第25部分
天 线 罩
左手介质应用于天线罩研制
王永光苏全永尹凯
北京市海淀区永定路航天科工二院二十五所(北京市142信箱205分箱邮编:100854)
lanyu841021@https://www.doczj.com/doc/4e1759146.html,
摘要：左手介质作为当前电磁领域的热点课题,其实现及其应用受到人们的广泛关注.而左手介质具体在天线罩上的应用可行性尚未得到验证.本文拟分析利用混合左右手材料制作双层天线罩体,消除罩体瞄准误差的可行性.全文分析了其左右手双层介质罩体消除瞄准误差确实可以实现,并对传输系数有一定的提高.从而为以后的具体研制工作提供重要依据。
关键词：异向介质天线罩瞄准误差传输系数
LHM Used in Radome Developed
WangYongguang,Su Quanyong,YinKai
(25 Institute of the Second academy of China Aerospace Science and Industry , Beijing 100854)
Abstract: As the current hot topic of the electromagnetic field, the application of Metamaterial has been widespread concern. But the application in the radome has not yet been verified. In this paper,we produced double radome . With mixed media of convertional and Metamaterial. All that we do is to find a way of eliminating the radome boresight error. Proven ,to some extent,radome of mixed media can indeed reduce the radome boresight error,and there is a certain improvement in the transmission coefficient.
Keywords: Metamaterial radome boresight -error
1 引言
在现代战争中,对寻的制导系统控制精度提出了更高的要求,各种巡航导弹,战术导弹客观要求防脱靶量小于1m~2m.因此,如何降低天线罩的瞄准误差日益受到天线罩设计师的密切关注[1]。
天线波束通过天线罩后,等相位面发生畸变,产生瞄准误差。利用电磁波在左手材料中相位反向传输的效应,以左右手双层介质材料相复合制作天线罩,使正负相位的相互抵消[2],实现天线波束通过天线罩后的等零相位面,从而消除瞄准误差。
2 天线罩传输系数,反射系数
一线极化平面波入射到左右手介质分界面处依据界面反射定律1122
sin()sin()
k k
θθ
=,
2
k<得知在左手介质中,其折射角20
θ<.
针对平行极化波进行求解, 在左右手介质分界面出的入射波,反射波,折射波可以表示如下[3]:
1
1
1
1
(sin()cos())
(sin()cos())
1
(sin()cos())
(sin()cos())
1
(cos()sin())
(cos()sin())
(c
i i
i i
i i
i i
i jk x z
i
x z
i i
i
i jk x z
y
r jk x z
r
x z
i i
r
r jk x z
y
t t
x
E E e e e
E
H e e
Z
E E e e e
E
H e e
Z
E E e
θθ
θθ
θθ
θθ
θθ
θθ
?+
?+
??
??
=?
=
=??
=
=
u v v v
uu v v
u v v v
uu v v
u v v
2
2
(sin()cos())
(sin()cos())
2
os()sin())t t
t t
jk x z
z
t t
t
t jk x z
y
e e
E
H e e
Z
θθ
θθ
θθ??
??
?
=
v
uu v v
（1）
·1316·
·1317·
折射波表达式与双介质均为常规介质时相同,因此利用边界条件得出的左右手介质界面平行极化波反射,折射系数与双右手介质界面处的界面反射,折射系数相同.
在传统分析的基础上,假设入射介质为左手介质,分析其理论.最终可以得到其传播因子表达式
[4]:
00/()2/(2)b b b
d tg b b b j b b A e
d F A
e πλεδπλ??Φ=Φ=?=
与右手介质的传播因子表达式对比,可以看出只是其相位因子变为负值.
结合左右手介质界面系数及其传播因子的变化, 得出在理想左手介质中,电磁波幅值不改变,唯一不同的是相位的反向增加。
3 双层左右手介质去除瞄准误差
当天线波束照射到罩体上时,由于罩体上入射角度分布的不均匀性,及天线本身的扫描旋转,导致入射角度分布不成对称分布[5],从而会使得天线波束的等相位面发生改变,产生瞄准误差.
图1 天线波束等相位面变化图解
复合介质利用左右手介质内的相位相互抵消,实现任意入射角下,天线波束等相位面均保持不变,从而使得瞄准误差降到0的目标.
数据分为（1）组与（2）组两组数据。其中
1d ，2d 右手、左手介质厚度，1ε，2ε分别为右手、左手介质介电参数，1tg δ，2tg δ分别为右手、
左手介质介电损耗 （1）组: 双层右手介质般复合,d1=2mm, 1
3.2ε=10.002tg δ=22d mm =2 3.2ε= 20.002tg δ=相当于4mm 厚的右手介质
双层左右手介质板复合 12d mm =
1 3.2ε=10.002tg δ=22d mm =
2 3.2ε=?20.002tg δ=将左手介质板与右手介质的厚度及其
介质参数均设为相同,旨在对比其相位.
