CN103257340A - 一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，涉及微波遥感定标技术，以在轨星载SAR作为发射源，将多台地面接收机布设在定标场地一定范围内，对各台地面接收机接收到数据进行补偿处理，以减小多台地面接收机对同一功率电平信号的检测误差量，使多台地面接收机接收幅度一致。地面接收机接收星载SAR发射信号，通过在测绘带距离向内布设一系列地面接收机，可拟合SAR发射距离向天线方向图；通过在测绘带范围向布设单台地面接收机，可测量SAR发射方位向天线方向图。本发明的方法，采用星载SAR作为发射信号，多台地面接收机同时同地接收的方式，工作环境和工况具有高度的一致性，确保了幅度一致性标定结果的准确性和可靠性。

Description

一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法

技术领域

本发明属于微波遥感定标技术领域，具体是一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法。

背景技术

合成孔径雷达(SAR)是微波遥感的重要工具，其不受天气、地理和时间条件的限制，能提供全天时和全天候的连续观测，在微波遥感领域如军事侦查、资源探测、海洋观测、农作物估产、灾害防治、生态监测等方面得到了广泛的引用。

由于SAR系统的整个信号流程中存在着许多误差源，使得总体传递函数具有不确定性，造成雷达图像测量重复性差和雷达图像不能精确反映实际地物目标的回波特性。也就是说未经定标的合成孔径雷达不能实现对地定量观测，使得雷达图像高质量应用受到严重限制。为此，必需对SAR进行定标。

SAR定标的一个重要项目就是在轨天线方向图测量。星载SAR天线在地面已经进行过测试，但由于卫星发射时天线须折叠，待入轨后天线再展开，此过程不可避免带来天线一定形变，展开后在外太空失重和极度寒冷的条件也会导致SAR天线方向图实际形状与地面测试结果有一定差异。为实线精确定标，须以SAR工作时候的天线方向图作为定标处理的输入，因此，天线方向图在轨测试是SAR定标的一项重要内容，其精度直接影响到SAR图像的定标精度。

目前测量在轨天线方向图的主要方法之一是采用地面接收机。将多台地面接收机沿距离向布设在SAR测绘带内，当卫星飞过地面接收机布设区域后，单台地面接收机即可接收到SAR发射天线方位向天线方向图，多台地面接收机接收到的发射天线方向图进行距离校正和拟合后，即可得到SAR完整二维天线方向图。

考虑到地面接收机为射频有源设备，其精度和稳定度存在个体差异，即使接收相同的功率电平信号，其输出的测量结果也可能有一定差异，由此带来天线方向图的测量误差。因此地面接收机在实际使用前须进行一次幅度一致性标定，采用相同的信号输入到各台地面接收机，确保输入相同的情况下对各台地面接收机的测量输出进行修正。

一致性标定常用方法为使用标准增益喇叭发射信号、地面接收机接收的方法。标准增益喇叭架设在高处，单台地面接收机布设在远场条件规定的距离之外，先精确对准地面接收机接收天线和标准增益喇叭天线，标定时采用高稳定度的信号源输出一定功率电平的脉冲调制信号到标准增益喇叭，启动地面接收机接收并记录存储数据。一台标定完毕后移开，另一台挪到前一台的位置，再执行上述流程，然后对数据进行处理，找出修正值。

这个方法存在较多人为误差源，非理想的远场条件、各台设备指向对准不完全一致、信号源输出幅度随时间发生变化、各设备工作状况等都会影响最终测试结果。

发明内容

本发明的目的是提供一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，采用星载SAR作为发射信号，多台地面接收机同时同地接收的方式，工作环境和工况具有高度的一致性，确保了幅度一致性标定结果的准确性和可靠性。

为达到上述目的，本发明的技术解决方案是：

一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，其包括以下步骤：

步骤一：选择多台地面接收机布设场地：地面接收机的布设场地在来波方向的前方无遮挡，多台地面接收机布设时，相互之间的海拔高度相差不能超过5个雷达分辨率单元；

步骤二：地面接收机布设：地面接收机要布设于在轨星载SAR的测绘带内中心位置，确保地面接收机能接收到在轨星载SAR距离向主瓣发射的信号，同时相邻两台地面接收机布设时要沿着测绘带距离向拉开不少于5个雷达分辨率单元，沿着测绘带方位向拉开不少于30个雷达分辨率单元；

步骤三：地面接收机工作并获取数据：地面接收机采用电池或市电供电，因为发电机会产生频谱很宽的干扰，在幅度一致性标定时，不能用发电机供电；根据在轨星载SAR过顶时间和方位，设定地面接收机开机工作参数，待在轨星载SAR过顶后，根据地面接收机操作手册，获取各地面接收机接收的原始数据；

步骤四：数据处理：用软件对获取的数据进行处理，得到各台地面接收机的接收天线口面的功率密度，为反演值；对多台地面接收机的反演结果取平均值作为有效值；将各台反演值与有效值之差作为修正系数，在日后的历次接收数据预处理中均使用此修正系数修正反演值，直到下一次接收机幅度一致性标定。

