寬帶全極化垂直昆蟲雷達設計及校準關鍵技術研究

　　摘要：寬帶全極化垂直昆蟲雷達是一種利用寬帶信號實現(xiàn)空中單只昆蟲分辨，利用多極化通道實現(xiàn)昆蟲全極化測量的雷達系統(tǒng)。當被測昆蟲體型在不同極化軸向的電磁波反射功率可明顯分辨時，該雷達可利用“當極化方向平行于昆蟲體軸時，回波功率最大”的基本原理，通過測量昆蟲極化散射矩陣，獲取昆蟲體軸方向，對研究昆蟲定向遷飛規(guī)律具有重要的作用。當前垂直昆蟲雷達采用機械旋轉(zhuǎn)饋源的方法，分時測量昆蟲目標的極化散射矩陣，該方法同時受機械旋轉(zhuǎn)誤差、極化分時測量時目標運動的誤差以及極化通道穩(wěn)定性隨有源電路時變所引入的測量誤差，測量精度不高，為了實現(xiàn)昆蟲的高分辨全極化散射特性測量，本文提出了一種高極化隔離的頻率步進正交相位編碼的寬帶波形設計以及極化內(nèi)定標方法，開發(fā)了一部寬帶全極化垂直昆蟲雷達系統(tǒng)，最終通過理論方法仿真分析與外場試驗測試，證明了該雷達系統(tǒng)可實現(xiàn)昆蟲同時全極化寬帶的穩(wěn)定測量，驗證了昆蟲體軸朝向的測量精度。

　　關鍵詞：全極化雷達;極化誤差標校;步進頻波形編碼

　　1.引言

　　遷飛昆蟲學是一個研究蟲源與遷飛途徑、遷飛行為及其調(diào)控、研究方法和手段的學科，隨著該學科的發(fā)展[1]，出現(xiàn)了多種手段來對空中遷飛昆蟲進行監(jiān)測和研究，主要包括燈光誘捕法、高空抓捕法、地面搜集法、雷達無線電探測等方法[2]。雷達作為遠距離探測的工具，可以實現(xiàn)對目標空域的全天時、全天候監(jiān)測，為觀測空中蟲群遷飛提供了最有效的手段，它的應用與發(fā)展推動遷飛昆蟲學由定性研究發(fā)展到定量分析，在昆蟲遷飛領域有著不可替代的作用[1-3]。

　　電子通訊評職知識：航管雷達天線基座水平度測量及調(diào)整方法

　　垂直昆蟲雷達是一種以垂直對天的固定角度輻射電磁波，對空中遷飛昆蟲進行探測的系統(tǒng)。由于昆蟲體內(nèi)含有水分，昆蟲可以反射電磁波產(chǎn)生雷達回波信號[3]。上世紀40年代，氣象學家證實天氣雷達可以發(fā)現(xiàn)昆蟲目標，從此拉開了雷達監(jiān)測遷飛性害蟲的新序幕。與傳統(tǒng)手段相比，昆蟲雷達具有取樣范圍大、掃描速度快、不受白天黑夜影響等諸多優(yōu)勢，而且雷達監(jiān)測時不會干擾蟲子的正常飛行，因此，昆蟲雷達被譽為一種卓越的、無可替代且強有力的工具[4]。

　　通過解算，昆蟲雷達可以獲取遷飛害蟲的數(shù)量、高度、方向、速度、定向角度、與體型有關的參數(shù)和振翅頻率等[5]。其中定向角度的測量可以幫助人們判斷昆蟲的遷飛路徑，結(jié)合風場的信息，可以更好地為遷飛性害蟲的預測預報服務[5]。獲取高精度目標極化信息的能力是評價一部昆蟲雷達的關鍵能力，國外現(xiàn)有昆蟲雷達皆為窄帶單極化體制，采用旋轉(zhuǎn)饋源的方法以達到測量不同極化方向信息的目的，該類型的昆蟲雷達在低密度遷飛場景下可獲得單個昆蟲的生物參數(shù)信息，在昆蟲高密度遷飛場景中，則無法分辨單只昆蟲[6]。

　　此外，由于對遷飛昆蟲的定向角度估計是基于對昆蟲目標的全極化信息來獲得的，現(xiàn)有的昆蟲雷達無法同時測量目標的全極化信息，這將導致測得的遷飛昆蟲的定向角度誤差較大，無法準確預測遷飛昆蟲的飛行朝向和遷飛路徑。為解決這一問題，本文設計了高分辨同時全極化昆蟲雷達系統(tǒng)，采用頻率步進原理合成大帶寬信號，使雷達具有高距離分辨探測能力，從而實現(xiàn)空中遷飛昆蟲進行單只測量[7]。利用雙極化通道同時工作實現(xiàn)同時全極化測量，即雷達的水平極化通道(以下稱H極化通道或H通道)和垂直極化通道(以下稱V極化通道或V通道)同時工作，并設計兩路正交步進頻發(fā)射信號波形，達到提高極化測量通道隔離度的目的。