020
4060
0.85
0.90.95
1幅
2
θ
(a)幅度
20
40
60
90
?85?80?75?70?相
2
)
θ
(b)相位
图3 双层右手介质水平极化幅度相位随扫描角变化
20
40
60
0.998
0.99810.9982
0.99830.9984g)2θ
(a)幅度
020
4060
1?10
4
?×5?105?×0
510
5
?×1104?×相
θ
(b)相位
图4 双层左右手介质水平极化幅度相位随扫描角变化
对比图3与图4，观察可以得到,在双右手介质
·1318·内,其传输系数幅度最高值为0.998,最低值为0.851.相位随扫描角度的变化最高为86.444,最低位73.877,相位随扫描角变化大概为7度.双层左右手介质幅值
近似在扫描角范围内均为0.998,相位则是4
10?,认为
为0度等相位面.
设计双层罩体，外形曲线给定。其介电常数及其厚度与上述相同，对比其单右手与左右手双层复合结构的电气性能。
30?28?26?24?22?20?18?16?14?12?10?8?6?4?2?024681012141618202224262830
1?0.5
?0
0.5
1
))1
F ω
图 (a)
30?28?26?24?22?20?18?16?14?12?10?8?6?4?2?024681012
141618202224262830
1?0.5
?0
0.5
1
))
1
F ω
图(b)
图5 水平极化波瞄准误差图 (a)常规天线罩(b)左右手复合天线罩
由图5得知，双左右手复合介质天线罩E 面水平极化瞄准误差最大值由0.95度降低到0.62度。此状态为最理想的状态。
（2）组: 为双层不等厚度的天线罩，双层右手介质般复合, 12d mm =, 12ε
=, 10.002tg δ=,
2d =,2 3.2ε=, 20.002tg δ= 双层左右手介质板复合12d mm =, 12ε= ,
10.002tg δ=, 2d = , 2 3.2ε=? , 20.002tg δ=
左右手介质参数及其厚度的关系推导为0
20
40
60
0.9
0.920.940.960.981幅
)2
θ
(a)幅度
20
40
60
75
?70?65?60?55?相
2
)
θ
(b)相位
图10 双层右手介质传输系数幅度、相位随扫描角的变化
20
40
60
0.988
0.990.9920.994
0.9960.998
2
θ
(a)幅度
020
4060
2.7
2.8
2.9
3
相
2
)
θ
(b)相位
图11 双层左右手介质传输系数幅度、相位随扫描角的变化
观察图11,图12可以得到,在双右手介质内,其
传输系数幅度最高值为0.998,最低值为0.909.相位随扫描角度的变化最高为70.408,最低位55.846,相位随扫描角变化大约为14度.双层左右手介质幅值最高值为0.998,最低值为0.989, 相位随扫描角度的变化最高为2.975,最低为2.723, 相位随扫描角变化大概为0.2度设计双层罩体，外形曲线给定。其介电常数及其厚度与上述相同，对比其单右手与左右手双层复合结构的电气性能。
·1319·
30?28?26?24?22?20?18?16?14?12?10?8?6?4?2?024681012141618202224262830
1?0.5
?0
0.5
1
)
1
F Ω
图 (a)
30?28?26?24?22?20?18?16?14?12?10?8?6?4?2?024681012141618202224262830
1?0.5
?0
0.5
1
)
1
F Ω
图(b)
图12 水平极化波瞄准误差 (a)常规天线罩(b)左右手双层介质天线罩
对比图(a)与图(b)，观察可以得到,双左右手复合
介质天线罩瞄准误差最大值由1度降低到0.65度。
由一组与二组数据可以看出,左右手复合介质从
理论上确实可以得到通过罩体的等相位面.天线波束
透过左右手复合介质后,在扫描角0deg-70deg 的范围内,变化幅度十分小,小于1deg 。对于纯右手介质,其天线波束等相位面随扫描角度的变化相差近一个量级.因此,左右手复合双层材料假如可以实现工艺加工制造,其应用前景将十分的乐观.
