定标中角反射器的研究

书书书!#定标中角反射器的研究张婷!!!张鹏飞!!曾琪明!!!!遥感与$%!研究所北京大学北京&’’()&#北京空间信息集成与工程应用重点实验室北京&’’()&$收稿日期!*’’+,’(,&’!!修订日期!*’’+,’(,-&基金项目!(.-计划地球观测与导航技术领域!*’’(&*&(’.$%作者简介!张婷!&+(.#$女硕士研究生从事微波遥感方面的研究%!#$%&&/012345236’&*$&.-789:摘要!角反射器是合成孔径雷达!!#定标中使用最为广泛的无源点目标#开展角反射器的研究对于!#定标有着十分重要的意义$本文采用融入多层次快速多极子算法!;=;;的矩量法!;9;#对角反射器的雷达散射截面!#!进行计算#对比几种常用角反射器的性能#确定不同尺寸三角面角反射器#!最大值及相应的入射方向#分析加工尺寸%加工角度误差%入射角度偏差等对三角面角反射器#!的影响#总结角反射器在设计制作和安装过程中应考虑的问题$本文的分析结果对设计角反射器和!#定标具有重要的参考价值$关键词!合成孔径雷达&定标&角反射器&雷达散射截面’(%’&’7-+.+(?75@@27&’’’,-&))7*’&’7’-7’’&中图分类号!AB)+!!文献标识码!!!文章编号!&’’’,-&))!*’&’&’+,&!引!言合成孔径雷达!!#$定标主要可分为辐射定标和几何定标两大类%!#辐射定标就是标定!#系统测量目标后向散射信号幅度和相位的能力的过程也就是对雷达图像中的每个像素数据所代表的实际目标雷达截面积!#!$进行标定建立它们之间的对应关系%辐射定标分为两部分&内定标和外定标%内定标主要是使用内置设备的数据监测某些系统参数如发射脉冲功率等%外定标是指通过地面目标产生或反射的定标信号来标定雷达系统性能的过程即外定标用已知散射特性的点目标和分布目标测量系统定标常数’系统传递函数等%外定标需要一些已知散射特性的目标%最经常使用的作为参考点目标的是无源角反射器其优点是&结构简单’性能稳定’架设容易’成本低廉%!#几何定标就是测量引起!#图像几何失真的误差源用绝对定位和图像定向误差以及相应图像比例和扭曲误差等定标参数表示其特征的过程即对每个像素数据的位置进行标定%角反射器既可作为!#外定标的参考目标也可用作!#几何定标的控制点辅助进行几何定标%确定无源角反器的#!在整个辐射定标过程中非常重要角反射器加工制作中的误差会造成#!误差而角反射器在安装过程中位置’方向等误差则会影响入射方向导致入射角度偏离最大#!方向因此分析误差源对角反射器#!的影响也十分必要而正确进行角反射器的加工制作和安装布设可以减小误差提高!#辐射定标和几何定标的精度%计算#!的一般方法早在&+)’年$C9D3CA7#E8F(*)编写的*#1G1DD9@@!C84592H12GI99F+一书中有详细介绍%但当时还无法计算角反射器的#!%近年来随着数值算法的发展以及计算机软硬件性能的提升#!的计算变得快捷’精确%目前矩量法作为一种经典的数值方法应用范围广’结果精确%本文采用结合了;=;;的;9;方法计算几种常用角反射器的#!对比它们在辐射定标中的性能参数确定三角面角反射器更适合应用于外定标进而研究和讨论了三角面角反射器的#!特性分析一些误差源对其#!的影响总结角反射器在制作和安装过程中应注意的问题%*!常用#!计算方法#!的计算一般采用数值方法用计算机求解或者采用一些高频近似方法进行估计%高频近似方法如几何光学法’物理光学法’几何-6*’&’7-!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!遥感应用!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!