[doc]微波遙感散射計天線系統(tǒng).doc

1、微波遙感散射計天線系統(tǒng)微波遙感散射計天線系統(tǒng)貝天震提要本文敘述了微波遙感散射計天線的特殊飼題,分析了天線與敞射計的關(guān)系 ,介紹了兒種典型散射計天線的實例.一,J 言微波遙感散射計 (以 r 簡稱散剿計 )是測量 f_ 標(biāo)散射特性的有源遙感器,它測量的是單位面積的散射截面o.散射系數(shù) .散射計有非常廣泛的刖途;在海洋學(xué)研究中 ,用來探測波浪譜和海面散射特性,測量風(fēng)速 ,判別風(fēng)向和跟蹤風(fēng)場的變化以及預(yù)報天氣 ;在土壤學(xué)研究中 ,不僅可 側(cè)土壤表面層的含水量,粗糙度 ,而且還能測量一定深度的內(nèi)層特性和區(qū)分土壤種類 在植物學(xué)研究中 ,可監(jiān)測植物的長勢和估算產(chǎn)量j在冰雪研究中 ,可探測誅層的厚度等j 在

2、軍事上可作為偵察手段,鑒別偽裝物在腺身與反隱身技術(shù)中,可用來測量目標(biāo)的散射場分布.散射計分星載的 ,機載的和地面的 .地面的又分點頻的和寬帶的兩類 . 地面散射計用于地掘波譜的研究 ,為遙感數(shù)據(jù)提供判讀的依據(jù) ,而星載 ,機載散射計則用于太面積 ,L 遙感 .;_天線是散射計的重要部件 .散射計與雷達 ,輻射計 ,微波通訊設(shè)備一樣要求天線具有高增益 ,低旁瓣 ,此外 ,散射計天線還有一些特殊的要求 .本文主要討論散射計天線的特殊問題 ,一般問題可參閱有關(guān)天線書籍.二,散射計天線的特殊問題散射計研究的對象是面目標(biāo) ,目標(biāo)的面積遠大于天線波束所照射的醫(yī)域,而往往使lI 一甩各自的 .收發(fā)天線 ,在

3、天線波束照射區(qū)內(nèi),天線增益 ,作用距離均是入射角的函數(shù).地物回波由大童獨立散射單元的回避霉加產(chǎn)車,一般情況下它們是非相于的 ,蘆計算平均回波功率時 ,把它們相加起來即可 .由雷達方程得平均的回波功率為.器譬旦 .-上物理嘶究所一2 一(1)式又可改寫為.:告,(2)一 .AIPt 式中 P.為散射計的發(fā)射功率;G,G,分別為發(fā)射天線和接收天線增益;為工作波長 ,R 為天線至照射目標(biāo)的距離;o 為目標(biāo)的平均散射系數(shù)A為天線有效照射面積 ,符號上有 ”表示在分辨單元A 上取平均值 .上兩式中 G,G,A 均與天線性能有關(guān) ,地面散射計通常采用拋物面天線形成筆形波束 ,機載 ,星栽散射計常 I 耳陣

4、列天線形成扇形波束 .它們都要求天線具有高的增益,低旁瓣低的交叉極化電平 ,一定的波束寬度和多極化性能 ,并有一定的頻帶特性 .下面討論散射計天線的特殊問題.I_天線極化與個數(shù)的選擇目標(biāo)的散射系數(shù)o.與電磁波的扳化相關(guān) ,用.j 表示 ,i 表示入射波的極化,j 表示散射波的極化 .恫o.表示各種極化的散射系數(shù):rovov(.【.j(3)式中下標(biāo) V 表示垂直極化波 ,H 表示平極化波 ,o;v 表示入射波為垂直極化 ,散射波為垂直極化的散射系數(shù)o為入射波為垂直極化 ,散射波為水平極化的散射系數(shù) a&v 為入射波為水平極化,散射渡為垂直極化的散射系數(shù);a.n 為入射波為水平極化 ,散射

