[doc]微波遥感散射计天线系统.doc

1、微波遥感散射计天线系统微波遥感散射计天线系统贝天震提要本文叙述了微波遥感散射计天线的特殊饲题,分析了天线与敞射计的关系 ,介绍了儿种典型散射计天线的实例.一,J 言微波遥感散射计 (以 r 简称散剿计 )是测量 f_ 标散射特性的有源遥感器,它测量的是单位面积的散射截面o.散射系数 .散射计有非常广泛的刖途;在海洋学研究中 ,用来探测波浪谱和海面散射特性,测量风速 ,判别风向和跟踪风场的变化以及预报天气 ;在土壤学研究中 ,不仅可 侧土壤表面层的含水量,粗糙度 ,而且还能测量一定深度的内层特性和区分土壤种类 在植物学研究中 ,可监测植物的长势和估算产量j在冰雪研究中 ,可探测诛层的厚度等j 在

2、军事上可作为侦察手段,鉴别伪装物在腺身与反隐身技术中,可用来测量目标的散射场分布.散射计分星载的 ,机载的和地面的 .地面的又分点频的和宽带的两类 . 地面散射计用于地掘波谱的研究 ,为遥感数据提供判读的依据 ,而星载 ,机载散射计则用于太面积 ,L 遥感 .;_天线是散射计的重要部件 .散射计与雷达 ,辐射计 ,微波通讯设备一样要求天线具有高增益 ,低旁瓣 ,此外 ,散射计天线还有一些特殊的要求 .本文主要讨论散射计天线的特殊问题 ,一般问题可参阅有关天线书籍.二,散射计天线的特殊问题散射计研究的对象是面目标 ,目标的面积远大于天线波束所照射的医域,而往往使lI 一甩各自的 .收发天线 ,在

3、天线波束照射区内,天线增益 ,作用距离均是入射角的函数.地物回波由大童独立散射单元的回避霉加产车,一般情况下它们是非相于的 ,芦计算平均回波功率时 ,把它们相加起来即可 .由雷达方程得平均的回波功率为.器譬旦 .-上物理嘶究所一2 一(1)式又可改写为.:告,(2)一 .AIPt 式中 P.为散射计的发射功率;G,G,分别为发射天线和接收天线增益;为工作波长 ,R 为天线至照射目标的距离;o 为目标的平均散射系数A为天线有效照射面积 ,符号上有 ”表示在分辨单元A 上取平均值 .上两式中 G,G,A 均与天线性能有关 ,地面散射计通常采用抛物面天线形成笔形波束 ,机载 ,星栽散射计常 I 耳阵

4、列天线形成扇形波束 .它们都要求天线具有高的增益,低旁瓣低的交叉极化电平 ,一定的波束宽度和多极化性能 ,并有一定的频带特性 .下面讨论散射计天线的特殊问题.I_天线极化与个数的选择目标的散射系数o.与电磁波的扳化相关 ,用.j 表示 ,i 表示入射波的极化,j 表示散射波的极化 .恫o.表示各种极化的散射系数:rovov(.【.j(3)式中下标 V 表示垂直极化波 ,H 表示平极化波 ,o;v 表示入射波为垂直极化 ,散射波为垂直极化的散射系数o为入射波为垂直极化 ,散射波为水平极化的散射系数 a&v 为入射波为水平极化,散射渡为垂直极化的散射系数;a.n 为入射波为水平极化 ,散射

5、波为水平极化的散射系数.全极化散射计能测得全部散射系数即 ov,on,ov,on.这要求收发天线有四种极化组合状态 ,散射计就得用四个天线 ,收,发各二个分别工作于垂直极化和水平极化 .要减少天线个数 ,贝 q 天线要具有双极化或变极化功能 ,那么天线数可减少至二个,甚至为一个对调频连续波和连续波多勒体制的单极化散射计必须使用收发分开的二个天线 .对脉冲制的单极化散射计收发可共用一个天线 .地面散射计通常采用双极化或变极化馈源构成四种极化组合,而机载散射计通常一种极化用一个独立的天线阵.2.夫线方向圈与照射面积由(2)式知 ,要求 d.一定要知遭嗯射面积 A,A 的值又与天线方向图有关 . 天

