本发明属于雷达技术领域，具体涉及一种电磁特性测试无源极化校准方法。
背景技术：
在雷达目标极化散射矩阵的测量中，由于受到雷达各极化通道间存在增益失衡、交叉串扰及测量环境等因素影响，导致目标极化散射矩阵的测量值与其理论值存在偏差，极化散射矩阵测量值与理论值的关系可表示为图1。
图1中，雷达发射通道和接收通道的传输特性分别用传输矩阵t和r表示(其中，
m＝r·(s i)·t(1)
式中，m、s、i、r、t均为2×2矩阵。
上式可整理为
m＝r·s·t im(2)
式中，im为背景极化散射矩阵的测量值。
极化校准的意义在于，从目标极化散射矩阵测量值中尽可能地还原出其真实值，从而准确地获得被测目标的真实极化散射特性。由式(2)，可整理得到如下表达式
s＝r-1·(m-im)·t-1(3)
可见，若已知雷达发射通道传输矩阵t、雷达接收通道传输矩阵r和背景极化散射矩阵测量值im，通过式(3)计算，便可实现对任意目标的极化校准。im可通过直接测量背景获得，因此，极化校准的关键是如何准确获得矩阵t和r。
求解矩阵t和r的通常做法为：通过设计一个或多个极化散射矩阵已知的定标体，通过式(2)建立定标体极化散射矩阵测量值与其理论值关系，通过构建多个方程组求得矩阵t和r。
专利申请201510097312.3中提出了一种可旋转双天线有源极化校准器(dual-antennapolarimetricactiveradarcalibrators,dparc)用于极化校准，其原理框图如图2所示。接收天线和发射天线分别可绕各自电轴作0～360°旋转，实现以不同极化接收和转发，从而获得多种不同形式的极化散射矩阵。为提高天线极化纯度，申请人在收发天线口面处安装了极化滤波装置。
该专利中提出3中极化校准方案，其中与本发明相关的两种校准方案如下：
方案一的校准方案如下：
(1)转发天线与接收天线极化方式相互正交作同步旋转，此时，dparc的极化散射矩阵
(2)分别测量θ为0°、90°、45°状态下dparc的极化散射矩阵m1、m2、m3，在测量中，雷达信号经延时线及软件门处理后，目标区背景杂波im被消除；
(3)将m1、m2、m3及s1、s2、s3通过式(3)建立等式，建立各极化分量测量值与理论值的关系模型，通过联立8个方程组求解收雷达系统接受和发射通道的传输矩阵r和t。
方案二的校准方案如下：
(1)转发天线与接收天线极化方式相同作同步旋转，此时，dparc的极化散射矩阵
(2)测量收发天线旋转状态下的极化散射矩阵m，在测量中，雷达信号经延时线及软件门处理后，目标区背景杂波im被消除。将m中各元素应用傅里叶级数分别进行展开，有
其中wv表示所有的极化状态；
(3)将m及s通过式(3)建立等式，建立各极化分量测量值与理论值的关系模型，提取式(4)常数项系数和2阶项系数，令对应项系数相等，求解收雷达系统接收和发射通道的传输矩阵r和t。
该专利提出的可旋转双天线有源极化校准装置可提供多种极化散射特性，据此可发展多种极化校准算法用于极化校准。但仍存在以下不足：
(1)可旋转双天线有源极化校准装置研发成本相对较高，因此，应用此种方案进行极化校准测量的试验成本一般会比较高。
(2)单台dparc工作带宽有限，通常适用于某一个波段的极化校准，无法适用于超宽带极化校准。
另一文献“fujitam.,masudat.,satakem.sir-cpolarimetriccalibrationexperimentusingpolarizationselectivedihedral[j].ieeetransactionsongeoscienceandremotesensing,vol.36,no.6,pp:1872-1878,1998”提出了利用有源极化校准器(polarimetricactiveradarcalibrators,parc)和具有极化选择特性的二面角反射器(polarizationselectivedihedrals，psd)对sir-c进行极化校准。该文献中提出极化校准方案如下：
(1)将psd分别绕其视线轴以0°、90°姿态放置，可分别获得两种姿态下的极化散射矩阵
(2)分别测量0°、90°状态下psd的极化散射矩阵m1、m2，测量某姿态下的parc的极化散射矩阵m3。
