基于斜投影滤波的高精度同时极化测量方法

doi:10.3969/j.issn.1009-086x.2023.05.011

摘要/Abstract

摘要：

高精度的雷达目标同时极化测量方法对于发射波形的正交性要求较高，然而实际应用中，发射同时满足时宽、带宽以及高正交性要求的精密极化测量波形往往非常困难。提出了一种基于斜投影滤波的高精度同时极化测量方法，利用斜投影算法中两线性子空间可以不相互正交的特点，能够在非理想正交波形的实际情形下，实现高精度的目标极化测量。仿真结果表明，相较于传统的匹配滤波同时极化测量方法，该方法可以大幅降低目标极化参量的幅度和相位测量误差，极大提高同时极化测量精度。

关键词: 雷达, 极化, 斜投影滤波, 同时极化测量, 测量精度, 仿真验证

Abstract:

The high-precision radar target & simultaneous pulsed polarization measuring method requires high orthogonality of transmitting waveform. However， in practical applications， it is often difficult to transmit precise pulsed polarization measuring waveforms that meet the requirements of time width， bandwidth， and high orthogonality at the same time. A high-precision simultaneous pulsed polarization measuring method based on oblique projection filtering is proposed. Due to the nature of no orthogonality of the linear subspaces by oblique projection filtering algorithm， this method can obtain high-precision pulsed polarization measuring results with non-ideal orthogonal waveforms. Simulation results show that compared with the conventional simultaneous pulsed polarization measuring methods based on matched filtering， this method can reduce the amplitude and phase measurement errors of target polarization parameters and greatly improve the precision of simultaneous pulsed polarization measurement.

Key words: radar, polarization, oblique projection filtering, simultaneous pulsed polarization measurement, measurement accuracy, simulation verification

中图分类号:

TN95

顾新杨, 张道明, 张勇, 杨健. 基于斜投影滤波的高精度同时极化测量方法[J]. 现代防御技术, 2023, 51(5): 86-92.

Xinyang GU, Daoming ZHANG, Yong ZHANG, Jian YANG. High-Precision Simultaneous Pulsed Polarization Measuring Method Based on Oblique Projection Filtering[J]. Modern Defense Technology, 2023, 51(5): 86-92.

图/表 8

图1 经典同时极化测量方法示意图

Fig. 1 Classical simultaneous pulsed polarization measuring method

图2 斜投影滤波示意图

Fig. 2 IIllustration of oblique projection filtering

图3 算法流程图

Fig.3 Algorithm flow chart

表1 仿真实验主要参数

Table 1 Main parameters of simulation experiments

参数	数值
载波频率f₀/GHz	10
信号时宽T/μs	5
信号带宽B/MHz	10
PRI/μs	50
采样频率f_s/MHz	20

图4 两组发射波形的互相关系数

Fig. 4 Cross-correlation function of two transmitting waveforms

图5 两种同时极化测量方法仿真结果图

Fig. 5 Simulation results of two simultaneous pulsed polarization measuring methods

表2 归一化散射矩阵各分量的单次测量误差

Table 2 Errors of normalized scattering matrix in a single measurement

单次测量误差		HV分量	VH分量	VV分量
幅度相对误差/dB	仅匹配滤波	6.66	6.66	-29.34
幅度相对误差/dB	本方法	-37.01	-37.01	-30.97
相位绝对误差/rad	仅匹配滤波	0.267	0.267	0.023
相位绝对误差/rad	本方法	0.009	0.009	0.018

表3 1 000个不同目标的归一化散射矩阵各分量相对测量误差均值

Table 3 Mean errors of normalized scattering matrix during measurements of 1 000 targets

测量误差均值		HV分量	VH分量	VV分量
幅度相对误差均值/dB	仅匹配滤波	5.02	5.02	-16.76
幅度相对误差均值/dB	本方法	-36.99	-36.99	-30.97
相位绝对误差均值/rad	仅匹配滤波	0.639	0.639	0.179
相位绝对误差均值/rad	本方法	0.012	0.012	0.031

