（通信与信息系统专业论文）极化识别器方案的设计研究.pdf

硕 士论 文 极 化 识 别 器 方 案 的 设 计 研 究 ah s t f a c t in th is th e s is ， s o m e c o n ce p t s ab o ute x p re s s io n o f p o lariz ati0 n and s o m e b as ic theo r ie s o f s y n th e s iz in g p o lar iz atio n are in troduc e d fi r s ta ndtlle n ， in o r d e r t o in lp r o v e th e s y s t e m 5 anti一 amm in gab i lity ， th e p r o b le mo f the v ariab lep o l叭z at i o nte c 俪 q u e 叩p li e d t o th e r adi ofu z e s y s t em i s d i s c u s s e d . a na l g o ri t h n 1 o f p o l ari zat i o ns c atte ri ng m atrl x wh i c h c an det e cta r b i t rary o bj e c t s w i l l b e d e r i v e d ， a n ds evera l s i mul at i o n s w i l l b e d o n e b y m at l ab. n e 卿 即一 p e a r s o n c r i t e r i o l l 、 ，: i j l h c a d o p t c di l飞 t h e th r e s ll o l d d c t c ctio n ， 剐 1 dt h e n p rob abi l i t yo f d c t e c t i o n wi l i b e c a c u l a 1 c d . t h oa d v a n t a g eo ft h ep o l 而z at i o n s c a tt e ri n g m a t r l x d e ri v e di n 而sth e s i si sth at p o l而z at io n s c atterin g m a tr 1x o f arbit rar y o bj e ct s can bec al c ul at edq 址 c k ly an d a c c u r a t e ly， whi l e t h e d i s a d v a n ta g e i s t 】l ati t mayb e r e s 仃 1 ctb y d et e ctio n t b r e s h o l d s o t b a t th e c acu l at e d p o l硕z at io n s c at 记 ri n g m atri x o f as y n l m e 仃 i c o bj e ctis n o t s o s at i sfy in g . as c h e m e o f anti 一 ainining r a d arc o n tain in g v aria b le p o iar izati o n w ili b e d e s i gne d ， andthe p ro c e s so fvaria b lep o 1anz at i o ns ys t em andanti一 axnming p ri n c ip lew i ll b e anal y z ed a sw e l l . b e s i d e s ， a n a 1 y s i sandre s e a rchi nvan abl ep o l ar i z at i o nd e v i c e sand p o l ar i z at i o n fi l t er， the i n 1 p o rt ant c o m p o nent s o f th e 盯s t e m ， are d e tail e d t hed e s i g n o f p o l ariz atio n id e ni i fi eran d an ti 一 amm in g o f l in e arp o larizatio n p r o g ram fl o wc hartw i l l b e p r o p o s e d ， wh ic hl 盯found atio n s for the d e s i g no f p o 1 ari zati o ni d e nt i fi e r u s e d tofi lte r c ir c u larp o l ariz at i o n an d g ive re fe ren eet o the p e rfect io no f the s c h e m e o f a n t i -j am m i n g r adarme ntio n e d abo v e . k e y w o r d s : v 丽able p o l 丽z ation， p o lariz at i o n s c atte r ing m atri x ， p o l 丽z at i o n i d e n t ifi er 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的 研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以 标注和致谢的 部分外，不包含其他人己经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同 工作的同事对本学位论文做出的贡献均己 在论文 中作了明确的说明。 研究生签名: 年月日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电 子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门 或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公 布本学位论文的部分或全部内 容。 对于保密 论文，按保密的 有关规定和程序处理。 研究生签名: 年月日 硕 士论 文极化识别器方案的设计研究 绪论 l l研究背景 变极化技术 涉及目 标散射波的 全极化信息处理，正日 益引 起国内 外学术界的 浓 厚兴趣和高度重视，已用在很多领域， 如大地观测、 灾难救助和遥感等。 雷达 目 标散 射 信号中的极 化信息同目 标回波的幅度、 相位、 多 普勒频率、 波形 等信息一样， 是非 常 有用的 信息， 它在抗有源干扰和杂波 干扰、 目 标信号 滤波和增强、目 标检测 和目 标 识别中有着巨大的潜力。 在雷达干扰、抗干扰系统中应用中变极化技术是比较广泛的一项技术，是一个 研究热点， 各种新的方法和理论不断出现，已成为雷达和各种微波探测系统干扰、 抗 干扰的一种有效的技术手段。 在雷达、 通信、航空航天及遥控遥测等系统中，目标的 反 射特性、 电 磁波的传播和信号的 接收 性能均与波的 极化形式有关。 天线极化匹配良 好与否， 系统的效果迥然不同。因此，为适应现代信息密集多变的特点，对天线的快 速 极化切换的要 求日 益迫切。 一副天线仅具有 一种极化， 效能 概率低，已 不适应现代 系 统的使用要求。 而使用变极化技术的 天线可在这些领 域更好的发挥 作用， 特别适用 于高 速运动平台。 同样的， 在干 扰、 抗干扰中 使用变极 化天线， 也可自 主的通过与干 扰 波或抗千扰 波的 极化正交来进行抗干 扰和干扰。 而极化 特征识别有助于对抗干 扰波 的干扰和对极化隐身 目 标进行识别. 简单来讲， 根据干扰极化形式， 通过变极化装置 控 制发射极 化， 使之正交于干扰极化， 即 可完成实时的 抗干扰措施。 此外选择收发的 不同 极化 状态， 可以 减少接收不必要的回 波信号， 使特定目 标的 回波增强， 提高信干 比，便于检测特定 目 标. 变极化的这些特点决定了变极化技术可应用于运动平台的微波近感探测系统中。 运 用该技术的移 动微波近感探测系统同 样也将有良 好的 抗干扰能力， 而且可以 根据不 同 极化波的发 射接收， 更为准确地判别目 标、 校正移动 和探测方位。 论文就是在这种 背景和需求下提出的。 本论文侧重于对目 标极化信息特性和目 标回波信号 极化处 理的 研究， 并 提出了可 应用于微波近感探测中的变极化抗干扰无线收发系统实现方案， 旨在为变极化抗干扰 系统的工程设计和研制奠定一定的基础。 l z极化、 变极化 技术应用及发 展状况 在微波收发 传输中，目 标回 波信息的 特征 包括了 幅度、 相 位、 频率、 波形以 及极 化。 对其中 大部分 特征的 研究已 趋向成熟， 也建立了 较完备的理论体系。 对微波天线 极 化的研究 虽然比 较早，但是取得实际 成果只是近十余 年内 的事。 硕士论文 极化识别器方案的设计研究 1 :2极化的常识 电 磁波的 极化， 表明 其电 场强度的取向 和幅度随时间 而变化的 性质122。 而天线的 极 化则 定义为电 磁波中电 场分量相对于 地面的 方向 。如 果无线电 波是通过空间传播， 并且它的电场方向与地面垂直，我们称之为垂直极化波，用 ( v)表示;同样，如果 电 磁波的 电 场方向 与地面平行， 我们称 之为 水平极化波， 用 ( h ) 表示。 此外还有其 他极 化方式: 椭圆 极化和圆极化等 121 1 。 而圆极化 和椭圆 极化又可分为左 旋 ( 反时针方 向 旋 转) 极化和右 旋极 化 ( 正时 针方向 旋转) 。 有关几 种极化形式的定义、形成和相 互关系 将在本论文的 第二 章具体论述。 具 体无线系统 采用的 极化形式通常取决于 天线发射的极化形式， 和天线的形状等 有关。在接收时，一般需要接收天线与空间电波的极化相同才能获得最佳接收效果。 天线主副瓣极化会有区别， 主瓣内通常极化特性相对保持不变。 