5、波為水平極化的散射系數(shù).全極化散射計能測得全部散射系數(shù)即 ov,on,ov,on.這要求收發(fā)天線有四種極化組合狀態(tài) ,散射計就得用四個天線 ,收,發(fā)各二個分別工作于垂直極化和水平極化 .要減少天線個數(shù) ,貝 q 天線要具有雙極化或變極化功能 ,那么天線數(shù)可減少至二個,甚至為一個對調(diào)頻連續(xù)波和連續(xù)波多勒體制的單極化散射計必須使用收發(fā)分開的二個天線 .對脈沖制的單極化散射計收發(fā)可共用一個天線 .地面散射計通常采用雙極化或變極化饋源構(gòu)成四種極化組合,而機載散射計通常一種極化用一個獨立的天線陣.2.夫線方向圈與照射面積由(2)式知 ,要求 d.一定要知遭嗯射面積 A,A 的值又與天線方向圖有關(guān) . 天

6、線方向囝的形狀又決定了散射計提取信息的方式 .筆形波束只能提取有限角度范圍內(nèi)的信息,天線波束必須在一定俯仰角度范圍如 0.-60.掃掠,才能完成不同入射角的散射特性測量 ,而扇形波束能同時完成不同入射角的目標(biāo)散射信息提取 ,它需要較復(fù)雜的數(shù)據(jù)處理設(shè)備 .通常地面散射計使用筆形波束而機載散射計 :使用扇形波束.圖 1a 是地面散射計單天線橢圓照射面積 .圖 lb 是兩個平行安裝天線的有效照射面積,照射封地面上的二個橢圓方程為 :一30 一(-.kat):+(bY)=(4)I|0(摯)t y-d 一):t【 lo(5)/毒圖 1a 單天線照射面積 lb 雙天線照射面積兩橢圓重疊面積即為兩天線的有效

7、照射詢積 A;舶一 adx ce式中 s(卅譬 )(a 一譬 ),a=(萼)噸(n 一警 -);b:=芋/cos1-tgz 呲),e,士分別為天線俯仲面與方位面的波束寬度jH 為天線安裝高度jd 為兩天線的間距,下標(biāo) t 為發(fā)射無線 ,r 為接收天線 .照射面積 A 與波求寬度相關(guān) ,波束寬度又取決于天線口徑 D.地面散射計天線口徑選擇的主要依據(jù)是 :(1)幕線波束寬度 B=K 臺(7)式申 ,K 出口徑場分布決定的波寬常數(shù),為工作波長 .口徑越大 ,波束越窄,照射面積連小 ,分辨單元越小 ,測量精度越高 .但渡束也不能太窄,波束越窄,天線口徑越大 ,兩天線問距越大 重疊面積越小 ,甚至完全交

8、不到 .所以天線口徑的選擇要保證照射而積有一定的蘑疊.有的散射計采為風(fēng)速 S 為天線受風(fēng)面積 .天線越大 ,風(fēng)負越大 ,機械結(jié)構(gòu)與伺服系統(tǒng)越復(fù)雜.根據(jù)具體情況 ,折裊選擇天線口徑 .在 2-I8GHz 范圍內(nèi) ,天線口徑可以在300ram-1200ram 范圍內(nèi)選擇.機載散射計常采用扇形波束,理想化的扇形潑束見圖2.方向圖在飛機的航商上淺扇形 ,波束寬度 =IOL, 能收集飛機前后兩個方向的地面回波.舷向方向圖通常很窄,波束寬度 :AOCo 扇形爿向圖在地面上的照射區(qū)為KLMCJIHA.設(shè)舷向波束寬度 在整個扇形區(qū)內(nèi)為定值 ,b 為舷向波束在地面上的照射寬度 ,b.為舷向波束垂直照射時的地面寬