参考文献 20

1	王雪松. 雷达极化技术研究现状与展望［J］. 雷达学报， 2016， 5（2）： 119-131.
	WANG Xuesong. Status and Prospects of Radar Polarimetry Techniques［J］. Journal of Radars， 2016， 5（2）： 119-131.
2	SINCLAIR G. The Transmission and Reception of Elliptically Polarized Waves［J］. Proceedings of the IRE， 1950， 38（2）： 148-151.
3	FULTON C， YEARY M， THOMPSON D， et al. Digital Phased Arrays： Challenges and Opportunities［J］. Proceedings of the IEEE， 2016， 104（3）： 487-503.
4	王雪松，王占领，庞晨，等. 极化相控阵雷达技术研究综述［J］. 雷达科学与技术， 2021， 19（4）： 349-370.
	WANG Xuesong， WANG Zhanling， PANG Chen， et al. Review on Polarimetric Phased Array Radar Technologies［J］. Radar Science and Technology， 2021， 19（4）： 349-370.
5	ZHANG Guifu， DOVIAK R J， ZRNIC D S， et al. Phased Array Radar Polarimetry for Weather Sensing： A Theoretical Formulation for Bias Corrections［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2009， 47（11）： 3679-3689.
6	HEBERLING W， FRASIER S， WOLSIEFFER C， et al. Comparison of Phased-Array and Parabolic Antenna Polarimetric Weather Radar Variables at X-Band［C］∥IGARSS 2019-2019 IEEE International Geoscience and Remote Sensing Symposium. Piscataway， NJ， USA： IEEE， 2019： 7579-7582.
7	LEE J S， POTTIER E. Polarimetric Radar Imaging： Basics to Applications［M］. 2nd ed. Boca Raton： CRC Press， 2016.
8	施龙飞，任博，马佳智，等. 雷达极化抗干扰技术进展［J］. 现代雷达， 2016， 38（4）： 1-7， 29.
	SHI Longfei， REN Bo， MA Jiazhi， et al. Recent Developments of Radar Anti-Interference Techniques with Polarimetry［J］. Modern Radar， 2016， 38（4）： 1-7， 29.
9	FULTON C， SALAZAR J， ZRNIC D， et al. Polarimetrie Phased Array Calibration for Large-Scale Multi-mission Radar Applications［C］∥2018 IEEE Radar Conference. Piscataway， NJ， USA： IEEE， 2018： 1272-1277.
10	HUYNEN J R. Measurement of the Target Scattering Matrix［J］. Proceedings of the IEEE， 1965， 53（8）： 936-946.
11	NAFTALY U， LEVY-NATHANSOHN R. Overview of the TECSAR Satellite Hardware and Mosaic Mode［J］. IEEE Geoscience and Remote Sensing Letters， 2008， 5（3）： 423-426.
12	GIULI D， FACHERIS L， FOSSI M， et al. Simultaneous Scattering Matrix Measurement Through Signal Coding［C］∥IEEE International Conference on Radar， Piscataway， NJ， USA： IEEE， 1990： 258-262.
13	BRUNKOW D， BRINGI V N， KENNEDY P C， et al. A Description of the CSU-CHILL National Radar Facility［J］. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology， 2000， 17（12）： 1596-1608.
14	BRUNKOW D A， GEORGE J， BRINGI V N， et al. Recent Data System and Antenna Upgrades to the CSU-CHILL Radar［C］∥32nd Conference on Radar Meteorology. Washington： AMS， 2005： 88-93.
15	TITIN-SCHNAIDER C， ATTIA S. Calibration of the MERIC Full-Polarimetric Radar： Theory and Implementation［J］. Aerospace Science and Technology， 2003， 7（8）： 633-640.
16	MIZUTANI F， USHIO T， YOSHIKAWA E， et al. Fast-Scanning Phased-Array Weather Radar with Angular Imaging Technique［J］. IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing， 2018， 56（5）： 2664-2673.
17	王雪松，王剑，王涛，等. 雷达目标极化散射矩阵的瞬时测量方法［J］. 电子学报， 2006， 34（6）： 1020-1025.
	WANG Xuesong， WANG Jian， WANG Tao， et al. Instantaneous Measurement of Radar Target Polarization Scattering Matrix［J］. Acta Electronica Sinica， 2006， 34（6）： 1020-1025.
18	王雪松，李永祯，戴幻尧，等. 瞬态极化雷达系统及实验研究［J］. 科学通报， 2010， 55（10）： 938-944.
	WANG Xuesong， LI Yongzhen， DAI Huanyao， et al. Research on Instantaneous Polarization Radar System and External Experiment［J］. Chinese Science Bulletin， 2010， 55（10）： 938-944.
19	ZRNIĆ D S， DOVIAK R J， MELNIKOV V M， et al. Signal Design to Suppress Coupling in the Polarimetric Phased Array Radar［J］. Journal of Atmospheric and Oceanic Technology， 2014， 31（5）： 1063-1077.
20	IVIĆ I R. Options for Polarimetrie Variable Measurements on the MPAR Advanced Technology Demonstrator［C］∥2018 IEEE Radar Conference. Piscataway， NJ， USA： IEEE， 2018： 129-134.