遥感信息绕射理论等具有计算速度快’存储量少等优点但是该类方法在获取目标表面电流时采用的近似使其计算精度不高%;9;方法是求解微分方程和积分方程的一种重要的数值方法广泛应用于天线’微波技术和电磁波发射等方面常常作为评价其他数值算法结果精确度的标准%其基本思想是将一个泛函方程化为矩阵方程然后用人们熟悉的方法求解该矩阵方程%其计算精度高但是需要进行矩阵求逆等复杂运算计算量达到J!K-$的量级存储量巨大在处理电大尺寸目标散射问题时计算时间长消耗大量计算机内存%近十几年来随着计算电磁学的迅猛发展出现了快速多极子方法和多层次快速多极子算法!;=;;$该方法从电磁散射的矢量积分方程出发能够准确描述边界条件’互耦和矢量散射关系使得数值解法的计算量从J!K-$量级减少到J!K&7L$’J!K&7--$直至K93K的量级(-)%因此在处理电尺寸较大的目标时将;9;方法与;=;;算法相结合可以减小资源消耗缩短计算时间%-!常用角反射器的性能对比二面角反射器的#!随入射角变化很快只在很小的入射角范围内才能保证取得较大的#!值%而在实际安装过程中很难将角反射器的朝向调得十分精确使得实际#!波动范围较大所以二面角反射器使用得较少%三面角反射器在实际定标中用得最多%最常见的三面角反射器有三种分别由三个圆心角为+’!的扇形’三个正方形’三个等腰直角三角形组成如图&%其各类参数见表&其中!为工作波长!分别为方形面角反射器的正方形边长’扇形面角反射器的扇形半径’三角面角反射器的直角边长%图&!三种常用角反射器表&!三种常用角反射器性能参数对比K1:C#!:1M-GNO5G40PCD13C#!@QE1DC4D50CGD189D2CDDCRC849D&*%!6,!**LS’7)!6,!*@C849D4D50CGD189D2CDDCRC849D&L7.!6,!*-*S’76)!6,!*4D5123C4D50CGD189D2CDDCRC849D!6,-!*6’S’7&)!6,!*!!本文采用结合了;=;;的;9;方法计算上述三种角反射器的#!!T&7LU&’&’!T&’!TL67)S$其结果如图*%将每个入射角度的#!除以这些角度对应的最大#!对比三种角反射器在入射方向变化时#!减缩的速率如图-%图*!角反射器#!对比!GN$图-!角反射器#!减缩速率对比由图可知虽然三角面角反射器的#!值小于另外两种角反射器但是当入射角度变化时三角面角反射器的#!减缩速率最小在较大的角度范围内可以获得较大的回波功率%在实际的外定标过程中雷达波的入射方向不可避免偏离最大入射方向角反射器应当在较宽的入射角度范围内取得稳定的#!所以三角面角反射器相对另外两种角反射器应用更为广泛%本文选择三角面角反射器研究其#!特性%6!三角面角反射器的#!分析67&!三角面角反射器的#!计算结果及分析#!值与入射方向密切相关%当固定俯仰角方位角#在区间(’S+’S)上变化时的#!曲线如图6!其中!T&’!T)’S$%曲线关于#T6LS对称#!在#T6LS处取得较大值%当固定#变化时的#!曲线如图L所示!其中!T)!#T6LS$%从图中可以看出#!在处于LLS附近时取得较大值%66遥感信息!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!遥感应用!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!*’&’7-图6!#!与方位角的关系图L!#!与俯仰角的关系!!仅仅知道#!在和#方向的变化趋势还不足以得到#!最大值对应的入射方向要确定#!最大值出现的入射角度需要得到#!关于!#$变化趋势%对!T)!的角反射器计算其#!在在’S#+’S’S+’S范围内的变化趋势见图.%!1$#!与方位角的关系!I$#!与俯仰角的关系图.可以看出角反射器的#!在6’S#L’SL’S.’S范围内均取得较大值%对尺寸为6!#*L!的角反射器#!进行计算得到角反射器#!的最大值及对应的入射角度见表*%表*!不同尺寸角反射器的#!最大值@5/C,!#!:1M,GN,GC3#,GC36-&7&.L66LL-L7.(LL6L.-(76’L)6L)6’76LL)6*,6((6*7)*L-6&,6++667)-L66*,6(&’6.7L&LL6L&&6(76)LL6L&*6+7()L-6L&-L&7’’L-6&,6+&6L*7*-L.6*,6(&LL-76(L.6*,6(&.L67LLLL6*,6(&)LL7)-LL6L&(L.7((LL6L&+L)7L(L66L*’L(7-.L66*,6(*&L+7*LL.6-,6)**.’7’.L.6-,6)*-.’7(’LL6-,6)*6.