CN103245935B - 高精度sar有源定标器外校准系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种SAR有源定标器外校准系统，涉及遥感卫星技术，包括激光测距仪、标准反射装置、吸波材料。激光测距仪通过转接装置固定在有源定标器收发天线对称中心线上，并保证激光束所指方向与两天线口面法线平行；标准反射装置包括标准反射圆盘、四维调节机构和支架，标准反射圆盘作为标准，即能反射激光实现与有源定标器的对准，又有反射电磁信号提供雷达截面积标准的功能，并通过四维调节机构的伺服传动及控制机构调整使反射圆盘与有源定标器对准，支架支撑标准反射圆盘在一定的高度；吸波材料布设在有源定标器和标准反射圆盘中间的适当位置，来减小多路径噪声信号的干扰。

Description

高精度SAR有源定标器外校准系统

技术领域

本发明涉及遥感卫星技术领域，是一种高精度SAR有源定标器外校准系统，用于SAR有源定标器自定标测试。

背景技术

有源定标器在使用前需对其标称雷达截面积(RCS)值进行标定，通常的标定方法有两种：

方法一：分段测量法，根据有源定标器RCS计算公式：

$\mathrm{\σ}=\frac{{\mathrm{\λ}}^2}{4\mathrm{\π}}\·G_a{G}_T{G}_R$

其中：σ表示有源定标器的雷达截面积，λ表示电磁波波长，G_a表示有源定标器通道增益，G_T代表有源定标器发射天线增益，G_R表示有源定标器接收天线增益。

由公式可知，在波长一定的情况下，有源定标器的RCS值取决于通道增益和收发天线增益。此方法采用单独测量G_a、G_T、G_R，再根据公式和测量值来计算σ，这种方法的缺点在于三次独立测量所用测试仪器的累积误差会很大。

方法二：根据方法一的不足之处，后来提出了一种改良的测试方法，即：将G_a、G_T、G_R一次测出，具体方法是：按远场条件布设接收和发射天线，确保收发天线极化和指向对准无误，用仪器测量整个开环增益，再扣除空衰，即可测出σ，此方法避免了累积误差，但无法避免一次性测量中的仪器测量误差，且在测试过程中，收发天线极化调整和对中存在较大困难，测量开环增益需要一根很长的射频电缆，这样导致折损较大，也影响到测量精度。要提高测试精度，需考虑其他更高精度的测试方法和测试系统。

发明内容

本发明的目的在于提出一种高精度SAR有源定标器外校准系统，该校准系统不仅提供了具有高精度雷达截面积的圆盘反射器和伺服调节机构，而且提出了一种高精度的对准方案，减小了传统测试方法中的累积测量误差和光纤折损误差，避免了收发天线对准的难题。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种SAR有源定标器外校准系统，包括激光测距仪、标准反射装置、吸波材料；其中：

激光测距仪通过转接装置固定在有源定标器收发天线之间，位于收发天线的对称中心线上，且激光测距仪发出的激光束方向与两天线口面法线平行；

标准反射装置包括标准反射圆盘、四维调节机构、支架；四维调节机构包括外壳、转轴、伺服传动机构、伺服控制器，外壳内设有转轴、伺服传动机构，转轴水平设置，位于外壳中轴线上，与伺服传动机构动连接，转轴一端伸出外壳，伺服传动机构经导线与伺服控制器电连接，外壳底面与三角支架上端固接；转轴外端与标准反射圆盘背面中心固接，标准反射圆盘正面对向激光测距仪激光发射端；

在有源定标器和标准反射装置之间地面适当位置铺设多个吸波材料，以减少多路径噪声信号的干扰。

所述的SAR有源定标器外校准系统，其所述支架，包括支杆、支撑底座，板状三角支撑底座的三个角部上表面，分别与三根玻璃钢支杆下端固接，三根支杆上端分别与标准反射装置外壳底面固接；

或支撑底座，包括三个不锈钢圆盘支座、三根角钢，以三根角钢首尾相接成三角，在三角端各固接一圆盘支座，连接为一体；每一圆盘支座上表面与一玻璃钢支杆下端固接，支杆上端分别与标准反射装置外壳底面固接；

板状三角支撑底座、圆盘支座上有多个通孔，经通孔向地面打入钢钎定位。

所述的SAR有源定标器外校准系统，其所述标准反射圆盘，为导电性能良好的金属材料加工而成，表面设有镀层，标准反射圆盘的表面粗糙度为微米级，平面度为丝级，即能反射电磁波，又能反射激光，实现对准；

标准反射圆盘的大小由有源定标器校准所需要的参考雷达截面积决定，其公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}=\frac{4{\mathrm{\πS}}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}$