通常我们说的天线极 化， 是指天线在最大辐射或者最大接收方向上的主极化。 因此， 在传统的单极化收发 系 统中， 电 波信号的 发射与接收通常存在 一个天 线的 极化对准匹 配的问 题。 而天线实 际 在辐 射电 波时除了主极化波外还会 辐射与之正交的极 化波， 我们称之为交叉 极化或 者寄生极化。 交叉圆极化的旋向是与主极化波的极化旋向相反的。 通常交叉极化是要 设法避免和减少的， 因为交叉极化波会带走部分能量，降低天线的效率。但是有些情 况下， 交叉极化又可以在工程上加以利用，比如:收发天线或双频共用天线就是利用 了主极化和交叉极化相隔离的特性，从而达到收发隔离或双频隔离的目的。 传统单 极化收发， 测量过程依赖极 化对准和天线特征角， 属于 标量测量， 并且有 信息 丢失。 而采用相干正交极化分集发 射接收方法的矢量测量可以 获得包括极化信息 的 所有信息。 理论上可以 通过辐 射两路正交极化波到目 标物体上， 测量接收正交散射 回波来计算目标散射矩阵从而获得目标回波的极化特征。 目 标回波的不同极化特征可帮助分类和识别目标。利用目 标回波中的极化信息， 现代雷 达对海、 陆、 空目 标的探测能力 将更强， 对云雨雾障 碍折射、 反射和人为千扰 的抗干 扰能力也 大大提高。 还可根 据目 标回波极化特征 更准确的识别目 标. 在现代战 争中， 电 子战变得 越来越 重要， 极化特征识别 有助于对抗干扰波的 干扰， 极化隐身目 标识别。 根据干扰极化形式， 通过捷 变发射极化， 使之正交于 千扰极化， 可完成即时 的 抗 千 扰 措 施 t3 习 . 而 速变 极 化也 可 找出 应 用 极 化 技 术 进 行 隐 身 的目 标。 此 外 选 择 收 发 的极化状 态， 可以降低接收到不 必要的 回波信号， 使特定目 标的回 波增强， 提高信干 比， 便于 检测特定目 标。 极化 是各种矢量波共有的一 种性质。 例如， 电 磁波和固体中的 弹性波、 自 旋波都 具有这种 性质. 对各种矢量波来说， 极化是指用 一个场矢量来描述空间 某一个固 定点 所观测到的 矢量波 ( 电 场、 应变、自 旋) 随时间 变化的 特性。 而天线的 极化则定义为 论 文 极化识别器方案的设计研究 电 磁波中电 场分量相对于地面的方向. 如果无线电 波是通过空间传播， 并且它的电 场 方向 与地面垂 直， 我 们称之为 垂直极化波: 同 样， 如果电 磁波的电 场方向 与 地面平 行， 我 们称为水 平极 化波。 此外还有其他极 化方式: 椭圆极 化和圆 极化等。 而圆 极化和 椭 圆 极化又可分为 左旋 ( 反时针方向 旋转) 极化和右旋 极化 ( 正时 针方向 旋转) 。有关 几 种极化形 式的 定义、 形成和相互关系 将在本论文的第二章具体 论述。 所谓变极化， 即 通过 对彼此正 交的两 个线极化波或两个旋向 相反的圆 极化波进行不同 情况的合成 并 变化椭圆极化的 各参数。 椭圆变极化 波的定 义: 空间上不同 方向、 时 间上不同相位 的两个场矢量，其合成场矢量以分矢量的频率作旋转，合成矢量的旋转轨迹为椭圆， 即 称为椭圆极化 波的 合成， 变化分矢量 方向 或者相位即可获得椭圆 变极 化波。 l 2. 2变极化 技术的 应用和发展 早期的 极化研究始于 5 0年代初期的雷达极化领域。 最早的研究者有辛克莱尔 (g. si nclai r) 、 德尚 ( g.a. d e sc 抽 叨 p s ) 、肯瑙夫 ( e m 一 k e lma u g h ) 、 穆勒(h一m u e u er) 和稍 后时期的 布里舍 ( b ri c h e l ) 。 其中， bric h e l 提出了 三参数轨 迹法: k e nna u g h 在19 52 年提出了目 标最佳极 化的概念， 指出存 在对应于雷达接收信号最大、 最小能量的雷达 收发的几种极化状态，更是提出了零极化描述法， 建立了雷达极化的基本理论， 成为 了雷达极化研究的奠基者。 从五十年代初到六十年代， 极化的研究开始在世界范围成为一个热点。 最初在研 究前 沿的 英美， 对于极化的研究主要集中 在目 标和杂波的双极化测量 方面， 但是这些 研究无论 是在理论方面 还是实用方面 取得的突破都比 较有限， 只是很好的促进了极化 测量技术的发展和极化测量仪器的研制， 为深入研究极化做出了有益的前期工作。 此 后的很长一段时间， 由于在极化理论和实用方面无法取得有说服力的成果， 对极化目 标依存度现象无法给出完整合理的解释， 加之极化控制设备复杂， 极化测量的代价大， 极化研究陷 入一个低潮. 1970 年， 工 又 h u 卯e n 提出了雷 达目 标极化现象学 理论， 其关于雷达目 标极化特 性的研究使极化研究进入一个新阶段。在总结极化的基本概念及前人成果的基础上， 他引 入了极 化叉 这一新理论， 对 特征 化极化予以了 发展。自 此 极化研究又进入一个 新的 高潮期。 随着极 化理 论以 及极化测量技术的 快速发展， 甚至形成了 专门 的新兴学 科: 微 波 极 化 测 量 学 ( m icrowavepo l耐 m e t斗 ) 146， 同 样 促 进了 极 化、 变 极 化 技 术 的 发展. 