所述的利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，其所述步骤一中场地的选择，以每台地面接收机的布设点为中心，10个雷达分辨单元乘30个雷达分辨单元的范围内高度落差不能超过2个分辨单元，特别是天线口面前方50个雷达分辨单元内不能有另外一台地面接收机或其他物体遮挡本地面接收机接收信号。

所述的利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，其所述步骤二中接收机布设，要确保各台地面接收机布设区域位于SAR发射方向图主瓣3dB照射区域，利于保持较高的信杂比，提高测试精度，同时要求多台地面接收机沿着在轨星载SAR测绘带内方位向布设，为避免相互干扰，沿距离向相邻两台地面接收机间要错开不少于5个雷达分辨率单元。

所述的利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，其所述步骤三中，地面接收机工作前须精确计算在轨星载SAR过顶本区域的时间，时间误差不能超过1秒，以便地面接收机能接收到在轨星载SAR方位向发射方向图的主瓣；须精确计算地面接收机接收天线的方位向和俯仰向指向值，指向误差不能超过0.5度。以确保地面接收机接收天线方向图与在轨星载SAR发射天线方向图对准。

所述的利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，其所述步骤四的数据处理软件，步骤如下：

A、检查地面接收机工作日志并校验数据，如工作日志显示设备未正常工作或数据校验不正常，则判定为无效数据，不参与下一步的数据处理。

B、分别处理各台地面接收机接收到的有效数据，得到每台接收信号功率电平值；

C、根据步骤A中得到的功率电平值，查询相应的地面接收机内置参数表，反推得到该地面接收机接收天线口面的功率密度值，为反演值；

D、统计各台地面接收机反演的天线口面功率密度值，剔除奇异点，剩下的数据平均得到接收天线口面功率密度的有效值；

E、以各台地面接收机反演值与有效值之差作各自的修正系数，记录到各台地面接收机参数表中，在日后的历次接收数据预处理中均使用此修正系数修正反演值，直到下一次地面接收机幅度一致性标定。

本发明一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法的优点在于：

(1)采用在轨星载SAR发射信号作为标准输入源，可以达到理想的远场效果，到达地面接收机接收天线口面的雷达波可以认为已经是平面波；

(2)各台地面接收机布设在SAR测绘带中间位置区域内，信号传播路径可以认为完全一致；

(3)各地面设备同时指向SAR信号入射方向，同时同地接收同一个源输出的相同功率密度的信号，在此试验条件下，各台地面接收机工作环境和工况具有高度的一致性，确保了幅度一致性标定结果的准确性和可靠性。

(4)数据处理中剔除明显误差的样本点，将其余样本平均值作为有效值，进一步提高了标定精度。

附图说明

图1是本发明一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法的地面接收机布设图；

图2是本发明一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法的数据获取和数据处理流程图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明方法作具体说明。应该指出，所描述的实施例仅仅视为说明的目的，而不是对本发明的限制。

本发明的一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，包括以下步骤：

步骤(1)：选择多台地面接收机布设场地：地面接收机的布设场地在来波方向的前方无遮挡，多台地面接收机布设时，相互之间的海拔高度相差不能超过5个雷达分辨率单元；

步骤(2)：地面接收机布设。如图1所示：根据轨道雷达卫星轨道预报数据计算测绘带覆盖区域和测绘带中心线，确定其测绘带中心线位置经纬度，在中心线附近布设多台地面接收机，根据雷达卫星的分辨率指标，两台地面接收机在距离向和方位向的距离在20～100个分辨单元之间，确保相互之间不会干扰。

步骤(3)：地面接收机工作并获取数据。如图2所示：首先将各台地面接收机展开架设到预订的GPS点位上，调整设备水平，确保设备基座处于水平状态，然后开机，运行正北标定程序进行正北标定；在地面接收机操作界面上输入工作参数，包括工作模式、过顶时刻、方位和俯仰指向角度、接收数据时间长度等。输入完毕后核查一遍确保无误；地面接收机进入预热工作状态，等待在轨雷达卫星飞临；当卫星飞过布设区域后，地面接收机天线将复位到初始位置，同时存储数据，此时可通过外接控制电脑下载数据。

步骤(4)：数据处理。如图2所示：将接收到的地面接收机数据进行校验，确保数据传输过程无误；对数据进行预处理，计算基地噪声，对脉冲采样数据顶端进行平滑处理，用顶端的DN值减去噪声基地DN值，得到与电平幅度向对应的绝对DN值；查询地面接收机内置参数表，得到此绝对DN值对应的功率电平值，再根据此功率电平值，反推天线口面的功率密度值，与根据在轨雷达卫星轨道参数和工作参数可计算出到达天线口面的功率密度的理论值比较，如果差异明显，可将此样本作为奇异值剔除。至此完成一台地面接收机的数据处理。重复步骤(4)，直至所有地面接收机数据处理完毕。计算所有有效样本的平均值，与各样本值之差为修正系数，存入相应的地面接收机中作为修正系数。

本发明的一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，其中：

步骤(1)中场地的选择，以每台地面接收机的布设点为中心，10个雷达分辨单元乘30个雷达分辨单元的范围内高度落差不能超过2个分辨单元，特别是天线口面前方50个雷达分辨单元内不能有另外一台地面接收机或其他物体遮挡本地面接收机接收信号。