6、线方向囝的形状又决定了散射计提取信息的方式 .笔形波束只能提取有限角度范围内的信息,天线波束必须在一定俯仰角度范围如 0.-60.扫掠,才能完成不同入射角的散射特性测量 ,而扇形波束能同时完成不同入射角的目标散射信息提取 ,它需要较复杂的数据处理设备 .通常地面散射计使用笔形波束而机载散射计 :使用扇形波束.图 1a 是地面散射计单天线椭圆照射面积 .图 lb 是两个平行安装天线的有效照射面积,照射封地面上的二个椭圆方程为 :一30 一(-.kat):+(bY)=(4)I|0(挚)t y-d 一):t【 lo(5)/毒图 1a 单天线照射面积 lb 双天线照射面积两椭圆重叠面积即为两天线的有效

7、照射询积 A;舶一 adx ce式中 s(卅譬 )(a 一譬 ),a=(萼)吨(n 一警 -);b:=芋/cos1-tgz 呲),e,士分别为天线俯仲面与方位面的波束宽度jH 为天线安装高度jd 为两天线的间距,下标 t 为发射无线 ,r 为接收天线 .照射面积 A 与波求宽度相关 ,波束宽度又取决于天线口径 D.地面散射计天线口径选择的主要依据是 :(1)幕线波束宽度 B=K 台(7)式申 ,K 出口径场分布决定的波宽常数,为工作波长 .口径越大 ,波束越窄,照射面积连小 ,分辨单元越小 ,测量精度越高 .但渡束也不能太窄,波束越窄,天线口径越大 ,两天线问距越大 重叠面积越小 ,甚至完全交

8、不到 .所以天线口径的选择要保证照射而积有一定的蘑叠.有的散射计采为风速 S 为天线受风面积 .天线越大 ,风负越大 ,机械结构与伺服系统越复杂.根据具体情况 ,折袅选择天线口径 .在 2-I8GHz 范围内 ,天线口径可以在300ram-1200ram 范围内选择.机载散射计常采用扇形波束,理想化的扇形泼束见图2.方向图在飞机的航商上浅扇形 ,波束宽度 =IOL, 能收集飞机前后两个方向的地面回波.舷向方向图通常很窄,波束宽度 :AOCo 扇形爿向图在地面上的照射区为KLMCJIHA.设舷向波束宽度 在整个扇形区内为定值 ,b 为舷向波束在地面上的照射宽度 ,b.为舷向波束垂直照射时的地面宽

9、度.由图 2 知:式中 ,h 为飞机飞行高度 l0 为入射角 .照射区的宽度随入射角的变化如图 3 所示.很明显 ,入射角超出 60.时地面照射区的宽度增加极快 ,这使测量精度大太降低 ,故机载散射计天线航向波束宽度一般不超过6O.航0搪蒜艇II圈 2 理想廓形渡束 .图 3 照射宽度与入射角关系机载散射计的可分辨照射面积由下式决定 (图 4):一32A=a=垦.,多酱勒频率 /D=s 成方向图的波束宽度 -常称双路波束宽度.下面引入双路方向图与双路波束宽度概念.A. 取路方向囝设发射天线的功率方向图为G.T(0,叩 ), 接收天线的功率方向图为GR(0,)其中 G.,G,.为发 ,收天线波束

10、最大点增益 ,T(0,叩),R(0,)分别为发 ,收天线的方一33向函数 ,0 为入射角或航向角 ,为舷向角 .定义 ;收,发天线方向图的乘积称为天线的双路方向图.G;F(0,)=G.G.T(e,)R(0,),(18)式中 ,G0=G.G.为双路方向图最大点增益,F(O,q):T(0,)R(0,) 为双路方向函数.机载散射计通常取两个主面的方向图,即航向方阿图和舷向方向图,相当于雷达天线中的垂直方向图和水平面方向图.为了研究这两个特殊面的方向图,(18)式可改写为 fGjF(0,)=G0F(0)?,(),(19)式中 ,F(e)为航向方向函数 ,f() 为舷向方向函数 .当中 =0.时,f()