将左右手复合介质应用到某型号天线罩设计流程中验证。可以看出其瞄准误差有显著降低。
4 结论
虽然左手介质目前尚存在许多的缺陷.如频带窄,各向异性,损耗大,加工尺寸受限.但抛去这些缺陷,只是利用其左右介质的独特性质而言,通过分析,发现
其确实可以实现天线波束等相位面通过天线罩体后,不发生畸变的目的,从而对消除天线罩的瞄准误差起到很大的帮助.应用到天线罩设计中去，瞄准误差有显著降低，并且传输系数也由不同程度的提升。因此，左右手介质在天线罩上存在很大的应用前景。
参考文献
[1] 杜耀惟.天线罩电信设计方法[M].北京:国防工业出版社, 1993. [2] 冯恩信. 电磁场与波 西安电子科技大学出版社,2004.06
[3] Tie Jun Cui. David R.Smith. Ruopeng Liu. Metamaterials Theory,Design,and Applications. 2010.07 [4] 周建华 留虹遥 罗海路 文双春. 各向异性超常材料中倒退波的传播研究. 物理学报 2008.12
[5] 隧强 许信玉 王轶东 李芳.电磁波在介电常数和磁导率俱为复数的媒质中的传播. 北京广播学院学报.2004.03
天线罩紧缩场测试系统中馈源天线副瓣影响分析
王永光王婕任建华
北京市海淀区永定路航天科工二院二十五所(北京市142信箱205分箱邮编:100854)
lanyu841021@https://www.doczj.com/doc/4e1759146.html,
摘要：天线罩是导弹上的重要部件，用于保护罩内设备正常工作，保证制导精度。天线罩设计验证中，微波暗室测试环节是衡量天线罩电气性能的重要手段。为保证天线罩电气性能测试的准确性，天线罩测试系统中的各个环节必须严格控制.天线罩测试系统中，馈源天线的影响尤其不可忽略。在紧缩场测试系统中，馈源天线的副瓣经过反射面反射，对天线罩测试的影响更为明显。本文正是基于毫米波天线罩测试系统，研究馈源天线副瓣在毫米波紧缩场测试系统中，对天线罩测试的影响。
关键词：天线罩紧缩场天线副瓣
The Affect of Antenna Sidelobes on Radome Electrical Testing
WangYongguang,Wang Jie, RenJianhua
(25 Institute of the Second academy of China Aerospace Science and Industry , Beijing 100854)
Abstract: The radome is an important component of the missile,it can protect the equipment and ensure that the guidance accuracy. In the radome design verification, anechoic chamber testing is an important means to measure radome electrical performance.In order to ensure the accuracy of the radome electrical performance testing. All aspects of the radome test system must be strictly controlled. And the feed antenna in particular can not be ignored. In CATR (Compact Anternna Test Range) system, the side lobe of feed antenna have Severely affected in the radome test system . This article is the analysis of such impact
Keywords: radome CATR antenna sidelobes
1 引言
天线罩测试是衡量天线罩电气性能的重要手段，天线罩电气性能指标包括传输系数，瞄准误差以及瞄准误差率。为保证天线罩电气性能测试的准确性，天线罩测试系统中的各个环节必须严格控制。
天线罩紧缩场测试系统，包括馈源天线，接收天线，天线罩测试转台，以及矢网等设备。在微波紧缩场测试系统中，馈源天线的近场球面波经过弧形金属反射面反射,转换为平面波。在天线罩微波紧缩场测试系统中，馈源天线的副瓣波束经过金属反射面反射，对天线罩测试的影响更为明显。本文正是基于毫米波天线罩测试系统，研究馈源天线副瓣在毫米波紧缩场测试系统中，对天线罩电性能测试的影响。
2 测试仿真系统介绍
天线罩电性能指标中的功率传输系数是由于天线罩壁的反射和衰减使电磁波透过天线罩后的损失度量的表达方式。其具体表达方式为加天线罩P1和未加天线罩P0的接收天线接收辐射功率之比。其表达式为：
·1320·
·1321
·
天线罩瞄准误差指的是在天线的水平面或者垂直面，由于天线罩引起的瞄准线（天线指向目标的直线）的偏移。它和天线的跟踪体制，极化，天线与天线罩之间的相对位置有关。其表达式为：
其中△aR 为加天线罩后，在无限远处，天线电轴定位角度。△ar 为未加天线罩，在无限远处，天线电轴定位角度。
天线罩瞄准误差随天线视角的变化而变化，瞄准误差－角度变化曲线的最大斜率值或者在给定扫描角范围内平均瞄准误差斜率值为天线罩瞄准误差斜率。
紧缩测试场主要组成是：紧缩场天线，馈源组合，馈源转台，天线测试转台，毫米波信号源，毫米波测量接收机（本测试系统中采用矢量网络分析仪）以及显示输出设备（操控转台系统）。如图1所示：
图1 天线罩测试系统
如图1所示，馈源天线辐射的波束经过反射面反射，转换为平面波，照射在接收天线上。