其中σ_ref参考雷达截面积值，S为标准反射圆盘的面积，λ为电磁波长。

所述的SAR有源定标器外校准系统，其所述四维调节机构，为四维伺服传动及控制机构，为标准反射圆盘提供了上下、左右两维位移调节和方位、俯仰二维角度调节的功能，标准反射圆盘实现对准后四维调节机构即自锁，同时提供本地和远程线控功能，方便试验时操作使用。

所述的SAR有源定标器外校准系统，其所述吸波材料，为经过浸碳工艺的聚氨酯泡沫，具有电磁波吸收性能及防火性能；

吸波材料包括两平板、实心角锥体、内插芯；两平板以铰链连接为一体，两平板正面覆有吸波聚氨酯泡沫，在泡沫与平板之间设有薄铝板，确保电磁波不经过吸波材料透射；两平板正面泡沫表面固接有多个实心角锥体，多个实心角锥体成矩阵排列，尖端向外；实心角锥体为角锥吸收体，内设有内插芯，在电磁波垂直入射和斜入射情况下均有宽带吸波性能；

运输时，两平板背面相靠，正面的实心角锥体尖端指向两侧；使用时，两平板张开成倒V形，以≥30°角度立于地面。

所述的SAR有源定标器外校准系统，其所述标准反射圆盘与有源定标器收发天线口面距离，要满足远场条件：R＞2D²/λ，D为天线口面和反射圆盘的最大线度，λ为电磁波长，其距离为2～6倍远场条件。

所述的SAR有源定标器外校准系统，其所述吸波材料铺设的适当位置，位于有源定标器与标准反射圆盘间电磁波的镜面反射处，吸波材料吸波方向对准有源定标器和标准反射圆盘，吸波材料的高度低于有源定标器天线口面和标准反射圆盘。

所述的SAR有源定标器外校准系统，其所述吸波材料的实心角锥体大小，与电磁波长有关，要求电磁波的垂直反射入射信号比＜-50dB。

所述的SAR有源定标器外校准系统，其包括两种对准方法：

一、有源定标器和标准反射装置的人眼视觉粗略对准；

二、激光测距仪与标准反射装置的反射圆盘配合对准：激光测距仪向反射圆盘正面中心发射激光光束，当反射光束和发射激光光束重合时，方向对准，同时，激光测距仪可精确地测量校准距离。

本发明的优点是：

1、校准精度高，此校准系统的校准精度一般能达到0.2dB以内。

2、对准方法简单，操作方便。

附图说明

图1为本发明的一种SAR有源定标器外校准系统整体结构示意图(其中，吸波材料没有示出)；

图2为本发明的一种SAR有源定标器外校准系统吸波材料布设示意图；

图3为本发明的一种SAR有源定标器外校准系统四维调节机构结构示意图；

图4为本发明的一种SAR有源定标器外校准系统吸波材料结构示意图；其中：

图4a为打开状态侧视图；

图4b为闭合状态侧视图；

图4c为正视图。

具体实施方式

考虑到现有技术的两种测量方法中仪器测量累积误差、天线对准和光纤折损误差等，本发明提出了一种SAR有源定标器外校准系统，其校准原理是：有源定标器进行自定标时，发射天线发射一由内部信号发生器产生的载频频率的脉冲信号，并由接收天线接收经标准反射器反射回来的信号，反射信号经过有源定标器转发路径延时放大后，再由发射天线发射，同时由内部的检波记录系统对回波信号进行取样记录。则相邻两次记录的回波信号功率的差值ΔP有如下关系：

$\mathrm{\ΔP}=\frac{\mathrm{\σ}}{4\mathrm{\π}{R}^2}\·\frac{{\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}}{4\mathrm{\π}{R}^2}$

其中：σ为有源定标器的雷达截面积；

σ_ref为标准反射器的雷达截面积；

R为标准反射器到有源定标器的距离。

上式表明σ_ref、R确定后，有源定标器的雷达截面积由相邻两次回波信号功率的差ΔP决定。

为了提高SAR有源定标器外校准系统的校准精度，本发明采用了以下技术措施：

1、利用激光测距仪与标准反射圆盘之间入射光和反射光的重合来实现有源定标器与标准反射圆盘的对准，其中天线的指向偏差是个固定值，可以通过校正来消除误差。

2、激光测距仪不仅能用来实现对准，同时可以进行测距，即测量有源定标器天线与标准反射圆盘之间的距离R。

3、为实现精确对准，本发明设计了一套高精度的四维调节机构，它由四维传动机构和伺服控制器组成，四维传动机构能帮助反射圆盘进行上下、左右两维位移调节和方位、俯仰二维角度调节的功能，伺服控制器提供了远程手持式控制器，操作人员能站在反射圆盘距离比较远的地方控制圆盘进行对准，操作使用非常方便，对准完毕，伺服机构还能实现自锁。同时提供本地和远程线控功能，方便试验时操作使用。