[1]	施端阳, 林强, 胡冰, 陈佳君. 改进AHM-TOPSIS的智能化雷达信息处理性能评估方法[J]. 现代防御技术, 2023, 51(5): 93-103.
[2]	闫善勇. 基于灰色理论的雷达目标与IFF点迹关联方法[J]. 现代防御技术, 2023, 51(4): 46-52.
[3]	刘鹏, 寇鹏飞, 赵凯恒. 舰载相控阵雷达低空测角精度影响因素及改善方法[J]. 现代防御技术, 2023, 51(4): 69-77.
[4]	李洋, 梁潇, 贾海萨. 基于知识蒸馏的SAR图像舰船目标检测[J]. 现代防御技术, 2023, 51(4): 78-85.
[5]	胡文华, 朱常安, 薛东方, 赵喜, 杨瑞. 雷达状态监测与性能综合评估系统的设计与实现[J]. 现代防御技术, 2023, 51(2): 133-140.
[6]	赵锋, 邱梦奇, 艾小锋, 徐志明. 典型角反射器单/双基地RCS特性对比分析[J]. 现代防御技术, 2023, 51(1): 50-58.
[7]	张晓文, 王强, 郝志梅. 针对阵列雷达极化滤波器的干扰调制方案[J]. 现代防御技术, 2022, 50(6): 90-96.
[8]	谢雨希, 杨江平, 孙知建, 李逸源, 胡欣. 雷达装备故障原因知识图谱构建研究[J]. 现代防御技术, 2022, 50(5): 114-121.
[9]	张晓文, 郝志梅, 王强. 针对阵列雷达极化测量的极化干扰效果对比分析[J]. 现代防御技术, 2022, 50(5): 77-84.
[10]	郑建成, 谭贤四, 曲智国, 何文琳, 李志淮. 高超声速/常规巡航导弹预警探测特征比较[J]. 现代防御技术, 2022, 50(4): 116-123.
[11]	贾振宇, 匡华星. 子阵域盲源分离应用于主瓣抗干扰算法研究[J]. 现代防御技术, 2022, 50(4): 132-139.
[12]	翟芸, 胡冰, 施端阳. 基于改进AHP-熵权法的雷达装备可靠性评估指标赋权方法[J]. 现代防御技术, 2022, 50(4): 148-155.
[13]	彭绍荣, 胡生亮, 许江湖, 吴林罡. “箔条链”式舰艇反导质心干扰作战方法研究[J]. 现代防御技术, 2022, 50(3): 78-83.
[14]	张寅, 范君杰, 闫钧华, 章琪琪, 夏翀翔. 多成像模式下舰船目标SAR成像仿真[J]. 现代防御技术, 2022, 50(2): 113-120.
[15]	于天立, 董文锋, 刘文俭, 范亚. 透波隐身机翼蒙皮设计参数优化方法仿真研究[J]. 现代防御技术, 2022, 50(2): 45-52.