在紧缩场测试系统中，馈源天线采用锥形喇叭天线。天线副瓣的影响可以通过在天线后面加金属反射板以及吸波材料对比进行研究。馈源天线采用的是FEKO 仿真。设置频率点为ka 波段，发射面由于仿真资源限制，设置为36波长直径，尽可能的降低未知网格数量，提高仿真速度。仿真模型中，喇叭天线后面通过加减反射金属板提高副瓣影响进行对比。分析反射面天线的波瓣变化。
FEKO 模型仿真如图2所示：
图2 加反射背板的馈源天线
仿真结果分析远场方向图，对比结果如下图所示：此仿真数据中，主瓣就是测试系统中的测试波束，从中可以看出第一副瓣抬高3dB 左右。
图3 加及不加反射板馈源天线方向图分析
3 测试验证
紧缩场测试，测试系统频率设置为Ka 波段。天线罩测试系统分为两部分。一部分为馈源天线后方加吸波材料，消除副瓣影响。另一部分馈源天线后方加天线安装工装的金属加工背板，令天线副瓣向前辐射，对转换的测试平面波产生较大的干涉，天线罩测试数据产生异常。从中分析可以看出天线副瓣在紧缩场天线罩测试系统中产生的影响。
本次测试频率，天线罩扫描测试角度为正负20度。测试频率段为毫米波。测试极化采用H 面极化。
本次测试中馈源天线后方加吸波材料测试结果如下：
·1322
·
图4 天线罩测试H 面馈源无反射板传输系数测定
图5 天线罩测试H 面馈源无反射板瞄准误差测定
图6 天线罩测试H 面馈源无反射板瞄准误差率测定
图7 天线罩测试H 面馈源加反射板传输系数测定
图8 天线罩测试H 面馈源加反射板瞄准误差测定
图9 天线罩测试H 面馈源加反射板瞄准误差率测定
两次测试数据差值如下图：
图10 天线罩测试传输系数差值
图11 天线罩测试瞄准误差差值
图12 天线罩测试瞄准误差率差值
分析图10－12，由于馈源天线副瓣的影响，传输系数各个频率点整体平移上升，个别频率点传输下降，并且在中心角度附近产生很大的波动，整体传输数据产生周期性波动，此为馈源天线后方反射板的频率性影响。瞄准误差各个频率点均增大，并且瞄准误差率增大0.5分/度。
4 总结
通过本文仿真及其测试数据分析可以看出，天线副瓣对天线罩中心角度测试数据产生的影响较大。中心角度处的测试传输系数数值产生较大的波动，数据异常。并令其瞄准误差增大，瞄准误差斜率增大,天线罩整体测试数据产生偏差。因此在天线罩测试中应尽量避免馈源天线副瓣的影响。
参考文献
[1]杜耀惟.天线罩电信设计方法[M].北京:国防工业出版社, 1993.
[2]冯恩信. 电磁场与波西安电子科技大学出版社,2004.06
[3]彭望泽. 防空导弹天线罩宇航出版社1993.05
[4]尹凯,毕波. W波段天线罩电气性能测试技术研究微波学报2010.08
·1323·
加罩线天线阵相位研究
李豪明永晋曹群生王文松
(南京航空航天大学电子信息工程学院，南京 210016)
toplbh@https://www.doczj.com/doc/4e1759146.html,
摘要：本文介绍了干涉仪测向原理，引入了加罩线天线阵相位误差的概念。天线罩的存在使不同位置的天线产生了不同的插入相位移，造成了天线间的相位误差。最后，结合实测数据，通过相位误差获得天线间的相位一致性，能反映天线罩本身对天线相位的影响，有助于进行天线罩的设计和提高制作工艺。
关键词：天线罩，相位误差，相位一致性
Study on Phase of Linear Antenna Array with Radome
Li Hao, Ming Yong-jin, Cao Qun-sheng , Wang Wen-song (College of Electronics and Information Engineering, Nanjing University of Aeronautics and Astronautics,
Nanjing 210016)
Abstract: In this paper, principles of the interferometer direction finder are introduced, concept of phase error in linear antenna array with radome is proposed. The presence of radome produces different insertion phase delay for antennas at different locations, which causes a certain phase error between antennas. Finally, combining with the measured data, phase congruency between antennas is obtained through the phase error, which can reflect the influence of radome on antenna phase and help design radome and improve the production process.
Keywords: Radome; Phase error; Phase congruency
1 引言
采用干涉仪测向[1,2]时，两个或多个天线因为距离的原因接收相位会产生一定的差值。天线罩的存在，会使不同天线处产生不同的插入相位移，从而引起天线间的相位误差。通过处理天线间的相位误差获得天线间相位一致性，去除了部分天线距离对相位误差的作用，能反映出天线罩本身对天线相位的影响，进而指导天线罩的设计和加工，对于提升天线罩的性能有很大作用。
2 干涉仪测向原理
简单的相位干涉仪有2个信道组成，如图1所示。天线视轴与平面波传播路径的夹角为θ，两天线之间的距离为L，则两天线由于距离L引起的信号相位差[3]φA为：
θ
λ
π
?sin
2L
A=(1) 式中，λ为信号波长。
测量得到相位差φA后，若信号波长λ和天线之间距离L已知，则由式(1)可得辐射源信号到达方向θ为：
)
2
arcsin(
L
A
π
λ
?