　　同時，由于多通道的全極化雷達電路存在非理想因素，在有源電路中存在著時變、溫變的幅相誤差，如何有效的解決這些誤差的標校，對全極化雷達有著重要的意義[8]，本文基于內(nèi)校準原理，設計一個定時內(nèi)校準工作方法，可以同時對多個發(fā)射或接收通道進行幅相校正，有效降低全極化雷達多通道間的幅相誤差大的問題，提高全極化昆蟲雷達極化散射矩陣的測量精度。

　　將以上兩種設計方法運用于寬帶全極化雷達系統(tǒng)中，提高該雷達對昆蟲定向角度的測量精度，本文給出設計方法和雷達實測結(jié)果。文章第一節(jié)敘述了寬帶全極化雷達關鍵技術的研究方法和研究意義;第二節(jié)描述了昆蟲定向角度測量模型，第三節(jié)設計了寬帶正交同時全極化信號模型，給出實現(xiàn)算法和公式;第四節(jié)設計了昆蟲雷達定時內(nèi)校準工作模式，并設計了有源電路時變、溫變誤差修正計算公式;第五節(jié)對寬帶正交同時全極化信號模型進行隔離度仿真，并通過在云南省江城縣開展的試驗，驗證該雷達系統(tǒng)波形隔離度和對昆蟲定向角度測量精度;第六節(jié)對本文的設計進行結(jié)論總結(jié)。

　　2.寬帶正交同時全極化信號模型

　　在同時全極化工作模式下，雷達的H極化通道和V極化通道同時工作，通過全極化天線同時發(fā)射電磁波信號，電磁波信號經(jīng)由目標反射后，形成帶有目標極化信息的回波信號返回雷達天線，雷達采集接收信號后，為了獲得目標的極化散射矩陣，需解析出四路信號，分別為H極化發(fā)射H極化接收信號(HH)、H極化發(fā)射V極化接收信號(VH)、V極化發(fā)射H極化接收信號(HV)、V極化發(fā)射V極化接收信號(VV)[13]。為了分離出H和V通道的信號，本文設計兩個極化通道為正交的波形相匹配的參考信號，即可在同一個時間段內(nèi)解析出4路通道信號，本文設計一種正負調(diào)頻結(jié)合隨機相位編碼的正交波形，用于實現(xiàn)同時全極化信號解析。

　　3.內(nèi)定標校準設計

　　垂直昆蟲雷達在測量昆蟲定向角度時，測量結(jié)果對不同極化通道間的幅度和相位一致性較為敏感，在雷達系統(tǒng)中如何保證兩個極化通道間幅相變化的一致性成為雷達系統(tǒng)設計的關鍵技術[15]。昆蟲雷達發(fā)射和接收鏈路包含有源放大器件和濾波器等器件，該類器件在環(huán)境溫度微變的情況下，對頻率、幅度、相位的響應會發(fā)生變化。為了消除高分辨垂直昆蟲雷達不同極化通道間的時變、溫變的幅度和相位誤差，本文設計了垂直昆蟲雷達設計了內(nèi)校準通道、內(nèi)校準工作模式以及算法，提高雷達系統(tǒng)的極化測量精度，從而提高昆蟲定向角度的測量精度，具體方案如下。

　　4.仿真及試驗驗證

　　根據(jù)以上設計，對比在同時全極化模式下，仿真波形設計提升的極化通道隔離度水平，并對架設于云南省江城縣的高分辨全極化垂直昆蟲雷達進行系統(tǒng)測試驗證，驗證了在系統(tǒng)進行定時內(nèi)校準后，H和V極化通道間幅相變化一致性的改善，并測試了該雷達對昆蟲定向角度測量的精度。

　　5.結(jié)論

　　本文研究了寬帶全極化昆蟲雷達的系統(tǒng)設計方法，針對昆蟲定向角度測量精度問題，提出了通過對水平極化和垂直極化通道的正交編碼波形設計，使垂直和水平極化通道間的波形隔離度達到28.5dB，高于普通雙極化天線硬件隔離度水平;并在雷達的有源鏈路中設計了內(nèi)校準網(wǎng)絡，可實現(xiàn)極化通道間幅度穩(wěn)定性±0.45dB、相位±4.1°(誤差標準差);最后在試驗中驗證了本寬帶全極化昆蟲雷達系統(tǒng)對于昆蟲定向角度的測量誤差均值可達到0.17°，標準差為4.23°。

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　　作者：于騰1,2王銳1,3李沐陽1,2胡程1,3

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