(3)将m1、m2、m3及s1、s2、s3通过式(3)建立等式，建立各极化分量测量值与理论值的关系模型，通过联立方程组求解收雷达系统接收和发射通道的传输矩阵r和t。
该文献提出的应用parc和psd的极化校准方案具有校准方法简单且有效的优点，但仍存在以下不足：
(1)应用parc进行极化校准测量的试验成本相对较高，且单台parc的工作带宽有限，不适用于超宽带校准；
(2)针对静态雷达系统的校准需求，在测量极化定标体psm的过程中，需要先后更换定标体，在此过程中很容易使两个定标体的位置摆放不一致，从而造成系统的校准精度下降。
技术实现要素：
(一)要解决的技术问题
本发明要解决的技术问题是如何提供一种电磁特性测试无源极化校准方法，以将极化选择表面(polarizationselectivesurface，pss)用于极化校准，利用极化选择表面对不同极化电磁波的所呈现出其独特的极化散射特征，结合背景技术中的专利申请中提出的校准算法，可实现低成本、高精度、超宽带的极化校准工作。
(二)技术方案
为了解决上述技术问题，本发明提出一种电磁特性测试无源极化校准方法，该方法包括如下步骤：
步骤s1：雷达开机测量金属球定标体，记录金属球的测量数据；
步骤s2：雷达开机测量背景，记录背景的极化散射矩阵im；
步骤s3：将极化选择表面pss以0°姿态放置于目标支架上，雷达开机测量，记录此姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤s4：将各姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤s5：利用金属球测量数据进行定标处理，得到pss的复rcs因子β；
步骤s6：将被测目标放置于目标支架上，雷达开机测量，记录此姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤s7：将
步骤s8：将pss的极化散射矩阵测量值m0、m90、m45，应用式(16)～式(25)可求得测量系统的
将mt和各参数值代入式(9)即可完成该目标的极化校准，得到目标的估计值st，其中，
本发明还提供一种电磁特性测试无源极化校准方法，该方法包括如下步骤：
步骤-1：雷达开机测量金属球定标体，记录金属球的测量数据；
步骤-2：雷达开机测量背景，记录背景的极化散射矩阵im；
步骤-3：使极化选择表面pss绕雷达视线方向均匀慢速顺时针旋转n圈，n>＝1，雷达测量并存储pss转过n圈的全部极化散射矩阵测量值psm数据，记为
步骤-4：将极化散射矩阵测量值
步骤-5：利用金属球测量数据进行定标处理，得到pss的复rcs因子β；
步骤-6：将被测目标放置于目标支架上，雷达开机测量，记录此姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤-7：将
步骤-8：将mr各极化分量分别应用傅里叶级数进行展开，有
其中wv表示所有的极化状态，结合式(26)至式(29)，令对应项系数相等，可求得测量系统的
将mt和各参数值代入式(9)即可完成该目标的极化校准，得到目标的估计值st，其中，
(三)有益效果
本发明提出一种电磁特性测试无源极化校准方法，本项发明中提出将pss作为新型定标体用于极化校准，存在以下3个优点：
(1)它所具有的极化散射特性兼具了金属二面角反射器和金属平板的极化散射特征，为此，只需一个pss定标体便可替代传统上必须应用二面角反射器和金属平板组合才能实现的极化校准方案，避免了测量过程中先后两次更换定标体而可能引入的摆放误差，从而保证了极化校准的精度。另一方面，作为定标体，二面角反射器和金属平板的复rcs因子需要先后两次测量才能获得，而pss的复rcs因子只需一次测量便可获得，因此，pss作为定标体用于极化校准简化了定标测量过程。
(2)根据pss的极化散射矩阵特征，通过巧妙地设计pss的摆放姿态，可获得
(3)pss具有成本低廉的优点，且其在很宽频带内具有稳定的极化散射特性，因此，适用于室内宽带极化雷达测量系统的极化校准。
附图说明
图1为现有技术中极化散射矩阵测量误差示意图；
图2为现有技术中可旋转双天线有源转发器；
图3为电磁波入射pss示意图；