11、:1 则航向方向图为 .G0F(0,0)=GF(e),(20)当 0=0 埘,即对某一指定入射角时 ,舷向方向图为G3F(Oj,中)=GF(01),():Gi?,( 中).(21).B.航向方向囤将(17)式改写为 ;-Pr=i.(0)GF(0) :,()d(22)散射计希望在所有入射角的回波给出几乎相等的接收功率,以保证磁带记录仪线数据处理设备 ,在小入射角不饱和,在大入射角时信号不被噪声淹没.那么要求:P(0)常数 (e:Oj 一 0),则 o.(0)GF(0)常数 .(23)不同的地形有不同的.(0)变化 ,这说明天线航向方向图不能满足所有的地形条件,因此 ,不能保旺 o.(0)G5F(

12、0)对所有地形均为常数 ,而只能将回波信号的强度压缩在一定的变化范围内 .袭 1给出水 ,木的散射系数和天线单路增益对入射角的关:.-r1系,各种地形的均在水与术的敞射系数之间l 右边增益是假矗三G=G=条件下,满足 (23)式条件所要求的天线方向图 ,实际天线较难满足麦 1 的要求,但可供设计参考 .由于机载散射计天线装在飞机机身外 ,故不能装置很复杂的呆线通常用鞍简单的天线形成增益变化范围为 0 一一 12dB 的扇形波束 .天线增益变化的不足可在处理电路中加压缩滤波器和在计算机中加以补偿修正.:蕺C.弦向方向囤的波束宽度 .-雷达用主波束的半功率宽度来计算口标的分辨单元,而实际上整个波束

13、宽度内都有一34反射圈波 ,散射计是测量 o.的仪器 ,波束宽度的取法直接影响眷o 的精复,波求宽度的取法常用有下列四种 :. Ca)$d8 法表 1 水,未散射 .辱数与参考方向图柬单路参考方向图 (dB)鹾小 l 最大18.017.515.OO0.21.5当入射角 e 一定时 ,双路舷向方向图的最大值为GF(e;).在最大点的两翻舷向角和处 ,使其增益为 G3F(0i)一 3rib,则双路方向图的3dB 波束宽度为 (图5):平 3=年 2 一 l.(24)(b)3dB 求和洼GF(O),i()s=且一G 丽广 ,(25)如将归一化方向图 (25)式变为.=:,()d,(26)式中 fj(

14、) 为入射角是 0i 时的舷向方向函数 .-,的含义同 (a).3dB 求和波求宽度的物理意义:即把波束 3dB 以上的区域等效成为高是 GF(0i),宽是毒.的矩形 ,也就是把钟形波束理想化成矩形.(c)20dB 求和法和零点求和法方法 (b),(2j),(26) 式仍适用 ,H 不过 ,q)不是 3dB 点,而是比最大增益低一35 一一水术O5dB 点,或方向图的第一零点的角度.:0 一(d)累结功率法 .一蜮出某一入射角O.时的舷向方向图 (图 5),GF(01)用数值表示 ,用数值积分计算出不同舷向角曲线下的能量,作出累结功率百分数与年的关系曲线(图 6),在图上找得所要求功率百分数如

15、95%所对应的舷向角叩 .,则披束宽度为 :.=2cp.蹦 5 舷向方向图图 6 累结功率与甲的关系(27)同方向图采用不同的方法将有不同波束宽度,用零点求和法得出的叩 os 最大 ,95 累结功率法与其相近 .adB 求和法得出的 叩.5 最小 ,adB 法在两者中间 ,2oa求和涪求的波束宽度比3dB 法大某 1.6GHz 散射计用 3dB 法与零点求和法作了比较 a),两种方法求得 平均相差l.用求和法得出的 ,从 0=5.时的 8.5 变化到0=607 时的17.,而 3dB 法从 7.变到 16.,获得 d.在 0=5.时求和法比3dB 法高了0.5-dB,在 0=6O.时,高了 0

16、.26dB 倒底哪一个方法求出的 .最正确 ,应通过大量的测试研究决定 .散射计天线测试和数据处理的工作量相当大,在 0 从一 60.到十 60 范围内每隔一度测一张舷向方向图,收 ,发四个天线共480 张方向图 ,还需综合出HH,HV ,VH,VV双路方向图 480 张,进行 48O 次离散数值积分求得480 个求和波求宽度,而 3dB 法只需在方向图上直接量得 ,工作量省很多 ,因而在 d.的精度允许范围内尽可能用 3dB 法.对地面散射计通常用20dB 求和法求波束宽度 .D.取路波束增益与波束宽度的乘积从(17)式可以看出 ,Gt,G,叩均随入射角 O 的变化而变化 ,把三者的乘积与

