CN109164425A - 应用于无人机载相控阵天线微波辐射计的分步定标系统及方法 - Google Patents

应用于无人机载相控阵天线微波辐射计的分步定标系统及方法 Download PDF

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Abstract

应用于无人机载相控阵天线微波辐射计的分步定标系统及方法，包括噪声二极管、匹配负载、功分器和定标开关，定标开关的数量n与相控阵天线的子阵数量一致；定标开关为单刀三掷开关，定标开关的一路输入接天线子阵输出的一路H极化信号；噪声二极管提供定标所需的高温信号，经过功分器输出n路信号分别至每个定标开关的一路输入；每个定标开关外接一个匹配负载，提供两点定标所需的常温参考信号；定标开关的三种状态分别对应于对地观测、对高温噪声源和对匹配负载的观测；工作时，波控机根据预先设计时序控制定标开关进行切换，每个扫描周期内完成对地观测以及不同子阵的两点实时定标。

Description

应用于无人机载相控阵天线微波辐射计的分步定标系统及 方法
技术领域
本发明设计一种相控阵天线微波辐射计的定标方法，属于空间微波遥感技术领域。
背景技术
无人机载相控阵天线微波辐射计的分步定标方法，为相控阵天线体制微波辐射计获取高定标性能提供了支撑，为系统实现反演生成海水盐度、海面温度和海面风速等海洋基本参数提供了保障，使系统能够满足我国近海域环境实时探测的应用需求，为海上经济活动提供重要的环境信息保障。
现有的机载辐射计定标方法都采用传统整体噪声注入单点定标方法，能够获取的定标参数单一，在相控阵天线体制下，无法对天线阵之间的定标误差进行修正以获得高精度定标性能；不具备飞行实时两点定标功能，定标时对接收通道和平台环境的稳定性依赖程度较高，无法实时获取高定标性能；不具备与卫星进行交叉定标功能。
发明内容
本发明的技术解决问题是：克服现有技术的不足，提供一种应用于无人机载相控阵天线微波辐射计的分步定标方法。
本发明的技术解决方案是：一种应用于无人机载相控阵天线微波辐射计的分步定标系统，包括噪声二极管、匹配负载、功分器和定标开关，定标开关的数量n与相控阵天线的子阵数量一致；
定标开关为单刀三掷开关，定标开关的一路输入接天线子阵输出的一路H 极化信号；噪声二极管提供定标所需的高温信号，经过功分器输出n路信号分别至每个定标开关的一路输入；每个定标开关外接一个匹配负载，提供两点定标所需的常温参考信号；定标开关的三种状态分别对应于对地观测、对高温噪声源和对匹配负载的观测；
工作时，波控机根据预先设计时序控制定标开关进行切换，每个扫描周期内完成对地观测以及不同子阵的两点实时定标。
进一步的，所述的定标开关数量n＝4，定标开关分别标记为K1，K2，K3， K4。
进一步的，所述的预先设计时序如下：天线电扫描周期为30s，共计13个扫描角度，每个扫描角度观测时间为2s，共计26s；每个扫描角度内，其中前 1.6s用于对地观测，后0.4s用于整体定标；扫描周期的最后4s为分步定标时间，天线4个子阵分步分时完成对高温噪声源、匹配负载的观测。
一种应用于无人机载相控阵天线微波辐射计系统，包括相控阵天线、权利要求1或3任一所述的分步定标系统、波控机、接收机、第一级低噪放、数控移相器、数据采集单元、卫星通讯单元以及系统控制单元；
系统控制单元发出系统工作启动信号，波控机通过数控移相器完成对相控阵天线电扫描周期和扫描角度的实时控制，并控制分步定标系统工作；