θ=(2)
·1324·
·1325·
图1 干涉仪测向原理图
3 加罩天线阵相位误差
如图2，考虑一个加罩六单元线天线阵，天线分别记为R 1、R 2、 R 3、 R 4、 R 5与 R 6。假设天线R i ，频率f 、极化p (垂直极化v 或水平极化h )、俯仰角θ 和方位角φ ，此时条件下的裸罩相位为
),,,(φθp f P A i ，加罩时为),,,(φθp f P R
i ；加罩相
位与裸罩相位的差值为插入相位移，记为：
)
,,,(),,,(),,,(φθφθφθp f P p f P p f D A
i R i R i ?= (3)
图2 天线罩及其天线位置分布图
各单元插入相位移相减，得到两两位置的相位误差，记为：
),,,(),,,(),,,(φθφθφθ?p f D p
f D p f R i R j R ij ?=
(4) 由天线和天线罩共同引起的相位差值可表示为：
),,,(),,,(),,,(φθ?φθ?φθ?p f p f p f R
ij A ij ij += (5)
假设有两个天线进行测向，则辐射源信号到达
方向θ计算公式(2)修改为：
)2)
,,,(arcsin(L
p f ij πλ
φθ?θ= (6) 由式(6)可以看出，天线罩的存在对内部天线测向产生了一定的影响，原因来自于不同位置的相位误差),,,(φθ?p f R
ij 。
4 加罩天线阵相位一致性
4.1 相位一致性介绍
如图2所示，假设加罩线天线阵有n 个天线，所有位置相位误差平均值记为：
∑<=
j
i R ij
n R ave p f C p f ),,,(1
),,,(2φθ?φθ? (7) 上式中，下标限制条件j i <是避免重复计入
符号相反的相位误差导致平均值为零。天线罩相位
一致性可用下式表示：
),,,(),,,(),,,(φθ?φθ?φθp f p f p f U R ave R ij R ij ?=
(8)
相位一致性去除了部分天线距离对相位误差的作用，能反映出天线罩本身对天线相位的影响。
4. 2 实测结果与分析
制作了A 夹层结构天线罩，1、3层为玻璃布
蒙皮，中间层为泡沫芯层，参数如表1所示：
表1 A 夹层天线罩罩壁结构
层数
εr tan δ
d (m)
1 4.4 2.0×10-2
1.0×10-3 2 1.08 3.5×10-3 3.6×10-3 3 4.4
2.0×10-2 1.0×10-3
由于介质材料组成的天线罩主要矛盾来自于垂
直极化[4]，因此着重测量了垂直极化情况。如图2所示，待测天线为6个天线组成的线天线阵列，测试频段6~18 GHz ；不失一般性，测试选取了位于边缘的R 6、次边缘的R 2、中间位置的R 3与R 4裸天线和加天线罩测试。
选择了俯仰角θ=0°时进行测试，下面给出频率11 GHz ，16 GHz 两个频点的数据；一个频点有两
·1326·个图形，分别为天线间相位误差和相位一致性，具体参考式(4)和(8)。
图3 11GHz 天线间相位误差
图4 11GHz 天线间相位一致性
图5 16GHz 天线间相位误差
图6 16GHz 天线间相位一致性
由图3至6可以看出：
（1）相位一致性数值大部分被约束在一个范围内，如11 GHz 、16 GHz 分别被约束在[-10°, 10°]，[-12°, 12°]；由此可计算天线罩自身产生的测向误差，进而和指标对比，进行天线罩罩壁的再设计和提高制作工艺；
（2）假设L =0.1 m ，则在11GHz ，16 GHz 由天线罩引起的到达角θ误差分别为0.4341°，0.3581°，对于远距离目标的测向，此角度已不容忽略。
5 结论
本文介绍了干涉仪测向原理，引入了天线罩相位误差概念。给出天线间相位一致性的计算公式，结合实物测试数据，计算了天线间的相位误差和相位一致性。加罩天线间相位一致性去除了部分天线距离对相位误差的作用，能反映出天线罩本身对天线相位的影响，有助于指导天线罩的设计和加工。
参考文献
[1] 张强. 机载天线罩电磁特性分析技术研究, [博士学位论文]. 南京: 南京邮电大学, 2005 [2] 赵国庆. 雷达对抗原理. 西安: 西安电子科技大学出版社, 1998
[3] 宋银锁. 低误差斜率导弹天线罩的设计与制造. 战术导弹技术, 2008, 9(1):1-4
[4] 李高生, 贾 蕾, 曹群生. 石英/氰酸酯玻璃钢复合材料的宽频带特性研究. 中国电子科学研究院学报, 2012, 7(3):1-4
金属罩对GNSS收星试验影响分析
张伟张瑞鹏彭云
(北京航天长征飞行器研究所，北京 100076)
zw19840202@https://www.doczj.com/doc/4e1759146.html,
摘要：本文对有金属罩及透波窗口情况下GNSS收星试验的试验情况进行仿真分析。仿真了有金属罩情况下接收天线的方向图，并与无金属罩情况下接收天线的方向图进行对比。根据仿真的接收天线与同频转发天线的方向图增益对到达接收机的信号功率进行计算，判断是否处于接收机灵敏度范围之内。此外，对有金属罩时的多径现象进行分析，并给出理论分析结论。
关键词：金属罩，GNSS收星，分析
Analysis on Effects of the Metal Cover to the GNSS Signal Receival Experiment
ZHANG wei, ZHANG ruipeng, PENG yun
(Beijing Institute of Space Long March Vehicle, Beijing 100076)
Abstract:In this paper, the GNSS signal receival experiment instances with metal cover and wave-transparent window are simulated and analyzed. The pattern of the receival antenna with metal cover are simulated, which are compared with the pattern of the receival antenna without metal cover. The simulated gain of the receival antenna and the transmitting antenna in identical frequency are used to calculate the power get to the receiver, thereby to estimate whether it’s among the receiver’s sensitive range. Besides, the multipath phenomenon in the case that there is metal cover is analyzed, and the theory analysis conclusion are presented.
