无源双极化标签式雷达目标的研究

摘要

随着城市机动车拥有量的迅速提高，构建有效的城市道路机动车交通流量监控和交通信号灯控制的自动化管理系统已成为现代化城市基础设施建设的重要课题。国内外在交通信息检测领域的解决方案主要基于环形线圈传感器、视频监控、红外线检测和射频识别技术。面对城市机动车交通和环境的实际复杂情况，以上系统的实施在全天候、实时性、可靠性、准确性、稳定性、经济性、易实施性等方面都存在各自的缺陷或不足。本文在深入分析的基础上认为，为机动车配置雷达目标并结合城市交通管制雷达检测系统是一个有效的方案。机动车辆雷达目标应不影响车辆外观，同时具备免维护、易使用等特点。采用标签式雷达目标是实现以上要求的可行结构。
　　 雷达目标是一类能对特定频率范围的雷达探测信号产生显著反射的特殊的雷达反射器，它在雷达系统中能表现为远大于其本身物理尺寸的雷达散射截面，将其放置在小型物体上，能显著提高雷达对装备有雷达目标物体的识别和探测能力。现有的无源雷达目标由于自身结构特点无法在小型的交通工具上安装使用。而射频识别技术由于识别距离不够应付远程交通检测要求。本文针对现有雷达反射器存在的种种问题，提出了一种标签式雷达目标，达到了体积小、无需机械固定、不改变被安装设施外观的目的，适合在城市交通中的机动车上安装使用。
　　 面对城市中复杂多变的交通环境，我们在讨论了各种天气因素对不同频段的电磁波损耗程度的基础之上确定了文中标签式雷达目标的工作频率为2.4GHz，即S波段，确定了论文设计的出发点。雷达散射截面特性是表征雷达目标反射雷达电磁波能力的最重要的性能，目标的雷达散射截面决定了雷达对目标的探测距离，目标的极化散射特性影响了雷达对目标的识别能力。文章在介绍了目标的材料、外形对电磁波反射特性的基础上，采取了以L型片状振子为基本单元的阵列形式来提高目标的雷达散射截面和交叉极化散射特性。
　　 针对不同电尺寸的物体我们必须选择合适的算法来实现精确快速的计算其电磁散射特性。本文通过分析明确了利用矩量法来研究处于谐振区的雷达目标散射特性，利用混合法处理同时包含有电大和电小尺寸物体的复杂目标的雷达散射特性，并且给出了L型振子的散射场积分方程。在综合了先前理论基础之上，我们在三维电磁仿真平台Feko上首先研究了L型金属振子在外来电磁波照射下的表面感应电流分布，讨论了如何利用电流分布的同相叠加来加强阵列整体的交叉极化散射截面。其次对两种不同排列形式的阵列进行了比较分析，确定了能提高雷达角度分辨率的具有较窄波瓣宽度分布形式的阵列作为雷达标签的最终形式。最后我们将经过优化后的标签在放置于实际尺寸大小的机动车进行了联合仿真实验。
　　 本文研究的结果表明：采用雷达标签能够以方便的方式增强探测雷达对置于复杂背景中的机动车辆个体的探测能力，提供足够大的、均匀可靠的雷达散射截面以及提供显著突出于目标本身和背景的雷达散射特性，从而实现目标探测和识别的目的，在此基础上可发展智能型的城市交通管制和引导系统。