图4为正入射电磁波极化与pss位置关系示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、内容和优点更加清楚，下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。
极化选择表面(polarizationselectivesurface，pss)为由若干根平行金属导线按照一定间隔均匀排布而成的周期性结构，如图3所示。图中灰色部分为金属导线，要求其应具有良好的电导率。绿色平板为介质基板，要求其应具有良好的透波特性。
当一束平面波照射到一无pss上时(如图3所示)，随着入射电磁波极化方式不同，pss对入射电磁波表现为阻抗或容抗特征，从而实现其通态或阻态特性。pss的理想极化选择特性与雷达工作频率及其自身参数有关。
对于理想的pss，当正入射pss的电磁波的极化与金属导线平行时，pss呈现为阻态特性，此时电磁波能量全部被反射；当正入射pss的电磁波的极化垂直于金属导线时，pss呈现通态特性，此时电磁波能量将全部通过，无电磁波能量被反射。pss对极化电磁波的响应特性适用于很宽的频带范围。
将pss如图4(a)所示水平放置，使pss金属导线与水平面平行，此时pss的极化散射矩阵可表示为
s＝a-1·s0·a(5)
式中，
可见，pss的极化散射矩阵各分量是其旋转角的二阶三角函数，其极化散射特性相当于具有相同复rcs因子的金属平板与金属二面角反射器叠加，因此，只通过一个pss便替代传统的金属二面角反射器、金属平板组合应用方案，且无需更换定标体，避免先后两次定标测量，传统的极化校准方法可推广应用于pss。
由于背景对目标极化散射矩阵测量的影响可通过背景对消技术予以消除，因此，为便于表示，后续均不考虑背景im的影响，式(2)可表示为
对(7)式进行分解，有
式中，
对式(8)两边作矩阵运算，可得任意被测目标的估计矩阵
可见，只要获得
基于上述极化校准原理，本发明提出将pss作为定标体用于极化校准，并通过巧妙地设计极化校准方案，大大简化了极化校准算法的求解过程。本发明设计以下两种极化校准方案。
方案1：将pss分别置于0°、90°、45°，各对应姿态下的极化散射矩阵为
将式(10)、(11)、(12)分别代入式(8)进行展开,有
由式(13)、(14)、(15)中hh分量，有
联立(16)、(17)可得
将(18)代入(17)，可求出
至此，将上述各求解参数代入至式(9)便实现了对任意目标的测量极化散射矩阵的极化校准。
方案2：具体校准过程如下。
使pss绕雷达视线方向顺时针旋转，pss的极化散射矩阵形式如式(6)所示，将式(6)代入式(8)进行展开，省略pss的复rcs因子β，有
将pss的极化散射矩阵测量值m的各极化分量分别进行傅里叶级数展开，并仅保留常数项和二阶展开项，有
按照(26)和(30)、式(27)和(31)、式(28)和(32)、式(29)和(33)中各阶系数的对应关系，可建立若干等式关系求解
由式(34)、(35)、(36)可求得
rhh·thh＝c0,hh-a2,hh(37)
同理，对于vv极化分量，可分别求得
rvv·tvv＝c0,vv a0,vv(40)
将式(38)、(39)、(41)、(42)分别代入式(27)、(28)，并与式(31)、(32)中各阶项系数建立等式关系，便可求出rhh·tvv、rvv·thh。
至此，将上述各求解参数代入至式(9)便实现了对任意目标的测量极化散射矩阵的极化校准。
除了上述列举出的两种极化校准方案以外，还可考虑应用pss和二面角反射器结合用于极化校准，0°、90°姿态的pss可提供
实施应用举例：
为进一步说明采用本项发明在极化校准中如何具体应用，现分别对采用方案1和方案2的情况加以说明。
采用方案1的测量和极化校准处理步骤如下：
步骤-1：雷达开机测量金属球定标体，记录金属球的测量数据。
步骤-2：雷达开机测量背景，记录背景的极化散射矩阵im。
步骤-3：将pss以0°姿态放置于目标支架上，雷达开机测量，记录此姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤-4：将各姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤-5：利用金属球测量数据进行定标处理，得到pss的复rcs因子β。