在相控阵天线进行电扫描时，信号经接收相控阵天线的子阵进行接收，每个天线子阵输出一路V极化信号和一路H极化信号，H极化信号经过第一级低噪放、数控移相器后，经合路器输出1路H极化信号至接收机，每个天线子阵输出的一路V极化信号直接经合路器输出一路V极化信号至接收机；H极化信号、V极化信号分别在接收机中完成变频、中频放大后，接收机将信号送到数据采集单元进行A/D采样和相关处理后，将数据发送给系统控制单元。系统控制单元将接收到的信号按照固定格式进行打包，同时和平台、卫星通讯设备进行数据交换，将数据包输出至机务平台；
卫星通讯单元每扫描周期内对卫星同步测量数据进行接收一次，并按照固定格式存放在数据包中，用于地面进行交叉绝对定标。
一种应用于无人机载相控阵天线微波辐射计的分步定标方法，通过下述方式实现：
(1)从第p个定标开关开始，将该定标开关记为Kp分别切换至高温噪声源观测状态、匹配负载观测状态，记录两种状态下相控阵天线微波辐射计系统中数据采集单元端的输出电压Vhotp、Vwarmp；其余将n-1个定标开关切换至匹配负载观测状态；
(2)根据定标方程的表达形式结合步骤(1)的结果分别得到如下方程：
(3)根据步骤(2)方程计算定标系数参数ap；
(4)依次对其余定标开关执行步骤(1)-(3)，得到n个定标系数参数ai；
(5)根据Thot、Twarm、Vhotp、Vwarmp(p＝1,……，n)结合公式(2-1)求出参数 b，进而完成一次分步定标。
进一步的，在步骤(5)之后，根据卫星同步测量数据结合步骤(5)参数确定后得到的定标方程，由地面完成交叉绝对定标。
进一步的，步骤(5)中根据Thot、Twarm、Vhotp、Vwarmp(p＝1,……，n)结合公式(2-1)求出n个参数b的值，对n个值进行一致性比对后确定最终的参数b。
进一步的，所述的定标方程为
其中，T′Ai为相控阵天线子阵视在温度。
本发明与现有技术相比有益效果为：
首次针对应用于无人机载相控阵天线微波辐射计系统，发明了一种分步式定标方法，能够相控阵天线不同子阵之间的观测误差进行及时修正，可以降低相控阵天线结构对环境温度均匀性和一致性的要求，提高相控阵天线的环境适应性，且定标精度高；
采用无人机载相控阵天线微波辐射计系统定标采用分步式定标方法，可以短时、分步获取相控阵天线的多个不同定标参数，能够实现对不同子阵之间的观测误差进行修正，定标精度高；具有飞行实时两点定标功能，定标周期短，能实时完成定标，降低了系统对于接收通道和平台环境稳定性的依赖，能克服接收通道增益变化对系统带来的不利影响；具备与卫星进行交叉定标功能，对系统误差进行修正，提升了系统定标性能。
本发明在一个扫描周期内进行分时、分步定标，能够对定标参数进行多次实时获取，获得高定标性能。
附图说明
图1为本发明无人机载相控阵天线微波辐射计系统组成框图；
图2为本发明时序图。
具体实施方式
下面结合附图及实例对本发明作详细说明。
首次针对应用于无人机载相控阵天线微波辐射计系统，发明了一种分步式定标方法，能够相控阵天线不同子阵之间的观测误差进行及时修正，定标精度高；具备实时飞行两点定标功能，能实时完成定标并获取高定标性能；可以完成与卫星的交叉定标，对系统误差进行修正，提升系统定标性能。
4.1系统组成简介
无人机载相控阵天线微波辐射计系统组成框图如附图1所示，由相控阵天线、定标单元、接收机、波控机、第一级低噪放、数控移相器、数据采集单元、卫星通讯单元以及系统控制单元组成，定标单元包括噪声二极管、匹配负载、功分器和定标开关。