17、0的关系作出图形称为天线的等效方向图 ,将它存入计算机 ,这比将 GF(A)与叩 (0)分别存入计算机可节约一半存贮容量,使用也方便 .G6F(o)=GiF(o)印(o)J:(:t(.)Gr(.)d 叩,(28)式中 F(0)为天线等效方向函数 .一a6 一一E.双路方向圈的旁瓣电平以上讨论的接收功率P 仪计天线主瓣照射的地面元,然而 ,实际的回波功率也有旁瓣照射地而单元的影响.旁瓣回波功率为 : =;raA(29)式中 ,G G分别为发射天线和接收天线旁瓣增益JAs 为多普勒频带和所有旁瓣所限定的照射面积 .经计算表明 ,旁瓣电平低于一20dB 时,旁瓣对散射信号的影响可忽略(.3.天线交叉

18、极化耦合收发天线交叉极化耦台会影响的测量精度,交叉极化耦合不同于收发天线之问的直接耦台 ,它是通过目标为媒介进行的耦台,具有多普勒频移 .在 VV 工作状态下 ,计入交叉耦合的回波功率可写成:=(GG.+GlvcG.3 汁+GtraGvc0I+GtvcGvc0 曼 H,(30)式中 GtvM 一垂直极化发射天线的主极化增益JG 一垂直极化发射天线的交叉极化增益Gv垂直极化接收天线的主极化增益 G,vc 一垂直极化接收天线的交叉极化增益 .(30)式中第一项为散射倩号的主项; 第二项为发射天线的交叉极化分鼍的散射信号被接收天线的主极化分量所接收的功率 第三项为发射天线的主极化分量的散射信号被接收

19、天线的交叉极化分量所接收的功率;第四项为发射天线的交叉极化分量的散射信号被接收天线交叉极化分量所接收的功率.假设 GtvM=GvM=0dB,Gve=Gvc= 一 20dB,则通常目标的 ovH 比 0H, d 品 v 大 10lSdBj 设;v=叮 3H=0dB,0 导 H=o 吕 v=一 10dB,贝 0第一项的接收功率P:0dB,第二项的接收功率P=一 204-01030dB第三项的接收功率P0201030dB,第四项灼接收功率P42020-4-0=一 40dB.上述计算表明 ,在同极化工作状态即VV 或 HH, 交叉极化的影响小于30dB,对主项的影响可忽略 ,但对 VHHVX. 作的影

20、响就不可忽略了 .如 PnGtraGrTMo 导 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 与 Ps 之和与主项 P 仅差 7dB,则将引入 2O 的测量误差 .由上可见 ,对需测量 oH,o3v 的散射计 ,设计低交叉极化性能的天线是极为重要的.4.收发通道的隔离收发通道的隔离主要决定于收发天线之间的直接耦台,这种直接耦合理论上不会引起频移 ,表现为最近点的回波功率,实际上由于微波元件的非线性会使这个漏信产生频移表现为接收设备的噪声电

21、平升高.散射计要求收发通道的隔离大于55dB.收发天线的耦台主要来自绕射 .提高收搜通道隔离的主要措施是:(1)选择适当的收 ,发天线间距与位置 ,(2)在收 ,发天线的绕射路径上放置涂有微波吸收材料的隔离板(3)波导法兰和电缆接头要加强屏蔽,防止漏泄 .三,散射计天线实例1.点频地面做射计天线我所研制的 k,x,C 波段地面散射计 ,均采用调频连续渡 (FM CW)体制 ,二个400ram 直径的抛物面天线 ,收发分开 .下面以 x 波段散射计天线 (见图7)为倒介绍其性能 .馈源采用双裂缝辐射器,在馈源后面装有用阶梯扭波导组成的极化旋转器 ,收发天线均能双极化工作 ,使散射计能测量o:,a