步骤(2)中接收机布设，要确保各台地面接收机布设区域位于SAR发射方向图主瓣3dB照射区域，利于保持较高的信杂比，提高测试精度，同时要求多台地面接收机沿着在轨星载SAR测绘带内方位向布设，为避免相互干扰，沿距离向相邻两台地面接收机间要错开不少于5个雷达分辨率单元。

步骤(3)中，地面接收机工作前须精确计算在轨星载SAR过顶本区域的时间，时间误差不能超过1秒，以便地面接收机能接收到在轨星载SAR方位向发射方向图的主瓣；须精确计算地面接收机接收天线的方位向和俯仰向指向值，指向误差不能超过0.5度，以确保地面接收机接收天线方向图与在轨星载SAR发射天线方向图对准。

步骤(4)的数据处理软件，包括如下步骤：

A、检查地面接收机工作日志并校验数据，如工作日志显示设备未正常工作或数据校验不正常，则判定为无效数据，不参与下一步的数据处理；

B、分别处理各台地面接收机接收到的有效数据，得到每台接收信号功率电平值；

C、根据步骤A中得到的功率电平值，查询相应的地面接收机内置参数表，反推得到该地面接收机接收天线口面的功率密度值，为反演值；

D、统计各台地面接收机反演的天线口面功率密度值，剔除奇异点，剩下的数据平均得到接收天线口面功率密度的有效值；

E、以各台地面接收机反演值与有效值之差作各自的修正系数，记录到各台地面接收机参数表中，在日后的历次接收数据预处理中均使用此修正系数修正反演值，直到下一次地面接收机幅度一致性标定。

Claims (5)

1.一种利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一：选择多台地面接收机布设场地：地面接收机的布设场地在来波方向的前方无遮挡、周围无强反射物，多台地面接收机布设时，相互之间的海拔高度相差不超过5个雷达分辨率单元；

步骤二：地面接收机布设：地面接收机要布设于在轨星载SAR的测绘带内中心位置，确保地面接收机能接收到在轨星载SAR距离向主瓣发射的信号，同时相邻两台地面接收机布设时要沿着测绘带距离向拉开不少于5个雷达分辨率单元，沿着测绘带方位向拉开不少于30个雷达分辨率单元；

步骤三：地面接收机工作并获取数据：地面接收机采用电池或市电供电；根据在轨星载SAR过顶时间和方位，设定地面接收机开机工作参数，待在轨星载SAR过顶后，根据地面接收机操作手册，获取各地面接收机接收的原始数据；

步骤四：数据处理：用软件对获取的数据进行处理，得到各台地面接收机的接收天线口面的功率密度，为反演值；对多台地面接收机的反演结果取平均值作为有效值；将各台反演值与有效值之差作为修正系数，在日后的历次接收数据预处理中均使用此修正系数修正反演值，直到下一次接收机幅度一致性标定。

2.根据权利要求1所述的利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，其特征在于：所述步骤一中场地的选择，以每台地面接收机的布设点为中心，10个雷达分辨单元乘30个雷达分辨单元的范围内高度落差不能超过2个分辨单元，特别是天线口面前方50个雷达分辨单元内不能有另外一台地面接收机或其他物体遮挡本地面接收机接收信号。

3.根据权利要求1所述的利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，其特征在于：所述步骤二中接收机布设，要确保各台地面接收机布设区域位于SAR发射方向图主瓣3dB照射区域，利于保持较高的信杂比，提高测试精度，同时要求多台地面接收机沿着在轨星载SAR测绘带内方位向布设，为避免相互干扰，沿距离向相邻两台地面接收机间要错开不少于5个雷达分辨率单元。

4.根据权利要求1所述的利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，其特征在于：所述步骤三中，地面接收机工作前须精确计算在轨星载SAR过顶本区域的时间，时间误差不能超过1秒，以便地面接收机能接收到在轨星载SAR方位向发射方向图的主瓣；须精确计算地面接收机接收天线的方位向和俯仰向指向值，指向误差不能超过0.5度，以确保地面接收机接收天线方向图与在轨星载SAR发射天线方向图对准。

5.根据权利要求1所述的利用雷达卫星标定多台地面接收机幅度一致性的方法，其特征在于：所述步骤四的数据处理软件，步骤如下：

A、检查地面接收机工作日志并校验数据，如工作日志显示设备未正常工作或数据校验不正常，则判定为无效数据，不参与下一步的数据处理；

B、分别处理各台地面接收机接收到的有效数据，得到每台接收信号功率电平值；

C、根据步骤A中得到的功率电平值，查询相应的地面接收机内置参数表，反推得到该地面接收机接收天线口面的功率密度值，为反演值；

D、统计各台地面接收机反演的天线口面功率密度值，剔除奇异点，剩下的数据平均得到接收天线口面功率密度的有效值；

E、以各台地面接收机反演值与有效值之差作各自的修正系数，记录到各台地面接收机参数表中，在日后的历次接收数据预处理中均使用此修正系数修正反演值，直到下一次地面接收机幅度一致性标定。

Images