在雷达气象学的 应用研究中， 由于不同 极化特征在复杂云 雨雾自 然条件下的传输 情况 有不同， 单极化气象雷 达已 不适合与对环 境复杂 地区气候的测量， 科学工作者开 展了 大量研究， 将双极化 技术应用于气象雷达的; 而随 着现代战争对通信和电 子对抗 的重 视的升级， 变极化技术作为一项重 要的 千扰、 抗干 扰技术， 也成为了 军事科研领 3 硕 1 丁 论 文极化识别器方案的设计研究 域的 一个 研究热点; 变极化雷达 技术在对付极化隐 身中得到发 展， 而极化自 适 应隐身 技术又在对付变 极化雷 达探测中得以提出.当 今的变 极化技术的研究正朝着小型化、 自 适应、捷变的方向发展。 1 3 论文安排 结合某项目， 对目标散射矩阵与极化识别器进行研究。 讨论了极化及极化信息处 理的基本原理，在此基础上提出了极化识别器设计方案。 各章节内容安排如下: 第一章简要介绍极化、变极化技术的发展历史和研究进展。 第二章讨论了极化的基本理论，即极化的概念和表示方法、p oi ncare 极化球和散 射截面积等。 第三章详细提出了一种对目标散射矩阵的计算方法，模拟实际目标用 matlab 软 件进行仿真，采用奈曼一皮尔逊准则进行门限检测，得出检测概率。 第四章提出了用于变极化脉冲近程雷达的系统方案， 简要分析数字变极化各部件 的工作原理。 第五章提出了极化识别器设计方案， 分析了目 标散射特性， 给出极化识别器程序 流程框图，并对存在的一些问题进行了探讨。 硕士论文 极化识别器方案的设计研究 2极化基本理论 电 磁波的 极化反映的是空间电 磁波的时变电场矢量的幅度和方向随时间变化的 情况， 电 磁波的 极化可用在该点的电 磁场的电 场定 义。 电 场的 指向 就是该电 磁波的极 化 方向 。 若电磁波的电 场矢量的 指向 不随时间 变化， 则 称这种波为线性极化波。 若电 场矢量随时间变化的 矢端轨迹为 一个圆， 则称这 种波为圆 极化波。 若矢端轨迹为 一椭 圆则称为椭圆极化波。 圆极化波和椭圆极化波还有旋转方向的不同， 分为右旋极化波 和 左旋极化波。 顺着电 磁波的 传播方向 看去， 若电 场矢量为 逆时 针旋转， 则称为 左旋 极化波，若电场矢量为顺时针旋转，则称为右旋极化波。 11极化的表达形式 2.l i极化椭圆 电磁波的极化是由电场强度的方向决定的. 一 般情况下， 沿正 2 方向传播的单色 电 磁 波的电 场矢量e 位于x 一 y 平面内 ，可表 示为 e ( 2 ) = e x ( 2 )x + e ， ( 2 )y( 2 1 1 ) 则 e x ( 2 ，t ) ， rele x (2 ) e 一 州 = 气 co s (: + 乏 )( 2 1 2 ) e ， ( 2 ， t) = ree ， ( 2 )e 一 娜 = ay co s( : + 凡 )( 2 1 3 ) 其 中 ，a : 和a ， 分别 为e : (2 ) ， e ， ( 2 ) 的 幅 度， 戈和 凡分 别 为e 二 (2 ) ，e ， ( 2 ) 的 相 角，而r =叫一 七。 如 果 a : 。 和a ， ， 。 且占 = 爪一 戈 0 时 ， 联 合 式(2 1 .2)和 式(2 l 3)， 消 去 r ， 就 可得到一 般情况下的 椭圆 方程: ( e _ (2 ， ) 丫( e ， ( 2 ， ) 丫( z e x ( 2 ， )e ， (2 ， ; ) 戈 马j 气 马少 气气ay 伪5 占 =s i n z 占( 2 1 4 ) 式 (2. 1 .4 ) 代表一个旋转椭圆， 它表明电 场矢量e = (z ， t)在一 个固定点尸 ， 一个 周 期内 随时间变化的轨迹是一个 椭圆， 这种极 化称为椭圆极化。它定义了沿+z 方向 传 播的 平 面 波的 一 种 极 化 状 态， 由 乌 、a ， 和占 三 个 参 量 完 全决 定 根 据 式(2 l 4) 可以 画出 平面电磁 波电 场矢量的 轨迹图。 这是一个带有 方向 性的 椭圆， 如图2 1 . 1 所 不 o 硕 上 论 文极化识别答方案的设计研究 图2. l i 平面电 磁波的极 化椭圆 极化的正反旋向的规定: 某一种椭圆极化波， 除由某一特定的长轴方向和轴比确 定外，电场强度矢量在x y平面内的旋转方向也是一个重要的特征。旋向反映出该极 化的水平和垂直两个分量之间的相位关系。 水平分量滞后则合成矢量为右旋; 水平分 量超前则 合成矢量为左旋。 正e e 在19 93年规定 的旋向 定 义为， 当观察 者顺着电磁 波 传播方向 看时， 在传播路径的 某个固 定位置上 ( 如天线端) ，电 场矢量 随着时间 顺时 针旋转者为右旋， 逆时针旋转者为左旋. 对于任意一个极化椭圆，可以用三个几何参 量来完全 描述， 即椭圆方向角甲， 椭圆率角x 和椭圆尺寸a:甲和x 如图2. 1 . 1 中所示， 甲司。 ， 川，x 任 卜 万 /4， 汀 /4 。 通过这两个角度，就可以 完全描述椭圆的 形状。 此外， 椭圆率角x 的符号还可以 表示极 化椭圆的 方向 性， 当x 0 时，椭圆是 左极化。 