具体的表达式。 最后基于雷达虚拟极化接收技术提出了P删最小化 极化滤波方法，使干扰加噪声的能量最小，仿真结果 表明虚拟极化接收技术在INR较大时具有较好的 抗干扰效果。 1雷达观测方程 偏馈抛物面天线是最常见的反射面天线之 一“]。本文以典型的偏馈抛物面天线为例，给出天 线空域变极化特性的示例。图1给出了偏馈抛物面 天线在垂直切面内的示意图。其中，坐标系QXyZ 的原点在抛物面的顶点，坐标系0rX，y，Z，的原点在 反射面的中心，各坐标系相应的y轴在图中没有给 出。本文在坐标系0rX，y，Z，里对天线的极化特性 进行分析和计算。设天线的电波传播方向在坐标系 oX，y，Z，里的角坐标为(口，jI)，其中0为电波传播 方向与Z，轴的夹角，，l为电波传播方向在X，0，一 面内的投影与x，轴的夹角，极化基分别取为a和乒， 电波的极化在此极化基下可表示为 E=E。a+E2拳 (1) 利用Grasp计算软件得到的偏馈抛物面天线的 空域极化特性如图1所示，其中，焦距F=1．25m， 天线的口径D=1m，天线中心位置H=0．6m，天 线的工作频率为12GHz，天线的主极化为a极化， 交叉极化为声极化。由图1可以看出，Et和易是 (口，声)的函数。 现役雷达大多数是单极化雷达，利用天线的空 域极化特性，通过一定的信号处理算法，可以使传统 (a) 主援化幅度 图1 偏馈抛物面示意图和天线 空域极化特性的计算结果 Z 的单极化雷达具有一定的变极化能力。以偏馈抛物 面天线为例，假设天线在方位向上进行机械扫描，雷 达目标在QX，y，Z，内的角坐标0不变，，‘线性变 化。假设来波极化在观测的过程中保持不变。天线 在机械扫描过程中，当目标落在指定波束宽度内时， 雷达发射的脉冲数为 M=PRF·BW／f (2) 式中，PRF为脉冲重复频率，单位为Hz；BW为天 线的指定波束宽度，单位为度；f为天线机械扫描的 万方数据 第3期 李金梁等：基于天线空域极化特性的虚拟极化接收技术 391 速率，单位为度／秒。对于典型的机械扫描雷达，M 值一般为十几。如果已知天线的空域极化特性，则 可以通过这M个脉冲回波接收机测量所得到的电 压序列，对来波的极化状态甚至是目标的极化散射 矩阵进行估计，并基于虚拟极化接收技术对抗单极 化有源压制式干扰。 雷达的观测方程为[6J1 "01 耽 ： ● t，M E1(j11) E1(j52) E。(“) E2(，11) E2(屯) Ez(“) [廿N (3) 式中，珊为第M个脉冲回波接收机测量所得到的 复电压，E。(“)和E2(虬)分别为天线在(口，“)方 向上辐射场的主极化分量和交叉极化分量，JH和 几分别为目标回波Jones矢量的H分量和V分量， 上式可以简化为 V=A，+N (4) 式中，A称为观测矩阵，假设N～(O，cr2Iu)，lu为M 阶单位矩阵。上述观测方程是线性的。 2雷达虚拟极化接收技术 POELMANAJ在1981年首次提出了“虚拟 极化”(Virtualpolarization)的概念[8’9]，这对于以后 设计 领导形象设计圆作业设计ao工艺污水处理厂设计附属工程施工组织设计清扫机器人结构设计 和研制变极化雷达，特别是进行相应的数字信 号处理，具有重要的意义。雷达接收系统极化状态 的改变，除了可在天线和馈线中进行外，还可运用 “虚拟极化”的方式在接收通道中完成。所谓“虚拟 极化”，就是并不实际改变雷达接收天线和馈线的极 化状态，而是通过对正交双极化接收通道信号进行 幅度相位加权，达到与改变接收天线极化状态相同 的效果。利用虚拟极化，可以对天线接收下来的电 波(包括目标回波、杂波和干扰等)作任意的变极化 处理，以达到匹配(全功率接收)或正交(完全消除) 等目的。利用数字信号处理可以方便、灵活地实现 虚拟极化所需的相关运算。 虚拟极化接收技术分为两步，首先用基于最小 二乘的方法，利用天线扫描所得的电压序列得到正 交极化通道的回波，然后用虚拟极化接收的方法，实 现对来波的变极化接收。 利用天线扫描所得的电压序列得到正交极化通 道回波的过程实际上就是雷达对来波极化状态估计 黧窝藿—一麓嚣嚣主冀所得的电——叫垡糈饪歌取正萼通 压序列v l道的目标回波．