微波散射計(jì)定標(biāo)技術(shù)原理
微波散射計(jì)的測(cè)量原理是基于雷達(dá)方程的。微波散射計(jì)定標(biāo)也就是對(duì)雷達(dá)方程中影響測(cè)量精度的因子進(jìn)行校準(zhǔn),以減小各種誤差,獲得最大測(cè)量精度。
1 雷達(dá)方程
雷達(dá)系統(tǒng)、雷達(dá)目標(biāo)和接收信號(hào)三者特性之間的基本關(guān)系可以由雷達(dá)方程來(lái)描述。海面目標(biāo)可看作是面目標(biāo),面目標(biāo)的雷達(dá)方程可用下式表示:
式中:σ°為海面平均后向散射系數(shù),R為雷達(dá)到目標(biāo)的斜距, 為系統(tǒng)損耗(包括環(huán)形器、波束開(kāi)關(guān)和隔離器等部件的損耗), 為天線波束在地面某一分辨單元小塊的面積,G為天線增益,z為波長(zhǎng),Pt為峰值發(fā)射功率,Pr為接收功率。
雷達(dá)方程中各種損耗以及功率可通過(guò)內(nèi)定標(biāo)來(lái)標(biāo)定,積分因子誤差可利用外定標(biāo)來(lái)消除,定標(biāo)方法中采用的公式也是由雷達(dá)方程變形而來(lái)的。
2 內(nèi)定標(biāo)
內(nèi)定標(biāo)有兩種不同的方法:一種是對(duì)系統(tǒng)的各部分獨(dú)立地分別定標(biāo);另一種是比例法定標(biāo)。分別定標(biāo)法需要對(duì)雷達(dá)的許多參數(shù)作測(cè)量,如發(fā)射機(jī)功率、工作頻率、波長(zhǎng)、脈沖重復(fù)頻率、接收機(jī)最小可檢測(cè)信號(hào)、信號(hào)處理器等都需要進(jìn)行測(cè)量。分別定標(biāo)法的接收機(jī)輸出可表示為:
式中,P為發(fā)射或接收的功率,G為通道不同環(huán)節(jié)的放大器增益,TD為檢波和中頻放大器的傳遞函數(shù),T0為輸出終端的傳遞函數(shù),L為通道不同環(huán)節(jié)處的損耗(耦合損耗、隔離器損耗、接收機(jī)保護(hù)裝置損耗、混頻器損耗等)。由于各個(gè)增益和損耗因子都可能隨頻率變化,因而采用分別定標(biāo)法的這些因子都必須是已知值,或用信號(hào)源通過(guò)測(cè)量來(lái)確定。
比例法定標(biāo)是另外一種內(nèi)定標(biāo)方法。從雷達(dá)方程中可以看出:
因此,如果測(cè)出Pr/Pt,則除了天線增益以外,不用測(cè)出系統(tǒng)的其他特性就能確定σ°。另外,如果用發(fā)射信號(hào)的取樣值來(lái)給接收機(jī)定標(biāo),也就不需要對(duì)發(fā)射功率和接收機(jī)特性作分別測(cè)量,而只需要直接測(cè)定其比值就可以。圖1表示了這種定標(biāo)方法的一般概念。
圖1中,從發(fā)射機(jī)到天線的饋線中有一個(gè)定向耦合器,從天線到接收機(jī)的饋線中也接有一個(gè)定向耦合器,這兩個(gè)耦合器之問(wèn)是一段已知衰減量的饋線。發(fā)射信號(hào)的取樣可以饋送給接收機(jī)。根據(jù)系統(tǒng)的不同類型,有的連續(xù)工作,有的交替式工作,即接收機(jī)時(shí)而測(cè)量輸入信號(hào),時(shí)而測(cè)量定標(biāo)信號(hào)。在定向耦合器輸入端,發(fā)射功率為Pt;在另一定向耦合器輸入端,接收功率為Pr;那么只要饋線損耗Lt和Lr以及天線增益都保持不變,就能利用發(fā)射信號(hào)的取樣進(jìn)行定標(biāo),從而給出雷達(dá)系統(tǒng)的完整相對(duì)定標(biāo)法。
比例法定標(biāo)的基本定標(biāo)方程式可用下式表達(dá):
比例定標(biāo)法依據(jù)雷達(dá)體制的不同,可分為連續(xù)波體制的連續(xù)定標(biāo)法、脈沖體制的連續(xù)定標(biāo)法和脈沖體制的交替定標(biāo)法等幾種。
3 外定標(biāo)
外定標(biāo)是利用已知雷達(dá)散射截面的目標(biāo)回波功率給散射計(jì)定標(biāo),以獲得真實(shí)的目標(biāo)散射系數(shù)。
根據(jù)不同的已知散射截面的目標(biāo),外定標(biāo)分為點(diǎn)目標(biāo)定標(biāo)和均勻目標(biāo)定標(biāo)兩種。
點(diǎn)目標(biāo)利用金屬球或角反射器等提供定標(biāo)電平,通常在地面定標(biāo)中采用。由于外場(chǎng)難以達(dá)到定向的精度,因此要求定標(biāo)目標(biāo)在很寬的角度范圍內(nèi),其散射截面對(duì)方向性應(yīng)當(dāng)是不靈敏的。通常定標(biāo)目標(biāo)有矩形平板、圓形平板、球體、角反射器和龍伯透鏡反射器。
當(dāng)用點(diǎn)目標(biāo)對(duì)散射計(jì)進(jìn)行定標(biāo)時(shí),其定標(biāo)精度主要取決于對(duì)點(diǎn)目標(biāo)的雷達(dá)散射截面σ°嚴(yán)格求解。為了減小測(cè)量背景對(duì)測(cè)量回波的影響,點(diǎn)目標(biāo)的σ°必須比背景的σ°大得多。具有大的σ°定標(biāo)目標(biāo)對(duì)無(wú)源點(diǎn)定標(biāo)目標(biāo)來(lái)說(shuō),需要大的物理尺寸;對(duì)有源點(diǎn)定標(biāo)目標(biāo)來(lái)說(shuō),需要高的功率增益。
微波散射計(jì)在機(jī)載試驗(yàn)和星載使用中,若再用點(diǎn)目標(biāo)定標(biāo)時(shí)要求目標(biāo)散射截面或功率增益非常大,則此時(shí)定標(biāo)難度大,同時(shí)在工程上導(dǎo)致定標(biāo)目標(biāo)σ°的不確定性。若用圖1中右側(cè)圖所示已知散射系數(shù)的地物背景作為定標(biāo)目標(biāo),則只要此擴(kuò)展目標(biāo)在徑向距離和方位上的擴(kuò)展遠(yuǎn)比散射計(jì)在此方向上的空間分辨率大,便具有不變的散射特性和非常平坦的σ°這在現(xiàn)實(shí)中是很容易實(shí)現(xiàn)的,例如混凝土的機(jī)場(chǎng)跑道、亞馬遜熱帶雨林和沙漠都是比較理想的均勻擴(kuò)展目標(biāo)
溫度記錄儀|
溫濕度記錄儀|
光功率計(jì)|
粒子計(jì)數(shù)器|
粉塵計(jì)| 。
在外定標(biāo)方法中,由于背景散射截面σ°的存在,在散射計(jì)天線照射一個(gè)已知散射截面為σ°的定標(biāo)目標(biāo)時(shí),會(huì)產(chǎn)生一定的定標(biāo)誤差,其誤差極限σm為:
式中,Sb2為σb/σc ,σb為表示背景散射截面, σc表示目標(biāo)散射截面。