工作时，系统控制单元发出系统工作启动信号，波控机通过数控移相器完成对相控阵天线电扫描周期和扫描角度的实时控制，并根据系统设计时序，控制定标开关K1～K4进行扫描和定标的模式切换，在每个扫描周期内完成对地观测和两点实时分步定标；卫星通讯单元每周期内对卫星同步测量数据进行接收一次，并按照固定格式存放在数据包中，用于地面进行交叉绝对定标。在相控阵天线进行电扫描时，信号经接收相控阵天线4个子阵接收进行，每个天线子阵将输出一路V极化信号和一路H极化信号，经过第一级低噪放、移相器后，经合路器输出1路V极化信号和1路H极化信号至接收机，在接收机中完成变频、中频放大后，接收机将信号送到数据采集单元进行A/D采样和相关处理后，将数据发送给系统控制单元。系统控制单元将接收到的信号按照固定格式进行打包，同时和平台、卫星通讯设备进行数据交换，将数据包输出至机务平台。
4.2主要技术内容
A.分步式定标方法
无人机载相控阵天线微波辐射计系统定标采用分步式定标方式，定标所需的参考信号由定标单元提供，定标单元原理图如图1所示，定标单元包括噪声二极管、匹配负载、功分器和定标开关。噪声二极管提供定标所需的高温信号，经过功分器输出4路信号分别至定标开关K1、K2、K3、K4；每个定标开关外接一个匹配负载，提供两点定标所需的常温参考信号；定标开关K1、K2、K3、 K4为单刀三掷开关，三种状态分别对应于对地观测、对高温噪声源和对匹配负载的观测；工作时，波控机根据系统设计时序控制定标开关进行切换，每个扫描周期内依次完成不同子阵的两点实时定标。
相控阵天线微波辐射计系统定标方程为：
相控阵天线子阵视在温度用T′Ai(i＝1,2,3,4)表示，a1、a2、a3、a4、b为分步定标所需确定的参数。
定标流程为：
根据辐射计定标方程：Vout＝aT+b，其中Vout表示输出电压值，T代表观测场景时对应的天线视在温度，a和b是根据辐射计实时定标确定的参数。
在无人机载相控阵天线微波辐射计系统中，相控阵天线分为四个子阵进行分步定标。相控阵天线子阵视在温度用T′Ai(i＝1,2,3,4)表示，相无人机载相控阵天线微波辐射计系统的定标方程为
分步定标所需确定的参数为a1、a2、a3、a4、b。
噪声二极管和匹配负载提供给定标开关输入端的噪声温度分别为Thot和Twarm，，对应的观测输出为Vhot和Vwarm。
飞行工作定标时，定标流程如下：
1)定标开关K2，K3，K4切换至匹配负载观测状态；
2)定标开关K1切换至噪声二极管观测状态，此时，数据采集单元输出电压Vhot1，根据公式(1)，则有Vhot1＝a1Thot+(a2+a3+a4)Twarm+b (2)
3)定标开关K1切换至匹配负载观测状态，此时，数据采集单元端输出电压Vwarm1
根据公式(1)，则有Vwarm1＝a1Twarm+(a2+a3+a4)Twarm+b (3)
4)根据求出a1的值。
5)同理可以确定ai(i＝2,3,4)的值；
6)，将Thot、Twarm、Vhoti、Vwarmi(i＝1,2,3,4)这十个值分别代入各自的公式 (2)求出4个b的值，根据一致性分析确定最终的b，至此完成一次分步式定标。
后续可以根据数据包中的卫星同步测量数据结合上述确定的定标方程，完成交叉绝对定标
B.时序设计。
系统时序设计如图2所示。
系统飞行工作时，波控机根据系统设计时序，控制定标开关K1～K4进行自动切换，完成对地观测和两点实时定标。天线电扫描周期为30s，共计13个扫描角度，每个扫描角度观测时间为2s，共计26s；每个扫描角度内，其中前1.6s 用于对地观测，后0.4s用于整体定标(4个开关同时切换至匹配负载或噪声二极管，同样计算出参数a和b，同后面分步式定标确定的a和b进行比对修正)；扫描周期的最后4s为分步定标时间，根据设计时序，天线4个子阵分步分时完成对高温源、匹配负载的观测，实现系统的分步定标，提升系统定标精度。
本发明已经经过海面外场试验验证，满足定标精度优于1K的系统指标要求。
本发明未详细说明部分属于本领域技术人员公知常识。