， 以^对来波迸f 行墟拟极化卜_—÷输出信号v 接收v：∥J 图2虚拟技术接收的框图 的过程，对J的最dx-乘估计为： J一(AHA)-1AHV=J+(AHA)-1AHN —J+WN (5) j的元素歹H和Jy就是正交极化通道H和V 的回波，双正交极化通道回波J由两部分组成，一部 分为来波．，，另一部分为噪声WN。WN服从正态分 布，其均值为零，方差为(AHA)-1cr2。任意两次观测 时天线的极化构成了极化空间的一组完备基，那么 通过扫描中的任意两次观测值就可以得到正交极化 通道的回波。考虑到接收机的噪声对估计结果的影 响，如果只利用两次观测值，那么正交极化通道回波 的噪声电平尤其是V通道回波的噪声电平将比较 高，利用多次观测，可以使(AHA)_1cr2变小，降低噪 声的电平，提高估计精度，这实际上等效于雷达通过 多次观测进行相干积累，提高信噪比。 图3给出了SNR为30dB时，对来波极化的估 计结果(蒙特卡洛次数为500)，来波极化的真实值 为[1，j]，天线的空域极化特性为图1中口=90。，声 的变化范围为[一5。，5。]，间隔0．10。SNR定义为 天线的最大辐射方向对准来波时，信号与噪声的能 量之比。由于最大辐射方向交叉极化为零，即 E2(O)一0，所以 SNR；10log(!墨!!!；』堡岛(6) 图3对来波极化状态的估计结果 由图3可以看出，．厂y的估计误差要远远大于 JH。即两路正交极化通道同波具有不同的噪声电 平，且噪声电平相差较大。交叉极化与主极化通道 等效噪声功率相差约30dB。关于虚拟极化接收以 前的研究，都是假设正交通道的噪声电平相等，以虚 拟极化接收时，噪声电平不变。但基于天线空域极 化特性的虚拟变极化技术不再满足这一假设，H和 V通道的噪声电平相差30dB。 假设雷达的虚拟接收极化矢量为h，那么在此 万方数据 392 电 波科学 学报 第24卷 接收极化下雷达接收机的接收电压为 口一hT2=h'rJ+M (7) 显然， Ely]=h'rJ，varEv]=hH(AHA)q／102(8) 虚拟极化接收的电压由两部分构成^TJ和N。， N。可以看成是以h极化接收时对应的接收机噪声， 其方差为hH(AHA)_1胁2。可以看出，基于天线的空 域极化特性可以使雷达具有一定的虚拟变极化能 力，但以不同极化对来波进行接收时，接收机的等效 噪声电平敏感于接收极化。图4(a)给出了等效噪 声功率随接收极化(以相位描述子表征)的变化关 系。 通过数学推导，可以得到以下结论： 1)令K=(AHA)一，则K为2×2的Hermit矩 阵，对角线元素为实数，其特征向量分别为x-和娩， 对应的特征值分别设为A。和Az(假设At≤Az)。如 果天线的接收极化是单位能量的，那么 ．：Ilcr2≤hH(AHA)_1ha2≤A2cr2(9) 即接收机以不同的虚拟极化对来波接收时，接收机 的噪声功率将存在极大极小值。当以矩阵K的特 征向量为天线的虚拟接收极化时，接收机的噪声功 率达到极大极小值。 2)对A做奇异值分解， A=眩VH (10) 可以 证明 住所证明下载场所使用证明下载诊断证明下载住所证明下载爱问住所证明下载爱问 ： K=v(E)-1VH (11) 即方阵K的特征值为矩阵A的前两个奇异值的平 方的倒数，特征矩阵为V，工1=y(1)，x2=y(2)，其 中y(1)、y(2)分别为矩阵y的第一列和第二列。 当以任意的极化cosyxl+sinyej～2接收时，等效的 噪声功率为(AlCOS2y+A2sin2y)cr2。 3)当满足A}IA2—0(A1和A。分别为矩阵A的 第一列和第二列)时，可以推导得到，A。=(AfIA。)～，A。 =(趔A2)～，而=[1，o]T，屯=[o，1]T。 3 P州最小化极化滤波方法 如果干扰的极化状态已知，噪声电平不随接收 极化变化，那么极化滤波的准则可以选为使干扰能 量P-最小，即选择h使得 hop。