Keywords: Metal cover; GNSS signal receival; Analysis
1 引言
系统在发射场做收星试验时，由于有金属罩的遮挡，使得天线周围的辐射场发生变化，无法实现无线信号的正常接收。与此同时，由于金属罩的影响，信号可能会有多径传输的现象。这些现象都会影响收星效果。
本文使用Ansoft HFSS仿真软件对有无金属罩及透波窗口的两种情况下天线的方向图进行仿真，并将方向图进行对比。将有金属罩及透波窗口情况下的方向图增益用于传输链路计算，从而判断方向图畸变后信号强度是否满足收星要求。另外，对信号多径传输的相关内容做了初步的分析，并给出结论。2 基本模型及坐标定义
图1为收星试验时天线的状态图。从理论上讲，在金属罩上正对天线的位置开孔，使无线信号通过该孔被接收是最理想的效果。但由于金属罩上正对天线的位置附近的不连续面以及其它因素，天线窗口只能开在金属罩正对GNSS天线斜向上约30°的位置。此外，由于在飞行过程中必须保证金属罩外表面的平滑，因此，在天线窗口的位置必须加装透波材料。透波材料也会影响天线的方向图。综合考虑各项因素，选取的透波材料介电常数约为4，透波窗口大小约为天线大小的10倍。同频转发天线通过外部支架固定于透波窗口外部。
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图1 天线状态图
对仿真时的坐标系进行定义。OX 、OY 、OZ 成右手系。α为O 与空间某一点C 的连线OC 在XOY 平面的投影与X 轴的夹角。以X 轴为起始边，在XOY 平面内沿逆时针方向量度，α=0°~360°。β为矢径OC 与OZ 的夹角。β=0°~180°。详见图2。
图2 坐标定义图
3 仿真分析
由于壳体及金属罩尺寸较大，因此仿真时只取一部分进行仿真计算。但天线上、下、左、右的壳体长度取值均大于6个波长。
将无金属罩情况下的天线方向图进行仿真计算，仿真模型如图3(a)所示，并给出α分别等于90°、80°及70°，β=-180°～180°情况下的方向图，分别如图4(a)、5(a)及6(a)所示。
将有金属罩情况下的天线方向图进行仿真计算，仿真模型如图3(b)所示，并给出α分别等于90°、80°及70°，β=-180°～180°情况下的方向图，分别如图4(b)、5(b)及6(b)所示。
图3(a) 无金属罩情况 图3(b) 有金属罩情况
图4(a) 无罩，α=90° 图4(b) 有罩，α
=90°
图5(a) 无罩，α=80° 图5(b) 有罩，α
=80°
图6(a) 无罩，α=70° 图6(b) 有罩，α=70°
从以上方向图对比可以看出，加金属罩后，天线的方向图畸变很严重。如果将发射天线置于透波窗口处，则需要接收天线斜向上30°（θ=60°）方向附近的方向图增益数值。有金属罩情况下，接收天线斜上方增益取附近仿真结果平均值约0dB 。
有金属罩及透波窗口遮挡时，置于透波窗口正前方的同频转发天线方向图亦有所变化。对其方向图进行了仿真计算，仿真模型如图7所示。其仿真结果如图8~10所示。
图7 仿真模型 图8
α=90°方向图
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图9 α=80°方向图 图10 α=70°方向图
可见，同频转发天线的方向图畸变也很严重。在β=-120°附近，取增益平均值约-5dB 。
4 接收机灵敏度需求范围计算
设到达发射天线口面的功率为-70dBm~-90dBm ，由公式：
到达接收机功率=发射功率+发射天线增益+空间衰减+接收天线增益
可以计算出到达接收机的功率范围，从而判断功率值是否能够满足接收机的灵敏度要求。
自由空间衰减的计算公式如公式(1)所示：
()0lg 20lg 204.32L d f L dB ?++?= (1)
式中：
f 为天线工作频率，单位MHz ；
d 为电波传播距离，单位Km 。本文情况d =800mm ；
0L 为衰减余量，这里取3dB 。
经计算，自由空间衰减为：
dB L dB 4.37?= (2) 取同频转发天线增益为-5dB ，接收天线增益为0dB ，可计算得接收机的灵敏度需求范围为：-112.4dBm~-132.4dBm 。
可见，此需求范围在接收机的灵敏度范围之内。因此，接收机能够收到星信号。
5 多径传输情况分析
多径是指对所期望信号经反射或散射后的复制品的接收。由于反射信号经过的路径总是比直达信号更长，因而相对于直达信号而言多径的到达是有延迟的。当多径延迟较大时，接收机易于解决多径问题。只要接收机跟踪到了直达信号，那么可解的多径对接收机性能的影响就不大。然而，由附近甚至远处物体反射的多径可能比直达信号延迟很短的时间到达，这种多径会使接收到的合成信号与接收机本地产生的参考信号之间的相关函数产生畸变，同时也会引起接收信号合成相位的畸变，在伪距和载波相位测量值上引入误差，从而造成位置、速度和时间解算的误差。
在本文所述的环境中，是一个金属包围的密闭环境，反射较多且较强，带来的多径效应比较明显。多径信号与直达信号相对幅度相差较小时，将会带来码相跟踪误差和载波相位误差，如图11所示。
图11 多径跟踪误差示意图
正常情况下,扩频信号的自相关特性如图11上半部分所示，当接收机本地产生的码序列与接收信号的码序列完全匹配时得到最大的相关值。但是，在多径信号的干扰作用下，扩频码序列的相关特性产生了畸变，如图11下半部分所示。跟踪将滞后接收信号的码序列时延Δt （途中虚竖线到0的时间间隔）。伪距误差可以表示为Δr=c ·Δt(c 表示光速)。对于在开放空间的接收机，不同卫星由于信号来向不同，传输路径也不相同，Δt 也就不同，伪距误差Δr 都有差异，由此可带来一定的定位误差。