Claims (8)

1.一种应用于无人机载相控阵天线微波辐射计的分步定标系统，其特征在于包括噪声二极管、匹配负载、功分器和定标开关，定标开关的数量n与相控阵天线的子阵数量一致；
定标开关为单刀三掷开关，定标开关的一路输入接天线子阵输出的一路H极化信号；噪声二极管提供定标所需的高温信号，经过功分器输出n路信号分别至每个定标开关的一路输入；每个定标开关外接一个匹配负载，提供两点定标所需的常温参考信号；定标开关的三种状态分别对应于对地观测、对高温噪声源和对匹配负载的观测；
工作时，波控机根据预先设计时序控制定标开关进行切换，每个扫描周期内完成对地观测以及不同子阵的两点实时分步定标。
2.根据权利要求1所述的系统，其特征在于：所述的定标开关数量n＝4，定标开关分别标记为K1，K2，K3，K4。
3.根据权利要求2所述的系统，其特征在于：所述的预先设计时序如下：天线电扫描周期为30s，共计13个扫描角度，每个扫描角度观测时间为2s，共计26s；每个扫描角度内，其中前1.6s用于对地观测，后0.4s用于整体定标；扫描周期的最后4s为分步定标时间，天线4个子阵分步分时完成对高温噪声源、匹配负载的观测。
4.一种应用于无人机载相控阵天线微波辐射计系统，其特征在于：包括相控阵天线、权利要求1或3任一所述的分步定标系统、波控机、接收机、第一级低噪放、数控移相器、数据采集单元、卫星通讯单元以及系统控制单元；
系统控制单元发出系统工作启动信号，波控机通过数控移相器完成对相控阵天线电扫描周期和扫描角度的实时控制，并控制分步定标系统工作；
在相控阵天线进行电扫描时，信号经接收相控阵天线的子阵进行接收，每个天线子阵输出一路V极化信号和一路H极化信号，H极化信号经过第一级低噪放、数控移相器后，经合路器输出1路H极化信号至接收机，每个天线子阵输出的一路V极化信号直接经合路器输出一路V极化信号至接收机；H极化信号、V极化信号分别在接收机中完成变频、中频放大后，接收机将信号送到数据采集单元进行A/D采样和相关处理后，将数据发送给系统控制单元。系统控制单元将接收到的信号按照固定格式进行打包，同时和平台、卫星通讯设备进行数据交换，将数据包输出至机务平台；
卫星通讯单元每扫描周期内对卫星同步测量数据进行接收一次，并按照固定格式存放在数据包中，用于地面进行交叉绝对定标。
5.一种应用于无人机载相控阵天线微波辐射计的分步定标方法，其特征在于通过下述方式实现：
(1)从第p个定标开关开始，将该定标开关记为Kp分别切换至高温噪声源观测状态、匹配负载观测状态，记录两种状态下相控阵天线微波辐射计系统中数据采集单元端的输出电压Vhotp、Vwarmp；其余将n-1个定标开关切换至匹配负载观测状态；
(2)根据定标方程的表达形式结合步骤(1)的结果分别得到如下方程：
(3)根据步骤(2)方程计算定标系数参数ap；
(4)依次对其余定标开关执行步骤(1)-(3)，得到n个定标系数参数ai；
(5)根据Thot、Twarm、Vhotp、Vwarmp(p＝1,……，n)结合公式(2-1)求出参数b，进而完成一次分步定标。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：在步骤(5)之后，根据卫星同步测量数据结合步骤(5)参数确定后得到的定标方程，由地面完成交叉绝对定标。
7.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：步骤(5)中根据Thot、Twarm、Vhotp、Vwarmp(p＝1,……，n)结合公式(2-1)求出n个参数b的值，对n个值进行一致性比对后确定最终的参数b。
8.根据权利要求5或6所述的方法，其特征在于：所述的定标方程为
其中，T′Ai为相控阵天线子阵视在温度。
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