椭圆 尺寸 a定义为 极化椭圆长半 轴与短半轴所构 成的直角三角 形的斜边长，代表电磁波的功率密度。 在 某 些 特 殊 情 况 下， 极 化 椭圆 会 发 生 变 形 当气= 0 或 者丐= 。 时 ， 极 化 椭圆 退 化成一条 线段， 对应的 极化方式是 线极 化， 特别当甲= 0 或者厅 12时， 电磁波的极化 方 式 分 另 “ 为 水 平 线 性 极 化 或 者 垂 直 线 性 极 化 ; 当 a : = a ， 并 且 = 士 晋 时 ， 极 化 椭 圆 退 化成圆 极 化， 正负号分别对应左旋圆 极化和右旋圆 极化。 极化直观的表现为一个椭圆， 根据电磁波的性质， 可以用一个极化椭圆来描述电磁波的极化状态。 一种特定的极化 状态总是和一个特定的归一化极化椭圆相对应。该归一化椭圆由两个参数即可确定。 2 . 1 . z j o n es矢量 当 将一个单色波的电 场矢量分解为沿两个 互相正交的极化 状态的 分量时，可以 用jo ne s 矢 量 的 形 式 来 表 述 某 种 极 化 状 态 121 1 . 当 以 水 平 与 垂 直 线 极 化 作 为 极 化 基时 ， 硕 t 一 论文 极化识别器方案的设计研究 电 场 强 度 为 e 的 电 磁 波 ， 其 极 化 状 态 的 jo nes矢 量 为 风 ，阳r 或 lap. cosa ， sin 。 ej. ;， a 为 矢 量的 绝 对 相 位 ，p 为 垂 直 分 量 超 前 水 平 分 量 的 相 对 相 位 . 尹 为 正 值 时为 左 旋， 少 为 负值时为右旋， 它们和前述极化椭圆 参数之间的关系为 扭 n z 甲= 伽1 2 a cos 尹 s inzx = sin za sin 少 ( 2 . 1 . 5) 当 以 右 旋(r) 与 左 旋(l) 圆 极 化 作 为 极 化 基 时 ， 极 化 状 态 的 jone s 矢 量 为 阵 ， ，e : r 。 j one s 矢量 用有方向 的电 场来描述电磁波。 对于完 全极化波的电 场， 用水平 ( h ) 和 垂 直( v ) 极 化 基 来 表 示 为 !e * ， e ， it 。 电 场 有 三 个 独 立 参 量 ， 两 个 分 量 的 幅 度 和 相 对 相 位。 对于一个确定 频率的电 磁波， 用这三个量可以完全表 示出电 磁波的极化方向和 幅 度变化规 律.因 此， jo nes 矢量 适合于描述相干电 磁波 ( 即 完全极化波) 。 正交线极化基时，电场为 卜 e : ，e ， r = ie i co s a ， s in a e ， r 2 ， 6 ， 其 中 a 为 矢 量的 绝 对 相 位， 尹 为 凡超 前凡的 相 位， 护 为 正 值 代 表 左 旋 ， 负 值 代 表 右 旋。j one s 矢量的复极化比为 _ _ e 。 j 口 二e _ 腮， ，任号e，护=1 田 l a 扩r .一e x ( 2 . 17) 由 极 化比的 虚部也可以 看出极化的 旋向 :i m ( p) 0 ，则为左旋的，如果 i m(p) 0 ， 则为右旋的. 表2 . 1 . 1 是一些常见 极化状 态的 几何描 述符、 极化比、相 位描述符及归 一化jo nes g 硕士论文极化识别器方案的设计研究 矢 量 . 这 里定 义 极 化比p lv = e 涯h， p l r = e r 尼 l， ，相 位 描 述 符丫 ， 加 口 丫 h 广 ev l l ! e h i ， . ， 1 丫 lr ， i e r i /iel i . 表2.1 . 1 常见极化状态的参数 二 藻 哭 8r 水平、 垂直线极化基( h v ) 户 月 vy rv 声 附b( 月v) 左、 右旋圆极化荃( l r ) 户 . 7 “ 价 胡万( lr ) 水平 线极化( h ) 垂直线极化( v ) 左旋圆极化( l ) 右旋回极化( r ) 4 5 线极化 1 3 5 . 线极化 0o 。于 + 于 - 4 “ 于 。一 于 ; 一 号 一 : 1一 于 于六 巳 一 ， 于 一 于 六 1 1 1 于 。 六: 一 1 于 【 六 生 1 1 于 。 六 : 一 ; 于封 刀 1; 一 奋一 : ， 于 号十 :二 : 一 ， 于 一; 专 二 :军 : 2.l 4 sto k es矢量 g co rg e s t o k e s 在部分极化波的 研究中， 于1 8 52年引 入了 表征 一个波的 振幅和极 化的4 个具有强度量纲的 参数， 这4 个参数构成一个列向 量， 称为s t o k e s 矢量。 记stokes矢 量 为j = 肠 。9 ，9 29 3 了 ， 对 完 全 极 化 波 ， 其 中 各元 素 在以 水 平 与垂直极化为基时，分别为 闻叮 局 = 】e ， ， + 91 = 叮- ( 2 . 1 . 2 0) 。 = z ie : 1e ， co s ， 。 = z ie ， !e y ls in ， 四 个 参 数中 只 有 三 个 是 独 立的 ， 满 足90 ， = 91 ， + 9 2 ， 十 岛 2 . st o ke s 矢 量的 四 个 参 量 都 有 其 确 定 的 物 理 意 义 : 9 。 