=argminhTJ (12) 但对基于天线空域极化特性的虚拟变极化，这种方 法虽然使干扰进入接收机的能量变小，但却有可能 使等效噪声电平提高了，所以使用的范围具有一定 的局限性，只适应于噪声能量远小于干扰能量的情 况。根据本文的分析，噪声电平是敏感于接收极化 的，本文提出一种更加合理的准则，即使干扰加噪声 能量之和P州最小，即选择h使得 h。pt=argminPm=argm．in(IJlTJ2+ hM(AHA)_1／102) (13) 定义基于虚拟极化的干扰抑制方法的改善因子 D为旦割半。基于图1所示的天线空域极化特性， fINl● 假设干扰来波的极化为[1，j]，INR=15dB时，图4 给出了PN、P，和Pw随虚拟接收极化(以相位描述 子表征)的变化关系。 图4等效噪声功率、干扰能量、Ph随 接收极化(以相位描述子表征J的变化关系 当INR=30dB时，PJ最小化和P肼最小化准 则下得到的最佳接收极化都为去[1，j]T，改善因子 为15．64dB。当INR=15dB时，PIN最小化准则 万方数据 第3期 李金梁等：基于天线空域极化特性的虚拟极化接收技术 393 下得到的最佳接收极化为[o．90，0．43j]T，获得的 改善因子为2．65dB，尸，最小化准则下改善因子为 0．65dB。下图给出了两种准则下改善因子随INR 的变化曲线。 由图5可以看出，INR越低，二种准则下改善 因子的差别越大，当INR低于14dB时，P，最小化 准则将无法得到改善。当INR比较低时，P删最小 化准则下得到的改善比较小，INR较大时具有较好 的抗干扰效果。 ∞ 已 ● 稚 襁 图5两种准则下改善因子随INR的变化曲线 4结论 本文提出了一种基于天线空域极化特性的雷达 虚拟极化接收技术。利用天线极化“不纯”这～事实 及其在空域的变化特性，在现有单极化雷达的基础 上通过一定的信号处理手段，使雷达具有虚拟变极 化能力，并分析了这种变极化的抗干扰潜力。分析 结果表明：该算法并不复杂，可以通过简单的信号处 理手段使雷达具有一定的变极化能力，这种变极化 能力可以提高雷达抗极化干扰的能力，对实际装备 的改良具有重要的意义。 参考文献 El-I罗 佳，王雪松，等．实测天线的空域瞬态极化特性 [J]．电波科学学报，2007，22(增刊)：373—376． LUOJia，WANGXue-song。eta1．Spacialinstantane— OUSpolarizationcharacteristicsolpracticalantenna [J]．ChineseJournalofRadioScience．2007，22(Sup) ：373-376．(inChinese) E2]LUOJia，WANGXue-song，eta1．Spatialpolarization characteristicsofantenna[C]／／APSAR-2007．Huang— 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技大学在读博士。主要从事无源干 扰，极化信息处理方面的研究。 罗 佳 (1981一)，女(土家 族)，湖北人，现为国防科技大学电 子科学与工程学院博士研究生。研 究方向：雷达极化信息处理、信号处 理、雷达电子战建模与仿真。 常宇亮 (1980一)，男，山西 人，分别予2002年和2005年在国 防科大电子科学与工程学院获取学 士与硕士学位。现为该学院博士研 究生。主要研究领域为雷达信号处 理与新体制雷达研制和应用。 万方数据 基于天线空域极化特性的虚拟极化接收技术 作者： 李金梁， 罗佳， 常宇亮， 戴幻尧， 李永祯， 王雪松 作者单位： 国防科技大学电子科学与工程学院,湖南,长沙,410073 刊名： 电波科学学报 英文刊名： CHINESE JOURNAL OF RADIO SCIENCE 年，卷(期)： 2009，24(3) 引用次数： 0次 本文链接：http://d.g.wanfangdata.com.cn/Periodical_dbkxxb200903002.aspx 下载时间：2009年10月14日