雷达宽角无源反射器的研究与设计--《南昌航空大学》2014年硕士论文
雷达宽角无源反射器的研究与设计
【摘要】：宽角无源反射器是作为靶标，解决雷达散射截面(Radar Cross Section,RCS)无法在较宽的散射方向图半功率波瓣0.5或3dB角度满足雷达最小可检测功率问题。与平板、角反射器相比，拓展了散射方向图；与金属球相比具有尺寸小、重量轻、RCS大、制作成本低的优点。本文概括了电磁散射特性，引用复杂目标在电磁计算过程中的步骤，提出高低频混合方法计算复杂目标的RCS；通过四象限角反射器的分析，总结了宽角反射器应具有的特点和设计要求；分析了复杂目标相互作用，考虑各散射中心产生的局部RCS和分布对复杂目标整体散射的影响，建立宽角无源反射器模型，结果表明所建立的宽角模型，不仅增加RCS值，而且散射方向图在较宽角度内，RCS平稳变化，达到了宽角设计要求。
本文在宽角无源反射器的设计分析中，做了以下几方面主要工作：
1．介绍了本文的研究背景、意义，电磁散射问题求解和用于伪装的阵列反射器国内外研究动态，分析了电磁散射特性，包括频率、极化和散射方向图等。
2．由于角反射器(阵)在时域、频域和空域上与海上实际目标对雷达的响应没有显著差异，本文选择三角形角反射器作为主要的研究对象，并把基于有限元法(Finite Element Method,FEM)的电磁仿真软件HFSS(全称High FrequencyStructure Simulator,高频结构仿真器)作为研究的工具，通过具体算例证明了低频有限元算法计算电磁散射问题的应用范围，并且具有很高的计算精度。
3．建立角反射器阵模型，对模型的散射方向图采用HFSS仿真分析，其散射方向图在水平和俯仰方位上得到一定的方向图角度拓展，雷达散射截面波动范围小于3dB，满足反射器宽角的设计要求。
4．在复杂目标在电磁计算过程中，提出高低频混合方法计算角反射器阵的RCS，给出采用高低频混合算法的主要步骤并提出计算公式，并对公式的适用性做了进一步的阐述，证明了计算公式的正确性。
【关键词】：
【学位授予单位】：南昌航空大学【学位级别】：硕士【学位授予年份】：2014【分类号】：TN957【目录】：
摘要4-5ABSTRACT5-9第一章 绪论9-19 1.1 研究背景与意义9-11
1.1.1 研究背景9-10
1.1.2 研究意义10-11 1.2 无源反射器的发展11-12 1.3 无源反射器的研究动态12-18
1.3.1 电磁学求解方法12-15
1.3.2 阵列反射器的研究动态15-18 1.4 本文的内容安排18-19第二章 无源反射器目标特性19-29 2.1 无源反射器19-21
2.1.1 双面角反射器19
2.1.2 三面角反射器19-20
2.1.3 龙伯透镜反射器20-21 2.2 电磁散射特性21-26
2.2.1 RCS 的双站特性22-23
2.2.2 RCS 的频率特性23-24
2.2.3 RCS 的极化特性24-25
2.2.4 RCS 的闪烁特性25
2.2.5 散射方向图25-26 2.3 复杂目标电磁计算26-27
2.3.1 目标相互作用26
2.3.2 分析的基本步骤26-27 2.4 本章小结27-29第三章 频域电磁散射验证29-41 3.1 电磁仿真软件的选择29-31
3.1.1 HFSS 特点29-30
3.1.2 HFSS 实现流程30-31 3.2 电磁场有限元法31-34
3.2.1 电磁场边界条件32-33
3.2.2 电磁场问题有限元求解33-34 3.3 HFSS 典型算例34-40
3.3.1 金属球扫频验证分析34-35
3.3.2 金属平板极化验证分析35-37
3.3.3 二面角反射器验证分析37-38
3.3.4 三面角反射器验证分析38-39