表 示 电 磁 波 的 强 度 ; 9 ， 给出 波 矢量的x 分量与y 分量的 强度差， 根据该电 磁波是y 线极化成分占 优势、 x 线极化成 论 文极化识别器方案的设计研究 分占 优 势 或 者 两 种 成 分 均 等 ， 取 值 分 别为 正、 负 或 者 零 :9 2 表 示 在 极 化 椭 圆 方 位 角 为士 4 5 时 的 线极 化 程 度，9 2 为 正 或 负 分 别 表 示电 磁 波 在+ 45 或一 45 方向 上的 线 极 化 分 量 较 强 ， 如 果9 : = 0 ， 则 表 示 这 两 个 线 极 化 分 量 一 样 强 ;9 3 表 示 圆 极 化的 程 度， 根 据 右 旋 圆 极 化 分 量占 优 势 、 左 旋 圆 极 化 分 量占 优 势 或 者 两 者 相 等， 9 3 分 别为 正 、 负或者零。 最后需要 指出的 是， 若散射粒子 是随机分布的 话， 在一个体积内， 不同粒子的散 射强度彼此无 关， 各随 机粒子的散 射波是独立的: 当 几个独立的波合成时， 合成波的 s t o kes 参量是各独立波 s t o k e s 参量之和，即 一 19 lg ， = 艺9 :， = 艺9 2， = 艺9 ， ( 2 . 1 . 2 1) s t o k e s 参量、极化椭圆的 几何参量以及极 化比 之间 存在着下面的关系: 9 。 ” ， 9 ， t g3 =a z = a z cos z x cos z 甲 =a z cos z x s inz 甲 = a z s inz x ( 2 . 1 . 2 2 ) ( 2 . 1 . 2 3) ( 2 . 1 . 2 4 ) 肠-90岛-gljg-，gl 1川。=+-+ 份甲岛-9 ，甲1卜 stap r.r.2飞月t 2 . 1 . 5彭加莱 ( p o i n c a 雌)极化球 十九 世纪法国 数学家p o m 。 刃 思 描述的极化球是极 化域的 生动反映。 极化域中的极 化状态都 和p o incare 球上的 点一一 对应。 根据公式 ( 2 . 1 . 2 2) 可以 给出s t o kes 矢量各 参 数 的 几 何 解 释: 9 ， 、 9 2 和9 ， 可以 看 作 是 半 径 为 9 。 的 球 上 某 点 的 笛 卡 儿 坐 标， z x 为 该 点 的 矢 径j 相 对 于x-丫 平 面 的 仰 角 坐 标， 且z x 的 符 号 与9 3 参 量 相 同 : 而2 甲则 是该点的矢 径j 相对于x-y内的 投影与x轴正方向 的夹角， 其符号以相对于x 轴正 方向 沿逆时 针方向 旋转 ( 由2轴正 方向 对 x-y平面 俯视观察) 为正。这 种几何 解释 是由pol n c a r e 引 入的， 故将该球称为pol n “ 盯 e 极化 球， 如图2 . 1 . 2 所示。 硕 +:论 文 极化识别器方案的设计研究 图2 . 1 .z p o in c a 比极化球 球 上 的 赤 道 代 表 所 有 的 线 极 化 族， 其 中 经 度 (2甲) 为0 和二 的 两 点x : 、 x : 分 别 为 水 平 和 垂 直 线 极 化 ， (2甲) 为可 2 和3 刁2 的 两 点兀 、 不 分 别 为4 5 线 极 化 和13 50 线极化 ， 其余各点代表 在波前 平面内 不同倾斜 度的 线极化。 北半球面上各点， 代表具 有 不 同 经 度 和 不同 椭 圆 率 角 x 的 所 有 左 旋 椭圆 极 化 族 ， 其中 北 极风 代 表 左 旋圆 极 化 。 南半球面上各点代表具有不同倾斜度和不同椭圆率角x 的所有右旋椭圆极化族， 其中 南极5 : 代表右旋圆 极化。 可见线极 化和圆极化仅 是全部极化状态中的特例。 2. 1 .6sto k es矢量与彭加莱 ( p oi nca 挽)极化球 5 句 k e s 矢量记为 90 1 ie 1一 ie 1一 ) 了 = 91 1= 咚 ， 一 平 f 一 1 1 及 1 1 2 匹 h !l.f l.co ， 沪 l 场 jl z ie 。 iie f !s in 沪 j ( 2 . 1 .2 5) ( 1 ) 水 平 极 化， 有e 。 = 0 ， 由( 2 .1 .2 5 ) 得 硕士论文极化识别疑方案的设计研究 岛 一 ie ， ， 局 一 e ， ， 9 2 = 0 肠= 0 ( 21 . 2 6) 这 个 点 是 + x 轴 与p oi ncare球 的 交 点 ， 通 常 记 作h ， 如图 2 .1 .2 中x ， 所 示 。 ( 2 ) 垂直极化， 有e 二 = 0 ，由 ( 2 . 1 . 2 5 ) 得 肠 = e ， 1， 91= 一 e 犷 岛= 0 场= 0 ( 2 . 1 . 2 7) 这 个 点 是 一 x 轴 与p o incare 球 的 交 点 ， 通 常 记 作v ， 如图2. 1 .2 中x : 所 示 。 ， 对 于 一 般 的 线 极 化， 如 果 e 。 和e 厂 】 不 为 零， 则 有e 、 和e f 反 相 ， 即 沪 = 0 或” ， 由 ( 2 . 1 . 2 5 )得 9 ， = 0( 21 . 