步骤-6：将被测目标放置于目标支架上，雷达开机测量，记录此姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤-7：将
步骤-8：将pss的极化散射矩阵测量值m0、m90、m45，应用式(16)-式(25)可求得测量系统的
采用方案2的测量和极化校准处理步骤如下：
步骤-1：雷达开机测量金属球定标体，记录金属球的测量数据。
步骤-2：雷达开机测量背景，记录背景的极化散射矩阵im。
步骤-3：使pss绕雷达视线方向均匀慢速顺时针旋转n圈(n应不小于1)，雷达测量并存储pss转过n圈的全部psm数据，记为
步骤-4：将极化散射矩阵测量值
步骤-5：利用金属球测量数据进行定标处理，得到pss的复rcs因子β。
步骤-6：将被测目标放置于目标支架上，雷达开机测量，记录此姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤-7：将
步骤-8：将mr各极化分量分别应用傅里叶级数进行展开，有
其中wv表示所有的极化状态，结合式(26)至式(29)，令对应项系数相等，可求得测量系统的
需要注意的是：
(1)除了采用本发明选择的0°、90°、45°摆放姿态外，可选择其他任意三种不同pss的摆放姿态；
(2)应用二面角反射器和金属平板组合进行极化校准的方案均适用于pss。
本发明的技术关键点和欲保护点为：
(1)本发明提出的利用pss进行极化校准的技术方案。
由于测量背景对目标极化散射矩阵测量的影响可通过背景对消技术予以消除，因此，测量背景的影响可暂时不予考虑。目标极化散射矩阵的测量值与理论值之间关系可表示为
对(a.1)式进行分解，有
式中，
对式(a.2)两边作矩阵运算，可得任意被测目标的估计矩阵
可见，只要获得
基于上述极化校准原理，本发明提出将pss作为定标体用于极化校准，并通过巧妙地设计极化校准方案，大大简化了极化校准算法的求解过程。
记0°姿态的pss对应为其金属导线与水平面平行时的姿态，以0°姿态pss为基准状态，使pss绕雷达视线方向顺时针旋转
式中，β为pss的复rcs因子，可通过测量获得，为简化书写，后续推导过程省略β。由式(a.4)可见，pss的极化散射矩阵各分量是其旋转角的二阶三角函数，其极化散射特性相当于具有相同复rcs因子的金属平板与金属二面角反射器叠加，因此，只通过一个pss便替代传统的金属二面角反射器、金属平板组合应用方案，且无需更换定标体，避免先后两次定标测量，传统的极化校准方法可推广应用于pss。
基于pss极化散射特性特殊性，本发明设计以下两种极化校准方案。
方案1：将pss分别置于0°、90°、45°，各对应姿态下的极化散射矩阵为
将式(a.5)、(a.6)、(a.7)分别代入式(a.2)进行展开,有
由式(a.8)、(a.9)、(a.10)中hh分量，有
联立(a.11)、(a.12)可得
将(a.13)代入式(a.12)，可求出
据此，再结合式(a.8)、(a.9)，可求出
至此，将上述各求解参数代入至式(a.3)便实现了对任意目标的测量极化散射矩阵的极化校准。
方案2：参考前人提出将傅里叶级数用于极化校准的思想，该方法可推广应用于本发明，具体校准过程如下。
使pss绕雷达视线方向顺时针旋转，pss的极化散射矩阵形式如式(a.4)所示，将式(a.4)代入式(a.2)进行展开
将pss的极化散射矩阵测量值m的各极化分量分别进行傅里叶级数展开，并仅保留常数项和二阶展开项，有
按照(a.21)和(a.25)、式(a.22)和(a.26)、式(a.23)和(a.27)、式(a.24)和(a.28)中各阶系数的对应关系，可建立若干等式关系求解
由式(a.29)、(a.30)、(a.31)可求得
rhh·thh＝c0，hh-a2，hh(a.32)
同理，对于vv极化分量，可分别求得
rvv·tvv＝c0，vv a0，vv(a.35)
将式(a.33)、(a.34)、(a.36)、(a.37)分别代入式(a.22)、(a.23)，并与式(a.26)、(a.27)中各阶项系数建立等式关系，便可求出rhh·tvv、rvv·thh。