四维调节机构结构如图3所示，包括：底座1、方位转动轴2、方位传动与锁紧装置3、方位驱动电机4、三维运动底座5、竖直移动驱动电机6、螺杆传动机构7、竖直运动支座滑轨8、二维运动底座9、左右移动驱动电机10、左右移动滑轨11、一维运动底座12、俯仰转动驱动电机13、俯仰转动和锁紧装置14、俯仰转动轴15。

部件1为四维伺服传动部分的底座，在其上通过轴承与部件2方位转动轴相连，底座下面通过螺栓与支架相连。在部件1上面安装有部件3方位转动传动与锁紧装置和部件4方位驱动电机，其中部件3与部件2通过齿轮连接，部件3与部件4通过连轴器连接，通过部件2、3、4实现四维调节机构的方位转动和锁紧功能。在部件2顶部通过螺纹与部件5三维运动底座固联；在部件5上面固定安装有部件8竖直运动支座滑轨、部件6竖直移动驱动电机，部件5与部件7螺杆传动机构通过轴承连接，部件6和部件7通过齿轮连接；在部件7和部件8上端是部件9二维运动底座，其中部件7与部件9通过螺杆螺纹连接，部件8与部件9通过滑轨连接，螺杆转动可以带动部件9沿着部件8上下移动，实现四维调节机构的上下移动调节。在部件9上安装有部件10左右移动驱动电机、部件11左右移动滑轨和部件12一维运动底座，部件10和部件12通过齿轮连接，部件9与部件12之间为部件11，实现四维调节机构的左右移动调节。在部件12上面固定安装有部件13俯仰转动驱动电机和部件14俯仰转动和锁紧装置，部件13和部件14通过连轴器连接，实现俯仰转动传动和锁紧功能。部件14通过部件15俯仰转动轴与标准反射圆盘连接。部件4、6、10、13四个驱动电机通过电线与电源和本地控制电路相连，本地控制电路通过长距离电线与远程线控电路相连，本地控制电路和远程线控电路具有上下、左右、方位、俯仰四维运动控制功能按键，实现对四维调节机构的控制。

4、校准支架采用了玻璃钢材料，有效地避免了附加反射，支撑底座采用稳定的三角支撑结构。

5、在有源定标器和反射圆盘之间合理布设吸波材料，有效避免了多路径噪声信号干扰。

下面将结合图1、图2对本发明的一种SAR有源定标器外校准系统作进一步的详细说明：

1、如图1所示，有源定标器和标准反射器对准分两大步骤：有源定标器和标准反射器的人眼视觉粗略对准以及根据激光光束反射方向来调节的精确对准。

下面对精确对准部分详细说明：

精确对准的原理是从标准反射圆盘中心入射的光束和反射光束方向一致时，标准反射圆盘对准有源定标器。

精确对准分为以下几步：

①调整有源定标器的指向，使激光束打到标准反射圆盘上；

②通过伺服机构调整标准反射圆盘的指向，使激光束经标准反射圆盘反射的光线反射和入射光束重合；

③调整标准反射圆盘的上下左右位置，使激光束照射到标准反射圆盘的中心(直径为1cm的区域)。

由几何原理可知，这样调节对准后，有源定标器的机械轴线和标准反射圆盘的法线位于同一直线上。

2、吸波材料结构如图4(图4a、图4b、图4c)所示。吸波材料设计成实心角锥体形状，角锥体夹角越小表明角锥的坡度越陡峭，反射越小，同时可增加电磁波在两角锥间反射次数，增加吸收率，有利于性能的改善；内插芯的作用从宏观来讲主要有二方面的作用，一是展宽工作频段，特别是高频段，二是对不同极化波改进，使它们在不同极化电磁波照射下性能接近或一致，改善吸波材料性能；为避免电磁波有可能透过吸波材料，我们在聚氨酯泡沫与木板之间添加了一块薄铝板，这样电磁波如果绕过聚氨酯泡沫，也会被铝板反射回角锥体泡沫，经来回反射而消耗掉；吸波材料对L、S、C、X、Ku波段电磁波的垂直反射入射信号比小于-50dB。

3、如图2所示，吸波材料的摆放主要考虑经圆盘下边缘反射的波束3和波束5经漫反射刚好进入接收机以及主瓣-3dB宽度下边沿，波束4刚好打到反射器支架所在位置的临界状态。为排除两种情况下的多路径干扰，吸波材料分两排不同距离布设，布设位置如图2所示。

Claims (8)