2 8 ) 如果 e * 和阵 。 为 零 ， 也 有9 ， = 0 。 所 有 表 示 线极 化 的 点 均 位 于po incare球 的 赤 道 上 。 ( 3 ) 左旋 椭圆极 化: 此时 0 砂 0( 2 . 1 . 2 9 ) 由 此可见表示 左旋 椭圆 极化的 所有点均 位于pol n 以 ” 球的 上半球。 左旋圆极化点恰 好 在p of ncare球的 北极，即+ 2 轴与p o incare球的 交点。 ( 4 ) 右旋椭圆极 化: 此时有军 护 凡， 则 此时 无 千 扰， 若 接 收 信号尽可比 凡， 则 判断 干 扰 信 号 为 水 平极 化 信号， 此时 应 保持 发射垂直极化不变， 并使极化滤波器滤除 信号中 的垂直极化千扰信号. 硕士论文极化识别器方案的设计研究 发射水平极化波 不对称 发波垂波 持化除扰 保极滤干 令平器化 指水波极 发射滤直 判别 目标形状 1 对 称 ll、。 乙，。 、， _1 司比广 ， 于 ， 甲 ， 丁 ， 甲 竺 叮. 比权刀 h坷乙 娜 天杀卜 -卜 1 十扰为垂 直极化 e h 凡 改变发射极化 发射垂直极化波 发波水波 持化除扰 保极滤干 令直器化 指垂波极 发射滤平 比 较 e h 乌 万 ; 的 关系 止 e ， 少 e 。 比. _ 二 ，1 +扰为水平极化 此时无干扰 图5 滩 2极 化识别器程序框图 5. 5本章小结 在本 章中， 作者通过 对目 标散射特性 和近程雷达目 标散射矩阵的分析， 设 计了极 化识别器和对抗线极化千扰波的程序框图。 极化识别器中采用作者第三章 提出 的散射 矩阵 算法来首先对目 标特征进行识别， 然 后根据干扰波的极化特征， 采取相应的 措施来调整发 射极化以 及滤除干扰信号， 从 而达到抗干扰的目的， 为设计滤除圆极化的极化识别器做了基础性的工作， 对变极化 抗干扰雷达设计方案的完善具有重要的参考价值。 硕士论文极化识别器方案的设计研究 结束语 变极化技术是近年来在雷达千扰、 抗千扰系统中应用比较广泛的一项技术， 是一 个研究 热点， 各种新的 方法和理论不断出 现， 已 成为雷达干扰、 抗干 扰的一种有效的 技术手段。 本文首先从极化基本理论和极化 散射矩阵理 论入手， 推导出了一 种极化散 射矩阵 的 算法， 并利用matl ab 仿真工具， 对所提出散 射矩阵算法进行了仿真， 分析了对称 目 标和非对称目 标的仿真情况， 并在进 行门限 检测时 采用奈曼一皮尔逊准则， 得出了 检 测概率;比 较不同情况下的检测概 率， 对系 统设计提出了要 求. 其次 设计了可 用于 微波近感 探测中的变极化 抗干扰近程雷达实 现方案， 介绍了 系统从极化信号的发 射到 接收过程中千扰信号极化状态的测定 方法以 及目 标回波信号的 处理方式和原理， 阐 述 了 方案中数字变极化器和极化 滤波器的功能和 原理。 详细设 计了 极化识别器和 对抗线 极 化千扰波的程序框图，并对实现识 别器的硬 件提出 了要求。 作者在从事该项目和撰写本文的过程中，深切地体会到当今科技技术飞速的发 展， 随着对目 标极化信息的不断 研究， 雷达目 标识别上的许 多技术难题会迎刃而 解。 作者坚信， 随着变极化技术的不断进步， 变极化技术必然会在以后的雷达系统中得到 广泛的应用。 本文 对目 标极化信息及其处理以 及 变极化技术 进行了 充分的探讨和研究， 并推导 出了 可用 于检测任意目 标新的 极化散射 矩阵 算法， 提出了 可用于变极化收发系统的 极 化识别器 方案。 然而由于作者 水平的 关系 和时间 有限， 关于极 化散射矩阵算法上还存 有不完善的 地方， 极化识别器实现方案 还存有不 足之处， 下一步研究中， 在进一步完 善方案的同 时， 要对信号处理方案及硬 件实现作 详细的探讨研究. 硕士论文极化识别器方案的设计研究 致谢 两年的 研究生活即将结束， 回顾过去， 有太多值得我永远铭记 在心的经历。 这是 我校园生涯的结束， 也是我学习生涯的另一个起点。 很快我将带着亲人、 老师和无数 关心我的人对我的期望，走向社会，开始我新的生活。 论文完成之际， 谨在此向 所有关心和帮助过我的人表示诚挚的谢意! 衷心感谢我 的导师赵建中副教授， 在我攻读硕士学位期间， 他在学业和生活上给予我悉心的指导 和无微不至的关怀和帮助。 导师渊博的学识、 严谨的治学态度、 开放的思维、 敏锐的 洞察力、 对事业孜孜追求的精神以 及宽厚待人、 平易近人的品格使我终生受益。 导师 扎实的 理论基础和丰富的实践经验在学习 上给予了 我大量的启发和帮 助， 使我受益匪 浅。 他开朗的性格和积极的人生观时刻给予我奋发向 上的动力。 整个论文选题和撰写 的过程中，自 始至终都给予我悉心的指导， 使论文得以 顺利完成， 向导师赵建中老师 表达我深深的敬意。 感谢同教研室张英浩、葛健、 杨晨、顾村锋、胡力、王永亮、陈建国、吴晓霞等 师兄和师姐这两年里对我学习上的指导和生活上的帮助。 感谢师兄朱志浩在两年里对我学习和论文的关心和帮助。 感谢两年来朝夕 相处的 教研室的同 学韩冰、 汤志刚、 张旭、 吴宝东、 袁志、 夏文 勇、 徐颖，以及刘慧芳、 刘曦、 邢磊、田峰、韦家驹、 李波等师弟和师妹在我整个攻 读硕士学位期间学习上和生活中给予的关心和帮助。 