3.3.5 计算结果分析及结论39-40 3.4 本章小结40-41第四章 宽角无源反射器的研究41-62 4.1 三面角反射器的分析41-49
4.1.1 三面角反射器反射特性41-44
4.1.2 三面角反射器 RCS 计算44-46
4.1.3 三面角反射器散射方向图46-49 4.2 宽角无源反射器特点49-53 4.3 宽角反射器设计53-60
4.3.1 宽角反射器模型建立53-54
4.3.2 宽角反射器仿真分析54-59
4.3.3 误差来源分析59-60 4.4 本章小结60-62第五章 总结与展望62-63致谢63-64参考文献64-69发表论文和参加科研情况说明69-70
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关注我们官方微信关于跟谁学服务支持帮助中心低轨卫星激光角反射器的设计与检测
李松1&& 周辉1& 郑国兴1& 涂兰芬2& 杨晋陵1
1 武汉大学电子信息学院
2 航天科技集团五院501所
卫星激光测距(Satellite Laser Ranging，SLR)通过测量激光脉冲在地面观测站和卫星之间的往返飞行时间来计算卫星到测站距离。作为现代各种定位观测手段中单点采样精度最高的一种技术，SLR可直接测量卫星与地面之间的绝对距离，其测定成果具有确定性和无重大偏移的性质。基于对在轨卫星的精密测量以及全球激光测距网观测数据的综合处理，其观测成果可用于精密确定卫星轨道、研究地球板块运动、确定地球自转参数以及全球大地坐标系统的实现和维护。
实施SLR技术需要在卫星上安装激光角反射器。目前全球卫星激光测距已观测过的、正在观测中的以及将要投入观测的激光测距卫星大约有40颗。按功能可将上述卫星分成四类：第一类是地球动力学卫星，包括Ajisai、Etalon-1&2、LAGEOS-1&2、GFZ-1等。这类卫星通常是实心的球体，运行在高轨道上，表面布满后向角反射器。这类卫星形状规则、反射均匀，具有较小的面质比，且大气阻力和辐射压效应与卫星的指向无关，SLR的测量结果可以高精度地归算到它们的质心，定轨精度可达厘米级以上，其观测成果可用于解算地心、极移等参数，以进行地球动力学研究。第二类是地球遥感卫星，包括ERS-1&2， GFO-1 TOPEX/Poseidon等。这类卫星的形状一般不规则，作用到卫星上的大气阻力和太阳辐射压等都很大甚至不可预测。SLR能为该类卫星的轨道确定、卫星上安装的雷达高度计等载荷观测数据的精密标定，以及从海洋水准面的角动量变化中提取观测仪器的长期漂移等提供唯一的手段。第三类是定位卫星，包括GPS-35&36、GLONASS系列。这些卫星轨道高近20,000 km左右，利用SLR和GPS的并置观测可提高GPS系列卫星的定轨精度。第四类是其它一些科学试验卫星。它们中的很多是短期观测，如Tips卫星是美国海军发射的用于研究卫星间系拉试验，只观测了半年；Zeya卫星是俄罗斯发射的对高度计进行科学研究的卫星，也只观测了半年。这些卫星不仅形状不规则，有时还故意将其上的后向反射器特殊安装，来达到进行一定科学试验的目的。
低轨卫星，主要是地球遥感卫星相对地球激光测距站的速度极高，地面测站实施激光测距时可观测弧段很短，因此往往对角反射器的速差补偿、可观测的仰角范围有比高轨卫星高得多的要求。同时由于角反射器工作角度区间大，一般会采用半球形阵列结构，阵列结构参数会直接影响到测距误差。本文以武汉大学研制的我国首个低轨卫星激光角反射器型号产品&海洋二号卫星激光角反射器为例，分析低轨卫星激光角反射器的主要技术参数与检测方法。
2& 低轨卫星激光角反射器的技术参数