9、度.由圖 2 知:式中 ,h 為飛機飛行高度 l0 為入射角 .照射區(qū)的寬度隨入射角的變化如圖 3 所示.很明顯 ,入射角超出 60.時地面照射區(qū)的寬度增加極快 ,這使測量精度大太降低 ,故機載散射計天線航向波束寬度一般不超過6O.航0搪蒜艇II圈 2 理想廓形渡束 .圖 3 照射寬度與入射角關(guān)系機載散射計的可分辨照射面積由下式?jīng)Q定 (圖 4):一32A=a=墾.,多醬勒頻率 /D=s 成方向圖的波束寬度 -常稱雙路波束寬度.下面引入雙路方向圖與雙路波束寬度概念.A. 取路方向囝設(shè)發(fā)射天線的功率方向圖為G.T(0,叩 ), 接收天線的功率方向圖為GR(0,)其中 G.,G,.為發(fā) ,收天線波束

10、最大點增益 ,T(0,叩),R(0,)分別為發(fā) ,收天線的方一33向函數(shù) ,0 為入射角或航向角 ,為舷向角 .定義 ;收,發(fā)天線方向圖的乘積稱為天線的雙路方向圖.G;F(0,)=G.G.T(e,)R(0,),(18)式中 ,G0=G.G.為雙路方向圖最大點增益,F(O,q):T(0,)R(0,) 為雙路方向函數(shù).機載散射計通常取兩個主面的方向圖,即航向方阿圖和舷向方向圖,相當(dāng)于雷達天線中的垂直方向圖和水平面方向圖.為了研究這兩個特殊面的方向圖,(18)式可改寫為 fGjF(0,)=G0F(0)?,(),(19)式中 ,F(e)為航向方向函數(shù) ,f() 為舷向方向函數(shù) .當(dāng)中 =0.時,f()

11、:1 則航向方向圖為 .G0F(0,0)=GF(e),(20)當(dāng) 0=0 塒,即對某一指定入射角時 ,舷向方向圖為G3F(Oj,中)=GF(01),():Gi?,( 中).(21).B.航向方向囤將(17)式改寫為 ;-Pr=i.(0)GF(0) :,()d(22)散射計希望在所有入射角的回波給出幾乎相等的接收功率,以保證磁帶記錄儀線數(shù)據(jù)處理設(shè)備 ,在小入射角不飽和,在大入射角時信號不被噪聲淹沒.那么要求:P(0)常數(shù) (e:Oj 一 0),則 o.(0)GF(0)常數(shù) .(23)不同的地形有不同的.(0)變化 ,這說明天線航向方向圖不能滿足所有的地形條件,因此 ,不能保旺 o.(0)G5F(

12、0)對所有地形均為常數(shù) ,而只能將回波信號的強度壓縮在一定的變化范圍內(nèi) .襲 1給出水 ,木的散射系數(shù)和天線單路增益對入射角的關(guān):.-r1系,各種地形的均在水與術(shù)的敞射系數(shù)之間l 右邊增益是假矗三G=G=條件下,滿足 (23)式條件所要求的天線方向圖 ,實際天線較難滿足麥 1 的要求,但可供設(shè)計參考 .由于機載散射計天線裝在飛機機身外 ,故不能裝置很復(fù)雜的呆線通常用鞍簡單的天線形成增益變化范圍為 0 一一 12dB 的扇形波束 .天線增益變化的不足可在處理電路中加壓縮濾波器和在計算機中加以補償修正.:蕺C.弦向方向囤的波束寬度 .-雷達用主波束的半功率寬度來計算口標(biāo)的分辨單元,而實際上整個波束

13、寬度內(nèi)都有一34反射圈波 ,散射計是測量 o.的儀器 ,波束寬度的取法直接影響眷o 的精復(fù),波求寬度的取法常用有下列四種 :. Ca)$d8 法表 1 水,未散射 .辱數(shù)與參考方向圖柬單路參考方向圖 (dB)鹺小 l 最大18.017.515.OO0.21.5當(dāng)入射角 e 一定時 ,雙路舷向方向圖的最大值為GF(e;).在最大點的兩翻舷向角和處 ,使其增益為 G3F(0i)一 3rib,則雙路方向圖的3dB 波束寬度為 (圖5):平 3=年 2 一 l.(24)(b)3dB 求和洼GF(O),i()s=且一G 麗廣 ,(25)如將歸一化方向圖 (25)式變?yōu)?=:,()d,(26)式中 fj(

