全极化相控阵雷达精密测量技术

摘要

随着雷达极化理论和技术的发展，极化已经成为现代精细化、高维度和智能化雷达不可或缺的技术手段。具有精确极化测量能力的全极化相控阵雷达是未来多功能相控阵雷达的重要发展趋势，在气象观测和防空反导等领域具有广阔的应用前景。目标极化信息获取的精度是影响极化应用技术性能的关键因素之一，精密极化测量对雷达系统设计和信号处理技术提出了非常苛刻的要求。全极化相控阵雷达天线的极化特性随着波束扫描角度的改变而变化，尤其是天线的交叉极化会随着波束指向角的增大而显著增大，这一本质特性将在数据源头上对相控阵雷达极化信息获取与应用的各个环节产生影响。因此，相控阵雷达的极化信息精确获取与有效应用也面临着诸多挑战。论文立足于先进的信号处理技术，致力于解决全极化相控阵雷达精密测量中的基础和共性问题，对全极化相控阵雷达天线空域极化特性分析与建模、方向图综合与极化控制、全极化相控阵雷达极化测量与校准、全极化相控阵雷达单脉冲技术四个关键问题进行了深入研究，并利用全极化微带阵列天线的HFSS电磁计算数据对论文提出的理论和方法进行了验证。本研究主要内容包括：　　⑴在全极化相控阵天线空域极化特性分析与建模方面，首先从电流元和磁流元出发，研究了全极化阵元的两种基本类型，在揭示两种类型全极化阵元交叉极化来源的基础上，分析了全极化阵元的空域极化特性；其次，分析了阵列互耦对阵元有源方向图以及阵列合成波束辐射特性的影响，研究了基于最小二乘法的全极化阵列互耦系数估计方法，建立了互耦条件下全极化阵列天线远场辐射特性的数学模型，为后续的信号处理提供了理论支撑。　　⑵在方向图综合与极化控制方面，从方向图综合和极化独立控制的角度，分别研究了基于互耦补偿和基于阵元极化控制的波束形成方法。在分析这两种方法的性能和局限性的基础上，进一步提出了基于凸优化的方向图综合与极化联合控制方法，该方法可以综合考虑和、差波束方向图的功率（包括波束宽度、旁瓣电平和方向图零点等）和极化特性，将方向图综合与极化控制转换为易于解决的凸优化问题，通过对阵元加权系数的优化，实现任意旁瓣电平的控制和任意极化的合成，这为全极化相控阵雷达波束指向的灵活扫描与极化的精确控制提供了有效的技术手段。针对宽带阵列综合问题，提出了基于FIR滤波器结构的宽带极化波束联合优化方法，既能满足方向图的功率和极化特性设计要求，又能保证合成方向图在整个工作带宽内具有恒定的频率响应，以抑制由于雷达工作频率带宽的增加而引起的波束指向误差和方向图失真。　　⑶在全极化相控阵雷达极化测量与校准方面，根据目标与雷达坐标系的空间位置关系，分析了雷达观测极化基随波束扫描角度的变化规律，并结合相控阵天线极化特性等系统参数，建立了完整的目标全极化回波模型；针对分时和同时极化测量体制，分析了天线的交叉极化、收发通道的幅相特性和发射波形隔离度对极化测量性能的影响，定义了全极化雷达交叉极化隔离度，为衡量全极化天线的极化特性提供性能指标；针对全极化相控阵雷达系统参数引起的极化测量误差，将论文提出的方向图综合与极化控制方法应用于水平和垂直极化方向图的极化校准，并结合发射和接收阵列的工作特点，提出了基于部分辅助阵元的方向图综合与极化联合校准方案。利用全极化微带阵列的HFSS电磁计算数据对该方法的性能进行了分析与验证。　　⑷在全极化相控阵雷达单脉冲技术研究方面，针对由于天线的交叉极化、阵元之间的极化差异以及接收通道之间的幅相失衡导致的单脉冲测角偏差，将论文提出的方向图综合与极化控制方法应用于单脉冲测角，既能够实现和、差波束功率方向图的综合，又能够保证和、差波束极化特性的一致性，从而抑制由于天线交叉极化等系统因素而引起的单脉冲测角偏差；在和、差波束综合与极化控制的基础上，进一步提出了基于最优匹配极化接收的全极化单脉冲技术，能够保证两正交极化通道的合成输出信噪比最大，从而减小由于接收机噪声引起的测角均方误差；利用全极化微带平面阵列的HFSS电磁计算数据和全极化微带圆台阵列的理论仿真数据验证了该方法的有效性。

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第一章 绪论

1.1 全极化相控阵雷达的发展趋势与挑战

1.2 研究历史及现状

1.3 全极化相控阵雷达的关键技术

1.4 论文主要工作及结构安排

第二章 全极化相控阵天线空域极化特性分析与建模

2.1 引言

2.2 天线的极化表征

2.3 典型全极化阵元的空域极化特性

2.4 全极化平面相控阵天线的空域极化特性

2.5 全极化共形相控阵天线的空域极化特性

2.6 本章小结

第三章 全极化相控阵雷达方向图综合与极化控制技术

3.1 引言

3.2 全极化阵列方向图综合与极化独立控制技术

3.3 任意窄带阵列的方向图综合与极化联合优化

3.4 宽带阵列方向图综合与极化联合优化

3.5 本章小结

第四章 全极化相控阵雷达极化测量与校准技术

4.1 引言

4.2 相控阵雷达全极化测量的信号模型

4.3 全极化相控阵雷达极化校准技术

4.4 本章小结

第五章 全极化相控阵雷达单脉冲测角技术

5.1 引言

5.2 全极化单脉冲技术的信号处理框架

5.3仿真分析

5.4 本章小结

第六章 结论与展望

6.1 工作总结

6.2 创新点

6.3 后续工作展望

致谢

参考文献

作者在学期间取得的学术成果

一、发表论文情况

二、参与的科研项目