特别感谢和我致力于同一研究领域的陈欲炜同学， 我们一起探讨和研究了许多彼 此关心的问题，从中我受益匪浅。 感谢我的父母和戚佳鸣同学给予我生活和学习上的关心和支持。 感谢你们这些年 来在精神上给予我的巨大的鼓励和支持， 在物质上提供了全力的帮助。 我能取得现在 的进步与你们的爱护是分不开的. 最后，向所有评阅此论文的各位专家和教授致以深深的谢意! 硕_ l 论文极化识别器方案的设计研究 参考文献 i c h aneyrd ， b url mcand n o v akl m.on th e perfon n a n c e of加l arim e tri c ta r g e l d e t e c t i on al g o ri t h m s ，r a d ar-9 0 z d eg ta ffsr ，s a r玩 妞 g ee nba n 二 ent via ada p t i v epol 州zati 。 斗 n t hes i s an d pol 州m e t ri cd e t ec t i o n卯rforman叨 pol arim e 侧ct echno i o gy worksh o p ， red stone 户 j s e n al ， a l ， a ug，1 9 8 8 3 n o v ak lm.千 叮 g e t d e t e c t l o n引 刀 d l e s u i n g细l ypol arim e tri c d a tacol l ec ted b y the l i n cohil ab mmw s a r，凡祖肚. 92 4 m /a n i e l 议 q s t ockd j凡 m e as u 代 月s ca tt e ri n g . m a 州 xd a t aandapol arim etric c f a r dd e c tor w州ch w o r k s o n 面s data，r 泊 山卜9 0 s p ottlere ， s ai l l ard. 0 p t 1 m a l pol arim e t i c d e t e d i ono f r a d a r targ e t ina sl o w l y fl u c 1 u a t i 呢 e nvi rol l l n e n t o f c l u tt e r ，r a d ar. 9 0 6 st i e e 斤 ater kc ， b rown rd ， v ar m i eol a vc ， wic k s mc .p o l 州sati onr a d a r p r o c e s s i n g te c hno l o gy.r a d cr e po氏a d 一 a25 2 4 2 ，1 9 8 9 7 g iul i d . p o l ax izati o n d i v ersityinradars. p roc. o f the i e e e ， voi .7 4 ， n o z ， f eb l 9 8 6 s k o stin s ki ab ， b o e r n e r w m. on the p o l ariza t i o ns con tl a sto p t i m i 乙 效 i on i eee t r ans ap 3 5 ， n o 7 ， j ul y ，1 9 8 7 g q研 /a n l e l 止 . r adaxp o l ariza t l onj a n u 刀 m g u s ing the s ll pe rl 沁 s i ti o n o f l 切 o f u l l y p o l ariz e dw如e s .iee e1 9 8 7 int e rr 口 t i o n alr 刁 d arc o l ifer e n c e 10 a . ra gr awalandw一 m.b 。 改 ” e ron th e c o n ce p t of 0 p t im alpo1 ariza t i ons in p ro b l em o f r a d l o w 如e p r 0 p a g 西onand p r o b ing .1 9 8 8 1 n t e m at i o nal s y m p 0 s i um on r 力 d i o p r o p agat i o 几b e ij i 咯 c i e ，1 9 8 8 l l w. m. b o e rne 几 m. b . ei一 a r i l l i ，c . 丫 c h an andp. m masto ri s .p o l ariz a t i o n d e pen d e n ce in el e c t r o m agn et ic 1 n v ersep r 0 bl e m s .i e eetra n s，a 刀 t e unas p r o p agat i o n ， v o l a p 一 9 ， m arl 9 8 i 1