14、) 為入射角是 0i 時的舷向方向函數(shù) .-,的含義同 (a).3dB 求和波求寬度的物理意義:即把波束 3dB 以上的區(qū)域等效成為高是 GF(0i),寬是毒.的矩形 ,也就是把鐘形波束理想化成矩形.(c)20dB 求和法和零點求和法方法 (b),(2j),(26) 式仍適用 ,H 不過 ,q)不是 3dB 點,而是比最大增益低一35 一一水術(shù)O5dB 點,或方向圖的第一零點的角度.:0 一(d)累結(jié)功率法 .一蜮出某一入射角O.時的舷向方向圖 (圖 5),GF(01)用數(shù)值表示 ,用數(shù)值積分計算出不同舷向角曲線下的能量,作出累結(jié)功率百分數(shù)與年的關(guān)系曲線(圖 6),在圖上找得所要求功率百分數(shù)如

15、95%所對應(yīng)的舷向角叩 .,則披束寬度為 :.=2cp.蹦 5 舷向方向圖圖 6 累結(jié)功率與甲的關(guān)系(27)同方向圖采用不同的方法將有不同波束寬度,用零點求和法得出的叩 os 最大 ,95 累結(jié)功率法與其相近 .adB 求和法得出的 叩.5 最小 ,adB 法在兩者中間 ,2oa求和涪求的波束寬度比3dB 法大某 1.6GHz 散射計用 3dB 法與零點求和法作了比較 a),兩種方法求得 平均相差l.用求和法得出的 ,從 0=5.時的 8.5 變化到0=607 時的17.,而 3dB 法從 7.變到 16.,獲得 d.在 0=5.時求和法比3dB 法高了0.5-dB,在 0=6O.時,高了 0

16、.26dB 倒底哪一個方法求出的 .最正確 ,應(yīng)通過大量的測試研究決定 .散射計天線測試和數(shù)據(jù)處理的工作量相當(dāng)大,在 0 從一 60.到十 60 范圍內(nèi)每隔一度測一張舷向方向圖,收 ,發(fā)四個天線共480 張方向圖 ,還需綜合出HH,HV ,VH,VV雙路方向圖 480 張,進行 48O 次離散數(shù)值積分求得480 個求和波求寬度,而 3dB 法只需在方向圖上直接量得 ,工作量省很多 ,因而在 d.的精度允許范圍內(nèi)盡可能用 3dB 法.對地面散射計通常用20dB 求和法求波束寬度 .D.取路波束增益與波束寬度的乘積從(17)式可以看出 ,Gt,G,叩均隨入射角 O 的變化而變化 ,把三者的乘積與

17、0的關(guān)系作出圖形稱為天線的等效方向圖 ,將它存入計算機 ,這比將 GF(A)與叩 (0)分別存入計算機可節(jié)約一半存貯容量,使用也方便 .G6F(o)=GiF(o)印(o)J:(:t(.)Gr(.)d 叩,(28)式中 F(0)為天線等效方向函數(shù) .一a6 一一E.雙路方向圈的旁瓣電平以上討論的接收功率P 儀計天線主瓣照射的地面元,然而 ,實際的回波功率也有旁瓣照射地而單元的影響.旁瓣回波功率為 : =;raA(29)式中 ,G G分別為發(fā)射天線和接收天線旁瓣增益JAs 為多普勒頻帶和所有旁瓣所限定的照射面積 .經(jīng)計算表明 ,旁瓣電平低于一20dB 時,旁瓣對散射信號的影響可忽略(.3.天線交叉