在本文的环境中，接收机接收到的卫星信号均是经过同频转发器转发的信号，全部卫星的信号都是混合后传输的，传输的路径和时延都是相同的，所以所有卫星的Δt 和伪距误差Δr 都是相同的，在定位解算中，是根据各卫星的相对时间来解算位置的，对于相同的时间误差，定位解算中都对消了，对定位误差没有影响。但是，由于多径的影响，相
关峰变得相对平滑了，会对接收机跟踪的效果带来影响，可能会造成接收机收星不稳定。
6 结论
从本文的计算分析结果来看，天线方向图存在畸变现象，但根据方向图的增益计算出的接收机灵敏度需求在接收机灵敏度指标范围之内，且多径对接收机转发定位的影响不大，因此，从理论分析来看，接收机是可以收到星信号并定位的。
参考文献
[1]Elliott D. Kaplan, Christopher J. Hegarty, “Understanding GPS Principles and Applications”, Second Edition,2008；
[2]王尔申，张淑芳，张芝贤，“GPS接收机抗多径技术研究现状与趋势”，电讯技术，2011。
作者简介：
张伟，女，工程师，主要研究领域为微带天线、振子天线、功分器等；张瑞鹏，男，工程师，主要研究领域为微带天线、功分器、接收机等；彭云，男，高级工程师，主要研究领域为微带天线、接收机等。
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第26部分
合成孔径雷达
山区星载SAR图像的模拟及地形校正
叶恺夏明耀
(电子科技大学，成都 611731)
link_seven@https://www.doczj.com/doc/4e1759146.html,
摘要：采用基于SAR成像原理的距离多普勒定位模型及DEM数据进行模拟SAR图像计算，通过将模拟SAR图像与真实SAR图像进行配准，将真实SAR图像映射到DEM网格中，得到SAR图像的地形校正图。文章通过使用TerraSAR-X的数据进行试验，验证了本文方法的有效性。
关键词：星载SAR，DEM，距离多普勒定位模型，SAR图像模拟，地形校正
Space-borne SAR Image Simulation and Terrain Correction in Mountain Area
Ye Kai, Xia Ming Yao
(University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731)
Abstract: Based on the principle of SAR, the range-doppler location model is used in the process of SAR image simulation, with the application of digital elevation map (DEM). Through the use of the co-registration between the real SAR image and the simulation SAR image, the relationship between real SAR image and DEM is obtained, and then the terrain correction of the space-borne SAR image is conducted. Validity of the proposed method is confirmed by a numerical experiment using available TerraSAR-X data.
Keywords: Space-borne SAR; DEM; Range-doppler location model; SAR image simulation; Terrain correction
1 引言
星载合成孔径雷达作为一种主动遥感观测手段，具有全天时、全天候的对地观测能力。但是由于星载SAR是采用侧视成像的方式，其产生的图像会存在明显的几何变形，从而对星载SAR图像的解译产生严重干扰，因此需要对图像进行几何校正。在地形起伏严重的区域，由于地面的高度变化大，会有透视收缩、阴影和叠掩等现象[1]的发生，就必须要利用地面的高度信息来进行地形校正，才能消除SAR图像的变形，通常采用的是数字高程
基金项目：国家863计划课题(2012AA121302) 图（DEM）。
目前基于DEM进行地形校正的主要有两种方法：一种是利用精确的控制点对卫星轨道参数进行优化，从而用精确的卫星轨道参数和DEM数据直接对SAR图像进行校正；另一种是利用DEM数据和卫星轨道参数首先生成一幅模拟SAR图像，然后将模拟SAR图像和真实的SAR图像进行配准，将真实SAR图像的像点与DEM数据建立起映射关系，完成校正。相对于第一种方法，第二种方法可以摆脱地面精确控制点的限制，从而使山区的地形校正更加容易进行。本文对第二种方法进行了讨论，主要内容涉及如何利用DEM和距离多普勒定位模型进行模拟SAR图像的计算以及地形校正处理等。
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2 星载SAR 图像的模拟计算
2.1 DEM 的插值处理
星载SAR 图像的分辨率一般总要比DEM 网格的分辨率高，而在利用DEM 数据进行模拟SAR 图像的过程中，对比真实SAR 图像，这将产生许多的空白点，从而影响模拟SAR 图像与真实SAR 图像之间的配准过程，因此在模拟之前就需要对DEM 数据进行插值处理以得到合适的分辨率。常用的插值方法有线性插值和基于随机中点位移法的分形插值[2]等。
2.2 地面目标点成像位置的确定
基于合成孔径雷达的成像原理，一幅SAR 图像中的象元的位置是由距离方程，多普勒方程和地球模型方程[3]决定的，这三个方程的表达式如下：
R 距离方程（1）
2
()()d s t s t f V V R R R
λ=?