22、n,;n,ov 四个参数 .天线性能 ;一;一图 7X 渡臣散射计天线工作频带 9375150MHz,天线增益大于 28dB天线波束 3dB 宽度 ,E 面 5.5O,H 面 5.10,20dB 求和 ,E 面 6.30,tt 面 5.40,旁瓣电平 E 面不大于一 20dE,H 面不大于一 18dB;输入驻波比小于t.7,收发通道隔离大于55dBj交叉耦合不小于17dB*极化方式 VV,一 H,HV,IH,架设高度 12m.2.宽带地面散射计天线宽带散射计是研究地物波谱特性的有效工具 ,它要求天线具有宽频带特性 ,反射面天线的宽带特性主要取决于馈源的性能 .脊波导喇叭天线与对数周期天线均船工

23、作在数个倍频程 ,它们是宽带散射计常用的馈源 .下面是两种宽带散射计天线的性能参数 .()()频带 (GHZ)48818架设高度 (m)2026天线口径 (mm)发射天线 762610接收天线 914610天线增益 (dB)发射天线接收天线低频 28.827.83】.2中心 32.232,235.0高频 29.127.838.1天线双路波束水平面垂直面水平而垂直面宽度 (20dB 求和 )低额 3.8.4.0.2.94.3.43.中心 2.7.3.2.2.38.2.36.高频 2.8.3.0.2,02.3.20.旁瓣电平 (单路 )dB 发射天线接收天线发射天线接收天线低频一 18121515

24、中心一 27181313高频一 1613 一515交叉极化 (dB)一 13馈源形式双极化脊波导喇叭线极化背腔对数周期天线极化方式 VV,VH,HV ,VV,VV,VH,HV ,VV变极化方式开关控制旋转馈源(请参见图 8)3.400MHz 机载散射计夭线400MHz 机载散射计天线由两个正交的线极化天线组成,每一天线有24 个有源振子和 12 个反射振子组成 .12个单元阵列沿机翼方向对称分布形成舷向方向图 ,2 个单元阵列沿航向分布形成航向方向图 ,反射单元处在前后单元中间 (图 9).天线阵安装在机身与机翼的下面 (图 10),由于机翼的上翘 ,因此必须调节振子的相位,使飞机下面的任一平

25、面都处于阵列的同相面 .振子间距为 0.83,激励振子的幅度与相位由馈电系统控制 ,12 单元阵列产生舷向方向图的波束宽度.ns:6.,旁瓣电平为一 24dB.航向方向图要求天底角方向 (0:0.处 )增益最低 ,而在前后55.65.区辐射一39?一最大 ,构成一个扇形波束.形成扇形波束的原理是:调节二单元阵的问距并反向馈电 I以产生类似于单脉冲天线的差方向,同时 ,发射功率经过10dB 定向耦合器对二单元阵列同相馈电 ,产生一个压低增益的和波束.当和差端具有9o.相位差时 ,和差方向图在前后向对称地相加形成扇形波束(图 11)图 8818GHz 散射计天线一4O 一图 9 一种极化的天线阵列

26、至收发矸美图 l0 机载散射计天线二单元前后阵列的同相与反相馈电由魔 T 或和差器来完成 ,单个振子装在机翼下面半个波长 ,振子与它的镜象的组合在天底角产生最小辐射而在 60.处产生最大辐射 ,这有助于产生一个宽的较线性的差方向图.此外 ,在前后振子中间加一反射振子可有效地控制天底角方向的增益 , 如没有这反射振子 ,在天底角附近有一个锥形的弱辐射区,舷向方向图旁瓣电平升高.反射振子仅在 f 可相馈电时才被激励 ,因为它的幅度很小 ,不会影响天底角儿度外的航向方向图 ,而对天底箭附近几度区的方向图有改进作用 .和差方向图由下式表示:(孕 cos.)n(.E(竿 cos.)c0s(s;no)式中的符号说明见图l2.图 1l 航向方向图的形成H 面,(31)E 面H 面:!.no)E 面 .COS0图 l2 二元阵列一41 一一n 百S一一,U,lr,天线性能 :频带体制天线数目天线增益 (双路 )天线波束宽度 (单路 )天线航向覆盖收发通道隔离