18、極化耦合收發(fā)天線交叉極化耦臺會影響的測量精度,交叉極化耦合不同于收發(fā)天線之問的直接耦臺 ,它是通過目標(biāo)為媒介進行的耦臺,具有多普勒頻移 .在 VV 工作狀態(tài)下 ,計入交叉耦合的回波功率可寫成:=(GG.+GlvcG.3 汁+GtraGvc0I+GtvcGvc0 曼 H,(30)式中 GtvM 一垂直極化發(fā)射天線的主極化增益JG 一垂直極化發(fā)射天線的交叉極化增益Gv垂直極化接收天線的主極化增益 G,vc 一垂直極化接收天線的交叉極化增益 .(30)式中第一項為散射倩號的主項; 第二項為發(fā)射天線的交叉極化分鼉的散射信號被接收天線的主極化分量所接收的功率 第三項為發(fā)射天線的主極化分量的散射信號被接收

19、天線的交叉極化分量所接收的功率;第四項為發(fā)射天線的交叉極化分量的散射信號被接收天線交叉極化分量所接收的功率.假設(shè) GtvM=GvM=0dB,Gve=Gvc= 一 20dB,則通常目標(biāo)的 ovH 比 0H, d 品 v 大 10lSdBj 設(shè);v=叮 3H=0dB,0 導(dǎo) H=o 呂 v=一 10dB,貝 0第一項的接收功率P:0dB,第二項的接收功率P=一 204-01030dB第三項的接收功率P0201030dB,第四項灼接收功率P42020-4-0=一 40dB.上述計算表明 ,在同極化工作狀態(tài)即VV 或 HH, 交叉極化的影響小于30dB,對主項的影響可忽略 ,但對 VHHVX. 作的影

20、響就不可忽略了 .如 PnGtraGrTMo 導(dǎo) HGLvG,TIco2vGlvcGrHM0HPl=0+010=一 lOdB,P2=020+0=一 20dB,P.=一 2O+0+0=一 20dB,一 37P=一 202O 一 10=一 50rib.P 與 Ps 之和與主項 P 僅差 7dB,則將引入 2O 的測量誤差 .由上可見 ,對需測量 oH,o3v 的散射計 ,設(shè)計低交叉極化性能的天線是極為重要的.4.收發(fā)通道的隔離收發(fā)通道的隔離主要決定于收發(fā)天線之間的直接耦臺,這種直接耦合理論上不會引起頻移 ,表現(xiàn)為最近點的回波功率,實際上由于微波元件的非線性會使這個漏信產(chǎn)生頻移表現(xiàn)為接收設(shè)備的噪聲電

21、平升高.散射計要求收發(fā)通道的隔離大于55dB.收發(fā)天線的耦臺主要來自繞射 .提高收搜通道隔離的主要措施是:(1)選擇適當(dāng)?shù)氖?,發(fā)天線間距與位置 ,(2)在收 ,發(fā)天線的繞射路徑上放置涂有微波吸收材料的隔離板(3)波導(dǎo)法蘭和電纜接頭要加強屏蔽,防止漏泄 .三,散射計天線實例1.點頻地面做射計天線我所研制的 k,x,C 波段地面散射計 ,均采用調(diào)頻連續(xù)渡 (FM CW)體制 ,二個400ram 直徑的拋物面天線 ,收發(fā)分開 .下面以 x 波段散射計天線 (見圖7)為倒介紹其性能 .饋源采用雙裂縫輻射器,在饋源后面裝有用階梯扭波導(dǎo)組成的極化旋轉(zhuǎn)器 ,收發(fā)天線均能雙極化工作 ,使散射計能測量o:,a

22、n,;n,ov 四個參數(shù) .天線性能 ;一;一圖 7X 渡臣散射計天線工作頻帶 9375150MHz,天線增益大于 28dB天線波束 3dB 寬度 ,E 面 5.5O,H 面 5.10,20dB 求和 ,E 面 6.30,tt 面 5.40,旁瓣電平 E 面不大于一 20dE,H 面不大于一 18dB;輸入駐波比小于t.7,收發(fā)通道隔離大于55dBj交叉耦合不小于17dB*極化方式 VV,一 H,HV,IH,架設(shè)高度 12m.2.寬帶地面散射計天線寬帶散射計是研究地物波譜特性的有效工具 ,它要求天線具有寬頻帶特性 ,反射面天線的寬帶特性主要取決于饋源的性能 .脊波導(dǎo)喇叭天線與對數(shù)周期天線均船工