作为地面激光测距系统的合作目标，低轨卫星上安置的角反射器基本性能要求包括两个方面：一是能在较大的入射角范围内反射足够能量至地面测站，保证地面测站系统可稳定实施激光测距；二是角反射器阵列引入的测距误差必须控制在一定范围内，以保证激光测距成果的精度，以及由多站激光测距成果解算的卫星轨道的精度。
为满足第一个要求，需要从以下三个方面着手：
1) 构建由多个角锥棱镜组成的阵列，对于低轨卫星而言，通常是半球形阵列，在不突破体积、重量要求的前提下，使卫星角反射器具有足够的雷达散射截面，且在不同入射角条件下雷达散射截面基本稳定；
2) 构建与地面测站接收条件、卫星飞行轨道高度相关的角锥棱镜速差角计算模型、远场衍射能量分布数学模型，正确计算出在某一运行轨道上角锥棱镜应该具有的二面角、综合发散角和口径、面形误差的取值；
3) 设计角反射器阵列的构型，确定其结构参数，保证由阵列构型引入的测距误差，也即不同入射角条件下的角反射器质心改正值的变化在指定的范围内。
依据上述理论，我们可以计算出不同轨道高度的卫星上安装的角反射器阵列应该选择的所有计算参数。利用我们提出的、具有完全自主知识产权的角反射器技术参数设计方法与设计软件，我们对国外已经发射的典型低轨卫星角反射器进行了设计，并与国外产品的实测结果进行了比照。图1(a)是CHAMP卫星角反射器在三种不同的入射角条件下远场衍射光场分布的实测结果，图1(b)是使用我们的软件仿真计算的结果；图2是LAGEOS卫星激光角反射器在两种不同方位角条件下远场衍射光场分布的实测结果，(b)是使用我们的软件仿真计算的结果。仿真计算结果与国外卫星的实测结果高度一致，证明了我们设计理论与算法的正确性。
3& 海洋二号激光角反射器的测试
对角反射器所有技术参数进行完整测试是保证产品质量的重要手段。在产品研制过程中除了利用Zygo干涉仪，对角锥棱镜二面角、综合发散角进行了细致测试，通过控制实验环境，使二面角测量重复性精度达到0.1&P外，我们进行的最重要的测试还包括在热真空环境下对角反射器远场衍射分布的测试，以及对角反射器在不同入射角条件下的质心改正值的测试。图3给出了角反射器的远场衍射光场分布的测试光路图，图4是不同温度条件下远场衍射光场分布的实测图。
海洋二号卫星激光角反射器由9个角锥棱镜组成。由于采用半球形阵列结构，即使角反射器位置固定，激光束不同的入射角也会对应着不同的测距值。我们把这种误差叫做角反射器质心改正误差，质心改正误差来源如图5所示。
利用质心模型可以计算出角反射器质心改正误差如图6所示。我们建立了基于高精度全站仪的角反射器质心改正误差测量系统，实测了不同角度下激光角反射器产品质心改正误差。实测结果与理论计算值之间的最大差值不超过2 mm。
海洋二号卫星激光角反射器是我国第一个低轨卫星激光角反射器型号产品。卫星于日发射升空以来，全球已有超过20个地面测站实施了对卫星的激光测距。从全球卫星联测网公布的资料来看， 日，澳大利亚Yarragadee地面激光测站的测量弧段范围从仰角14.7&测量至仰角87.7&，观测弧段超过了海洋二号卫星规定的技术指标要求；激光测距误差除了与激光角反射器有关之外，还与测量的天气条件等诸多因素有关。根据国际联测网公布的结果，对海洋二号卫星的激光测距误差基本控制在1 cm以内。证明了我们研制的激光角反射器性能可靠，质量控制成功。目前，这一技术已应用于多颗资源卫星激光角反射器上。
李松，女，1965年5月出生，江苏镇江人，工学博士，武汉大学电子信息学院教授，博士生导师。主要从事激光遥感和光电检测方面的研究工作。近五年来主持航天工程项目、国防863项目、总装预研项目和十二五民用航天项目近10项，主持项目总经费超过1000万元。发表三大检索论文20余篇，申请发明专利5项。联系方式：ls@
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