&76+L66L*L.*7&)L66L!!67*!三角面角反射器#!的误差源分析67*7&角反射器加工尺寸误差对#!的影响通过计算建立尺寸误差占边长的百分比与#!误差的关系曲线如图)所示%图)!加工尺寸误差对#!的影响L6*’&’7-!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!遥感应用!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!遥感信息该曲线近似为两条射线即#!误差与加工尺寸误差,边长成正比%在实际加工过程中需要知道绝对误差限也就是实际的加工精度能够达到多少%当加工精度一定时加工误差的百分比随角反射器尺寸变化&::的加工精度对角反射器#!的影响如图(所示%图(!&::尺寸误差对#!的影响由于实际的加工精度有限在同样的加工条件下小尺寸的角反射器会受到比较大的影响%当加工精度达到&::时直角边长为*!的角反射器的#!误差将达到’7(-GN而边长为*L!的角反射器的#!误差不超过’7’LGN%67*7*角反射器加工角度误差对#!的影响理想的角反射器应该为三个厚度可忽略不计的三角形金属板组成%三角形板的厚度可以忽略在计算中可把它视为有限大平面简化计算%但是由于金属板非常薄在实际加工过程中将两个金属板组装在一起时两个板的正交性很难保证%角度公差对#!的影响如图+所示%图+!角度公差对#!的影响可以看出当角度公差小于’7LS时#!的变化很小但是当角度公差大于*S时#!明显减小%当角度公差小于’7LS时#!值越大#!误差越小%角度公差与最大#!误差的关系见表-%表-!角度公差导致的最大#!误差23CCDD9D@,GC3DCC;1M5:1#!CDD9D,GN’7*’7’)&.’7L’7&*)6&7’’7*(*-*7’’7(*.*!!取以上各条曲线6’S#L’S区间的点与无角度公差的情况对比求得其#!的减小量并取平均值得到#!误差与角度公差的关系图如图&’%图&’!角度误差对#!的影响由图可知当角度公差小于’7LS时其最大#!误差不会超过’7&-GN767*7-电磁波入射角度对#!的影响在实际定标中保证电磁波按角反射器#!最大值的方向入射比较困难平台的飞行姿态偏差’角反射器在安装过程中的位置’方向误差等都会造成入射角度的偏移%以边长为&’!的角反射器为例进行研究%计算其#!的最大值为$:1MT&)7(.6’:*$:1M!GN$T6.7+++*GN对应的入射方向为TL67*S#T6L7’S%计算入射角度在L’S#.’S6’SL’S范围内的#!并与最大#!进行比较得到&$!GN$T$:1M!GN$,$!GN$的等值线图!图&&$%图&&!入射角偏差对#!的影响图中数值越低的点#!值与最大值越接近%大致的趋势是偏离最大#!的入射方向程度越大其#!就越小%将图&&在最大入射方向附近放大得到图&*由图可知&!&$当入射方向逐渐偏离最大入射方向时#!逐渐减小并且偏离的角度越大#!减小的越多#!*$在最大入射方向附近#!对的变化更.6遥感信息!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!遥感应用!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!!*’&’7-加敏感所以’7&GN’’7*GN’’7-GN等值线在#方向延伸的范围较大因此在实际安装过程中俯仰角应该尽可能调准确#!-$轴向附近#!衰减十分缓慢偏离’7)S左右时#!下降仅’7LGN当入射角度误差#&S时#!的误差#’7&GN但是当入射方向偏离最大值方向较多时#!衰减的速率增大%图&*!角度偏差对#!的影响!放大图$L!角反射器的制作和安装角反射器一般用铝制的金属面板底座以适宜人们安装和测量为宜%在制