1.一种SAR有源定标器外校准系统，包括激光测距仪、标准反射装置、吸波材料；其特征在于：

激光测距仪通过转接装置固定在有源定标器收发天线之间，位于收发天线的对称中心线上，且激光测距仪发出的激光束方向与两天线口面法线平行；

标准反射装置包括标准反射圆盘、四维调节机构、支架；四维调节机构包括外壳、转轴、伺服传动机构、伺服控制器，外壳内设有转轴、伺服传动机构，转轴水平设置，位于外壳中轴线上，与伺服传动机构动连接，转轴一端伸出外壳，伺服传动机构经导线与伺服控制器电连接，外壳底面与三角支架上端固接；转轴外端与标准反射圆盘背面中心固接，标准反射圆盘正面对向激光测距仪激光发射端；

在有源定标器和标准反射装置之间地面适当位置铺设多个吸波材料，以减少多路径噪声信号的干扰；

其中，所述标准反射圆盘，为导电性能良好的金属材料加工而成，表面设有镀层，标准反射圆盘的表面粗糙度为微米级，平面度为丝级，既能反射电磁波，又能反射激光，实现对准；

标准反射圆盘的大小由有源定标器校准所需要的参考雷达截面积决定，其公式为：

${\mathrm{\σ}}_{\mathrm{ref}}=\frac{4\mathrm{\π}{S}^2}{{\mathrm{\λ}}^2}$

其中σ_ref参考雷达截面积值，S为标准反射圆盘的面积，λ为电磁波长。

2.如权利要求1所述的SAR有源定标器外校准系统，其特征在于：所述支架包括三根支杆和一个板状三角形支撑底座，该板状三角形支撑底座的三个角部上表面，分别与三根支杆下端固接，三根支杆上端分别与标准反射装置外壳底面固接；

该板状三角形支撑底座包括三个不锈钢圆盘支座和三根角钢，以三根角钢首尾相接成三角，在三角端各固接一圆盘支座，连接为一体；每一圆盘支座上表面与一玻璃钢支杆下端固接，支杆上端分别与标准反射装置外壳底面固接；

板状三角形支撑底座的圆盘支座上有多个通孔，经通孔向地面打入钢钎以固定整个支架。

3.如权利要求1所述的SAR有源定标器外校准系统，其特征在于：所述四维调节机构，为四维伺服传动及控制机构，为标准反射圆盘提供了上下、左右两维位移调节和方位、俯仰二维角度调节的功能，标准反射圆盘实现对准后四维调节机构即自锁，同时提供本地和远程线控功能，方便试验时操作使用。

4.如权利要求1所述的SAR有源定标器外校准系统，其特征在于：所述吸波材料，为经过浸碳工艺的聚氨酯泡沫，具有电磁波吸收性能及防火性能；

吸波材料包括两平板、实心角锥体、内插芯；两平板以铰链连接为一体，两平板正面覆有吸波聚氨酯泡沫，在泡沫与平板之间设有薄铝板，确保电磁波不经过吸波材料透射；两平板正面泡沫表面固接有多个实心角锥体，多个实心角锥体成矩阵排列，尖端向外；实心角锥体为角锥吸收体，内设有内插芯，在电磁波垂直入射和斜入射情况下均有宽带吸波性能；

运输时，两平板背面相靠，正面的实心角锥体尖端指向两侧；使用时，两平板张开成倒V形，以≥30°角度立于地面。

5.如权利要求1所述的SAR有源定标器外校准系统，其特征在于：所述标准反射圆盘与有源定标器收发天线口面距离，要满足远场条件：R＞2D²/λ，R为有源定标器天线与标准反射圆盘之间的距离，D为天线口面和反射圆盘的最大线度，λ为电磁波长，距离为2～6倍远场条件。

6.如权利要求1所述的SAR有源定标器外校准系统，其特征在于：所述吸波材料铺设的适当位置，位于有源定标器与标准反射圆盘间电磁波的镜面反射处，吸波材料吸波方向对准有源定标器和标准反射圆盘，吸波材料的高度低于有源定标器天线口面和标准反射圆盘。

7.如权利要求1或4所述的SAR有源定标器外校准系统，其特征在于：所述吸波材料的实心角锥体大小，与电磁波长有关，要求电磁波的垂直反射入射信号比＜-50dB。

8.如权利要求1所述的SAR有源定标器外校准系统，其特征在于：包括两种对准方法：

一、有源定标器和标准反射装置的人眼视觉粗略对准；

二、激光测距仪与标准反射装置的反射圆盘配合对准：激光测距仪向反射圆盘正面中心发射激光光束，当反射光束和发射激光光束重合时，方向对准，同时，激光测距仪可精确地测量校准距离。