???多普勒方程（2） 222
221t t t e p
x y z R R ++=地球模型方程（3）
其中s R 和s V 及t R 和t V 分别为传感器与目标位置矢量和速度矢量；e R 和p R 分别为地球椭球模型的赤道半径和极地半径。由这三个方程来确定目标
位置的定位模型称为距离多普勒定位模型。若已知目标和传感器的位置矢量和速度矢量，就可以通过上述方程求解出目标与传感器之间的距离及多普勒频率。而在SAR 图像成像参数中，每个象元的距离和多普勒频率又可通过如下表达式进行表示：
0*R R i R
=+Δ（4） 230123()()()d f a a t T a t T a t T =+?+?+?（5） 0*T T j T
=+Δ（6）
其中t 为距离向快时间，T 为方位向慢时间，
结合这六个方程，就可以确定地面目标点在SAR 图像中的位置坐标(,)i j 。
2.3 成像点的灰度模拟
根据雷达方程可知，SAR 图像上的每一个象元都是对地面目标散射特性的描述。但是由于地面散射特性与地物类型、局部入射角等很多因子有关，因此在SAR 图像灰度模拟过程中，很难精确的模拟其散射特性。但是对于SAR 图像的地形校正而言，并不需要精确的灰度模拟值，因为在SAR 模拟图像与SAR 真实图像之间进行配准、建立映射关系的过程中，图像中的明显的纹理特征才是主要的。通常比较广泛采用的模型有muhleman 半经验模型和guindon 提出的常数后向散射模型[4]。
3 SAR 图像的地形校正
SAR 图像的模拟计算完成后，就可得到模拟SAR 图像与DEM 网格之间的映射关系。接下来只要将模拟SAR 图像与真实的SAR 图像之间建立起映射关系，就可将真实SAR 图像映射到DEM 网格上，完成地形校正，具体的地形校正流程图如图1所示。
图1 地形校正的具体流程图
4 试验与结论
为了对本文所论述方法的可行性进行验证，采用TerraSAR-X 的斜距图数据和SRTM 的90米分辨率的DEM 数据进行试验，试验的区域位于四川省阿坝州汶川县映秀镇。如图2所示即为该区域的真实SAR 图像，该图像的大小为1513*862，距离向分辨率和方位向分辨率分别为3.182m 和5.978m 。
·1334·由于该区域的DEM 数据的分辨率与真实SAR 数据分辨率相差太大，会对校正产生很大影响，因此对其进行了线性插值处理，得到大小为4769*2753，分辨率为2.882m 的DEM 数据，见图3。如图4所示为根据以上数据及本文描述的方法所得到的模拟SAR 图像。比较图2和图4显而易见，模拟SAR 图像与真实SAR 图像在纹理特征上保持了良好的一致性。
图2 真实SAR 图像
图3 DEM 数据
图4 模拟SAR 图像
为了将真实SAR 数据映射到DEM 网格上，就要根据模拟SAR 图像，与真实SAR 图像进行配准处理。本文试验采用了人工选取的匹配点，并用最小二乘法将两幅图像进行了配准，继而可得到SAR 地形校正图，如图5所示。比较图2和图5可见，真实SAR 图像在山区的几何变形整体上得到了良好的改观，由地形起伏导致的迎坡收缩，背坡拉伸等现象都得到了明显的改善。
图5 地形校正后的SAR 图像
通过本次试验中的对比分析，说明了采用距离多普勒定位模型与DEM 数据进行SAR 图像的模拟，能够非常逼真地重现真实SAR 图像的纹理特征，并且在通过模拟图像与真实图像的配准之后，能得到良好的地形校正效果，验证了本文所论述的SAR 图像模拟方法与地形校正方法的正确性与有效性。
参考文献
[1] Walter G . Kropatsch and Dieter Strobl, The generation of SAR layover and shadow maps from digital elevation models, IEEE
Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1990
[2] Naokazu Yokoya and Kazuhiko Yamamoto, Fractal-based analysis and interpolation of 3D natural surface shapes and their
application to terrain modeling, Computer vision, graphics, and image processing, 1989
[3] John C. Curlander, Utilization of spaceborne SAR data for mapping, IEEE Transactions on Geoscience and Remote Sensing, 1984 [4] 陈尔学, 星载合成孔径雷达正射校正方法研究, 中国林业科学研究院博士论文, 2004
作者简介：
叶恺，男，硕士，主要研究领域为合成孔径雷达图像处理等；夏明耀，男，教授、博士生导师，主要研究领域包括计算电磁学、微波散射遥感等。