23、作在數(shù)個倍頻程 ,它們是寬帶散射計常用的饋源 .下面是兩種寬帶散射計天線的性能參數(shù) .()()頻帶 (GHZ)48818架設(shè)高度 (m)2026天線口徑 (mm)發(fā)射天線 762610接收天線 914610天線增益 (dB)發(fā)射天線接收天線低頻 28.827.83】.2中心 32.232,235.0高頻 29.127.838.1天線雙路波束水平面垂直面水平而垂直面寬度 (20dB 求和 )低額 3.8.4.0.2.94.3.43.中心 2.7.3.2.2.38.2.36.高頻 2.8.3.0.2,02.3.20.旁瓣電平 (單路 )dB 發(fā)射天線接收天線發(fā)射天線接收天線低頻一 18121515

24、中心一 27181313高頻一 1613 一515交叉極化 (dB)一 13饋源形式雙極化脊波導(dǎo)喇叭線極化背腔對數(shù)周期天線極化方式 VV,VH,HV ,VV,VV,VH,HV ,VV變極化方式開關(guān)控制旋轉(zhuǎn)饋源(請參見圖 8)3.400MHz 機載散射計夭線400MHz 機載散射計天線由兩個正交的線極化天線組成,每一天線有24 個有源振子和 12 個反射振子組成 .12個單元陣列沿機翼方向?qū)ΨQ分布形成舷向方向圖 ,2 個單元陣列沿航向分布形成航向方向圖 ,反射單元處在前后單元中間 (圖 9).天線陣安裝在機身與機翼的下面 (圖 10),由于機翼的上翹 ,因此必須調(diào)節(jié)振子的相位,使飛機下面的任一平

25、面都處于陣列的同相面 .振子間距為 0.83,激勵振子的幅度與相位由饋電系統(tǒng)控制 ,12 單元陣列產(chǎn)生舷向方向圖的波束寬度.ns:6.,旁瓣電平為一 24dB.航向方向圖要求天底角方向 (0:0.處 )增益最低 ,而在前后55.65.區(qū)輻射一39?一最大 ,構(gòu)成一個扇形波束.形成扇形波束的原理是:調(diào)節(jié)二單元陣的問距并反向饋電 I以產(chǎn)生類似于單脈沖天線的差方向,同時 ,發(fā)射功率經(jīng)過10dB 定向耦合器對二單元陣列同相饋電 ,產(chǎn)生一個壓低增益的和波束.當(dāng)和差端具有9o.相位差時 ,和差方向圖在前后向?qū)ΨQ地相加形成扇形波束(圖 11)圖 8818GHz 散射計天線一4O 一圖 9 一種極化的天線陣列

26、至收發(fā)矸美圖 l0 機載散射計天線二單元前后陣列的同相與反相饋電由魔 T 或和差器來完成 ,單個振子裝在機翼下面半個波長 ,振子與它的鏡象的組合在天底角產(chǎn)生最小輻射而在 60.處產(chǎn)生最大輻射 ,這有助于產(chǎn)生一個寬的較線性的差方向圖.此外 ,在前后振子中間加一反射振子可有效地控制天底角方向的增益 , 如沒有這反射振子 ,在天底角附近有一個錐形的弱輻射區(qū),舷向方向圖旁瓣電平升高.反射振子僅在 f 可相饋電時才被激勵 ,因為它的幅度很小 ,不會影響天底角兒度外的航向方向圖 ,而對天底箭附近幾度區(qū)的方向圖有改進作用 .和差方向圖由下式表示:(孕 cos.)n(.E(竿 cos.)c0s(s;no)式中的符號說明見圖l2.圖 1l 航向方向圖的形成H 面,(31)E 面H 面:!.no)E 面 .COS0圖 l2 二元陣列一41 一一n 百S一一,U,lr,天線性能 :頻帶體制天線數(shù)目天線增益 (雙路 )天線波束寬度 (單路 )天線航向覆蓋收發(fā)通道隔離