至此，将上述各求解参数代入至式(a.3)便实现了对任意目标的测量极化散射矩阵的极化校准。
(2)应用pss及pss结合二面角反射器进行极化校准的有关方案。
应用pss和二面角反射器结合用于极化校准，0°、90°姿态的pss可提供
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。
1.一种电磁特性测试无源极化校准方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤s1：雷达开机测量金属球定标体，记录金属球的测量数据；
步骤s2：雷达开机测量背景，记录背景的极化散射矩阵im；
步骤s3：将极化选择表面pss以0°姿态放置于目标支架上，雷达开机测量，记录此姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤s4：将各姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤s5：利用金属球测量数据进行定标处理，得到pss的复rcs因子β；
步骤s6：将被测目标放置于目标支架上，雷达开机测量，记录此姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤s7：将
步骤s8：将pss的极化散射矩阵测量值m0、m90、m45，应用式(16)～式(25)可求得测量系统的
将mt和各参数值代入式(9)即可完成该目标的极化校准，得到目标的估计值st，其中，
2.如权利要求1所述的电磁特性测试无源极化校准方法，其特征在于，所述步骤s3中的0°、90°、45°三种摆放姿态可替换为其他任意三种不同pss的摆放姿态。
3.如权利要求1所述的电磁特性测试无源极化校准方法，其特征在于，所述极化选择表面pss为由若干根平行金属导线按照一定间隔均匀排布而成的周期性结构，其金属导线应具有良好的电导率，其介质基板应具有良好的透波特性。
4.如权利要求3所述的电磁特性测试无源极化校准方法，其特征在于，随着入射电磁波极化方式不同，pss对入射电磁波表现为阻抗或容抗特征，从而实现其通态或阻态特性，pss的理想极化选择特性与雷达工作频率及其自身参数有关；当入射电磁波极化与金属导线平行时，极化选择表面呈现为阻态特性，此时电磁波能量全部被反射；当入射电磁波极化垂直于金属导线时，极化选择表面呈现通态特性，此时电磁波能量将全部通过，无电磁波能量被反射。
5.一种电磁特性测试无源极化校准方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
步骤-1：雷达开机测量金属球定标体，记录金属球的测量数据；
步骤-2：雷达开机测量背景，记录背景的极化散射矩阵im；
步骤-3：使极化选择表面pss绕雷达视线方向均匀慢速顺时针旋转n圈，n>＝1，雷达测量并存储pss转过n圈的全部极化散射矩阵测量值psm数据，记为
步骤-4：将极化散射矩阵测量值
步骤-5：利用金属球测量数据进行定标处理，得到pss的复rcs因子β；
步骤-6：将被测目标放置于目标支架上，雷达开机测量，记录此姿态下的极化散射矩阵测量值
步骤-7：将
步骤-8：将mr各极化分量分别应用傅里叶级数进行展开，有
其中wv表示所有的极化状态，结合式(26)至式(29)，令对应项系数相等，可求得测量系统的
将mt和各参数值代入式(9)即可完成该目标的极化校准，得到目标的估计值st，其中，
6.如权利要求5所述的电磁特性测试无源极化校准方法，其特征在于，所述极化选择表面pss为由若干根平行金属导线按照一定间隔均匀排布而成的周期性结构，其金属导线应具有良好的电导率，其介质基板应具有良好的透波特性。
7.如权利要求5所述的电磁特性测试无源极化校准方法，其特征在于，随着入射电磁波极化方式不同，pss对入射电磁波表现为阻抗或容抗特征，从而实现其通态或阻态特性，pss的理想极化选择特性与雷达工作频率及其自身参数有关；当入射电磁波极化与金属导线平行时，极化选择表面呈现为阻态特性，此时电磁波能量全部被反射；当入射电磁波极化垂直于金属导线时，极化选择表面呈现通态特性，此时电磁波能量将全部通过，无电磁波能量被反射。
技术总结